JP4862252B2 - 有機太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
有機半導体は、無機半導体に比べて材料が安価で製造が容易であるなどの利点を有している。但し、現段階では無機半導体に比べて光電変換効率が低いため、実用化を目指して、光電変換効率の高い有機半導体の開発が進められている。
非特許文献1には、有機半導体として、ペリレンベンズイミダゾール(PBI)とポリ[2,5−ジメトキシ−1,4−フェニレン−1,2−エタニレン−2−メトキシ−5−(2−エチルヘキシロキシ)−1,4−フェニレン−1,2−エタニレン](M3EH−PPV)とを組み合わせる技術が示されている。ITO/PBI/M3EH−PPV/Auという層構成の有機太陽電池で、光電変換効率η=0.71%(80mW/cm2)を達成できることが報告されている。
エー・ジェイ・ブリーズ他、「ポリマー−ペリレン・ジイミド・ヘテロ結合太陽電池」、応用物理学報告、アメリカ合衆国、アメリカ物理学会、2002年10月14日、p.3085−3087〔「Polymer-perylene diimide heterojunction solar cells : A.J.Breeze et al.」(APPLIED PHYSICS LETTERS、14 OCTOBER 2002、American Institute of Physics)〕
非特許文献1の技術では、PBI層およびM3EH−PPV層という2種類の半導体層を組み合わせて有機半導体層を構成している。しかし、両層の材料間で生じる光電変換作用は、実質的に両層の境界面だけで生じることになるため、光電変換作用が生じる領域が少なく、十分な光電変換効率が達成できないのではないかと考えられる。両層のうち、境界面からは離れたところの材料は、光電変換作用にはあまり関与していない。
有機半導体層として、複数の材料を混合した混合層を形成する技術も知られている。しかし、混合層にしても、それほど光電変換効率は上がらず、場合によっては、2層構造の場合よりも光電変換効率が低下することもある。その理由として、混合層の場合には、有機半導体層の両側に配置される電極層に、光電変換作用に関与する2種類の材料の両方が隣接して配置される問題がある。電極層と一方の半導体材料との間における電位障壁が低くなってしまって、光電変換作用がうまく行われなくなるのでないかと考えられる。
以下では、上記本発明の製造方法で得られる有機太陽電池を「本発明の有機太陽電池」などと称することがある。
〔有機太陽電池〕
基本的には、有機半導体の光電変換作用により発電する有機太陽電池であれば、通常の有機太陽電池と共通する技術を組み合わせて構成できる。
各電極層および有機半導体層のエネルギー準位の組み合わせによって、光電変換性能に違いが生じる。したがって、有機太陽電池の光電変換効率は、基本的には有機半導体層の材料選択によって決まるが、有機半導体層と両側の電極層との関係も重要である。
電極層は、通常の有機太陽電池と共通する材料および構造、製造方法が適用される。
通常、一対の電極層として、透明電極層と集電極層とを組み合わせる。
透明電極層として、透明なガラスやプラスチックフィルムの表面に、透明な導電材料で透明電極層を形成したものが使用できる。透明電極層の材料は、十分な光透過性と導電性を有していることが好ましい。
透明電極の材料として、ITO(indium tin oxide)、FTO(F doped tin oxide)等の導電性金属酸化物や炭素薄膜、導電性高分子などが挙げられる。通常の導電性金属膜を薄層にして光透過性を向上させたものでもよい。工業的に利用し易く性能的にもバランスのとれたITOが好ましい材料である。複数の材料層を積層して構成することもできる。透明電極層の厚みは、1〜10000nmに設定できる。好ましくは、10〜300nmである。透明電極層の光透過性は、通常は、光透過率70%以上に設定する。好ましくは、光透過率75〜100%である。光透過率は、波長450〜900nmにおける光透過率で規定する。特に、太陽光の波長域のうち可視光領域である500nm付近において光透過率の高い材料が好ましい。
〔有機半導体層〕
光の照射によって光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換作用を発揮できれば、通常の有機太陽電池と同様の材料とその組み合わせが採用できる。
有機半導体層の材料として、π共役系を有する有機物質が使用できる。具体例として、例えば、色素に包含される物質として、シアニン系、メロシアニン系、フタロシアニン系、ナフタロシアニン系、アゾ系、キノン系、キノイシン系、キナクドリン系、スクアリリウム系、トリフェニルメタン系、キサンテン系、ポルフィリン系、ペリレン系、インジコ系の物質が挙げられる。具体例として、H2Pc:29H,31H−フタロシアニン〔29H,31H−Phthalocyanine〕、MC:メロシアニン、Zntpp:5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリン亜鉛錯体〔5,10,15,20-tetraphenylporphyrinatozinc〕、H2tpp:5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリンが挙げられる。
有機半導体層は、2層以上の複数の材料層で構成される。それぞれの層を、上記した各種材料の単独層あるいは混合層で構成できる。
有機半導体層を構成する複数の材料層のうち、上下に隣接する2層を、第1材料層および第2材料層と呼ぶ。通常は、第1材料層を先に形成し、第2材料層を後で形成する。
第1材料層は、不溶性材料から形成されたものでも良いし、可溶性材料で形成したあと不溶化させることもできる。また、溶解性のものであっても、浸透構造あるいは厚み方向に連通する空間を形成できるものであればよい。第1材料層のうち、第2材料層との隣接部分には、第2材料層の材料の一部が第1材料層の連通空間に侵入して混在している混在領域が構成される。
有機半導体層の具体的構造例として、PA−PPV層あるいはMEH−PPV層と、PV層:ビスベンズイミダゾ〔2,1−a:1´,2´−b´〕アンセラ〔2,1,9−def:6,5,10−d´e´f´〕ジイソキノリン−6,11−ジオン〕〔Bisbenzimidazo[2,1-a;1',2'-b']anthera[2,1,9-def;6,5,10-d'e'f']diisoquinoline-6,11-dione〕(CAS55034−81−6)との積層構造が挙げられる。前記した非特許文献1に記載の有機半導体構造も採用できる。
<混在領域>
第1材料層に設けられる混在領域では、第1材料層を構成する材料と第2材料層を構成する材料とが混在している。
混在領域において、第1材料層を構成する材料は、隣接する第1材料のみの単独材料層と一体的に連続し、第2材料層を構成する材料は、隣接する第2材料のみの単独材料層と一体的に連続するようにしておく。第1材料と第2材料とが、互いに独立した粒子あるいは塊の状態で均一に混合されている混合層は、第1材料層と混合層の第1材料とが一体的に連続しておらず、第2材料層と混合層の第2材料とが一体的に連続していないので、本発明における混在領域の技術概念には含めない。
予め形成された第1材料層に、第2材料層の液膜を浸透させれば、上記のような連続一体構造が形成し易い。第1材料層の表面に供給された第2材料層の材料液の一部は、第1材料層の表面から連通空間の内部へと侵入して硬化する。連通空間内まで侵入して硬化した第2材料は、第1材料層の表面に形成される第2材料層と一体的に連続してつながった状態になる。
ここで、一体的に連続とは、物理的に別個の物体として分離しておらずに一体的に連続した一つの物体となっていることが好ましい。但し、物理的な意味では完全に連続した一つの物体にはなっていなくても、電気的な意味で一つの構造とみなせる状態で連続していれば、目的の機能は達成できる。例えば、第2材料層と混在領域の第2材料部分とが、物理的には境界があって分離されているが、電気的には一体とみなせる程度に接触している場合が考えられる。粒子同士が密に接触して電気的に導通している状態は、物理的には一体ではないが電気的には一体であるとみなせる。
混在領域における第1材料層の材料と第2材料層の材料との存在割合は、厚み方向において一定であってもよいし、厚み方向で存在割合が変化していてもよい。例えば、第2材料層に近いところでは第2材料層の材料が多く存在し、第1材料層側に近づくにつれて、第2材料層の材料の存在割合が少なくなるように設定できる。この存在割合の変化は、連続的であってもよいし、段階的であってもよい。予め形成された第1材料層に、第2材料層の液膜を浸透させる構造では、存在割合を連続的に変化させ易い。
第1材料層の全厚みに対する、第2材料層の材料が浸透あるいは侵入している混在領域の厚みの割合を、10%以上に設定できる。好ましくは90%以下である。より好ましくは20〜80%である。さらに好ましくは60%以下である。ここでの厚みは平均厚みで規定する。混在領域の厚みは、少なくとも5nm存在することが望ましい。混在領域の面方向における厚みの変動を、平均厚みに対して±10%〜90%の範囲に設定できる。好ましくは±50%以下である。
前記した透明電極層、第1材料層と第2材料層とを含む複数の材料層からなる有機半導体層、集電極層が、この順番で積層されていれば、その他の層構造については、通常の有機太陽電池と同様の技術が適用できる。
例えば、透明電極層、有機半導体層、集電極層、有機半導体層、集電極層と、光電変換作用に関与する構造部分を繰り返し積層する構造が採用できる。有機半導体層と集電極層との間などに、別の機能層を介在させることができる。各層を支持する支持基板を設けることができる。有機太陽電池を保護する保護層を設けることもできる。例えば、有機半導体層と集電極層との間に、導電性ポリマーなどの有機材料層を設けることで、大電流を発生させることができる。透明電極層と有機半導体層との間に、導電性金属薄層を設けることもできる。
導電性金属薄層は、有機半導体層で光電変換された電気エネルギーを効率良く取り出す機能を果たす。
導電性金属薄層は、導電性に優れた金属材料で構成される。また、透明電極側から有機半導体への光の供給を阻害しないように光透過性に優れた材料が好ましい。有機半導体層の光電変換作用や透明電極層への電気エネルギーの取り出しに悪影響を与えない材料が好ましい。具体的には、IA、IIA、VIII、IB、IIB、IIIB、IVBの各族元素群から選ばれる材料が好ましい。より具体的には、In、Al、Li、Sn、Mg、Ca、Ag、Au、Ptが挙げられる。複数の材料層を積層して用いることもできる。
導電性金属薄層の光透過率は、70%以上に設定しておく。好ましくは、光透過率80〜100%である。透明電極層と同様に、光透過率は、波長450〜900nmにおける光透過率で規定する。特に、太陽光の波長域のうち可視光領域である500nm付近において光透過率の高い材料が好ましい。
導電性金属薄層の作製は、通常の電子素子や電子回路における導電層の作製手段が適用できる。CVD、PVDなどの薄膜形成手段が適用できる。
基本的には、通常の有機太陽電池の場合と同様の作製手段や作製条件が適用できる。有機太陽電池を構成する電極層および有機半導体層の何れも、各種の物理的または化学的薄膜形成手段が採用できる。金属材料などは蒸着技術が適用できる。可溶性材料であれば、溶液のスピンコーティングによる膜形成手段も利用できる。
通常は、透明ガラスや透明プラスチックからなる基板の上に、電極層および有機半導体層を順次作製する。予め透明基板に透明電極層が形成された透明電極基板を利用することもできる。
有機半導体層は、一方の電極層の上に形成され、有機半導体層の上には他方の電極層が形成される。
有機半導体層を形成するには、有機半導体層を構成する複数の材料層を順番に形成していく。基本的には、通常の有機半導体層における各材料層の形成技術が適用される。その中で、隣接して形成される2層のうち、先に形成される第1材料層と、後で形成される第2材料層とを、以下のようにして形成することができる。
<第1材料層の形成>
第1材料層は、一方の電極層の上に、直接に形成される場合と、有機半導体層を構成する別の材料層の上に形成される場合がある。
第1材料層に、層の表面から厚み方向に連通して内部に通じる微細な隙間や空間が生じる膜形成手段や製造条件が好ましい。例えば、多孔質膜であったり、微細粒子の集積一体化層であったり、表面に深い凹凸が形成されたりするものが好ましい。真空蒸着などの物理的薄膜形成手段では、蒸着条件に応じて、このような隙間や空間が形成され易い。
第1材料層の厚みは、第1材料層に第2材料層の可溶性材料の一部が浸透あるいは侵入したときに、形成される混在領域の厚さを十分に確保し、さらに、可溶性材料のみで構成される第2材料層の厚みも十分に確保できることが望ましい。
<第2材料層の形成>
第2材料層には、可溶性材料が使用できる。可溶性材料として、第1材料層と協働して有効な光電変換作用が発揮できる材料が選択できる。例えば、n型半導体である第1材料層に、p型半導体である第2材料層を組み合わせることができる。
可溶性材料を含む液体を、第1材料層の上に塗工すれば、可溶性材料の液膜が形成される。粉体などの固体状をなす可溶性材料をそのまま、あるいは、分散媒に分散させた状態で、第1材料層の上に散布または塗工したあと、加熱等によって可溶性材料を溶解させ、可溶性材料の液膜を形成させることもできる。
可溶性材料の液膜を形成する具体的手段として、スピンコート、バーコート、スキージコートからなる群から選ばれる塗工手段が採用できる。
液膜の厚みは、後述する浸透工程を終え、第2材料層が形成された段階で、第2材料層の厚みを十分に確保できるように設定される。可溶性材料の種類、濃度、浸透条件などによっても異なるが、通常、10〜1000nmの液膜を形成する。
<浸透工程>
第1材料層の上に、第2材料層になる可溶性材料の液膜が形成されたあと、第2材料層の可溶性材料の一部を第1材料層に浸透させる。
そこで、第2材料層の液膜を第1材料層に強制的に浸透させたり、浸透を促進させたりする手段を講じることができる。
例えば、液膜の乾燥あるいは可溶性材料の硬化を遅らせることで、第1材料層への可溶性材料の浸透が促進される。可溶性材料あるいはその溶媒として、揮発性の低い材料を使用することが有効である。液膜の形成から可溶性材料の硬化を行う処理雰囲気を、可溶性材料あるいはその溶媒が揮発し難い雰囲気に維持することも有効である。溶媒の飽和蒸気雰囲気に維持することが有効である。温度を下げることで、溶媒を揮発し難くすることも有効である。環境の圧力を調整することで、溶媒の揮発を遅らせたり、第1材料層に有する微細な隙間や孔への可溶性材料の浸透を促進したりできる。
<硬化工程>
第2材料層の可溶性材料は、その一部を第1材料層に浸透させた状態で硬化させる。
前記した液膜の形成および第1材料層への浸透と同時に、硬化が始まっていてもよい。浸透工程が進行しつつ第2材料層の硬化が完了すれば、その時点で浸透工程および硬化工程の両方が終了する。
浸透工程のあとで硬化工程を行う場合、硬化工程では、浸透工程とは逆に、第2材料層の可溶性材料が出来るだけ迅速に硬化するような環境条件にすることができる。塗工工程および浸透工程と、硬化工程とで、周囲の環境条件あるいは雰囲気を切り換えることができる。具体的には、硬化工程では、加熱昇温によって、溶媒の揮発を促進したり、可溶性材料の硬化を進めたりすることができる。雰囲気中の溶媒や揮発成分を排除することも有効である。減圧雰囲気に晒すことも有効である。放射線などによる硬化処理も有効である。
有機半導体層を、1組の第1材料層と第2材料層に、別の材料層を加えて形成する場合は、第1材料層を形成する前、あるいは、第2材料層を形成した後で別の材料層を形成することができる。それらの材料層の形成方法については、特に限定されない。第1材料層あるいは第2材料層と共通する技術も採用できる。
<浸透以外の手段>
第1材料層の一部に、第2材料層の材料が侵入した混在領域を構成する手段としては、前記した浸透技術のほか、蒸着などの薄膜形成技術を利用して、第2材料層を構成する材料の微粒子を、直接に、第1材料層に有する厚み方向の連通空間に侵入させる方法を採用することもできる。この場合、第1材料層の連通空間に侵入可能な大きさの微粒子を用いる必要がある。
第1材料層の一部に第2材料層の材料が侵入して混在している混在領域が存在することを確認するには、有機半導体層の断面を電子顕微鏡で観察あるいは撮影する方法が採用できる。具体的には、TEM(透過型電子顕微鏡)装置が利用できる。撮影画像から、混在領域の厚みを定量することもできる。
また、混在領域の存在によって変化する吸収スペクトルを測定することでも、混在領域の存在が確認でき、混在領域の厚みを定量することも可能である。
AFM(原子間力顕微鏡)装置で、各材料層の表面構造を観察あるいは撮影し、それをもとに、混在領域の存在を予測することもできる。
これらの手段で確認された混在領域の厚みや状態のデータをもとにして、前記した浸透工程などの混在領域を形成する工程における処理条件を適切に設定することができる。
本発明にかかる有機太陽電池の製造方法では、光電変換機能を果たす有機半導体層の形成を、有機半導体層を構成する複数の材料層のうち、第1材料層の上に、第2材料層になる可溶性材料の液膜を形成したあと、第2材料層の可溶性材料の一部を第1材料層に浸透させてから、硬化させる。このような工程を経て形成された複層構造の有機半導体層は、第1材料層と第2材料層との間に、第1材料層の材料と第2材料層の材料とが混在する領域が、容易かつ確実に形成できる。前記したように、有機半導体層における光電変換作用が極めて効率的に行われ、有機太陽電池の光電変換性能を大幅に向上させることができる。
図1は、有機太陽電池の模式的構造を示している。
図に白矢印で示すように、下から上へと光が照射されるものとする。
下から順に、透明電極層10、導電性金属薄層40、有機半導体層20および集電極層30を備えている。透明電極層10と集電極層30には、外部に電力を取り出すための配線50、50が接続されている。有機半導体層20は、下側のn型層24と上側のp型層22との積層構造を備えている。n型層24のうち、p型層22と隣接する境界近くには、p型層22の材料が侵入して混在しているpn混在領域26が存在する。
有機半導体層20で発生した起電力は、集電極層30および透明電極層10から配線50、50を経て外部に取り出される。
このとき、透明電極層10の側では、有機半導体層20から導電性金属薄層40を経て透明電極層10へと電気エネルギーが伝達される。導電性に優れた導電性金属薄層40が効率的に電気エネルギーの伝達を果たし、配線50、50に取り出すことのできる電気エネルギーが増大する。有機太陽電池としての綜合的な光電変換効率が大幅に向上する。有機半導体層20と透明電極層10との間に、導電性の高い導電性金属薄層40が存在することによって、有機半導体層20で発生した電気エネルギーが、大きな損失を生じずに、透明電極層10から配線50へと効率的に伝達され、配線50、50に取り出すことのできる電気エネルギーが大幅に増大する。有機半導体層20の材料や構造は同じであっても、導電性金属薄層40が存在しない場合よりも、導電性金属薄層40が存在する場合には、有機太陽電池の実質的な光電変換効率が大幅に向上する。薄くても導電性の高い導電性金属薄層40は、透明電極層10から有機半導体層20への光エネルギーの到達を阻害することも少ない。
〔有機太陽電池の製造〕
有機太陽電池の製造は、基本的には、通常の有機太陽電池と同様の工程で行われる。
図1において、透明電極層10は、予めガラスなどからなる透明基板の表面に透明電極層10が形成された市販のITO基板などの透明電極基板を用いればよい。図1では、透明基板の表示を省略している。
透明電極層10の上に、Inなどからなる導電性金属薄層40を形成するのは、通常の物理的・化学的薄膜形成手段が採用できる。
図2では、有機半導体層20の第2材料層であるp型層22を、スピンコート法で形成している。図2(a)に示すように、n型層24の上に、塗工ノズル23などから可溶性材料液22aが供給される。図2(b)に示すように、n型層24を含む下部構造の全体を高速で水平回転させることで、遠心力によって可溶性材料液22aが、n型層24の表面に極めて薄い液膜を形成する。
液膜22aは、徐々に溶媒が揮発して乾燥硬化し、p型層22を形成することになる。
飽和蒸気雰囲気に維持された状態では、可溶性材料液22aの乾燥硬化に時間がかかる。その間に、可溶性材料液22aの一部が、重力の作用あるいは毛細管現象によって、n型層24の表面から内部まで連通している微細な凹凸や隙間を通って内部に浸透する。
その後、集電極30や配線50、50の形成を行えば、有機太陽電池が製造される。
〔pn混在領域の形成〕
図3、4は、pn混在領域26の形成過程を模式的に示している。
n型層24の上に、可溶性材料液22aを塗工すると、n型層24を構成する微粒子の表面に、可溶性材料液22aの液膜が形成される。表面張力や粘性などの作用があるので、液膜が直ちにn型層24の微粒子間の隙間を内部まで侵入することはできない。表面に露出した微粒子間の凹凸に沿って一部が落ち込む程度である。
〔有機太陽電池の作製〕
表1〜3に示す層構造の有機太陽電池を作製した。
透明電極層として、ガラス基板の表面に透明電極層となるITO層が形成された市販のITO基板を用いた。
(I)メルク・ディスプレイ・テクノロジー社製、型番:263−478−60、光透過率87%(波長500nmで測定)、厚み200nm、抵抗8Ω/□。
実施例および比較例の一部では、透明電極層の上に、導電性金属薄層になるInを蒸着形成した。使用装置は、真空蒸着装置(VPC−410、ULVAC社製)、膜厚モニター(CRTM−5000、ULVAC社製)、蒸着用電源(PSE、1.5kVA、ULVAC社製)であり、作業手順や処理条件は常法にしたがった。In層の光透過率は97%(波長500nm)であった。光透過率は、光度計(UV−3100、島津製作所社製)を用いて、波長領域450〜900nmの平均光透過率を測定した。
PV層の上に、有機半導体層のうちの第2材料層を形成した。第2材料層は、p型半導体となる以下の材料を用いた。
H2Pc:常法により合成。
MEH−PPV:商品名ADS100RE、アメリカン・ダイ・ソース社製。
重量平均分子量634000。
H2Pcは、真空蒸着により形成した。MEH−PPVとPA−PPVは、クロロホルム溶液を作製し、スピンコータ(1H−D7、ミカサ社製)を用いて、スピンコートした。クロロホルム溶液の濃度は0.15wt%程度であった。各実施例では、スピンコート処理の雰囲気を、25℃でクロロホルムの飽和蒸気雰囲気になるように設定した。クロロホルム蒸気中で10秒間保持してから、徐々に回転数を上げて、40秒後に2000rpmに到達させた。2000rpmで15秒間保持したあと、最後に大気雰囲気にして2000rpmで20秒間回転させた。比較例では、スピンコートの開始から硬化が完了するまで、大気雰囲気で行い、2000rpmで回転している第1材料層の表面に、0.4wt%程度のクロロホルム溶液を1滴落としてスピンコートした。
表1〜3において、単位nmで表す数値は、各層の厚みを示している。各層の膜厚は、走査型プローブ顕微鏡AFM(米国デジタルインスツルメンツ社製、コントローラNanoScopeIIIA、マイクロプローブD3100使用)を用いて測定した。
〔性能評価〕
作製された有機太陽電池について、以下の試験を行なった。
500Wのキセノンランプ(ウシオ社製)から照射された光を、分光フィルター(Oriel社製、AM1.5)に通すことで、擬似太陽光を得る装置(関西科学機械社製)を用いた。擬似太陽光の強度は、100mW/cm2であった。
短絡光電流密度(Isc)、開放光電圧(Voc)、フィルファクター(f.f.)などが測定され、これらの値から下式でエネルギー変換効率(η)を算出した。
フィルファクター(f.f.)=
〔太陽電池の最大起電力〕/(Voc×Isc) …(1)
ここで、太陽電池の最大起電力は、
〔太陽電池の最大起電力〕=〔(電流値×電圧値)の最大値〕である。
Voc×Isc×f.f./100(mW/cm2)×100 …(2)
試験の結果を表1〜3に示す。
(1) 実施例10と比較例10、実施例20と比較例20など、同じ番号の実施例と比較例とを対比すると、使用している材料や層構造は実質的に同等である。
但し、第2材料層の形成段階で、飽和蒸気雰囲気によって第1材料層への浸透を促進しているか(実施例)、特に浸透を促進する手段を講じていないか(比較例)の点で異なる。
製造された有機太陽電池の性能は、何れの場合も、飽和蒸気による浸透促進を行った実施例は、比較例に比べて、短絡光電流密度(Isc)およびエネルギー変換効率(η)が大幅に向上している。開放光電圧(Voc)、フィルファクター(f.f.)については、ほぼ同等である。
(2) 実施例10と実施例11と、実施例20と実施例21とを対比すると、第1材料層と透明電極層との間にIn層が存在すると(実施例11、21)、さらに性能が向上することが判る。
(3) 第2材料層にPA−PPVを用い、In層も形成した実施例11が、最も高い光電変換性能が達成できている。
これは、第2材料層に使用したPA−PPVが、MEH−PPVに比べて分子量が低く、クロロホルム溶液の粘性が低くなるため、第1材料層への浸透が良好に行われたことによるものと推定できる。また、In層が存在することで、第1材料層に深くまで浸透したPA−PPVと、透明電極層との間が、In層によって確実に隔離されることによるものと推測できる。
<考 察>
各実施例において、有機太陽電池の性能向上が達成できる理由は、以下のように考えられる。
(1) 有機半導体層において、第2材料層を構成する可溶性材料の一部が、第1材料層に浸透してpn混在層を形成していると、第1材料層のうち第2材料層に近いところでは、2種類の半導体材料同士が隣接する界面の面積が実質的に大幅に増加することになる。
(2) なお、有機半導体層の全体が、第1材料層の材料と第2材料層の材料とを混合した混合層で構成されていれば、前記した2種類の半導体同士が隣接する界面の面積は、さらに大きくなるはずである。
しかし、混合層の場合、例えば、第1材料層の半導体材料が、集電極層と接触したり短い距離に配置されたり、第2材料層の半導体材料が、透明電極層と接触したり短い距離に配置されたりする。例えば、第1材料層であるn型層と集電極層とが接触していたり近接していたりすると、両者の間に十分な電位障壁が構成されなくなる。第2材料層であるp型層と透明電極層との間でも同じような問題が生じる。
(3) 前記実施例のように、第1材料層および第2材料層そのものは、十分な厚みで存在していて、両者の界面領域で、第1材料層に第2材料層の材料の一部が浸透して、両者の実質的な界面の面積を増大させることが有効なのであると考えられる。
〔pn混在領域の確認〕
前記実施例で得られる有機太陽電池において、pn混在領域の存在とその構造を確認した。但し、pn混在領域の確認に直接に関係しない構造は省略した試料を作製した。
PETフィルムからなる基板上に、厚み40nmのPV層(n型半導体)を真空蒸着した。その上に、厚み80nmのMEH−PPV層(p型半導体)をスピンコートした。さらにその上に、厚み40nmのAu層を真空蒸着した。前記実施例20、21、比較例20、21と共通する層構造である。
但し、MEH−PPV層のスピンコート工程としては、前記比較例20などと同じように、PV層を蒸着した基板を、大気中で、2000rpmで回転させながら、MEH−PPV含有クロロホルム液を1滴、滴下しただけのもの(比較試料1)と、前記実施例20などと同じ処理条件で、PV層を蒸着した基板を、クロロホルムの飽和蒸気雰囲気におき、十分な浸透時間をかけてMEH−PPV含有クロロホルム液を浸透させたもの(実施試料1)とを作製した。
得られた試料から、常法にしたがってTEM測定用の試料を作製した。具体的には、超薄切片法により膜厚100nmの薄膜片を作製した。常法にしたがって、それぞれの試料のTEM画像を撮影した。分析装置として、FE−TEM(HF−2000、日立製作所社製、加速電圧200kV)を使用した。
図5は比較試料1、図6は実施試料1のTEM画像である。何れのTEM画像でも、下から、PET層(薄い灰色)、PV層(暗い灰色)、MEH−PPV層(薄い灰色)、Au層(黒)が表示されている。
実施試料1の場合は、PV層とMEH−PPV層との境界線に凹凸が見えるとともに、かなりぼやけて不明瞭になっている。
実施試料1では、MEH−PPV含有クロロホルム液を滴下した段階では比較試料1と同じ状態(図3参照)であったが、浸透工程を加えることによって、MEH−PPV層の材料がPV層の内部まで浸透して混在している領域が存在する状態(図4参照)になったことになる。元々のPV層の厚み40nmに対して、PV層にMEH−PPV層の材料が浸透したpn混在領域が厚み約30nm程度存在するものと推測できる。PV層のままの単独領域も厚み約10nm程度は残っているものと推測できる。画像の範囲内で、混在領域の厚みのバラツキは、平均厚みに対して±40%程度生じている。なお、PV層におけるPVは、結晶格子約14Åの結晶を構成している。実施試料1の画像で、PV層とMEH−PPV層との境界がぼやけた領域においても、前記結晶状態を維持していることが判る。
前記したTEM画像は、PV層、MEH−PPV層、および、PV層にMEH−PPVが浸透したpn混在領域を、具体的に表示することができる。しかし、各層および領域が狭い場合は、TEM画像では、各層の境界や厚みが明瞭に見え難い場合がある。
その場合には、試料の吸収スペクトルを測定することで、PV層に含まれるpn混在領域を確認することができる。具体的には、pn混在領域が存在しない場合と、pn混在領域が存在する場合とでは、PV層およびMEH−PPV層の厚みが変わるので、吸収スペクトルに違いが生じる。全く同じ材料で同じ厚みに形成していながら、吸収スペクトルに違いが生じるのは、pn混在領域が存在することの裏づけとなる。吸収スペクトルの違いから、厚みの変化量、すなわち、pn混在領域の厚みを定量することも可能である。
前記実施例および比較例において、各層の膜厚測定を行った走査型プローブ顕微鏡AFMの撮影画像から、PV層が、前記図3、4に示されているような微粒子の集積構造を構成していることが確認できる。
図7は、ガラス基板上に、適宜の材料層を形成した状態で撮影されたAFM画像である。AFM画像では、明るい部分(白)ほど厚みが分厚く、暗い部分(黒)は厚みが薄いことを表す。図7(d)に示すように、厚み0nm(黒)から30nm(白)に対応している。
図7(b)に示すMEH−PPV層の場合は、PV層のような明瞭な点は存在しない。部分的に明るさの違いは存在するが、周囲に溶け込んでぼやけた状態になっている。これは、MEH−PPV層は、滑らかな液膜が硬化してできた連続的な膜状をなしていることを表している。
図7(c)に示すように、真空蒸着で形成されたH2Pc層の場合、MEH−PPV層とは違って、明瞭な点が間隔をあけて並んでいる。これは、H2Pc粒子が堆積した状態を表している。明瞭な点の大きさ、すなわち、H2Pc粒子の粒径と、図7(a)におけるPV層におけるPV粒子間の隙間とを比較すると、PV層の上にH2Pc層を形成したとしても、PV粒子の隙間にH2Pc粒子が深く侵入することは難しいものと推定できる。PV層と、真空蒸着によるH2Pc層との組み合わせでは、本発明におけるpn混在領域は形成され難いことが判る。
前記実施例における有機太陽電池の構造で、有機半導体層と集電極層との間に、有機材料層を介在させることで、有機太陽電池の性能向上を図る。
<有機太陽電池の作製>
基本的には、前記実施例10、11と共通する材料および製造工程を採用した。但し、PA−PPV層を形成したあと、有機材料層として、PEDOT:PSS〔ポリスチレンスルホネート/ポリ(2,3−ジヒドロチエノ−〔3,4−b〕−1,4−ジオキシン)〕層を形成し、その上に、Au層を形成した。
また、前記実施例21と共通する材料および製造工程で、MEH−PPV層とAu層との間に、前記同様のPEDOT:PSS層を形成した有機太陽電池も作製した。
何れの場合も、PEDOT:PSS層の形成は、PEDOT:PSSの1.3wt%水分散液(アルドリッチ社製)を、大気中で、基板のPA−PPV層またはMEH−PPV層の上に滴下したあと、8000rpmで2分間回転させ、そのあと、真空度4×10−3Pa(3×10−5torr)、100℃で5分間の乾燥を行い、その後、50℃以下まで45分間かけて降温させた。
<性能評価>
前記同様の各性能評価試験を行った。その結果を、表4、5に示す。
(1) 基本的な層構造が共通する表4と表1と、あるいは、表5と表2とを対比することで、有機材料層の有効性が判る。
(2) 例えば、表4の実施例40は、表1の実施例11に対して、使用材料および各層の厚みなどがほぼ共通している。有機材料層(PEDOT:PSS)を設けた実施例40は、実施例11に比べて、短絡光電流密度(Isc)が大幅に増大している。フィルファクター(f.f.)およびエネルギー変換効率(η)も向上している。但し、開放光電圧(Voc)は、少し低下している。したがって、電圧Vocはそれほど高くなくても大きな電流Iscが必要とされる用途には、有機材料層の存在が有効である。
(4) 表4の実施例42では、PV層がかなり薄いが、それでも、大きな電流が得られている。表4の実施例44のように、有機半導体層の全体の厚みが薄くても、大きな電流が得られている。
(5) 表5の実施例50と、表2の実施例21を比べても、有機材料層によって大電流が得られる傾向が認められる。
<考 察>
(1) 各実施例のように、有機材料層が、有機半導体層と集電極層との間に介在することで、大電流が得られる理由は理論的に明確ではないが、次のように考えられる。
その結果、有機半導体層と集電極層との間の電気的接触性能が改善され、電気抵抗が低減され、電流の損失が少なくなった結果、大電流が得られたものと推測できる。さらに、第2材料層の有機材料が吸収する光も、電気エネルギーへの変換に利用できるようになったことで、より大電流が得られたものと推定できる。
これは、有機半導体層の構成材料は、大気圧下で高温にさらされると酸化作用などを受けて分解し、変色などの特性が変化し易い。減圧環境や分解温度以下の温度であれば、このような特性変化が起こり難い。
(4) 有機材料層の材料としては、PEDOT:PSS以外の共役系ポリマー、その他、有機半導体層と集電極層との電気的接触性能を改善できる導電性ポリマーなどを用いても、同様の効果が達成できるものと考えられる。
20 有機半導体層
22 第2材料層
24 第1材料層
26 pn混在領域
30 集電極層
40 導電性金属薄層
50 配線
Claims (3)
- 一対の電極層の間に複数の材料層からなる有機半導体層を備えた有機太陽電池を製造する方法であって、
前記一対の電極層のうちの一方の電極層を準備する工程(A)と、
前記一方の電極層の上に、前記有機半導体層を構成する複数の材料層を順次形成する工程(B)と、
前記有機半導体層の上に、前記一対の電極層のうちの他方の電極層を形成する工程(C)とを含み、
前記工程(B)が、
複数の材料層のうちの一つである第1の材料層を蒸着で膜形成する工程(b-1)と、
前記第1材料層の上に、第1材料層とは別の材料層である第2材料層を形成する工程(b-2)と、
前記第2材料層の材料の一部を前記第1材料層側に浸透させる工程(b-3)とを含む、
ことを特徴とする、有機太陽電池の製造方法。 - 前記第2材料層の材料としてクロロホルムに対して可溶性である可溶性材料を用いる、請求項1に記載の有機太陽電池の製造方法。
- 前記工程(A)では、前記一方の電極層として透明電極層を準備し、
前記工程(A)と前記工程(B)との間に、光透過率70%以上の導電性金属薄層を形成する工程(M)をさらに含み、
前記工程(b-1)では、第1材料層を蒸着形成し、
前記工程(b-2)では、第2材料層となるクロロホルム可溶性材料のクロロホルム溶液を、スピンコート、バーコート、スキージコートからなる群から選ばれる塗工手段で塗工して液膜を形成し、
前記工程(b-3)では、前記液膜をクロロホルムの飽和蒸気雰囲気に維持し、
前記工程(C)では、前記他方の電極層として、集電極層を形成する、
請求項1または2に記載の有機太陽電池の製造方法。
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