JP4982959B2 - 有機薄膜太陽電池素子 - Google Patents
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Description
まず、本発明の有機薄膜太陽電池素子の第1実施態様について説明する。本実施態様の有機薄膜太陽電池素子は、光電変換層と、上記光電変換層上に形成され、少なくとも光電変換材料を含有する電荷取出し層とを有することを特徴とするものである。
以下、本実施態様の有機薄膜太陽電池素子に用いられる各構成ごとに詳しく説明する。
まず、本実施態様に用いられる電荷取出し層について説明する。本実施態様に用いられる電荷取出し層は、上記光電変換層上に形成されているものであって、光電変換材料を含有しており、光電変換層と電極層との間の抵抗障壁を低減させることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。ここで本実施態様でいう、「光電変換材料」とは、後述するような光電変換層に用いられるような電子供与性の導電性材料や電子受容性の導電性材料をいうこととする。本実施態様においては、上記光電変換材料が電荷取出し層中に含有されることから、電荷の取出し効率の高いものとすることができるのである。
次に、本実施態様に用いられる光電変換層について説明する。本実施態様に用いられる光電変換層は、有機薄膜太陽電池の電荷分離に寄与し、生じた電子および正孔を各々反対方向の電極に向かって輸送する機能を有する部材であれば、特に限定されるものではない。本実施態様においては、光電変換層が、例えば電子供与性の導電性材料および電子受容性の導電性材料を含有する電子正孔輸送層であってもよく、また例えば電子供与性の導電性材料を含有する正孔輸送層と電子受容性の導電性材料を含有する電子輸送層との2層からなるものであってもよい。上記電子正孔輸送層は、電子供与性の導電性材料および電子受容性の導電性材料の両方を含有するものであるので、例えば図1に示すように、単層で光電変換層1として機能することとなる。一方、上記光電変換層が正孔輸送層と電子輸送層とからなる場合には、正孔輸送層と電子輸送層の界面においてpn接合が形成されて電荷分離が生じるため、例えば図4に示すように、正孔輸送層3および電子輸送層4の二層一組で、光電変換層1として機能することとなる。
この際、電子供与性の導電性材料が所定の吸収極大波長を有するものである場合は、電子受容性の導電性材料は、上記電子供与性の導電性材料とpn接合を形成して電荷分離を生じさせるものであれば特に限定されるものではない。同様に、電子受容性の導電性材料が所定の吸収極大波長を有するものである場合は、電子供与性の導電性材料は、上記電子受容性の導電性材料とpn接合を形成して電荷分離を生じさせるものであれば特に限定されるものではない。
本実施態様に用いられる電子正孔輸送層は、電子供与性の導電性材料および電子受容性の導電性材料を含有するものであれば、特に限定されるものではない。電子正孔輸送層は、電子受容性および電子供与性の両方の機能を有する層であり、電子正孔輸送層内で形成されるpn接合を利用して電荷分離が生じるため、単独で光電変換層として機能する。
本実施態様に用いられる正孔輸送層は、電子供与性の導電性材料を含有するものであり、上記電子供与性の導電性材料としては、一般的な正孔輸送層に用いられる導電性材料と同様とすることができる。本実施態様において、正孔輸送層は、後述する電子輸送層や、上述した電荷取出し層等と積層されることから、特に電子供与性の導電性高分子材料が用いられることが好ましい。これにより、「有機薄膜太陽電池素子の製造方法」の項で説明するように、安定して電子輸送層や、電荷取出し層と積層することが可能となるからである。このような導電性高分子材料としては、上述した「1.電荷取出し層」の項で説明した電子供与性を有する導電性高分子材料を用いることができる。
本実施態様に用いられる電子孔輸送層は、電子受容性の導電性材料を含有するものであり、上記電子受容性の導電性材料としては、一般的な電子輸送層に用いられる導電性材料と同様とすることができる。本実施態様において、電子輸送層は、上述した正孔輸送層や、電荷取出し層等と積層されることから、特に電子受容性の導電性高分子材料が用いられることが好ましい。これにより、「有機薄膜太陽電池素子の製造方法」の項で説明するように、安定して正孔輸送層や電荷取出し層と積層することが可能となるからである。このような導電性高分子材料としては、上述した「1.電荷取出し層」の項で説明した電子受容性を有する導電性高分子材料を用いることができる。
次に、本実施態様の有機薄膜太陽電池素子について説明する。本実施態様の有機薄膜太陽電池素子は、上記電荷取出し層および光電変換層を有するものであれば、特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜他の層を有していてもよい。
以下、上述したような有機薄膜太陽電池素子の製造方法について以下説明する。
上記有機薄膜太陽電池素子の製造方法としては、上記光電変換層および電荷取り出し層を安定して積層することができ、所定の膜厚に均一に形成することができる方法であれば特に限定されるものではないが、塗布法が好適に用いられる。
測定用カラム:Shodex社製 HF-2002 スチレン−ジビニルベンゼン共重合体
検出器:示差屈折率検出器(RI) 島津製作所社製 RID-6A
紫外吸収検出器 測定波長254nm 島津製作所社製 SPD-10A
測定条件:移動相 クロロホルム
流量 3ml/min
注入方法 2mlをシリンジにて注入
次に、本発明の有機薄膜太陽電池素子の第2実施態様について説明する。本実施態様の有機薄膜太陽電池素子は、第1光電変換層と、第2光電変換層と、上記第1光電変換層および上記第2光電変換層の間に挟まれた電荷輸送層とを有することを特徴とするものである。
以下、本実施態様の各構成ごとに説明する。
まず、本実施態様に用いられる電荷輸送層について説明する。本実施態様に用いられる電荷輸送層は、第1光電変換層および第2光電変換層の間に形成されるものであって、光電変換材料を有しており、第1光電変換層と第2光電変換層との間の抵抗障壁を低減させることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。本実施態様においては、上記光電変換材料が電荷輸送層中に含有されることから、第1光電変換層と第2光電変換層との間で電子や正孔が移動しやすいものとすることができるのである。
次に、本実施態様に用いられる第1光電変換層および第2光電変換層について説明する。本実施態様に用いられる第1光電変換層および第2光電変換層としては、それぞれ有機薄膜太陽電池の電荷分離に寄与し、生じた電子および正孔を各々反対方向の電極に向かって輸送する機能を有する部材であれば、特に限定されるものではない。本実施態様において、第1光電変換層および第2光電変換層が、それぞれが電子正孔輸送層とされていてもよく、またそれぞれが電子輸送層と正孔輸送層との2層からなるものとされていてもよい。また例えば第1光電変換層が電子正孔輸送層であり、第2光電変換層が電子輸送層および正孔輸送層からなるもの等とされていてもよい。
次に、本実施態様の有機薄膜太陽電池素子について説明する。本実施態様の有機薄膜太陽電池素子は、上記第1光電変換層、第2光電変換層、および電荷輸送層を有するものであれば、特に限定されるものではなく、必要に応じて、例えば第3光電変換層等、適宜他の層を有していてもよい。
[実施例1]
(透明電極層の形成)
ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム基板(厚み:125μm)の表面にPVD法によりSiO2薄膜を形成し、そのSiO2薄膜の上面に透明電極であるITO膜(膜厚:150nm、シート抵抗:15Ω/□)を圧力勾配型プラズマガンを用いた反応性イオンプレーティング法(パワー:3.7kW、酸素部分圧:73%、製膜圧力:0.3Pa、製膜レート:150nm/min、基板温度:20℃)により製膜した後に、エッチングによりパターンニングした。次いで、ITOパターンが形成された基板をアセトン、基板洗浄液、IPAをそれぞれ用いて洗浄した。
上記ITOパターンが形成された基板上に、バッファ層形成用塗工液(電性高分子ペースト;ポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェンの水分散体)をスピンコート法にて塗布し、150℃で30分間乾燥させてバッファ層(膜厚:100nm)を形成した。
ポリチオフェン(P3HT;ポリ3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル(レジオレギュラー))の0.3wt%クロロホルム溶液と、ポリフェニレンビニレン(MDMO−PPV;ポリ(2−メトキシ−5−(3´,7´−ジメチルオクチルオキシ)−1−4−フェニレンビニレン)(重量平均分子量100万)の0.3wt%クロロホルム溶液と、フラーレン(PCBM;1−(3−メトキシカルボニル)プロピル−1−フェニル(6,6)−C60)の0.1wt%クロロホルム溶液とを重量比3:5:2で混合し、光電変換層形成用塗工液を調製した。
この光電変換層形成用塗工液を上記バッファ層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて光電変換層(膜厚:100nm)を形成した。
ポリフルオレンを、0.1wt%となるようにクロロホルム溶媒に溶解させ、電子取出し層形成用塗工液を調製した。この電子取出し層形成用塗工液を上記光電変換層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて電子取出し層(膜厚:30nm)を形成した。
次に、上記電子取出し層上に、Ca薄膜(膜厚:100nm)、Al薄膜(膜厚:500nm)を順次蒸着法にて製膜し、金属電極とした。
最後に、封止用ガラス材により金属電極の上から封止して、バルクヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池を作製した。
(透明電極層の形成)
実施例1と同様にして、ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム基板上にSiO2薄膜およびITOパターンを形成した。
上記ITOパターンが形成された基板上に、バッファ層形成用塗工液(電性高分子ペースト;ポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェンの水分散体)をスピンコート法にて塗布し、150℃で30分間乾燥させてバッファ層(膜厚:100nm)を形成した。
ポリフェニレンビニレン(MDMO−PPV;ポリ(2−メトキシ−5−(3´,7´−ジメチルオクチルオキシ)−1−4−フェニレンビニレン)(重量平均分子量100万)を、0.3wt%となるようにクロロホルム溶媒に溶解させ、正孔取出し層形成用塗工液を調製した。この正孔取出し層形成用塗工液を上記バッファ層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて正孔取出し層(膜厚:30nm)を形成した。
ポリチオフェン(P3HT;ポリ3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル(レジオレギュラー))の0.3wt%クロロホルム溶液と、フラーレン(PCBM;1−(3−メトキシカルボニル)プロピル−1−フェニル(6,6)−C60)の0.1wt%クロロホルム溶液とを重量比3:1で混合し、光電変換層形成用塗工液を調製した。
この光電変換層形成用塗工液を上記正孔取出し層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて光電変換層(膜厚:100nm)を形成した。
次に、上記光電変換層上に、Ca薄膜(膜厚:100nm)、Al薄膜(膜厚:500nm)を順次蒸着法にて製膜し、金属電極とした。
最後に、封止用ガラス材により金属電極の上から封止して、バルクヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池を作製した。
(透明電極層の形成)
実施例1と同様にして、ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム基板上にSiO2薄膜およびITOパターンを形成した。
上記ITOパターンが形成された基板上に、バッファ層形成用塗工液(電性高分子ペースト;ポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェンの水分散体)をスピンコート法にて塗布し、150℃で30分間乾燥させてバッファ層(膜厚:100nm)を形成した。
ポリチオフェン(P3HT;ポリ3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル(レジオレギュラー))の0.3wt%クロロホルム溶液と、ポリフェニレンビニレン(MDMO−PPV;ポリ(2−メトキシ−5−(3´,7´−ジメチルオクチルオキシ)−1−4−フェニレンビニレン)(重量平均分子量100万)の0.3wt%クロロホルム溶液と、フラーレン(PCBM;1−(3−メトキシカルボニル)プロピル−1−フェニル(6,6)−C60)の0.1wt%クロロホルム溶液とを重量比3:5:2で混合し、第1光電変換層形成用塗工液を調製した。
この第1光電変換層形成用塗工液を上記バッファ層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて第1光電変換層(膜厚:100nm)を形成した。
ポリフェニレンビニレン(MDMO−PPV;ポリ(2−メトキシ−5−(3´,7´−ジメチルオクチルオキシ)−1−4−フェニレンビニレン)(重量平均分子量100万)を、0.3wt%となるようにクロロホルム溶媒に溶解させ、正孔輸送層形成用塗工液を調製した。この正孔輸送層形成用塗工液を上記第1光電変換層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて正孔輸送層(膜厚:30nm)を形成した。
ポリフルオレンの0.1wt%クロロホルム溶液と、フラーレン(PCBM;1−(3−メトキシカルボニル)プロピル−1−フェニル(6,6)−C60)の0.1wt%クロロホルム溶液とを重量比1:1で混合し、第2光電変換層形成用塗工液を調製した。
この第2光電変換層形成用塗工液を上記正輸送層上にスピンコート法にて塗布し、110℃で10分間乾燥させて第2光電変換層(膜厚:100nm)を形成した。
次に、上記第2光電変換層上に、Ca薄膜(膜厚:100nm)、Al薄膜(膜厚:500nm)を順次蒸着法にて製膜し、金属電極とした。
最後に、封止用ガラス材により金属電極の上から封止して、バルクヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池を作製した。
2 … 電荷取出し層
3 … 正孔輸送層
4 … 電子輸送層
5 … 電荷輸送層
10… 有機薄膜太陽電池素子
11、12 … 電極層
Claims (1)
- 基材上に透明電極層を形成する工程と、
前記透明電極層上に重量平均分子量10万以上の高分子材料を用いて光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に、塗布法により電荷取出し層を形成する工程と、
前記電荷取出し層上に金属電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする有機薄膜太陽電池素子の製造方法。
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