JP5249825B2 - Organic solar cells - Google Patents

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Description

本発明は、有機太陽電池に関するものである。   The present invention relates to an organic solar cell.

産業の発展に伴ってエネルギーの使用量が飛躍的に増加しており、地球への環境負荷が小さく且つ経済的で高性能な新しいクリーンエネルギー源の研究開発が各所で行われている。ここで、太陽電池は、無限にあるといってよい太陽光を利用することから、新しいエネルギー源として注目されている。   With the development of industry, the amount of energy used has increased dramatically, and research and development of new clean energy sources that have a low environmental impact on the earth and are economical and have high performance are being carried out in various places. Here, solar cells are attracting attention as a new energy source because they use sunlight that can be said to be infinite.

ここにおいて、現在実用化されている太陽電池の殆どは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いた無機シリコン系太陽電池である。しかし、無機シリコン系太陽電池は、その製造プロセスが複雑でコストが高いという欠点を有するため、広く一般家庭に普及するには至ってない。このような欠点を解消するために、簡単なプロセスで低コスト化・大面積化が可能な、有機材料を用いた有機太陽電池(有機発電素子)の研究が盛んになってきている。   Here, most of the solar cells currently in practical use are inorganic silicon solar cells using single crystal silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon. However, inorganic silicon solar cells have the disadvantages that their manufacturing process is complicated and expensive, so they have not been widely used in general households. In order to eliminate such drawbacks, research on organic solar cells (organic power generation elements) using organic materials, which can reduce costs and increase the area by a simple process, has been actively conducted.

一例として、有機太陽電池の一種であり、多孔質酸化チタン、ルテニウム色素、ヨウ素とヨウ素イオンを用いた光化学反応に基づく色素増感型太陽電池が、10%という高い変換効率を有することが発表された(非特許文献1参照)。   As an example, it is announced that a dye-sensitized solar cell based on a photochemical reaction using porous titanium oxide, ruthenium dye, iodine and iodine ion has a high conversion efficiency of 10%, which is a kind of organic solar cell. (See Non-Patent Document 1).

また、色素増感型太陽電池とは種類の異なる有機太陽電池である有機薄膜型太陽電池においても、低分子材料である電子供与性半導体および電子吸引性半導体を真空蒸着法により蒸着することで形成したダブルへテロ構造の発電層を一対の電極である正電極と負電極との間に備えた有機薄膜型太陽電池において、3.6%の変換効率が得られたたことが報告されている(非特許文献2参照)。   In addition, organic thin-film solar cells, which are different types of organic solar cells from dye-sensitized solar cells, are also formed by vapor-depositing electron-donating semiconductors and electron-withdrawing semiconductors, which are low-molecular materials, by vacuum evaporation. It has been reported that a conversion efficiency of 3.6% was obtained in an organic thin film solar cell provided with a power generation layer having a double hetero structure between a positive electrode and a negative electrode as a pair of electrodes. (Refer nonpatent literature 2).

また、有機太陽電池における発電層の材料としては、低分子材料に限らず、高分子材料(ポリマー)を用いることの検討も進んでいる。これは、発電層の材料が低分子材料の場合には発電層を真空蒸着法により形成する必要があるのに対して、発電層の材料が高分子材料の場合には発電層を塗布・印刷技術を利用して形成でき、製造コストの低コスト化を図れるためである。   In addition, as a material for the power generation layer in the organic solar cell, not only a low-molecular material but also a study of using a polymer material (polymer) is in progress. This is because when the material of the power generation layer is a low-molecular material, it is necessary to form the power generation layer by vacuum deposition, whereas when the material of the power generation layer is a polymer material, the power generation layer is applied and printed. This is because it can be formed using technology, and the manufacturing cost can be reduced.

高分子材料を用いた有機太陽電池としては、共役系ポリマーとフラーレン誘導体との混合層を発電層として備えた有機薄膜型太陽電池で、近年、5.5%の変換効率を得たことが報告されており(非特許文献3参照)、様々な研究機関で高効率な有機薄膜型太陽電池を得るための工夫・検討がなされている。   As an organic solar cell using a polymer material, an organic thin-film solar cell having a mixed layer of a conjugated polymer and a fullerene derivative as a power generation layer has recently been reported to have obtained a conversion efficiency of 5.5%. (See Non-Patent Document 3), various institutes have been devised and studied to obtain highly efficient organic thin-film solar cells.

ところが、有機薄膜型太陽電池は、有機EL素子(有機エレクトロルミネッセンス素子)と同じような構造、材料を用いていることから、実用化を図る上で耐久性に問題があった。   However, since the organic thin film solar cell uses the same structure and material as the organic EL element (organic electroluminescence element), there is a problem in durability in practical use.

有機薄膜型太陽電池の耐久性の向上を図る手段としては、例えば、酸素や水分を除去することで光照射による特性の低下を抑える技術が報告されている(非特許文献4,5参照)。   As means for improving the durability of the organic thin-film solar cell, for example, a technique has been reported that suppresses deterioration of characteristics due to light irradiation by removing oxygen and moisture (see Non-Patent Documents 4 and 5).

Christophe J Barbe,et,al,「Nanocrystalline Titanium Oxide Electrodes for Photovoltaic Application」,J.Am.Ceram.Soc.,80,1997,p.3157-3171Christophe J Barbe, et, al, `` Nanocrystalline Titanium Oxide Electrodes for Photovoltaic Application '', J. Am. Ceram. Soc., 80, 1997, p. 3157-3171 P.Peumans,et,al,「Very-high-efficiency double-heterostructure copper phthalocyanine/C60 photovoltaic cells」,APPLIED PHYSICS LETTERS,VOLUME 79,NUMBER 1,2001,p.126-128P.Peumans, et, al, `` Very-high-efficiency double-heterostructure copper phthalocyanine / C60 photovoltaic cells '', APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 79, NUMBER 1,2001, p.126-128 J.PEET,et,al,「Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols」,nature materials,VOL 6,2007,p.497-500J.PEET, et, al, `` Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols '', nature materials, VOL 6,2007, p.497-500 Kenji Kawano,el,al,「Degradation of organic solar cells due to air exposure」,Solar Energy Materials & Solar cells.90,2006,p.3520-3530Kenji Kawano, el, al, `` Degradation of organic solar cells due to air exposure '', Solar Energy Materials & Solar cells. 90, 2006, p. 3520-3530 H.Neugebauer et,al,「Stability and photodegradation mechanisms of conjugated polymer/fullerene plastic solar cells」, Solar Energy Materials & Solar cells.61,2000,p.35-42H. Neugebauer et, al, `` Stability and photodegradation mechanisms of conjugated polymer / fullerene plastic solar cells '', Solar Energy Materials & Solar cells.61,2000, p.35-42

ところで、有機薄膜太陽電池の実用化には、光を電気に効率良く変換し、その特性を長時間維持することが必要である。しかしながら、有機太陽電池の耐久性の向上を図るために、上記非特許文献4,5に開示された技術を適用して酸素や水分を除去しても特性の劣化は徐々に進行してしまう。   By the way, in order to put an organic thin film solar cell into practical use, it is necessary to efficiently convert light into electricity and maintain its characteristics for a long time. However, even if oxygen and moisture are removed by applying the techniques disclosed in Non-Patent Documents 4 and 5 in order to improve the durability of the organic solar battery, the deterioration of characteristics gradually proceeds.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、長寿命化が可能な有機太陽電池を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide an organic solar cell capable of extending the life.

請求項1の発明は、一対の電極間に電子供与性半導体と電子吸引性半導体との混合層を有する有機太陽電池素子を備えた有機太陽電池であって、混合層中に蓄積された電荷を混合層外へ放出させるように混合層を加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする。   The invention of claim 1 is an organic solar cell comprising an organic solar cell element having a mixed layer of an electron-donating semiconductor and an electron-withdrawing semiconductor between a pair of electrodes, and the charge accumulated in the mixed layer is reduced. A heating means capable of heating the mixed layer so as to be discharged out of the mixed layer is provided.

この発明によれば、混合層中に蓄積された電荷を混合層外へ放出させるように混合層を加熱する加熱手段を備えているので、加熱手段により混合層を加熱することによって、有機太陽電池素子に蓄積された電荷を発電に寄与させることができるともに、当該電荷が放出されることで有機太陽電池素子の特性が回復するから、長寿命化を図れる
請求項2の発明は、請求項1の発明において、基板と、基板の一表面側に形成された前記有機太陽電池素子と、前記有機太陽電池素子を覆う形で基板の前記一表面側に形成された表面保護層とを備えることを特徴とする。
According to the present invention, the organic solar cell is provided with the heating means for heating the mixed layer so as to discharge the charges accumulated in the mixed layer to the outside of the mixed layer. The electric charge accumulated in the element can contribute to power generation, and the characteristics of the organic solar cell element are restored by releasing the electric charge, so that the lifetime can be extended .
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the substrate, the organic solar cell element formed on one surface side of the substrate, and the organic solar cell element are formed on the one surface side so as to cover the organic solar cell element. The surface protective layer is provided.

請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、前記加熱手段は、前記有機太陽電池素子の外部に設けられ通電されることにより発熱して伝熱により前記混合層を加熱する発熱体であること特徴とする。 The invention according to claim 3 is the heating element according to claim 1 or 2 , wherein the heating means is provided outside the organic solar cell element and generates heat when energized to heat the mixed layer by heat transfer. It is characterized by being.

この発明によれば、前記混合層を加熱する際の前記混合層の均熱化を図れる。   According to this invention, it is possible to equalize the temperature of the mixed layer when the mixed layer is heated.

請求項4の発明は、請求項1又は2の発明において、前記一対の電極の少なくとも一方が抵抗体であり、当該抵抗体が前記加熱手段を構成していることを特徴とする。 The invention of claim 4 is the invention of claim 1 or 2 , wherein at least one of the pair of electrodes is a resistor, and the resistor constitutes the heating means.

この発明によれば、前記加熱手段を前記有機太陽電池素子とは別途に設ける必要がなく、低コスト化を図れる。   According to this invention, it is not necessary to provide the heating means separately from the organic solar cell element, and the cost can be reduced.

請求項5の発明は、請求項1又は2の発明において、前記一対の電極の少なくとも一方が金属電極であり、前記加熱手段は、前記有機太陽電池素子の外部に設けられ通電されることにより前記金属電極を誘導加熱するコイルからなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, at least one of the pair of electrodes is a metal electrode, and the heating means is provided outside the organic solar cell element and energized. It consists of a coil for induction heating a metal electrode.

この発明によれば、前記加熱手段により前記有機太陽電池素子への入射光が遮られるのを防止することができる。   According to this invention, the incident light to the organic solar cell element can be prevented from being blocked by the heating means.

請求項1の発明では、加熱手段により混合層を加熱することによって、太陽電池素子に蓄積された電荷を発電に寄与させることができるともに、当該電荷が放出されることで太陽電池素子の特性を回復できるから、長寿命化を図れるという効果がある。   In the invention of claim 1, by heating the mixed layer by the heating means, the charge accumulated in the solar cell element can contribute to power generation, and the characteristics of the solar cell element can be improved by releasing the charge. Since it can be recovered, there is an effect that the life can be extended.

実施形態1の有機太陽電池を示し、(a)は概略断面図、(b)は概略正面図である。The organic solar cell of Embodiment 1 is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is a schematic front view. 同上の特性説明図である。It is characteristic explanatory drawing same as the above. 同上の特性説明図である。It is characteristic explanatory drawing same as the above. 同上の特性説明図である。It is characteristic explanatory drawing same as the above. 実施形態2の有機太陽電池を示し、(a)は概略断面図、(b)は概略正面図である。The organic solar cell of Embodiment 2 is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is a schematic front view. 実施形態3の有機太陽電池を示し、(a)は概略断面図、(b)は概略正面図である。The organic solar cell of Embodiment 3 is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is a schematic front view. 実施形態4の有機太陽電池を示し、(a)は概略断面図、(b)は概略正面図である。The organic solar cell of Embodiment 4 is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is a schematic front view. 実施形態5の有機太陽電池を示す概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing an organic solar battery according to Embodiment 5. FIG.

(実施形態1)
本実施形態の有機太陽電池は、図1に示すように、平面視矩形状(図示例では、平面視長方形状)の基板1と、基板1の一表面側(図1(b)における上面側)に形成された有機太陽電池素子2と、有機太陽電池素子2を覆う形で基板1の上記一表面側に形成された表面保護層3とを備えている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the organic solar cell of the present embodiment includes a substrate 1 having a rectangular shape in plan view (in the illustrated example, a rectangular shape in plan view), and one surface side of the substrate 1 (upper surface side in FIG. And the surface protective layer 3 formed on the one surface side of the substrate 1 so as to cover the organic solar cell element 2.

有機太陽電池素子2は、基板1の上記一表面側に形成された正電極21と、正電極21上に形成された正孔輸送層22と、正孔輸送層22上に形成され太陽光を吸収して発電する発電層(光電変換層)である混合層23と、混合層23上に形成された電子輸送層24と、電子輸送層24上に形成された負電極25とを備えている。なお、本実施形態では、正電極21と負電極25とが一対の電極を構成している。   The organic solar cell element 2 includes a positive electrode 21 formed on the one surface side of the substrate 1, a hole transport layer 22 formed on the positive electrode 21, and sunlight formed on the hole transport layer 22. A mixed layer 23 that is a power generation layer (photoelectric conversion layer) that absorbs and generates electric power, an electron transport layer 24 formed on the mixed layer 23, and a negative electrode 25 formed on the electron transport layer 24 are provided. . In the present embodiment, the positive electrode 21 and the negative electrode 25 constitute a pair of electrodes.

上述の有機太陽電池は、基板1として透光性基板を用いるとともに、正電極21を透明電極により構成してあり、基板1の他表面を太陽光(外来光)の光入射面としている。   The above-described organic solar cell uses a light-transmitting substrate as the substrate 1 and the positive electrode 21 is formed of a transparent electrode. The other surface of the substrate 1 is a light incident surface for sunlight (external light).

基板1を構成する透光性基板は、無色透明な基板に限らず、多少の着色がなされたものでもよい。ここにおいて、基板1を構成する透光性基板としては、ソーダライムガラス基板や無アルカリガラス基板などのガラス基板を用いているが、ガラス基板に限らず、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂などにより形成されたプラスチックフィルムやプラスチック基板などを用いればよい。ここで、ガラス基板は、すりガラス状のものでもよい。また、基板1は、当該基板1内に当該基板1の母材とは屈折率の異なる粒子、粉体、泡等を含有させることによって、光拡散性を付与したものでもよい。また、基板1を有機太陽電池素子2の光入射面側に設けない場合は、基板1の材料等は特に限定するものではなく、有機太陽電池素子2を支持できるものであればよい。   The translucent substrate that constitutes the substrate 1 is not limited to a colorless and transparent substrate, and may be one that is slightly colored. Here, a glass substrate such as a soda lime glass substrate or a non-alkali glass substrate is used as the translucent substrate constituting the substrate 1, but is not limited to a glass substrate, for example, polyester, polyolefin, polyamide resin, epoxy A plastic film or a plastic substrate formed of a resin, a fluorine-based resin, or the like may be used. Here, the glass substrate may be ground glass. Further, the substrate 1 may be provided with light diffusibility by containing particles, powder, bubbles, or the like having a refractive index different from that of the base material of the substrate 1 in the substrate 1. Moreover, when not providing the board | substrate 1 in the light-incidence surface side of the organic solar cell element 2, the material of the board | substrate 1 etc. are not specifically limited, What is necessary is just what can support the organic solar cell element 2. FIG.

また、正電極21は、混合層23中に発生したホールを効率よく収集するための電極であり、正電極21の材料としては、ITOを採用しているが、ITOに限定するものではなく、仕事関数の大きな金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物を用いることが好ましく、HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)準位との差が大きくなりすぎないように仕事関数が4eV以上6eV以下のものを用いるのが好ましい。このような正電極2の材料としては、例えば、金などの金属、CuI、ITO、SnO2、ZnO、IZO等、PEDOT、ポリアニリン等の導電性高分子及び任意のアクセプタ等でドープした導電性高分子、カーボンナノチューブ等の導電性光透過性材料を挙げることができる。ここにおいて、正電極21は、基板1の上記一表面側に、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法等によって形成すればよい。ここで、本実施形態のように太陽光を正電極21を透過させて混合層23に入射させるためには、正電極2の光透過率を70%以上にすることが好ましい。さらに、正電極21は、シート抵抗を数百Ω/□以下とすることが好ましく、100Ω/□以下とすることが特に好ましい。ここで、正電極21の膜厚は、当該正電極21の光透過率、シート抵抗等の特性に応じて適宜設定すればよく、当該正電極21の材料により異なるが、500nm以下、好ましくは10〜200nmの範囲で適宜設定すればよい。 Further, the positive electrode 21 is an electrode for efficiently collecting holes generated in the mixed layer 23, and the material of the positive electrode 21 is ITO, but is not limited to ITO. It is preferable to use a metal, an alloy, an electrically conductive compound, or a mixture thereof having a large work function. It is preferable to use one. Examples of the material of the positive electrode 2 include a conductive high polymer doped with a metal such as gold, a conductive polymer such as CuI, ITO, SnO 2 , ZnO, IZO, PEDOT, polyaniline, and an arbitrary acceptor. Examples thereof include conductive light transmissive materials such as molecules and carbon nanotubes. Here, the positive electrode 21 may be formed on the one surface side of the substrate 1 by a vacuum deposition method, a sputtering method, a coating method, or the like. Here, in order to allow sunlight to pass through the positive electrode 21 and enter the mixed layer 23 as in this embodiment, the light transmittance of the positive electrode 2 is preferably set to 70% or more. Furthermore, the positive electrode 21 preferably has a sheet resistance of several hundred Ω / □ or less, and particularly preferably 100 Ω / □ or less. Here, the film thickness of the positive electrode 21 may be appropriately set according to the characteristics of the positive electrode 21, such as light transmittance, sheet resistance, etc., and varies depending on the material of the positive electrode 21, but is 500 nm or less, preferably 10 What is necessary is just to set suitably in the range of -200 nm.

また、負電極25は、混合層23中に発生した電子を効率よく収集するための電極であり、負電極25の材料としては、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましく、LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位との差が大きくなりすぎないように仕事関数が1.9eV以上5eV以下のものを用いるのが好ましい。このような負電極25の材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属、希土類等、およびこれらと他の金属との合金、例えばナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Al/LiF混合物などを挙げることができる。またアルミニウム、AlとAl23との混合物等も用いることができる。また、負電極25は、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のハロゲン化物、あるいは金属酸化物からなる薄膜を下地膜として、当該下地膜上に上述の仕事関数が5eV以下である材料からなる少なくとも一層の薄膜を積層するようにしてもよい。このような負電極25としては、例えば、アルカリ金属からなる薄膜とAlからなる薄膜との積層膜、アルカリ金属のハロゲン化物からなる薄膜とアルカリ土類金属からなる薄膜とAlからなる薄膜との積層膜、Al23からなる極薄膜(ここでは、トンネル注入により電子を流すことが可能な10Å以下の薄膜)とAlからなる薄膜との積層膜などが挙げられる。上述の負電極25は、基板1の上記一表面側に、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法等によって形成すればよい。 The negative electrode 25 is an electrode for efficiently collecting electrons generated in the mixed layer 23. As a material of the negative electrode 25, a metal, an alloy, an electrically conductive compound having a small work function, and a mixture thereof are used. Preferably, a material having a work function of 1.9 eV or more and 5 eV or less is used so that the difference from the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) level does not become too large. Examples of the material of the negative electrode 25 include alkali metals, alkali metal halides, alkali metal oxides, alkaline earth metals, rare earths, and alloys of these with other metals such as sodium and sodium. -Potassium alloy, lithium, magnesium, magnesium-silver mixture, magnesium-indium mixture, aluminum-lithium alloy, Al / LiF mixture, etc. can be mentioned. Also, aluminum, a mixture of Al and Al 2 O 3 and the like can be used. The negative electrode 25 has at least one layer made of a material having a work function of 5 eV or less on the base film, using a thin film made of an alkali metal oxide, an alkali metal halide, or a metal oxide as the base film. These thin films may be laminated. As such a negative electrode 25, for example, a laminated film of a thin film made of alkali metal and a thin film made of Al, a thin film made of an alkali metal halide, a thin film made of alkaline earth metal, and a thin film made of Al are laminated. Examples thereof include a laminated film of an ultra-thin film made of Al 2 O 3 (here, a thin film having a thickness of 10 μm or less capable of flowing electrons by tunnel injection) and a thin film made of Al. The negative electrode 25 described above may be formed on the one surface side of the substrate 1 by vacuum deposition, sputtering, coating, or the like.

また、上述の混合層23に用いる有機化合物の電子供与性半導体としては、導電性高分子材料の一種であるポリ(3−ヘキシルチオフェン)(以下、P3HTと略称する)を採用しているが、これに限らず、例えば、フタロシアニン系顔料、インジゴ、チオインジゴ系顔料、キナクリドン系顔料、メロシアニン化合物、シアニン化合物、スクアリウム化合物、多環芳香族化合物、また有機電子写真感光体に用いられる電荷移動剤、電気伝導性有機電荷移動錯体、更には他の導電性高分子材料等を挙げることができるが、溶媒に可溶であればよく、これらに限定するものではない。   In addition, as the electron-donating semiconductor of the organic compound used for the mixed layer 23, poly (3-hexylthiophene) (hereinafter abbreviated as P3HT), which is a kind of conductive polymer material, is employed. For example, phthalocyanine pigments, indigo, thioindigo pigments, quinacridone pigments, merocyanine compounds, cyanine compounds, squalium compounds, polycyclic aromatic compounds, charge transfer agents used in organic electrophotographic photoreceptors, electric Examples thereof include conductive organic charge transfer complexes, and other conductive polymer materials. However, the conductive organic charge transfer complexes are not limited to these as long as they are soluble in a solvent.

上述のフタロシアニン系顔料としては、中心金属がCu、Zn、Co、Ni、Pb、Pt、Fe、Mg等の2価のもの、無金属フタロシアニン、アルミニウムクロロフタロシアニン、インジウムクロロフタロシアニン、ガリウムクロロフタロシアニン等のハロゲン原子が配位した3価金属のフタロシアニン、その他、バアナジルフタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の酸素が配位したフタロシアニン等があるが、これらに限定するものではない。   Examples of the above phthalocyanine pigments include divalent pigments such as Cu, Zn, Co, Ni, Pb, Pt, Fe, and Mg, metal-free phthalocyanine, aluminum chlorophthalocyanine, indium chlorophthalocyanine, and gallium chlorophthalocyanine. Examples include, but are not limited to, trivalent metal phthalocyanine coordinated with a halogen atom, and other phthalocyanine coordinated with oxygen such as baanadyl phthalocyanine and titanyl phthalocyanine.

また、多環芳香族化合物としては、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、或いは、それらの誘導体などがあるが、特にこれらに限定されるものではない。   Examples of the polycyclic aromatic compound include anthracene, tetracene, pentacene, and derivatives thereof, but are not particularly limited thereto.

また、電荷移動剤としては、ヒドラゾン化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルメタン化合物、トリフェニルアミン化合物等があるが、これらに限定するものではない。   Examples of the charge transfer agent include, but are not limited to, hydrazone compounds, pyrazoline compounds, triphenylmethane compounds, and triphenylamine compounds.

また、電気伝導性有機電荷移動錯体としては、テトラチオフルバレン、テトラフェニルテトラチオフラバレン等があるが、これらに限定するものではない。   Examples of the electroconductive organic charge transfer complex include, but are not limited to, tetrathiofulvalene and tetraphenyltetrathioflavalene.

また、電子を供与する導電性高分子材料としては、上述のP3HTの他、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、チオフェン系ポリマー、導電性高分子のオリゴマー等の有機溶媒に可溶なものが挙げられるが、これらに限定するものではない。   In addition to P3HT described above, conductive polymer materials that donate electrons include poly (3-alkylthiophene), polyparaphenylene vinylene derivatives, polyfluorene derivatives, thiophene polymers, conductive polymer oligomers, and the like. Although what is soluble in an organic solvent is mentioned, it is not limited to these.

また、上述の混合層23に用いる電子吸引性半導体としては、フラーレン誘導体である[6,6]−フェニルC61−ブチリック アシッド メチル エステル(以下、PCBMと略称する)を採用しているが、これに限らず、例えば、粒径が1nm〜100nm程度の化合物半導体ナノ結晶や、C60やC70、C84などの高次フラーレンを含有するフラーレン誘導体などからなる低分子材料や導電性高分子材料、カーボンナノチューブなどを用いることもできる。ここで、化合物半導体ナノ結晶の形状は、特に限定するものではなく、ロッド状、球状、テトラポッド状でもよい。化合物半導体ナノ結晶の具体的な材料としてはInP、InAs、GaP、GaAs等のIII-V族化合物半導体、CdSe、CdS、CdTe、ZnS等のII-VI族化合物半導体、ZnO、SiO2、TiO2、Al23等の酸化物半導体、CuInSe2、CuInS等を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。また、混合層23は、多数のロッド状の化合物半導体ナノ結晶が、電子輸送層24と接する形で200nm以下の間隔で配置されるようにしてもよいが、この間隔は特に限定するものではない。 In addition, as the electron-withdrawing semiconductor used in the mixed layer 23, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (hereinafter abbreviated as PCBM), which is a fullerene derivative, is employed. limited without, for example, a particle size of compound and semiconductor nanocrystals of about 1 nm~100 nm, C 60 and C 70 low molecular weight material or a conductive polymer material made of a fullerene derivative containing the higher fullerenes such as, C 84, Carbon nanotubes can also be used. Here, the shape of the compound semiconductor nanocrystal is not particularly limited, and may be rod-shaped, spherical, or tetrapod-shaped. Specific materials for the compound semiconductor nanocrystal include III-V group compound semiconductors such as InP, InAs, GaP, and GaAs, II-VI group compound semiconductors such as CdSe, CdS, CdTe, and ZnS, ZnO, SiO 2 , and TiO 2. Examples thereof include oxide semiconductors such as Al 2 O 3 , CuInSe 2 , and CuInS, but are not particularly limited thereto. The mixed layer 23 may have a large number of rod-shaped compound semiconductor nanocrystals arranged at intervals of 200 nm or less in contact with the electron transport layer 24, but this interval is not particularly limited. .

なお、混合層23の電子供与性半導体および電子吸引性半導体は、高分子材料、低分子材料のいずれかに限定するものではなく、どちらを採用してもよい。   The electron-donating semiconductor and the electron-withdrawing semiconductor of the mixed layer 23 are not limited to either a high molecular material or a low molecular material, and either one may be adopted.

また、正電極21と混合層23との間に介在させる上述の正孔輸送層22の材料としては、ポリエチレンジオイサイドチオフェン:ポリスチレンスルフォネート(PEDOT:PSS)を採用しているが、これに限らず、正孔を輸送する能力を有し、混合層4からの正孔移動効果を有するとともに、正電極21に対して優れた正孔移動効果を有し、また、電子をブロックするような特性を有し、かつ薄膜形成能力の優れた化合物などが挙げられる。具体的には、例えば、フタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)や4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、4,4’,4”−トリス(N−(3−メチルフェニル)N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m−MTDATA)、及びポリビニルカルバゾール、ポリシラン、アミノピリジン誘導体、ポリエチレンジオイサイドチオフェン(PEDOT)等の導電性高分子等の高分子材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、正孔輸送性を有する三酸化モリブデン、五酸化バナジウム、三酸化タングステン、酸化レニウム等の無機酸化物やp形半導体である酸化ニッケル、酸化銅などの無機酸化物等も用いることができ、無機材料であっても正孔輸送性を有していれば、これらに限られることなく使用することができる。   Moreover, as a material of the above-mentioned hole transport layer 22 interposed between the positive electrode 21 and the mixed layer 23, polyethylenedioide thiophene: polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) is adopted. It has the ability to transport holes, has a hole transfer effect from the mixed layer 4, has an excellent hole transfer effect with respect to the positive electrode 21, and blocks electrons. Compounds having excellent characteristics and excellent thin film forming ability. Specifically, for example, phthalocyanine derivatives, naphthalocyanine derivatives, porphyrin derivatives, N, N′-bis (3-methylphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine (TPD) and 4 , 4′-bis [N- (naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl (α-NPD) and the like, oxazole, oxadiazole, triazole, imidazole, imidazolone, stilbene derivative, pyrazoline derivative, tetrahydro Imidazole, polyarylalkane, butadiene, 4,4 ′, 4 ″ -tris (N- (3-methylphenyl) N-phenylamino) triphenylamine (m-MTDATA), and polyvinylcarbazole, polysilane, aminopyridine derivative, Polyethylene geoside thiophene (PEDO) However, the present invention is not limited to these materials, and examples thereof include molybdenum trioxide, vanadium pentoxide, tungsten trioxide, and rhenium oxide having hole transport properties. Inorganic oxides and inorganic oxides such as p-type semiconductors such as nickel oxide and copper oxide can also be used, and even inorganic materials can be used without limitation as long as they have hole transportability can do.

また、負電極25と混合層23との間に介在させる上述の電子輸送層24の材料としては、例えば、バソクプロイン、バソフェナントロリン、及びそれらの誘導体、TPBi、シロール化合物、トリアゾール化合物、トリス(8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム錯体、ビス(4−メチル−8−キノリナート)アルミニウム錯体、オキサジアゾール化合物、ジスチリルアリレーン誘導体、シロール化合物、TPBI(2,2’,2″−(1,3,5−ベンゼントリル)トリス−[1−フェニル−1H−ベンツイミダゾール])等があげられるが、電子輸送性を有する材料であればよく、特にこれらに限定されるものでない。また、電子輸送層24の材料は、混合層23の材料として挙げた化合物半導体ナノ結晶や、C60やC70、C84等の高次フラーレンを含有するフラーレン誘導体等からなる低分子材料や、導電性高分子、カーボンナノチューブなども用いることができ、電子輸送性材料であれば特に限定されることなく使用することができる。ここで、電子輸送層24に用いる材料としては、電子移動度が10-6cm2/Vs以上の材料が好ましく、10-5cm2/Vs以上の材料がより好ましい。 Examples of the material of the electron transport layer 24 interposed between the negative electrode 25 and the mixed layer 23 include bathocuproin, bathophenanthroline, and derivatives thereof, TPBi, silole compound, triazole compound, tris (8- Hydroxyquinolinato) aluminum complex, bis (4-methyl-8-quinolinato) aluminum complex, oxadiazole compound, distyrylarylene derivative, silole compound, TPBI (2,2 ′, 2 ″-(1,3,3) 5-benzenetolyl) tris- [1-phenyl-1H-benzimidazole]) and the like, but any material having an electron transporting property may be used, and the material is not particularly limited thereto. the materials, compounds and semiconductor nanocrystals mentioned as the material of the mixed layer 23, C 60 and C 70, C 84, etc. Low molecular materials made of fullerene derivatives containing higher-order fullerenes, conductive polymers, carbon nanotubes, and the like can also be used, and any electron transporting material can be used without particular limitation. Thus, the material used for the electron transport layer 24 is preferably a material having an electron mobility of 10 −6 cm 2 / Vs or more, and more preferably a material having 10 −5 cm 2 / Vs or more.

また、上述の表面保護層3の材料としては、ガスバリア性を有する材料を採用すればよく、例えば、フッ素系化合物、フッ素系高分子、その他の有機分子、高分子材料等を採用すればよい。ここで、表面保護層3は、基板1の上記一表面側に、蒸着法、スパッタ法、CVD法、プラズマ重合法等によって形成してもよいし、高分子材料の溶液をスピンコート法のような塗布法により塗布してから紫外線硬化あるいは熱硬化させる方法や、その他の方法によって形成することも可能である。また、表面保護層3は、汎用のポリマーからなる絶縁膜とガスバリア性を有するAl膜などの金属膜と汎用のポリマーからなる絶縁膜との積層膜により構成してもよく、この場合には、各絶縁膜を塗布法により形成し、金属膜をスパッタ法などの緻密性の高い金属膜を成膜可能な方法により形成すればよい。また、表面保護層3は、光透過性およびガスバリア性を有するフィルム状や板状の構造体で形成することも可能であり、前者の場合は例えば真空ラミネート法により基板1の上記一表面に周部を固着すればよく、後者の場合は例えば紫外線硬化樹脂などのシール剤(接着剤)により基板1の上記一表面に周部を固着すればよい。このような光透過性を有する表面保護層3を採用する場合には、負電極25を透明電極により構成すれば、太陽光を表面保護層3および負電極25を通して混合層23に入射させることができるので、基板1を必ずしも透光性基板により構成する必要がなくなるとともに、正電極21を必ずしも透明電極により構成する必要がなくなる。なお、表面保護層3側から混合層23に太陽光を入射させる場合には、表面保護層3の光透過率を70%以上にすることが好ましい。   Further, as the material of the surface protective layer 3 described above, a material having a gas barrier property may be employed. For example, a fluorine-based compound, a fluorine-based polymer, other organic molecules, a polymer material, or the like may be employed. Here, the surface protective layer 3 may be formed on the one surface side of the substrate 1 by a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, a plasma polymerization method, or the like, or a solution of a polymer material as in a spin coating method. It can also be formed by a method of applying an ultraviolet ray or heat after applying by a different application method, or other methods. Further, the surface protective layer 3 may be constituted by a laminated film of an insulating film made of a general-purpose polymer and a metal film such as an Al film having gas barrier properties and an insulating film made of a general-purpose polymer. Each insulating film may be formed by a coating method, and the metal film may be formed by a method capable of forming a highly dense metal film such as a sputtering method. Further, the surface protective layer 3 can be formed of a film-like or plate-like structure having light permeability and gas barrier properties. In the former case, the surface protective layer 3 is formed on the one surface of the substrate 1 by a vacuum laminating method, for example. What is necessary is just to adhere a peripheral part to the said one surface of the board | substrate 1 with sealing agents (adhesive agent), such as an ultraviolet curable resin, for example. When the surface protective layer 3 having such light transmittance is employed, if the negative electrode 25 is formed of a transparent electrode, sunlight can be incident on the mixed layer 23 through the surface protective layer 3 and the negative electrode 25. Therefore, it is not always necessary to configure the substrate 1 with a translucent substrate, and it is not necessary to configure the positive electrode 21 with a transparent electrode. In addition, when making sunlight inject into the mixed layer 23 from the surface protective layer 3 side, it is preferable that the light transmittance of the surface protective layer 3 shall be 70% or more.

また、本実施形態の有機太陽電池では、基板1の上記一表面上に、正電極21に電気的に接続された外部接続電極21aと、負電極25に電気的に接続された外部接続電極25aとが形成されており、基板1の上記一表面側において有機太陽電池素子2の側面には、負電極25と外部接続電極25aとの接続部位と正電極21とを電気的に絶縁するための絶縁膜4が形成されている。   Moreover, in the organic solar cell of this embodiment, the external connection electrode 21a electrically connected to the positive electrode 21 and the external connection electrode 25a electrically connected to the negative electrode 25 on the one surface of the substrate 1. Is formed on the side surface of the organic solar cell element 2 on the one surface side of the substrate 1 to electrically insulate the positive electrode 21 from the connection portion between the negative electrode 25 and the external connection electrode 25a. An insulating film 4 is formed.

また、図1に示した構成では、有機太陽電池素子2が正孔輸送層22および電子輸送層24を備えており、正電極21/正孔輸送層22/混合層23/電子輸送層24/負電極25の層構造を有しているが、有機太陽電池素子2の層構造は特に限定するものではなくて、少なくとも正極層21と負電極25との間に混合層23を備えていればよく、例えば、正電極21/発電層23/負電極25の層構造でもよいし、正電極21/正孔輸送層22/混合層23/負電極25の層構造や、正電極21/混合層23/電子輸送層24/負電極25の層構造などでもよい。   Further, in the configuration shown in FIG. 1, the organic solar cell element 2 includes the hole transport layer 22 and the electron transport layer 24, and the positive electrode 21 / hole transport layer 22 / mixed layer 23 / electron transport layer 24 / Although it has the layer structure of the negative electrode 25, the layer structure of the organic solar cell element 2 is not particularly limited as long as the mixed layer 23 is provided at least between the positive electrode layer 21 and the negative electrode 25. For example, the layer structure of the positive electrode 21 / power generation layer 23 / negative electrode 25 may be used, the layer structure of the positive electrode 21 / hole transport layer 22 / mixed layer 23 / negative electrode 25, or the positive electrode 21 / mixed layer. The layer structure of 23 / electron transport layer 24 / negative electrode 25 may be used.

ところで、本願発明者は、鋭意研究の結果、上述の有機太陽電池素子2について光照射により特性(変換効率)が低下した後に有機太陽電池素子2を混合層23の材料に応じて決まる特定の温度で加熱することにより、有機太陽電池素子2の特性が回復するとともに、光照射によって混合層23内に蓄積された電荷が取り出されるという知見を得た。   By the way, as a result of earnest research, the inventor of the present application has determined a specific temperature that is determined according to the material of the mixed layer 23 after the characteristics (conversion efficiency) of the above-described organic solar cell element 2 are reduced by light irradiation. It was found that the characteristics of the organic solar cell element 2 were recovered by heating at, and the charge accumulated in the mixed layer 23 was taken out by light irradiation.

そこで、本実施形態の有機太陽電池は、混合層23中に蓄積された電荷を混合層23外へ放出させるように混合層23を加熱可能な加熱手段8を備えている。ここにおいて、加熱手段8は、通電されることにより発熱するシリコンラバーヒータからなる発熱体により構成してあり、表面保護層3上に表面保護層3と接する形で設けてある。したがって、加熱手段8は、伝熱により有機太陽電池素子2を加熱するように配置されている。   Therefore, the organic solar cell of the present embodiment includes a heating unit 8 that can heat the mixed layer 23 so that the charge accumulated in the mixed layer 23 is released to the outside of the mixed layer 23. Here, the heating means 8 is composed of a heating element composed of a silicon rubber heater that generates heat when energized, and is provided on the surface protective layer 3 in contact with the surface protective layer 3. Therefore, the heating means 8 is arrange | positioned so that the organic solar cell element 2 may be heated by heat transfer.

以下、上述の知見について、図2〜図4を参照しながら説明する。   Hereinafter, the above knowledge will be described with reference to FIGS.

図2〜図4は、下記の実施例1〜5の有機太陽電池について特性を測定した結果である。   FIGS. 2-4 is the result of having measured the characteristic about the organic solar cell of the following Examples 1-5.

実施例1〜5の有機太陽電池は、基板1をガラス基板、正電極21をITO膜として、正電極21が形成された基板1の上記一表面側に正孔輸送層22を形成した。正孔輸送層22の形成にあたっては、正孔輸送層22の材料をPEDOT:PSS(スタルク社製)、正孔輸送層22の膜厚を40nmとした。ここで、正孔輸送層22を形成する際の前処理としては、アセトン、イソプロピルアルコール、セミコクリーン、超純水で各10分間の超音波洗浄を行なった後、イソプロピルアルコールの蒸気で洗浄してから、乾燥させ、その後、大気圧プラズマによる表面清浄化処理を3分間行った。   In the organic solar cells of Examples 1 to 5, the substrate 1 was a glass substrate and the positive electrode 21 was an ITO film, and the hole transport layer 22 was formed on the one surface side of the substrate 1 on which the positive electrode 21 was formed. In forming the hole transport layer 22, the material of the hole transport layer 22 was PEDOT: PSS (manufactured by Starck), and the film thickness of the hole transport layer 22 was 40 nm. Here, as a pretreatment when forming the hole transport layer 22, ultrasonic cleaning is performed for 10 minutes each with acetone, isopropyl alcohol, semi-clean, and ultrapure water, followed by cleaning with vapor of isopropyl alcohol. Then, a surface cleaning treatment with atmospheric pressure plasma was performed for 3 minutes.

また、混合層23の形成にあたっては、電子供与性半導体としてP3HT(メルク社製、レジオレギュラータイプ)を、電子吸引性半導体(ホール供与性半導体)としてフラーレン誘導体であるPCBM(Solenne社製)を用い、P3HTとPCBMとを質量比1:2〜1:0.2の割合で、1,2−ジクロロベンゼンとクロロホルムとを容積比6:4で混合した混合溶媒に溶解させた。そして、正電極21および正孔輸送層22を形成した基板1を露点−76℃以下、酸素1ppm以下のドライ窒素雰囲気のグローブボックスに移送し、正孔輸送層22上に、P3HTとPCBMとを混合溶媒に溶解させた溶液をスピンコートし、膜厚が200nmの混合層23を形成した。ここで、P3HTとPCBMとの質量比について、実施例1では1:2とし、実施例2では1:1とし、実施例3では1:0.7とし、実施例4では1:0.4とし、実施例5では1:0.2とした。   In forming the mixed layer 23, P3HT (manufactured by Merck, regioregular type) is used as the electron donating semiconductor, and PCBM (manufactured by Solenne), which is a fullerene derivative, is used as the electron withdrawing semiconductor (hole donating semiconductor). P3HT and PCBM were dissolved in a mixed solvent in which 1,2-dichlorobenzene and chloroform were mixed at a volume ratio of 6: 4 at a mass ratio of 1: 2 to 1: 0.2. Then, the substrate 1 on which the positive electrode 21 and the hole transport layer 22 are formed is transferred to a glove box having a dew point of −76 ° C. or less and an oxygen of 1 ppm or less in a dry nitrogen atmosphere, and P3HT and PCBM are placed on the hole transport layer 22. A solution dissolved in a mixed solvent was spin-coated to form a mixed layer 23 having a thickness of 200 nm. Here, the mass ratio of P3HT and PCBM is 1: 2 in Example 1, 1: 1 in Example 2, 1: 0.7 in Example 3, and 1: 0.4 in Example 4. In Example 5, it was set to 1: 0.2.

また、負電極25の形成にあたっては、真空蒸着法により、膜厚が100nmのAl膜からなる負電極25を形成した。   In forming the negative electrode 25, the negative electrode 25 made of an Al film having a film thickness of 100 nm was formed by vacuum deposition.

次に、正電極21、正孔輸送層22、混合層23および負電極25を形成した基板1を、露点−76℃以下のドライ窒素雰囲気のグローブボックスに大気に暴露することなく搬送した。一方、吸水材として酸化カルシウムを練り込んだゲッターをガラス製の封止板に粘着剤で貼り付けるとともに、封止板の外周部には予め紫外線硬化樹脂製のシール剤を塗布しておき、グローブボックス内において基板1に封止板をシール剤で張り合わせ、UVでシール剤を硬化させることによって、板状の構造体である封止板からなる表面保護層3を形成した。   Next, the substrate 1 on which the positive electrode 21, the hole transport layer 22, the mixed layer 23, and the negative electrode 25 were formed was transported to a glove box in a dry nitrogen atmosphere having a dew point of −76 ° C. or less without being exposed to the air. On the other hand, a getter kneaded with calcium oxide as a water-absorbing material is affixed to a glass sealing plate with an adhesive, and a sealing agent made of UV curable resin is applied to the outer periphery of the sealing plate in advance. In the box, the surface protection layer 3 which consists of a sealing board which is a plate-shaped structure was formed by sticking a sealing board on the board | substrate 1 with the sealing compound, and hardening a sealing compound with UV.

また、加熱手段8としては、シリコンラバーヒータ(アズワン社製)を表面保護層3に接するように設けた。   Further, as the heating means 8, a silicon rubber heater (manufactured by ASONE Co., Ltd.) was provided in contact with the surface protective layer 3.

上述の図2のイ〜ニは、それぞれ、実施例1〜5の有機太陽電池について、エアマス1.5G、100mW/cm2の擬似太陽光を基板1の上記他表面に照射して有機太陽電池素子2の変換効率の経時変化を測定した結果を示すものであり、図2から、実施例1〜5のいずれも照射開始からの経過時間が長くなるにつれて変換効率が低下していることが分かる。なお、図2および図3の変換効率は、各実施例1〜5それぞれにおいて、照射開始時の変換効率を1として規格化した値である。 In the above-described FIGS. 2A to 2C, the organic solar cells of Examples 1 to 5 are irradiated with simulated solar light having an air mass of 1.5 G and 100 mW / cm 2 on the other surface of the substrate 1. FIG. 2 shows the result of measuring the change over time of the conversion efficiency of the element 2, and it can be seen from FIG. 2 that the conversion efficiency decreases as the elapsed time from the start of irradiation increases in all of Examples 1-5. . The conversion efficiencies in FIG. 2 and FIG. 3 are values normalized by assuming that the conversion efficiency at the start of irradiation is 1 in each of Examples 1 to 5.

また、上述の図3のイ〜ニは、それぞれ、実施例1〜5の有機太陽電池について、エアマス1.5G、100mW/cm2の擬似太陽光を基板1の上記他表面に照射して8時間照射した後で、有機太陽電池を150℃に加熱した場合の加熱前後の変換効率を測定した結果を示すものであり、図3から、150℃での加熱後(図3の横軸の「後」)の方が加熱前(図3の横軸の「前」)よりも変換効率が高くなり、しかも、照射開始時の変換効率に回復していることが分かる。なお、有機太陽電池の加熱にあたっては、周囲にヒータが設けられた筒を有するメタルチャンバーの中に有機太陽電池を入れ、ヒータの温度を150℃まで10℃/minの昇温速度で加熱した。 Moreover, the above-mentioned (i) to (ii) in FIG. 3 irradiate the other surface of the substrate 1 with pseudo-sunlight of air mass 1.5G and 100 mW / cm 2 for the organic solar cells of Examples 1 to 8, respectively. FIG. 3 shows the results of measuring the conversion efficiency before and after heating when the organic solar cell was heated to 150 ° C. after irradiation for a period of time. From FIG. 3, after heating at 150 ° C. (“ It can be seen that the conversion efficiency of “after” is higher than that before heating (“front” on the horizontal axis in FIG. 3), and that the conversion efficiency at the start of irradiation is restored. In heating the organic solar cell, the organic solar cell was placed in a metal chamber having a cylinder provided with a heater around it, and the heater was heated to 150 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min.

また、上述の図4のイ〜ニは、それぞれ、実施例1〜5の有機太陽電池について、エアマス1.5G、100mW/cm2の擬似太陽光を基板1の上記他表面に照射して8時間照射した後で、各有機太陽電池を−73℃(200K)から150℃(423K)まで10℃/minの昇温速度で加熱したときの電流密度の変化を示している。ここで、電流密度は、有機太陽電池素子2の出力電流を有機太陽電池素子2における混合層23のうち正電極21および負電極25と重なる領域の平面積(発電面積)で割ることにより得た値である。 4A and 4B, the organic solar cells of Examples 1 to 5 were irradiated with simulated solar light with an air mass of 1.5 G and 100 mW / cm 2 on the other surface of the substrate 1 and 8 respectively. The graph shows the change in current density when each organic solar cell was heated from −73 ° C. (200 K) to 150 ° C. (423 K) at a rate of temperature increase of 10 ° C./min after time irradiation. Here, the current density was obtained by dividing the output current of the organic solar cell element 2 by the plane area (power generation area) of the region overlapping the positive electrode 21 and the negative electrode 25 in the mixed layer 23 in the organic solar cell element 2. Value.

図4のイ〜ニから、混合層23がP3HTとPCBMとを用いて形成された実施例1〜5の有機太陽電池では、有機太陽電池に擬似太陽光を8時間照射することで変換効率が低下した後でも、150℃まで加熱することにより、混合層23に蓄積された電荷のほとんどが外部へ取り出されるものと推測される。   In the organic solar cells of Examples 1 to 5, in which the mixed layer 23 is formed using P3HT and PCBM, the conversion efficiency is improved by irradiating the organic solar cell with pseudo sunlight for 8 hours. Even after the decrease, it is presumed that most of the charges accumulated in the mixed layer 23 are taken out by heating to 150 ° C.

ここで、本実施形態の有機太陽電池は、混合層23中に蓄積された電荷を混合層23外へ放出させるように混合層23を加熱する加熱手段8を備えているので、加熱手段8により混合層23を加熱することによって、有機太陽電池素子2に蓄積された電荷を発電に寄与させることができるともに、当該電荷が放出されることで有機太陽電池素子2の特性(変換効率)が回復するから、長寿命化を図れる。   Here, the organic solar cell of the present embodiment includes the heating unit 8 that heats the mixed layer 23 so as to release the charge accumulated in the mixed layer 23 to the outside of the mixed layer 23. By heating the mixed layer 23, the electric charge accumulated in the organic solar cell element 2 can contribute to power generation, and the characteristics (conversion efficiency) of the organic solar cell element 2 are restored by releasing the electric charge. Therefore, the service life can be extended.

ここにおいて、加熱手段8による加熱温度は、混合層23に用いる有機化合物のガラス転移点温度(Tg)付近の温度が最適で、例えば、有機化合物がP3HTの場合、140〜170℃が好ましく、上述の図4からも分かるように、PH3Tのガラス転移点温度である150℃が特に好ましい。ここで、加熱温度が140℃よりも低いと、混合層23へ与えられる熱エネルギーが不十分であり、混合層23に蓄積された電荷による電流を有機太陽電池素子2の外部に十分に取り出すことができず、電荷が有機太陽電池素子2内に残存しているため、有機太陽電池素子2の変換効率が初期の変換効率と略同じ変換効率まで回復しない。また、加熱温度が高すぎると、有機材料の破壊が生じ、特性を低下させてしまうことになる。   Here, the heating temperature by the heating means 8 is optimal near the glass transition temperature (Tg) of the organic compound used in the mixed layer 23. For example, when the organic compound is P3HT, 140 to 170 ° C. is preferable. As can be seen from FIG. 4, 150 ° C., which is the glass transition temperature of PH3T, is particularly preferable. Here, when the heating temperature is lower than 140 ° C., the thermal energy given to the mixed layer 23 is insufficient, and the current due to the electric charge accumulated in the mixed layer 23 is sufficiently taken out of the organic solar cell element 2. Since the charge remains in the organic solar cell element 2, the conversion efficiency of the organic solar cell element 2 does not recover to substantially the same conversion efficiency as the initial conversion efficiency. Moreover, when heating temperature is too high, destruction of an organic material will arise and a characteristic will be reduced.

また、正電極21と負電極25との少なくとも一方を抵抗体として当該抵抗体に通電し、当該通電による抵抗体の発熱により混合層23を加熱するようにしてもよい。ここにおいて、抵抗体を構成するには、有機太陽電池素子2の発電に必要な仕事関数を有する材料(正電極21であれば例えばITO、負電極25であれば例えばAlなど)からなる低抵抗層と、当該低抵抗層に比べて抵抗の高い材料(例えば、SnO2などのような酸化物半導体、比較的抵抗の高い金属など)からなる高抵抗層とを組み合わせるようにすればよい。この場合は、例えばSnO2膜からなる高抵抗層を、混合層23への外来光を遮断しない部分に、例えばストライプ状に形成してもよいし、また、極細のグリッド状に形成することで外来光の遮断を最小限に抑えるようにしてもよい。上述のように一対の電極である正電極21と負電極25との少なくとも一方が抵抗体であり、当該抵抗体が加熱手段8を構成するようにすれば、加熱手段8を有機太陽電池素子2とは別途に設ける必要がなく、低コスト化を図れる。 Alternatively, at least one of the positive electrode 21 and the negative electrode 25 may be used as a resistor, and the resistor may be energized, and the mixed layer 23 may be heated by heat generated by the resistor due to the energization. Here, in order to configure the resistor, a low resistance made of a material having a work function necessary for power generation of the organic solar cell element 2 (for example, ITO for the positive electrode 21 and Al for the negative electrode 25). A layer may be combined with a high resistance layer made of a material having a higher resistance than the low resistance layer (for example, an oxide semiconductor such as SnO 2 or a metal having a relatively high resistance). In this case, for example, a high resistance layer made of, for example, a SnO 2 film may be formed in, for example, a stripe shape in a portion that does not block external light to the mixed layer 23, or may be formed in an extremely fine grid shape. The blocking of extraneous light may be minimized. As described above, if at least one of the positive electrode 21 and the negative electrode 25 that are a pair of electrodes is a resistor, and the resistor constitutes the heating means 8, the heating means 8 is replaced with the organic solar cell element 2. There is no need to provide it separately, and the cost can be reduced.

なお、本実施形態では、正電極21のみを透明電極としてあるが、負電極25のみ、あるいは正電極21と負電極25との両方を透明電極として、加熱手段8の平面形状を枠状の形状とし且つ表面保護層3を透光性材料により形成するようにしてもよい。   In this embodiment, only the positive electrode 21 is a transparent electrode, but only the negative electrode 25 or both the positive electrode 21 and the negative electrode 25 are transparent electrodes, and the planar shape of the heating means 8 is a frame shape. In addition, the surface protective layer 3 may be formed of a translucent material.

(実施形態2)
本実施形態の有機太陽電池の基本構成は実施形態1と略同じであって、図5に示すように、発熱体からなる加熱手段8が基板1の上記他表面に接する形で配置され、有機太陽電池素子2の投影領域を囲む枠状の形状に形成されている点が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the organic solar cell of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 5, the heating means 8 made of a heating element is disposed in contact with the other surface of the substrate 1 and is organic. It is different in that it is formed in a frame shape surrounding the projection area of the solar cell element 2. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

しかして、本実施形態の有機太陽電池では、加熱手段8が基板1の上記他表面に接する形で配置され、有機太陽電池素子2の投影領域を囲む枠状の形状に形成されているので、有機太陽電池素子2の発電面積の低下による発電量の低下を防止することができる。ここで、加熱手段8は、混合層23へ導入される外来光を遮断しない部分に設けてあればよく、設ける位置は特に限定するものではない。   Thus, in the organic solar cell of the present embodiment, the heating means 8 is arranged in contact with the other surface of the substrate 1 and is formed in a frame shape surrounding the projection region of the organic solar cell element 2. A decrease in the amount of power generation due to a decrease in the power generation area of the organic solar cell element 2 can be prevented. Here, the heating means 8 should just be provided in the part which does not block the external light introduce | transduced into the mixed layer 23, and the position provided is not specifically limited.

加熱手段8を構成する発熱体としては、実施形態1と同様のシリコンラバーヒータを用いてもよいし、あるいは、上記投影領域を囲むように適宜パターニングしたSnO2膜により構成してもよく、SnO2膜に通電することにより発熱させるようにしてもよい。 As the heating element constituting the heating means 8, the same silicon rubber heater as that of the first embodiment may be used, or it may be constituted by an SnO 2 film appropriately patterned so as to surround the projection region. Heat may be generated by energizing the two films.

なお、本実施形態では、正電極21のみを透明電極としてあるが、負電極25のみ、あるいは正電極21と負電極25との両方を透明電極として、表面保護層3を透光性材料により形成するようにしてもよい。   In this embodiment, only the positive electrode 21 is used as a transparent electrode. However, the surface protective layer 3 is formed of a translucent material using only the negative electrode 25 or both the positive electrode 21 and the negative electrode 25 as transparent electrodes. You may make it do.

(実施形態3)
本実施形態の太陽電池の基本構成は実施形態1と略同じであって、図6に示すように、加熱手段8を基板1と正電極21との間に設けてある点が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
The basic configuration of the solar cell of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and is different in that the heating means 8 is provided between the substrate 1 and the positive electrode 21 as shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

本実施形態では、加熱手段8として、例えば、透光性材料からなる母材に線状のヒータが埋設されたものを用いるか、あるいは、透光性を有する金属薄膜により形成してもよいし、あるいは、負電極25および表面保護層3それぞれが透光性を有するように材料を選択してもよい。   In the present embodiment, as the heating means 8, for example, a base material made of a translucent material with a linear heater embedded therein may be used, or a metal thin film having translucency may be used. Alternatively, the material may be selected so that each of the negative electrode 25 and the surface protective layer 3 has translucency.

(実施形態4)
本実施形態の有機太陽電池の基本構成は実施形態1と略同じであって、図7に示すように、加熱手段8が、有機太陽電池素子2の外部に設けられ通電されることにより金属電極からなる負電極25を誘導加熱するコイルからなる点が相違する。すなわち、金属電極からなる負電極25が誘導加熱されることで混合層23が加熱される。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the organic solar cell of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 7, the heating means 8 is provided outside the organic solar cell element 2 and energized so that the metal electrode. The negative electrode 25 is made of a coil for induction heating. That is, the mixed layer 23 is heated by induction heating of the negative electrode 25 made of a metal electrode. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

ここにおいて、加熱手段8を構成するコイルは、基板1の上記他表面上において、有機太陽電池素子2の投影領域を囲むコイル状の形状に形成されている点が相違する。ここにおいて、加熱手段8の材料としては銅を採用しているが、誘導加熱できる金属であればよく、特に銅に限定するものではない。   Here, the coil which comprises the heating means 8 differs in the point currently formed in the coil-shaped shape surrounding the projection area | region of the organic solar cell element 2 on the said other surface of the board | substrate 1. FIG. Here, copper is used as the material of the heating means 8, but any metal that can be induction-heated may be used, and the material is not particularly limited to copper.

しかして、本実施形態の有機太陽電池においても、加熱手段8により有機太陽電池素子2への入射光が遮られるのを防止することができる。なお、本実施形態では、負電極25のみが金属電極により構成されているが、正電極21と負電極25との少なくとも一方が金属電極であればよく、両方とも金属電極により構成する場合には、少なくとも一方を透光性を有する膜厚に設定するか、あるいは、混合層23への外来光を遮る部分が少なくなるようにパターニングする必要がある。   Therefore, also in the organic solar battery of this embodiment, it is possible to prevent the incident light to the organic solar battery element 2 from being blocked by the heating means 8. In the present embodiment, only the negative electrode 25 is configured by a metal electrode, but at least one of the positive electrode 21 and the negative electrode 25 may be a metal electrode, and when both are configured by a metal electrode, It is necessary to set the film thickness so that at least one of them has translucency, or to pattern so that the portion that blocks the extraneous light to the mixed layer 23 is reduced.

(実施形態5)
本実施形態の有機太陽電池の基本構成は実施形態1と略同じであって、図8に示すように、加熱手段8が、基板1の上記他表面に固着された赤外線吸収シートにより構成されている点が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 5)
The basic configuration of the organic solar cell of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 8, the heating means 8 is configured by an infrared absorbing sheet fixed to the other surface of the substrate 1. Is different. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

しかして、本実施形態の有機太陽電池では、有機太陽電池素子2において発電にはほとんど寄与しない赤外線を加熱手段8である赤外線吸収シートにより効率よく吸収して熱に変換することで有機太陽電池素子2を加熱することができるので、加熱手段8に通電する必要がなく、ランニングコストの低減を図れる。   Thus, in the organic solar cell of the present embodiment, the organic solar cell element 2 efficiently absorbs infrared rays that hardly contribute to power generation in the organic solar cell element 2 by the infrared absorbing sheet that is the heating means 8 and converts it into heat. Since 2 can be heated, there is no need to energize the heating means 8 and the running cost can be reduced.

なお、上記各実施形態において、有機太陽電池素子2の混合層23に蓄積された電荷を外部へ放出させる加熱手段8は、有機太陽電池素子2を構成する正電極21、正孔輸送層22、混合層23、電子輸送層24、負電極25に熱エネルギーを与えることで、正電極21、正孔輸送層22、混合層23、電子輸送層24、負電極25それぞれの熱振動を増幅させ、混合層23に捕獲されて蓄積された電荷を取り出すものであるが、混合層23に蓄積された電荷を取り出す手段としては、有機太陽電池素子2を構成する正電極21、正孔輸送層22、混合層23、電子輸送層24、負電極25の各材料間、または混合層23を形成する電子供与性半導体と電子吸引性半導体との間、の仕事関数あるいは電子親和力の差に相当するエネルギーを外部から与えることで有機太陽電池素子2内に捕獲されている電荷を取り出すことができる。このようなエネルギーを外部から与えることで混合層23の電荷を外部へ放出させる放出手段としては、例えば、上述の仕事関数あるいは電子親和力の差に相当する波長の光を照射することがあげられる。この場合のエネルギーとしては、0.5〜1.0eVのエネルギーを加えることが好ましく、0.6〜0.9eVのエネルギーがより好ましい(つまり、光の波長としては、1240〜2480nmが好ましく、1370〜2070nmの波長がより好ましい)。   In each of the above embodiments, the heating means 8 for releasing the charge accumulated in the mixed layer 23 of the organic solar cell element 2 to the outside includes the positive electrode 21, the hole transport layer 22, and the organic solar cell element 2. By applying thermal energy to the mixed layer 23, the electron transport layer 24, and the negative electrode 25, the thermal vibration of each of the positive electrode 21, the hole transport layer 22, the mixed layer 23, the electron transport layer 24, and the negative electrode 25 is amplified, The charge captured and accumulated in the mixed layer 23 is taken out. As a means for taking out the charge accumulated in the mixed layer 23, a positive electrode 21 constituting the organic solar cell element 2, a hole transport layer 22, Energy corresponding to a difference in work function or electron affinity between the materials of the mixed layer 23, the electron transport layer 24, and the negative electrode 25, or between the electron donating semiconductor and the electron withdrawing semiconductor forming the mixed layer 23. Outside It can be taken out charges that are trapped in the organic solar cell element in a two by giving the. As an emitting means for releasing the charge of the mixed layer 23 to the outside by applying such energy from the outside, for example, irradiation with light having a wavelength corresponding to the above-described difference in work function or electron affinity can be cited. The energy in this case is preferably 0.5 to 1.0 eV, more preferably 0.6 to 0.9 eV (that is, the light wavelength is preferably 1240 to 2480 nm, 1370). A wavelength of ˜2070 nm is more preferred).

1 基板
2 有機太陽電池素子
3 表面保護層
8 加熱手段
21 正電極(電極)
22 正孔輸送層
23 混合層
24 電子輸送層
25 負電極(電極)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 Organic solar cell element 3 Surface protective layer 8 Heating means 21 Positive electrode (electrode)
22 hole transport layer 23 mixed layer 24 electron transport layer 25 negative electrode (electrode)

Claims (5)

一対の電極間に電子供与性半導体と電子吸引性半導体との混合層を有する有機太陽電池素子を備えた有機太陽電池であって、混合層中に蓄積された電荷を混合層外へ放出させるように混合層を加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする有機太陽電池。   An organic solar cell including an organic solar cell element having a mixed layer of an electron-donating semiconductor and an electron-withdrawing semiconductor between a pair of electrodes so as to discharge charges accumulated in the mixed layer to the outside of the mixed layer An organic solar cell comprising a heating means capable of heating the mixed layer. 基板と、基板の一表面側に形成された前記有機太陽電池素子と、前記有機太陽電池素子を覆う形で基板の前記一表面側に形成された表面保護層とを備えることを特徴とする請求項1記載の有機太陽電池。 A substrate, the organic solar cell element formed on one surface side of the substrate, and a surface protective layer formed on the one surface side of the substrate so as to cover the organic solar cell element. Item 10. An organic solar cell according to Item 1. 前記加熱手段は、前記有機太陽電池素子の外部に設けられ通電されることにより発熱して伝熱により前記混合層を加熱する発熱体であること特徴とする請求項1又は2記載の有機太陽電池。 Said heating means, according to claim 1 or 2 Symbol placement of organic solar and this and features exothermed to a heating element to heat the mixed layer by heat transfer by being energized is provided outside of the organic solar cell device battery. 前記一対の電極の少なくとも一方が抵抗体であり、当該抵抗体が前記加熱手段を構成していることを特徴とする請求項1又は2記載の有機太陽電池 At least one of a resistor, according to claim 1 or 2 Symbol placement organic solar cells, characterized in that the resistor constitute the heating means of the pair of electrodes. 前記一対の電極の少なくとも一方が金属電極であり、前記加熱手段は、前記有機太陽電池素子の外部に設けられ通電されることにより前記金属電極を誘導加熱するコイルからなることを特徴とする請求項1又は2記載の有機太陽電池。The at least one of the pair of electrodes is a metal electrode, and the heating unit includes a coil that is provided outside the organic solar cell element and that inductively heats the metal electrode when energized. The organic solar cell according to 1 or 2.
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