JP5258037B2 - Photoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and solar cell - Google Patents

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Description

本発明は、バルクへテロ接合型の有機薄膜に関連する技術分野に属し、特に、光−電気のエネルギー変換効率を向上させる光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池に関する発明である。   The present invention belongs to a technical field related to a bulk heterojunction type organic thin film, and particularly relates to a photoelectric conversion element that improves photo-electric energy conversion efficiency, a manufacturing method thereof, and a solar cell.

近年、有機薄膜を用いた太陽電池として、ドナードメイン及びアクセプタドメインを混在させた活性層を備えるバルクヘテロ接合型(bulk-heterojunction)の太陽電池が、高い発電効率を実現するとして脚光を浴びている。
照射光を吸収した活性層は、ドナードメインの内部に、電子と正孔がペアとなって互いに強く束縛しあう励起子を発生させる。そして、この発生した励起子のうち、ドナードメインとアクセプタドメインとの界面(以下、ドメイン界面という)に到達したもののみが電荷分離して発電に関与する。
In recent years, as a solar cell using an organic thin film, a bulk-heterojunction solar cell including an active layer in which a donor domain and an acceptor domain are mixed has attracted attention as realizing high power generation efficiency.
The active layer that has absorbed the irradiation light generates excitons inside the donor domain in which electrons and holes are paired and strongly bound to each other. Of the generated excitons, only those that reach the interface between the donor domain and the acceptor domain (hereinafter referred to as domain interface) are involved in power generation by charge separation.

そして、分離した電子は、アクセプタドメインを移動して負極に到達し、分離した正孔は、ドナードメインを移動して正極に到達し、電極間に電位差が発生する。
バルクヘテロ接合型の太陽電池では、活性層の内部に形成されているドメイン界面が広いため、発生した励起子のうち多くが途中で失活することなくドメイン界面に到達し電荷分離するために、高効率発電が実現される。
The separated electrons move through the acceptor domain and reach the negative electrode, and the separated holes move through the donor domain and reach the positive electrode, generating a potential difference between the electrodes.
In bulk heterojunction solar cells, the domain interface formed inside the active layer is wide, so that many of the excitons generated reach the domain interface without charge deactivation and charge separation occurs. Efficient power generation is realized.

そして、バルクヘテロ接合型太陽電池のさらなる発電効率の向上を目指し、励起子を多く発生させるために、活性層に色素を加える研究がなされている(例えば、非特許文献1、2参照)。また、ドメイン界面に到達できず失活していた励起子を電荷分離させるために、ドナー及びアクセプタのドメインサイズを最適化する研究がなされている(例えば、非特許文献3参照)。
Sol.Energy Mater.Sol.Cells,91,447(2007) Eur.Phys.J.Appl.Phys.,40,169(2007) Adv.Funct.Mater.,15,1193(2005)
In order to further improve the power generation efficiency of the bulk heterojunction solar cell, studies have been made to add a dye to the active layer in order to generate many excitons (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). In addition, studies have been made to optimize the domain sizes of donors and acceptors in order to charge-separate excitons that have been deactivated without reaching the domain interface (see, for example, Non-Patent Document 3).
Sol.Energy Mater.Sol.Cells, 91, 447 (2007) Eur.Phys.J.Appl.Phys., 40,169 (2007) Adv. Funct. Mater., 15, 1193 (2005)

しかし、活性層に有機色素を加える試みは、逆に発電効率が低下する報告例もあり、期待される成果が挙がっていない。この理由については明らかではないが、従来用いられていた有機色素が、一般的に見て凝集性が高いものであることに関連すると推察される。
また、ドメインサイズを最適化する試みも、サイズを小さくするとドメイン界面が広がり、電荷分離が促進する点は望ましいが、同時に電荷移動の円滑性が妨げられ、発電性能の向上の施策としては限界が見えている。
However, attempts to add organic dyes to the active layer have been reported to reduce power generation efficiency, and no expected results have been achieved. The reason for this is not clear, but it is presumed that the conventionally used organic dyes are generally associated with high aggregation properties.
In addition, it is desirable to try to optimize the domain size, but it is desirable that the domain interface expands and the charge separation is promoted when the size is reduced. I can see it.

本発明は、活性層に有機色素を加えるとともにドナードメイン及びアクセプタドメインの組織を制御して、光−電気のエネルギー変換効率を向上させる光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池を提供することを課題にする。   The present invention provides a photoelectric conversion element, a manufacturing method thereof, and a solar cell, in which an organic dye is added to an active layer and a structure of a donor domain and an acceptor domain is controlled to improve photo-electric energy conversion efficiency. Make it an issue.

前記した課題を解決するために本発明は、照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子であって、前記活性層は、前記照射光を吸収して励起した電子を供与する第1ドメインと前記電子を受容する第2ドメインとが混在したバルクヘテロ接合型の構造を有し、前記照射光を吸収して励起する有機色素が、バルクヘテロ接合した前記第1ドメインと前記第2ドメインの界面に偏在していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a photoelectric conversion element in which a potential difference is generated between a pair of electrode layers disposed opposite to both sides of an active layer when irradiated with light, and the active layer transmits the irradiated light. absorbed to have the structure of a bulk heterojunction type and the second domain are mixed for receiving the electronic first domain donates electrons excited, organic dye excited by absorbing the irradiation light, and bulk heterojunction characterized in that it is unevenly distributed to the interface between the second domain and the first domain.

このように発明が構成されることにより、有機色素は、ドメイン界面に薄く広範に亘って分布していることになる。これにより、第1ドメインの内部に発生した励起子は、ドメイン界面に到達した後に電荷分離して発電に関与する。また、照射光を吸収して有機色素に発生した励起子は、発生したその場で電荷分離し、ほとんど失活することなく発電に関与する。   By configuring the invention in this way, the organic dye is thinly and widely distributed at the domain interface. As a result, excitons generated in the first domain reach the domain interface and are separated by charge to participate in power generation. In addition, excitons generated in the organic dye by absorbing the irradiation light are separated into charges on the spot where they are generated, and are involved in power generation with almost no deactivation.

また本発明の光電変換素子は、前記有機色素は、隣接するもの同士のπ共役分子軌道の重なり合いを阻害する官能基を含むことを特徴とする。
さらには、前記有機色素は、非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体であることを特徴とする。
The photoelectric conversion element of the present invention is characterized in that the organic dye contains a functional group that inhibits the overlap of adjacent π-conjugated molecular orbitals.
Furthermore, the organic dye is a complex with an atom capable of taking a non-planar coordination structure.

このように発明が構成されることにより、有機色素は、一般的性質として、その平面構造体の積層方向に凝集しやすいものであるが、前記官能基により凝集が阻害されることになる。これにより、有機色素は、自己凝集することなく、ドメインの界面に安定して定着することになる。   By constituting the invention in this way, the organic dye is generally easy to aggregate in the laminating direction of the planar structure as a general property, but aggregation is inhibited by the functional group. As a result, the organic dye is stably fixed on the interface of the domain without self-aggregation.

また本発明の光電変換素子は、前記有機色素の光吸収スペクトルの吸収ピークは、前記第1ドメイン又は第2ドメインの吸収ピークよりも長波長側に位置することを特徴とする。
また前記有機色素のHOMO準位は、前記第1ドメインを機能させるドナー分子のHOMO準位よりも低く、かつ、前記第2ドメインを機能させるアクセプタ分子のHOMO準位よりも高く、前記有機色素のLUMO準位は、前記ドナー分子のLUMO準位よりも低く、かつ、前記アクセプタ分子のLUMO準位よりも高く、前記有機色素のHOMO−LUMOギャップは、前記ドナー分子のものより小さいことを特徴とする。
The photoelectric conversion element of the present invention is characterized in that the absorption peak of the light absorption spectrum of the organic dye is located on the longer wavelength side than the absorption peak of the first domain or the second domain.
The HOMO level of the organic dye is lower than the HOMO level of the donor molecule to function the first domain, and higher than the HOMO level of the acceptor molecule to function the second domain, said organic dye The LUMO level is lower than the LUMO level of the donor molecule and higher than the LUMO level of the acceptor molecule, and the organic dye has a HOMO-LUMO gap smaller than that of the donor molecule. To do.

このように発明が構成されることにより、ドメイン界面から離れた位置に発生した励起子であっても、ドメイン界面に効率よく到達してから有機色素を励起させて電荷分離に至ることができる。これにより、第1ドメインに発生した励起子のほとんどは、失活することなく発電に貢献することができる。   By configuring the invention in this way, even an exciton generated at a position distant from the domain interface can efficiently reach the domain interface and excite the organic dye to achieve charge separation. Thereby, most excitons generated in the first domain can contribute to power generation without being deactivated.

また本発明の光電変換素子の製造方法は、照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子の製造方法であって、前記照射光を吸収して励起した電子を供与するドナー分子及び前記電子を受容するアクセプタ分子の合計100重量部と0.1〜10重量部の有機色素とを溶媒に溶解させた溶液を作製する段階と、前記電極層の一方が設けられている基板上に前記溶液を塗布するとともに前記溶媒を揮発させる段階と、前記ドナー分子からなる第1ドメイン及び前記アクセプタ分子からなる第2ドメインを相分離させて混在したバルクヘテロ接合型の構造を発現させるとともに、バルクヘテロ接合した前記第1ドメインと前記第2ドメインとの界面に前記有機色素が偏在している前記活性層を形成する段階とを含み、前記有機色素は、HOMO−LUMOギャップが前記ドナー分子のものより小さくHOMO準位が前記ドナー分子のHOMO準位よりも低く、かつ、前記アクセプタ分子のHOMO準位よりも高く、LUMO準位が前記ドナー分子のLUMO準位よりも低く、かつ、前記アクセプタ分子のLUMO準位よりも高いとともに、前記ドナー分子及び前記アクセプタ分子に対し非相溶でかつこれらよりも自己凝集性が小さいことを特徴とする。 Further, the method for producing a photoelectric conversion element of the present invention is a method for producing a photoelectric conversion element in which a potential difference is generated between a pair of electrode layers disposed opposite to both sides of an active layer when irradiated with light, which absorbs the irradiation light. Preparing a solution in which a total of 100 parts by weight of donor molecules that donate excited electrons and acceptor molecules that accept the electrons and 0.1 to 10 parts by weight of an organic dye are dissolved in a solvent, and the electrode layer A step of applying the solution onto a substrate provided with one of the above and volatilizing the solvent; and a bulk heterojunction in which the first domain consisting of the donor molecule and the second domain consisting of the acceptor molecule are phase-separated and mixed Rutotomoni to express structures of the mold, to form the active layer surface to the organic dye is unevenly distributed between the first domains bulk heterojunction with said second domain It includes a step, wherein the organic dye is smaller than that of the HOMO-LUMO gap the donor molecule, HOMO level is lower than the HOMO level of the donor molecule and than the HOMO level of the acceptor molecule High, the LUMO level is lower than the LUMO level of the donor molecule and higher than the LUMO level of the acceptor molecule, is incompatible with the donor molecule and the acceptor molecule, and is more self-aggregated than these It is characterized by smallness.

このように発明が構成されることにより、作製された溶液をスピンキャスト法等の公知手段で塗布することによりドナー分子、アクセプタ分子及び有機色素が混合した有機薄膜を基板上に形成することができる。さらに、加熱処理等によりドナー分子を第1ドメインとして成長させ、アクセプタ分子を第2ドメインとして成長させれば、有機色素は、ドメイン界面に優先的に析出することになる。
さらに、この有機色素の析出相は、HOMO準位及びLUMO準位が前記規定した関係を有することにより、ドメイン界面から離れた位置で発生した励起子であってもこのドメイン界面に分布する有機色素を励起させてから電荷分離して発電に寄与できる。
By configuring the invention in this way, an organic thin film in which donor molecules, acceptor molecules, and organic dyes are mixed can be formed on a substrate by applying the prepared solution by a known means such as a spin cast method. . Further, when the donor molecule is grown as the first domain and the acceptor molecule is grown as the second domain by heat treatment or the like, the organic dye is preferentially deposited on the domain interface.
Further, the organic dye is distributed in the domain interface even if it is an exciton generated at a position distant from the domain interface because the HOMO level and the LUMO level have the above-defined relationship. Can be contributed to power generation by separating the charge.

本発明によれば、加えられた有機色素が、ドナー及びアクセプタのドメイン界面に薄く分布することに起因して、光−電気のエネルギー変換効率に優れた光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池が提供される。   According to the present invention, the added organic dye is thinly distributed at the domain interface between the donor and the acceptor, so that the photoelectric conversion element having excellent photo-electrical energy conversion efficiency, its manufacturing method, and solar cell Is provided.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
(第1実施形態)
図1(a)の概念図に示されるように、第1実施形態に係る光電変換素子10は、活性層20と、その両端の側に対向配置される一対の正極層11(電極層)及び負極層12(電極層)から構成されている。
そして、一対の電極層11,12のうち透明に構成される透明電極(図では正極層11)から照射光Hが当たると、活性層20から負極層12に電子が移動し活性層20から正極層11に正孔が移動すること(正極層11から活性層20に電子が移動することと同義)により、電極層11,12に電位差が生じる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
As shown in the conceptual diagram of FIG. 1A, the photoelectric conversion element 10 according to the first embodiment includes an active layer 20 and a pair of positive electrode layers 11 (electrode layers) disposed opposite to both ends thereof. It is comprised from the negative electrode layer 12 (electrode layer).
Then, when the irradiation light H is applied from a transparent electrode (positive electrode layer 11 in the figure) of the pair of electrode layers 11 and 12, electrons move from the active layer 20 to the negative electrode layer 12 and from the active layer 20 to the positive electrode. When holes move to the layer 11 (synonymous with electrons moving from the positive electrode layer 11 to the active layer 20), a potential difference is generated between the electrode layers 11 and 12.

活性層20は、厚さが10nmから1000nmである有機薄膜であり、微細化した第1ドメイン21(以下、「ドナードメイン21」ともいう)及び第2ドメイン22(以下、「アクセプタドメイン22」ともいう)が混在した構造を有し、両ドメインの界面付近には有機色素23が偏在している。   The active layer 20 is an organic thin film having a thickness of 10 nm to 1000 nm, and has a refined first domain 21 (hereinafter also referred to as “donor domain 21”) and second domain 22 (hereinafter referred to as “acceptor domain 22”). The organic dye 23 is unevenly distributed near the interface between both domains.

ドナードメイン21は、照射光Hを吸収すると励起してその内部に励起子が発生するものである。ここで励起とは、照射光Hの光エネルギーにより、図1(b)に示されるように、分子内の最高被占分子軌道(HOMO)にある電子が最低空分子軌道(LUMO)に遷移した状態を意味する。
HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)は、エネルギー準位の低い安定な分子軌道から順番に電子が充填されるとして、最後に充填された不安定な電子が存在する分子軌道を意味する。一方LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)は、HOMOよりもエネルギー準位が一つ上の分子軌道であって、それ以上のエネルギー準位の軌道に電子が存在していない軌道を意味する。
The donor domain 21 is excited when the irradiation light H is absorbed, and excitons are generated therein. Here, excitation means that the electron in the highest occupied molecular orbital (HOMO) in the molecule transitions to the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) as shown in FIG. Means state.
HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) means a molecular orbital in which unstable electrons are filled last, assuming that electrons are charged sequentially from a stable molecular orbital having a low energy level. On the other hand, LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) means a molecular orbital whose energy level is one higher than that of HOMO, and an orbit in which electrons are not present in a higher energy level orbital.

励起子とは、LUMOに遷移した電子と、HOMOの電子が空位となってできた正孔とが互いに束縛しあってペアになっている状態を指す。発生した励起子は、エネルギー移動によりドナードメイン21内でその位置を変化させることができ、これによりドメイン界面から離れた位置に発生した励起子であってもドメイン界面に到達することができる。
そして、ドナードメイン21を形成するドナー分子Dの発光スペクトルと有機色素23の吸収スペクトルとの重なりが大きい場合には、ドナー分子Dで発生した励起子は有機色素23へエネルギー移動し、効率よくドメイン界面に到達することができる。
An exciton refers to a state in which an electron transitioned to LUMO and a hole formed by vacancy of an HOMO electron are bound to each other and paired. The position of the generated excitons can be changed in the donor domain 21 by energy transfer, so that even excitons generated at positions away from the domain interface can reach the domain interface.
When the overlap between the emission spectrum of the donor molecule D forming the donor domain 21 and the absorption spectrum of the organic dye 23 is large, excitons generated in the donor molecule D transfer energy to the organic dye 23, and the domain efficiently. Can reach the interface.

励起子は、吸収した光エネルギーが蛍光や熱として消費されると、LUMOに遷移した電子が再びHOMOに戻り失活する。またLUMOに遷移した電子は、エネルギー準位の高いLUMOよりも低いLUMOに入っているほうが安定であるために、その差が小さければドメイン界面を突っ切ってLUMO準位の低い物質に電荷移動することができる。
このために、失活するまでにエネルギー移動によりドメイン界面に到達できた励起子は、ペアになっている正孔と電子が電荷分離して、電子がLUMOを経由して負極層12の方向に移動し、正孔がHOMOを経由して正極層11の方向に移動することになる。
In the exciton, when the absorbed light energy is consumed as fluorescence or heat, the electrons transitioned to LUMO return to HOMO again and are deactivated. In addition, electrons that have transitioned to LUMO are more stable when they enter a lower LUMO than a LUMO with a higher energy level, so if the difference is small, the electrons will pass through the domain interface and transfer charge to a material with a lower LUMO level. Can do.
For this reason, excitons that have been able to reach the domain interface by energy transfer before being deactivated are separated from the paired holes and electrons, and the electrons pass through LUMO in the direction of the negative electrode layer 12. The holes move and move toward the positive electrode layer 11 via the HOMO.

このドナードメイン21は、照射光Hを吸収すると、図1(b)に示されるように、HOMOのエネルギー準位(HOMO準位)にある電子がLUMOのエネルギー準位(LUMO準位)に励起する。そして、ドナードメイン21の任意の位置において複数の励起子が同時に発生することになる(図2の(a)及び(d)参照)。   When the donor domain 21 absorbs the irradiation light H, as shown in FIG. 1B, electrons in the HOMO energy level (HOMO level) are excited to the LUMO energy level (LUMO level). To do. Then, a plurality of excitons are simultaneously generated at an arbitrary position of the donor domain 21 (see (a) and (d) of FIG. 2).

ドナードメイン21を構成するドナー分子Dとしては、チオフェン系、フェニレンビニレン系、フルオレン系、ルテニウム錯体系、フラーレン系、クマリン系、カルバゾール系、ポルフィリン系、フタロシアニン系、スピロ系、フェロセン系、フルオレノン系、フルギド系、イミダゾール系、ペリレン系、フェナジン系、フェノチアジン系、ポリエン系、アゾ系、キノン系、インジゴ系、ジフェニルメタン系、トリフェニルメタン系、ポリメチン系、アクリジン系、アクリジノン系、カルボスチリル系、クマリン系、ジフェニルアミン系、クナクリドン系、キノフタロン系、フェノキサジン系、フタロペリノン系、ポルフィン系、クロロフィル系、フタロシアニン系、クラウン系、スクアリリウム系、チアフルバレン系の官能基等が具体的に挙げられる。   The donor molecule D constituting the donor domain 21 includes thiophene, phenylene vinylene, fluorene, ruthenium complex, fullerene, coumarin, carbazole, porphyrin, phthalocyanine, spiro, ferrocene, fluorenone, Frugide, imidazole, perylene, phenazine, phenothiazine, polyene, azo, quinone, indigo, diphenylmethane, triphenylmethane, polymethine, acridine, acridinone, carbostyril, coumarin , Diphenylamine, quinacridone, quinophthalone, phenoxazine, phthaloperinone, porphine, chlorophyll, phthalocyanine, crown, squarylium, thiafulvalene, etc. It is below.

アクセプタドメイン22は、有機色素23が分布するドメイン界面を介してドナードメイン21に接し、このドナードメイン21及び有機色素23から電子を受容するものである。またアクセプタドメイン22の機能は、そのような電子を受容するだけにとどまらず、自身が照射光Hを吸収し励起して、正孔を有機色素23に、あるいは電子を負極層12(又は電子輸送層40(図3))に供与する場合もある。
アクセプタドメイン22は、そのLUMOのエネルギー準位(LUMO準位)が、ドナードメイン21及び有機色素23のLUMO準位よりも小さくかつ、負極層12の伝導帯準位よりも高いことが好ましい。
アクセプタドメイン22を構成するアクセプタ分子Aとしては、フラーレン、オキサジアゾール、オキサドール、ペリレン、ペリレンジイミド、ベンゾジイミダゾール、ナフタレンの誘導体、金属錯体等の物質が具体的に挙げられる。
The acceptor domain 22 is in contact with the donor domain 21 via a domain interface where the organic dye 23 is distributed, and accepts electrons from the donor domain 21 and the organic dye 23. The function of the acceptor domain 22 is not limited to accepting such electrons. The acceptor domain 22 itself absorbs and excites the irradiation light H to generate holes for the organic dye 23 or electrons for the negative electrode layer 12 (or electron transport). In some cases, it may be provided to layer 40 (FIG. 3).
The acceptor domain 22 preferably has an LUMO energy level (LUMO level) smaller than the LUMO levels of the donor domain 21 and the organic dye 23 and higher than the conduction band level of the negative electrode layer 12.
Specific examples of the acceptor molecule A constituting the acceptor domain 22 include substances such as fullerene, oxadiazole, oxador, perylene, perylene diimide, benzodiimidazole, naphthalene derivatives, and metal complexes.

活性層20の内部では、前記した通り、ドメイン界面において励起子が電荷分離するために、このドメイン界面の面積が広範に亘っている程、電荷分離の頻度が向上する。そして、電荷分離した後の正孔及び電子は、それぞれドナードメイン21及びアクセプタドメイン22を経由して正極層11及び負極層12に電荷移動する。よって、それぞれのドメイン21,22は、電荷の移動先に対応する電極層に接するように二相混合状態が形成されている必要がある。
つまり、ドナードメイン21又はアクセプタドメイン22が閉領域となって活性層20の内部に存在したとしても、分離した電子及び正孔は対応する電極層に到達できないために、再結合して発電に貢献できないことになる。
In the active layer 20, as described above, excitons separate charges at the domain interface, so that the frequency of charge separation increases as the area of the domain interface increases. Then, the holes and electrons after the charge separation are transferred to the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 12 via the donor domain 21 and the acceptor domain 22, respectively. Therefore, each of the domains 21 and 22 needs to be in a two-phase mixed state so as to be in contact with the electrode layer corresponding to the charge transfer destination.
That is, even if the donor domain 21 or the acceptor domain 22 is a closed region and exists inside the active layer 20, the separated electrons and holes cannot reach the corresponding electrode layer, and thus recombine to contribute to power generation. It will not be possible.

有機色素23は、ドメイン界面に、単分子から数十分子程度の厚さをもって一様に分布していることが好ましいが、欠損している部分があってもやむを得ない。
有機色素23は、照射光を吸収して、HOMOからLUMOに電子が遷移して、励起子を発生するものである。
この有機色素23の吸収スペクトルは、光吸収を担うドメイン(ここではドナードメイン21)を形成するドナー分子Dの発光スペクトルと良好な重なりを有し、HOMO−LUMOのエネルギーギャップEg2はドナードメイン21のEg1より小さいものが望ましい。
The organic dye 23 is preferably uniformly distributed at a domain interface with a thickness of a single molecule to several tens of centimeters, but it is inevitable that there is a missing portion.
The organic dye 23 absorbs irradiated light, and electrons are transferred from HOMO to LUMO to generate excitons.
The absorption spectrum of the organic dye 23 has a good overlap with the emission spectrum of the donor molecule D that forms the domain responsible for light absorption (here, the donor domain 21), and the energy gap Eg2 of HOMO-LUMO is that of the donor domain 21. Those smaller than Eg1 are desirable.

また、有機色素23のHOMOおよびLUMO準位はドナードメイン21とアクセプタドメイン22のものの間にそれぞれ位置することが好ましい。
さらに、有機色素23は、両側に隣接するドナードメイン21及びアクセプタドメイン22に対し、HOMO準位間のギャップ、及びLUMO準位間のギャップが、電荷分離に必要とされる最小限の大きさをとるように選択されることが好ましい。
Further, the HOMO and LUMO levels of the organic dye 23 are preferably located between those of the donor domain 21 and the acceptor domain 22, respectively.
Further, the organic dye 23 has a gap between the HOMO levels and a gap between the LUMO levels that are the minimum size required for charge separation with respect to the donor domain 21 and the acceptor domain 22 adjacent to both sides. It is preferred to be selected to take.

この有機色素23(ドナー分子Dの場合も含む)のように、光照射により励起子が発生する物質としては、π共役系化合物を主成分としたものが挙げられる。
ここでπ共役系とは、炭素原子間の共有結合が単結合及び二重結合が交互である結合状態を指す。このような結合状態では、炭素原子同士をつないだ直線に対して垂直な分子軌道面を持つπ電子がπ共役系化合物の分子全体に広がって存在(非局在化)しているために、π電子が分子軌道内を自由に動き回れる性質を備えている。
As the organic dye 23 (including the case of the donor molecule D), examples of the substance that generates excitons by light irradiation include those having a π-conjugated compound as a main component.
Here, the π-conjugated system refers to a bonded state in which covalent bonds between carbon atoms are alternately single bonds and double bonds. In such a bonded state, π electrons having a molecular orbital plane perpendicular to the straight line connecting the carbon atoms are spread (delocalized) throughout the molecule of the π conjugated compound. It has the property that pi-electrons can move around freely in molecular orbitals.

また有機色素23は、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22に対し非相溶でかつこれらを構成する分子よりも自己凝集性が小さいことが望ましい。これにより、有機色素23は、ドメイン界面に広範かつ安定的に定着することができる。さらに、後記するようにドナードメイン21及びアクセプタドメイン22の二相分離構造を発現させる過程において、ドメイン界面に有機色素23を析出させることができる。   The organic dye 23 is preferably incompatible with the donor domain 21 and the acceptor domain 22 and has a smaller self-aggregation property than molecules constituting them. Thereby, the organic pigment | dye 23 can be fixed to the domain interface extensively and stably. Further, as described later, in the process of developing the two-phase separation structure of the donor domain 21 and the acceptor domain 22, the organic dye 23 can be deposited at the domain interface.

しかし、前記したπ共役系化合物は、一般的性質として、π電子の分子軌道の重なり合いが原因である分子間の相互作用により凝集しやすい性質を有している。
そこで、有機色素23は、嵩高い置換基により分子間の凝集が阻害され、強く自己凝集することのないものが好ましい。これにより、有機色素23はドメイン界面に広範かつ安定的に定着することができる。
さらに有機色素23は、ドメイン界面において接するドナードメイン21の最も長波長側の吸収ピークよりも長波長側に溶液状態に類似した強い吸収ピークを示すものであることが好ましい。これにより、有機色素23は、ドナードメイン21で発生した励起子のエネルギーを効率よく受け取ることができる。
However, the above-described π-conjugated compound has a general property that it easily aggregates due to the interaction between molecules caused by the overlap of molecular orbitals of π electrons.
Therefore, the organic dye 23 is preferably one in which aggregation between molecules is inhibited by a bulky substituent and does not strongly self-aggregate. Thereby, the organic pigment | dye 23 can be fixed to the domain interface extensively and stably.
Furthermore, it is preferable that the organic dye 23 exhibits a strong absorption peak similar to the solution state on the long wavelength side than the absorption peak on the longest wavelength side of the donor domain 21 in contact with the domain interface. Thereby, the organic dye 23 can efficiently receive the energy of excitons generated in the donor domain 21.

このような有機色素23は、たとえば、嵩高い置換基を導入した分子構造のもの、非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体などが好ましい。これにより、有機色素23の分子間距離が数オングストローム離され、そのπ電子分子軌道の重なり合いを阻害することができる。
そのような嵩高い置換基としては、たとえばターシャリーブチル基、4級アンモニウム塩、アルキルリン酸塩のような4級化元素を持つものが挙げられるが、これらに制限されることはない。そのような嵩高い置換基を持つ有機色素23は、ドナーの最も長波長側の吸収ピークよりも長波長側に吸収ピークを持つものであればいずれでもよく、たとえば、アゾ色素、キノン系色素、ジアリールおよびトリアリールメタン系色素、シアニン色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素、インジゴ系、縮合多環系色素、スチリル系色素、スピロピラン系色素、スピロオキサジン系色素、スクワリリウム系色素、クロコニウム系色素、ピロメテン系色素等を挙げることができるが、これらに制限されることはない。
Such an organic dye 23 is preferably, for example, a molecular structure having a bulky substituent introduced therein, a complex with an atom capable of taking a non-planar coordination structure, or the like. Thereby, the intermolecular distance of the organic dye 23 is separated by several angstroms, and the overlap of the π electron molecular orbitals can be inhibited.
Examples of such a bulky substituent include, but are not limited to, those having a quaternizing element such as a tertiary butyl group, a quaternary ammonium salt, and an alkyl phosphate. The organic dye 23 having such a bulky substituent may be any organic dye having an absorption peak on the longer wavelength side than the absorption peak on the longest wavelength side of the donor, such as an azo dye, a quinone dye, Diaryl and triarylmethane dyes, cyanine dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, naphthalocyanine dyes, indigo dyes, condensed polycyclic dyes, styryl dyes, spiropyran dyes, spirooxazine dyes, squarylium dyes, Examples thereof include, but are not limited to, croconium dyes and pyromethene dyes.

また非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体としては、アゾ金属錯体、金属ポルフィリン類、金属フタロシアン類、金属ナフタロシアニン類、ビピリジン錯体 等を挙げることができ、また中心原子としては配位数が6をとるSi,Ge等を挙げることができ、軸配位子としてはトリヘキシルシリロキサイド等を挙げることができる。
このような嵩高い官能基は分子間距離を数オングストローム引き離す働きを有するが、本発明の光電変換素子を構成する電荷移動に必要な分子間距離である10オングストローム以内の条件を実現しており、この官能基によって光電変換素子としての性能を何ら阻害されることはない。
As the complex with it an atom to take a non-planar coordination geometry, azo metal complexes, metal porphyrins, metal Futaroshia two emissions, metal naphthalocyanines phthalocyanines, may be mentioned bipyridine complexes, also central atom Examples thereof include Si and Ge having a coordination number of 6, and examples of the axial ligand include trihexylsilyloxide.
Such a bulky functional group has a function of separating the intermolecular distance by several angstroms, but realizes a condition within 10 angstroms which is an intermolecular distance necessary for charge transfer constituting the photoelectric conversion element of the present invention, This functional group does not hinder the performance as a photoelectric conversion element.

正極層11(電極層)は、図1(b)に示されるように、自由電子の伝導帯のエネルギー準位(以下、伝導帯準位という)が、ドナードメイン21のHOMO準位よりも高くそのギャップが小さいことが好ましい。これにより、ドナードメイン21から正極層11への正孔の移動が容易になる。
正極層11は、第1実施形態においては、照射光Hが透過する透明電極が用いられている。そのような、透明電極を構成する物質として、ITO(インジウム・スズ酸化物)、IZO(インジウム・亜鉛酸化膜)、TiO、SnO、ZnOが、具体的に挙げられる。
In the positive electrode layer 11 (electrode layer), as shown in FIG. 1B, the energy level of the conduction band of free electrons (hereinafter referred to as the conduction band level) is higher than the HOMO level of the donor domain 21. It is preferable that the gap is small. This facilitates the movement of holes from the donor domain 21 to the positive electrode layer 11.
In the first embodiment, the positive electrode layer 11 is a transparent electrode through which the irradiation light H is transmitted. Specific examples of such a material constituting the transparent electrode include ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide film), TiO 2 , SnO 2 , and ZnO.

負極層12(電極層)は、その伝導帯準位が前記した正極層11の伝導帯準位よりも高く、かつ、ドメイン界面を介して接するアクセプタドメイン22のLUMO準位よりも低くそのギャップが小さいことが好ましい。これにより、アクセプタドメイン22から負極層12への電子の移動が容易になる。
負極層12は、第1実施形態においては、透明電極に対向する金属性の対向電極が用いられている。そのような、対向電極を構成する物質としては、Ca,Mg,Al,Ag等が具体的に挙げられる。
The negative electrode layer 12 (electrode layer) has a conduction band level higher than the conduction band level of the positive electrode layer 11 described above, and lower than the LUMO level of the acceptor domain 22 in contact with the domain interface. Small is preferable. This facilitates the movement of electrons from the acceptor domain 22 to the negative electrode layer 12.
In the first embodiment, the negative electrode layer 12 is a metallic counter electrode facing the transparent electrode. Specific examples of such a material constituting the counter electrode include Ca, Mg, Al, Ag, and the like.

(動作説明)
図2に基づいて(適宜、図1参照)、第1実施形態に係る光電変換素子の動作説明をする。この図2は、図1(a)の活性層20内の破線領域部分の拡大図である。
まず、照射光Hが透明電極(図1では正極層11)を透過して活性層20に入射すると、ドナードメイン21の内部に励起子が発生する(図2の(a)及び(d))。この発生した励起子は、ドナードメイン21をエネルギー移動して、ドメイン界面に到達する。
(Description of operation)
Based on FIG. 2 (see FIG. 1 as appropriate), the operation of the photoelectric conversion element according to the first embodiment will be described. FIG. 2 is an enlarged view of a broken line area portion in the active layer 20 of FIG.
First, when the irradiation light H passes through the transparent electrode (positive electrode layer 11 in FIG. 1) and enters the active layer 20, excitons are generated inside the donor domain 21 ((a) and (d) in FIG. 2). . The generated excitons transfer energy in the donor domain 21 and reach the domain interface.

このドメイン界面に偏在している有機色素23のHOMO−LUMOのエネルギーギャップEg2は前記した通りドナー分子DのEg1よりも小さく、ドナー分子の発光スペクトルと有機色素23の吸収スペクトルが重なり合っている。このため、ドナードメイン21で発生した励起子は、有機色素23に効率よくエネルギー移動し直ちに電荷分離する(図2(b))。
このように、ドナードメイン21で発生した励起子は、有機色素23にエネルギー移動してから電荷分離するために、ドメイン界面から離れた位置のドナードメイン21に発生した励起子であっても(図2(d))、失活することなく電荷分離に至る(図2(e))。
このエネルギー移動により、有機色素23に生じた励起子は、ドメイン界面において電荷分離し、発生した電子は、アクセプタドメイン22のLUMOを経由して負極層12の伝導帯に移動し、発生した正孔は、ドナードメイン21のHOMOを経由して正極層11の伝導帯に移動する(図2(c))。
As described above, the HOMO-LUMO energy gap Eg2 of the organic dye 23 unevenly distributed at the domain interface is smaller than the Eg1 of the donor molecule D, and the emission spectrum of the donor molecule and the absorption spectrum of the organic dye 23 overlap each other. For this reason, excitons generated in the donor domain 21 efficiently transfer energy to the organic dye 23 and immediately charge-separate (FIG. 2B).
Thus, excitons generated in the donor domain 21 are excitons generated in the donor domain 21 at a position away from the domain interface in order to separate charges after energy transfer to the organic dye 23 (see FIG. 2 (d)), leading to charge separation without deactivation (FIG. 2 (e)).
Due to this energy transfer, excitons generated in the organic dye 23 undergo charge separation at the domain interface, and the generated electrons move to the conduction band of the negative electrode layer 12 via the LUMO of the acceptor domain 22, and generated holes. Moves to the conduction band of the positive electrode layer 11 via the HOMO of the donor domain 21 (FIG. 2C).

また図示省略するが、有機色素23の膜が厚い部分においては、ドナードメイン21に発生した励起子は、有機色素23の両端の界面のいずれか一方に移動してから、電荷分離する場合もある。
この場合、分離した電子及び正孔のうちいずれか一方の電荷は、電荷輸送を担当するドメインを経て対応する電極層に到達するが、他方の電荷は、有機色素23の膜を貫通してから、輸送を担当するドメインに移動し、対応する電極層に到達することになる。
このように有機色素23の膜が厚く形成されたドメイン界面は、薄く形成された部分と対比して、有機色素23の内部に電荷移動を伴いエネルギー損失が生じる。
Although not shown in the drawing, in a portion where the film of the organic dye 23 is thick, excitons generated in the donor domain 21 may move to either one of the interfaces at both ends of the organic dye 23 and then charge separate. .
In this case, the charge of one of the separated electrons and holes reaches the corresponding electrode layer via the domain responsible for charge transport, but the other charge passes through the organic dye 23 film. , Move to the domain responsible for transport and reach the corresponding electrode layer.
In this way, the domain interface where the film of the organic dye 23 is formed thickly causes energy loss due to charge transfer inside the organic dye 23 as compared with the thinly formed portion.

次に、ドナードメイン21で吸収されずに通過した照射光Hは、有機色素23に入射して直接この有機色素23の内部に励起子を発生させる(図2(f))。このようにして有機色素23で発生した励起子は、移動することなくその場で電荷分離して、発生した電子は、アクセプタドメイン22のLUMOを経由して負極層12の伝導帯に移動し、発生した正孔は、ドナードメイン21のHOMOを経由して正極層11の伝導帯に移動する(図2(g))。   Next, the irradiation light H that has passed without being absorbed by the donor domain 21 enters the organic dye 23 and directly generates excitons inside the organic dye 23 (FIG. 2 (f)). The excitons generated in the organic dye 23 in this way are separated in charge without moving, and the generated electrons move to the conduction band of the negative electrode layer 12 via the LUMO of the acceptor domain 22, The generated holes move to the conduction band of the positive electrode layer 11 via the HOMO of the donor domain 21 (FIG. 2 (g)).

このように、ドメイン界面に偏在している有機色素23が、薄く広く均一に分布していることにより、照射光を吸収して活性層20の内部に発生する励起子のほとんどは、失活することなく高い確率で電荷分離を起こし発電に関与する。   As described above, since the organic dye 23 unevenly distributed at the domain interface is distributed thinly and uniformly, most of the excitons generated in the active layer 20 by absorbing the irradiation light are deactivated. It is involved in power generation with a high probability without charge separation.

(第2実施形態)
図3(a)の概念図に示されるように、第2実施形態に係る光電変換素子10´は、正極層11及び活性層20の間に正孔輸送層30が、負極層12及び活性層20の間に電子輸送層40が配置されている。
この正孔輸送層30又は電子輸送層40の厚さは、用いる材料によりそれぞれ最適化されることが望ましい。例えば、正孔輸送層30として後述するPEDOT−PSSのような導電性高分子を用いた場合は、10nm〜200nmであることが望ましい。電子輸送層40として後述するTiOxのような金属酸化物を用いた場合は、0.5nm〜50nmであることが望ましい。最適膜厚よりも厚い場合は光電変換素子10´の内部抵抗が増大して特性が低下するためであり、薄い場合は厚みむらが大きくなり特性や品質が不安定になるからである。
(Second Embodiment)
As shown in the conceptual diagram of FIG. 3A, the photoelectric conversion element 10 ′ according to the second embodiment includes a positive hole transport layer 30 between the positive electrode layer 11 and the active layer 20, and the negative electrode layer 12 and the active layer. An electron transport layer 40 is disposed between the layers 20.
The thickness of the hole transport layer 30 or the electron transport layer 40 is preferably optimized depending on the material used. For example, when a conductive polymer such as PEDOT-PSS described later is used as the hole transport layer 30, the thickness is desirably 10 nm to 200 nm. When a metal oxide such as TiOx described later is used as the electron transport layer 40, the thickness is preferably 0.5 nm to 50 nm. This is because when the thickness is larger than the optimum film thickness, the internal resistance of the photoelectric conversion element 10 'increases and the characteristics deteriorate, and when it is thin, the thickness unevenness increases and the characteristics and quality become unstable.

正孔輸送層30は、そのHOMO準位が、正極層11の伝導帯準位とドナードメイン21のHOMO準位との間をとりギャップ間隔が小さいことが好ましい。このように正孔輸送層30が構成されることにより、活性層20からの正孔を円滑に正極層11に移動させることができる。
正孔輸送層30に用いられる物質としては、チオフェン系、フェロセン系、パラフェニレンビニレン系、カルバゾール系、ピロール系、アニリン系、ジアミン系、フタロシアニン系、ヒドラゾン系の官能基を有する物質等ならびにV、MoO、NiO等の金属酸化物が具体的に挙げられる。
The hole transport layer 30 preferably has a HOMO level between the conduction band level of the positive electrode layer 11 and the HOMO level of the donor domain 21 and a small gap interval. By configuring the hole transport layer 30 in this manner, holes from the active layer 20 can be smoothly moved to the positive electrode layer 11.
Substances used for the hole transport layer 30 include thiophene, ferrocene, paraphenylene vinylene, carbazole, pyrrole, aniline, diamine, phthalocyanine, and hydrazone functional groups, and V 2. Specific examples include metal oxides such as O 5 , MoO 3 , and NiO.

電子輸送層40は、そのLUMO準位あるいは伝導帯準位が、負極層12の伝導帯準位とアクセプタドメイン22のLUMO準位との間をとりギャップ間隔が小さいことが好ましい。このように電子輸送層40が構成されることにより、活性層20からの電子を円滑に負極層12に移動させることができる。
電子輸送層40に用いられる物質としては、TiOx、ZnO、CsO等の金属酸化物ならびにバソクプロイン、フラーレン、オキサジアゾール、オキサドール、ペリレン、ナフタレン等の誘導体、金属錯体等の物質が具体的に挙げられる。
The electron transport layer 40 preferably has a LUMO level or a conduction band level between the conduction band level of the negative electrode layer 12 and the LUMO level of the acceptor domain 22 and a small gap interval. By configuring the electron transport layer 40 in this manner, electrons from the active layer 20 can be smoothly moved to the negative electrode layer 12.
Specific examples of the material used for the electron transport layer 40 include metal oxides such as TiOx, ZnO, and CsO, and derivatives such as bathocuproine, fullerene, oxadiazole, oxador, perylene, and naphthalene, and metal complexes. .

図3(b)に基づいて第2実施形態に係る光電変換素子の発電原理について説明する。なお図3(b)では正孔輸送層30はPEDOT−PSSを主成分とし(適宜図6参照)、ドナードメイン21はドナー分子Dとしてポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)を主成分とし、有機色素23はシリコンフタロシアニン誘導体(SiPc)を主成分とし、アクセプタドメイン22はアクセプタ分子Aとしてフラーレン誘導体(C61−PCBM)を主成分とし、電子輸送層40はTiOxを主成分とした場合が示されており、それぞれのHOMO・LUMO・伝導帯のエネルギー準位が真空準位を基準(Evac=0)にして表記されている。   The power generation principle of the photoelectric conversion element according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 3B, the hole transport layer 30 is mainly composed of PEDOT-PSS (see FIG. 6 as appropriate), the donor domain 21 is composed mainly of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) as the donor molecule D, The organic dye 23 has a silicon phthalocyanine derivative (SiPc) as a main component, the acceptor domain 22 has a fullerene derivative (C61-PCBM) as a main component as an acceptor molecule A, and the electron transport layer 40 has a main component of TiOx. The energy level of each HOMO / LUMO / conduction band is expressed with the vacuum level as a reference (Evac = 0).

ここで照射光Hにより、ドナードメイン21(P3HT)には、エネルギー準位が−5.1eVのHOMOの電子が−3.2eVのエネルギー準位のLUMOに遷移させた励起子が発生する。
このドナードメイン21で発生した励起子は、有機色素23にエネルギー移動して、エネルギー準位が−5.2eVのHOMOの電子を−3.5eVのエネルギー準位のLUMOに遷移させる。
このLUMO(−3.5eV)に遷移した電子は、ドメイン界面において電荷分離した後、アクセプタドメイン22のLUMO(−3.7eV)、電子輸送層40の伝導帯(−4.1eV)を経由して、伝導帯準位が−4.3eVのAlの負極層12に到達する。
Here, by the irradiation light H, excitons are generated in the donor domain 21 (P3HT), in which HOMO electrons having an energy level of −5.1 eV are transitioned to LUMO having an energy level of −3.2 eV.
The excitons generated in the donor domain 21 transfer energy to the organic dye 23, and the HOMO electrons having an energy level of −5.2 eV are transitioned to LUMO having an energy level of −3.5 eV.
The electrons that have transitioned to LUMO (−3.5 eV) undergo charge separation at the domain interface, and then pass through the LUMO (−3.7 eV) of the acceptor domain 22 and the conduction band (−4.1 eV) of the electron transport layer 40. Thus, it reaches the negative electrode layer 12 of Al having a conduction band level of −4.3 eV.

一方、ドナードメイン21で発生した一部の励起子は、LUMO(−3.2eV)に遷移した電子を、有機色素23のLUMO(−3.5eV)、アクセプタドメイン22のLUMO(−3.7eV)、電子輸送層40の伝導帯(−4.1eV)を経由して電荷移動させ、伝導帯準位が−4.3eVのAlの負極層12に到達させる。   On the other hand, some excitons generated in the donor domain 21 convert the electrons transitioned to LUMO (−3.2 eV) into LUMO (−3.5 eV) of the organic dye 23 and LUMO (−3.7 eV) of the acceptor domain 22. ), The charge is transferred via the conduction band (−4.1 eV) of the electron transport layer 40 to reach the Al negative electrode layer 12 having a conduction band level of −4.3 eV.

そして照射光Hにより、有機色素23には、エネルギー準位が−5.2eVのHOMOの電子が−3.5eVのエネルギー準位のLUMOに遷移した励起子を発生する。
このLUMO(−3.5eV)に遷移した電子は、ドメイン界面において電荷分離した後、アクセプタドメイン22のLUMO(−3.7eV)、電子輸送層40の伝導帯(−4.1eV)を経由して、伝導帯準位が−4.3eVのAlの負極層12に到達する。
By the irradiation light H, an exciton is generated in the organic dye 23 in which an electron of HOMO having an energy level of −5.2 eV transitions to LUMO having an energy level of −3.5 eV.
The electrons that have transitioned to LUMO (−3.5 eV) undergo charge separation at the domain interface, and then pass through the LUMO (−3.7 eV) of the acceptor domain 22 and the conduction band (−4.1 eV) of the electron transport layer 40. Thus, it reaches the negative electrode layer 12 of Al having a conduction band level of −4.3 eV.

そして、電荷分離により発生した正孔は、ドナードメイン21のHOMO(−5.1eV)、正孔輸送層30のHOMO(−5.0eV)を経由して伝導帯準位が−4.5eVのITOの正極層11に到達する。
この結果、対向する一対の電極層11,12に電位差が生じることになる。
The holes generated by the charge separation have a conduction band level of −4.5 eV via the HOMO (−5.1 eV) of the donor domain 21 and the HOMO (−5.0 eV) of the hole transport layer 30. It reaches the positive electrode layer 11 made of ITO.
As a result, a potential difference is generated between the pair of electrode layers 11 and 12 facing each other.

(第3実施形態)
図4(a)の概念図に示されるように、第3実施形態に係る光電変換素子10”は、活性層20の両側に配置する電極層として、透明電極(ITO)を負極層12として適用した場合を示している。この場合、適用される正極層11は、伝導帯準位がITO(−4.5eV)よりも低いAu(−5.2eV)を用いている。
第3実施形態に係る光電変換素子10”の構成は、第2実施形態に係る光電変換素子10´と対比して、正孔輸送層30を省略し、正極層11及び負極層12に用いる電極として、ITO及びAlの組み合わせに代えてAu及びITOに組み合わせを適用したこと以外は、共通している。よってこの光電変換素子10”の発電原理等の説明は、第2実施形態の説明を援用して記載を省略することにする。
(Third embodiment)
As shown in the conceptual diagram of FIG. 4A, the photoelectric conversion element 10 ″ according to the third embodiment applies a transparent electrode (ITO) as the negative electrode layer 12 as an electrode layer disposed on both sides of the active layer 20. In this case, the applied positive electrode layer 11 uses Au (−5.2 eV) whose conduction band level is lower than ITO (−4.5 eV).
The configuration of the photoelectric conversion element 10 ″ according to the third embodiment is different from the photoelectric conversion element 10 ′ according to the second embodiment in that the hole transport layer 30 is omitted and the electrodes used for the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 12 are used. As described above, the description is common except that the combination of Au and ITO is applied instead of the combination of ITO and Al. Therefore, the description of the second embodiment is cited for the description of the power generation principle and the like of the photoelectric conversion element 10 ″. The description will be omitted.

ところで、第2及び第3実施形態に例示される光電変換素子10の具体的な実施例において、電気化学測定や分光測定により求めたLUMO準位、HOMO準位及び伝導帯準位の値は、必ずしも、理想的なエネルギー勾配を有しているとは限らない。
しかし、現実には、このような理想的なエネルギー勾配を有していなくても、ドメイン界面を介して接する二つの物質のHOMO,LUMOのエネルギー準位が近接していれば、このドメイン界面を突っ切って電子及び正孔は移動する。
By the way, in specific examples of the photoelectric conversion element 10 exemplified in the second and third embodiments, the values of LUMO level, HOMO level, and conduction band level obtained by electrochemical measurement or spectroscopic measurement are as follows: It does not necessarily have an ideal energy gradient.
However, in reality, even if it does not have such an ideal energy gradient, if the energy levels of HOMO and LUMO of two substances in contact via the domain interface are close, this domain interface is The electrons and holes move through.

(太陽電池の構成)
図5は本発明の太陽電池の実施形態を示す断面拡大図である。ここで太陽電池50に適用される光電変換素子10´として、第2実施形態で説明したものを例示している。
この太陽電池50は、光電変換素子10´の支持体としての透明な電極基板13と、正極層11及び負極層12上の端子接点14,14に一端が固定され外部負荷26に接続する配線とから構成される。そして、太陽電池50は、電極基板13から入射する照射光Hを光電変換し、電流を外部負荷26に導いてこの外部負荷26に仕事をさせるものである。
(Configuration of solar cell)
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing an embodiment of the solar cell of the present invention. Here, as the photoelectric conversion element 10 ′ applied to the solar cell 50, the one described in the second embodiment is illustrated.
The solar cell 50 includes a transparent electrode substrate 13 as a support for the photoelectric conversion element 10 ′, wiring that is fixed to the terminal contacts 14, 14 on the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 12 and connected to the external load 26. Consists of The solar cell 50 photoelectrically converts the irradiation light H incident from the electrode substrate 13, guides the current to the external load 26, and causes the external load 26 to work.

そして、電極基板13は、照射光Hを吸収せずに透過して、光電変換素子10を安定して支持するものであれば何でもよく、ガラス製やプラスチック製等の透明なものであれば適用することができる。また、電極基板13の片面には、公知の方法で電極層(正極層11)が設けられているが、ITO膜が蒸着されたものが市販され広く流通している。
なお、本発明の光電変換素子10,10´,10”の用途は、太陽電池50に限定されるものでなく、例えば光センサ等の用途にも利用することができる。
The electrode substrate 13 may be anything as long as it transmits the irradiation light H without absorbing it and stably supports the photoelectric conversion element 10, and may be any transparent substrate such as glass or plastic. can do. In addition, an electrode layer (positive electrode layer 11) is provided on one surface of the electrode substrate 13 by a known method, but an ITO film deposited is commercially available and widely distributed.
In addition, the use of the photoelectric conversion element 10, 10 ', 10 "of this invention is not limited to the solar cell 50, For example, it can utilize also for uses, such as an optical sensor.

(製造方法の説明)
次に、図6(a)(b)、図7(c)(d)(e)に示す工程図に基づいて本発明に係る光電変換素子の製造方法の実施形態を説明する。
まず図6(a)に示されるように、公知方法により基板上に設けられたITO透明電極(図では正極層11)の上に、正孔輸送層30を形成する。(なお、ITO透明電極を負極層12とする場合は、電子輸送層40を先に形成する。)
次に、ドナードメイン21の主成分であるドナー分子D(P3HT)、アクセプタドメイン22の主成分であるアクセプタ分子A(C61−PCBM)及び有機色素23(SiPc)を有機溶媒に混合し、撹拌し、均一な混合溶液を作製する。
ここで、ドナー分子D及びアクセプタ分子Aの合計100重量部に対し0.1〜10重量部の有機色素23を有機溶媒に配合するものとする。
(Description of manufacturing method)
Next, an embodiment of a method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present invention will be described based on the process diagrams shown in FIGS. 6 (a), 6 (b), 7 (c), 7 (d), and 7 (e).
First, as shown in FIG. 6A, a hole transport layer 30 is formed on an ITO transparent electrode (positive electrode layer 11 in the figure) provided on a substrate by a known method. (In the case where the ITO transparent electrode is the negative electrode layer 12, the electron transport layer 40 is formed first.)
Next, the donor molecule D (P3HT) which is the main component of the donor domain 21, the acceptor molecule A (C61-PCBM) and the organic dye 23 (SiPc) which are the main components of the acceptor domain 22 are mixed in an organic solvent and stirred. A uniform mixed solution is prepared.
Here, 0.1 to 10 parts by weight of the organic dye 23 is added to the organic solvent with respect to 100 parts by weight of the donor molecule D and the acceptor molecule A in total.

ここで、有機色素23の配合量が10重量部よりも多い場合は、後記する図12に示されるように、光電変換素子の発電特性が低下する。これは、ドメイン界面に析出した有機色素23の膜が厚くなるか又は塊状となるために、前記したように有機色素23内の電荷移動に伴うエネルギー損失が増大するためと考えられる。また有機色素23の配合量が0.1重量部よりも少ない場合は、電荷分離に至らず失活してしまう励起子の割合が改善されないと考えられる。   Here, when the compounding quantity of the organic pigment | dye 23 is more than 10 weight part, as FIG. 12 mentioned later shows, the electric power generation characteristic of a photoelectric conversion element will fall. This is presumably because the film of the organic dye 23 deposited on the domain interface becomes thick or agglomerated, so that the energy loss accompanying the charge transfer in the organic dye 23 increases as described above. Moreover, when the compounding quantity of the organic pigment | dye 23 is less than 0.1 weight part, it is thought that the ratio of the exciton which does not reach charge separation but is deactivated is not improved.

次に作製した混合溶液を電極基板13に設けられた正孔輸送層30の基板上に塗布する(図6(b)参照)。このように基板上に溶液を塗布する方法としては、スピンコート法が代表されるがこれ以外の公知の方法を採用してもよい。   Next, the prepared mixed solution is applied on the substrate of the hole transport layer 30 provided on the electrode substrate 13 (see FIG. 6B). As a method for applying the solution on the substrate in this way, a spin coating method is typified, but other known methods may be adopted.

スピンコートとは、固定した電極基板13に所定の回転速度を付与し、上から混合溶液を滴下して、遠心力の作用により基板上に液膜を均一に塗布する方法である。
そして、このように基板上に混合溶液を塗布した電極基板13を、所定の温度、圧力、非酸化性に調整した雰囲気において有機溶媒を取り除き(脱溶媒)、ドナー分子D、アクセプタ分子A及び有機色素23が混在して成る有機薄膜層を得る(図7(c))。
Spin coating is a method in which a predetermined rotational speed is applied to the fixed electrode substrate 13, a mixed solution is dropped from above, and a liquid film is uniformly applied on the substrate by the action of centrifugal force.
Then, the electrode substrate 13 thus coated with the mixed solution is removed from the electrode substrate 13 in an atmosphere adjusted to a predetermined temperature, pressure, and non-oxidation property (desolvation), and the donor molecule D, the acceptor molecule A, and the organic material are removed. An organic thin film layer in which the dye 23 is mixed is obtained (FIG. 7C).

この有機薄膜層は、図7(c)のように、自己凝集により形成されたドナー分子D及びアクセプタ分子Aの微細な塊状体の集合体に、凝集力の弱い有機色素23(不図示)が分散した状態になっていると考えられる。   In this organic thin film layer, as shown in FIG. 7C, an organic dye 23 (not shown) having a weak cohesive force is formed on an aggregate of fine aggregates of donor molecules D and acceptor molecules A formed by self-aggregation. It is thought that it is in a distributed state.

そして、活性層20におけるドナードメイン21、アクセプタドメイン22及び有機色素23の組織を制御する目的で、さらに非酸化性雰囲気で、所定温度で所定時間の熱処理を行う。熱処理は、ドナー分子D及びアクセプタ分子Aのガラス転移温度よりも高温で実施することが望ましい。
ドメイン界面には、界面をできる限り小さくして界面自由エネルギーを低下させようとする界面張力が作用している。このように、ガラス転移温度よりも高温に設定されることにより分子鎖の運動性が向上すると、ドメイン界面を小さくしようとして隣接する同種の塊状体が連結することにより、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22が成長する。
And in order to control the structure | tissue of the donor domain 21, the acceptor domain 22, and the organic pigment | dye 23 in the active layer 20, it heat-processes for a predetermined time by predetermined temperature in non-oxidizing atmosphere. The heat treatment is desirably performed at a temperature higher than the glass transition temperature of the donor molecule D and the acceptor molecule A.
Interfacial tension acts to reduce the interface free energy by making the interface as small as possible at the domain interface. As described above, when the mobility of the molecular chain is improved by setting the temperature higher than the glass transition temperature, adjacent masses of the same kind are connected to make the domain interface smaller, so that the donor domain 21 and the acceptor domain 22 are connected. Will grow.

このような界面張力及び凝集力によって、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22が成長するのに伴って、固溶している有機色素23は、相分離したドメイン界面に優先的に析出することになる。これは、有機色素23(SiPc)は、ドメインを構成するP3HT及びC61−PCBMに対して非相溶性を示し自己凝集性が小さいことによる。これにより、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22が相分離して混在した構造のドメイン界面に、有機色素23が偏在した構造体が発現することになる(図7(d))。   Due to such interfacial tension and cohesive force, as the donor domain 21 and the acceptor domain 22 grow, the dissolved organic dye 23 is preferentially deposited on the phase-separated domain interface. This is because the organic dye 23 (SiPc) is incompatible with P3HT and C61-PCBM constituting the domain and has a small self-aggregation property. As a result, a structure in which the organic dye 23 is unevenly distributed appears at the domain interface having a structure in which the donor domain 21 and the acceptor domain 22 are mixed in phase separation (FIG. 7D).

最後に、電子輸送層40(ITO透明電極を負極層12として用いる場合は正孔輸送層30)及び対向電極(図では負極層12)を形成し光電変換素子が完成する。
電子輸送層40は、正孔輸送層と同様に公知の方法により設ける。対向電極は、Al等の金属を、蒸着等することにより作製することができる(図7(e))。
Finally, an electron transport layer 40 (a hole transport layer 30 when an ITO transparent electrode is used as the negative electrode layer 12) and a counter electrode (the negative electrode layer 12 in the figure) are formed to complete the photoelectric conversion element.
The electron transport layer 40 is provided by a known method in the same manner as the hole transport layer. The counter electrode can be produced by vapor-depositing a metal such as Al (FIG. 7E).

以下、図6から図17を参照して、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
<正孔輸送層30の作製>
正孔輸送層30はポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT:polyethylenedioxythiophene)とポリスチレンスルホン酸(PSS:poly(4-styrenesulfonate))の錯体であるPEDOT−PSSを主成分として構成した。
Hereinafter, with reference to FIGS. 6 to 17, an embodiment in which the effect of the present invention has been confirmed will be described.
<Preparation of hole transport layer 30>
The hole transport layer 30 is composed mainly of PEDOT-PSS, which is a complex of polyethylenedioxythiophene (PEDOT) and polystyrenesulfonic acid (PSS).

トルエン、アセトン、エタノール溶液により超音波処理を各15分間行って洗浄したITO透明電極の表面に1.0−1.4wt%のPEDOT−PSS水溶液をキャストし、スピンコートを施した。回転速度は、最初の10秒間が400rpm、その後99秒間は3000rpmにて行った。このスピンコートにより得た高分子膜を140℃にて10分間の乾燥により溶媒を除去し、膜厚40nmの正孔輸送層30を得た(図6(a)参照)。   A 1.0-1.4 wt% aqueous solution of PEDOT-PSS was cast on the surface of the ITO transparent electrode cleaned by sonication with toluene, acetone, and ethanol solutions for 15 minutes each, and spin-coated. The rotation speed was 400 rpm for the first 10 seconds and then 3000 rpm for 99 seconds. The solvent was removed by drying the polymer film obtained by this spin coating at 140 ° C. for 10 minutes to obtain a 40 nm-thick hole transport layer 30 (see FIG. 6A).

<活性層20の作製>
次に、1mLのクロロベンゼンに、ドナードメイン21の主成分であるドナー分子Dとしてポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT:poly(3-hexylthiophene))を10mg、アクセプタドメイン22の主成分であるアクセプタ分子Aとしてフラーレン誘導体(C61−PCBM:phenyl-C61-butyric acid methyl ester)を10mg、有機色素23としてシリコンフタロシアニン誘導体(SiPc:silicon(IV) phthalocyanine bis(trihexylsilyloxide))を0.7mg加えて、均一溶液を得た。
<Preparation of active layer 20>
Next, 10 mg of poly (3-hexylthiophene) (P3HT: poly (3-hexylthiophene)) as an acceptor molecule 22 as the main component of the acceptor domain 22 is added to 1 mL of chlorobenzene as the donor molecule D as the main component of the donor domain 21. 10 mg of fullerene derivative (C61-PCBM: phenyl-C61-butyric acid methyl ester) is added as A, and 0.7 mg of silicon phthalocyanine derivative (SiPc: silicon (IV) phthalocyanine bis (trihexylsilyloxide)) is added as organic dye 23 to obtain a uniform solution Got.

この溶液を正孔輸送層30の表面にキャストし、スピンコートを施した。回転速度は1200rpmにて、60秒間行った。このスピンコートにより有機薄膜を得る(図6(b))。得た有機薄膜を真空乾燥して溶媒を除去するとP3HTの微結晶体とC61−PCBMの微結晶体との集合体にSiPcが分散している有機薄膜(図7(c))が得られる。次に、窒素雰囲気下150℃で30分間アニール(熱処理)すると、これら微結晶体が連結し合って成長しドメイン21,22が形成するとともに、その界面にSiPcが析出する(図7(d))。   This solution was cast on the surface of the hole transport layer 30 and spin coated. The rotation speed was 1200 rpm for 60 seconds. An organic thin film is obtained by this spin coating (FIG. 6B). When the obtained organic thin film is vacuum dried to remove the solvent, an organic thin film (FIG. 7C) in which SiPc is dispersed in an aggregate of P3HT microcrystals and C61-PCBM microcrystals is obtained. Next, when annealing (heat treatment) is performed at 150 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, the microcrystals are connected and grow to form domains 21 and 22, and SiPc is deposited at the interface (FIG. 7D). ).

<電子輸送層40の作製>
次に、チタニウムイソプロポキシドを脱水エタノールにより100倍に希釈したものを、4000rpm、60秒間の条件で活性層20の表面にスピンコートし、大気中、冷暗所にて一晩保存することで、ゾル・ゲル法により電子輸送層40としてTiOx層を得る(図7(e))。
<Preparation of Electron Transport Layer 40>
Next, a solution obtained by diluting titanium isopropoxide 100 times with dehydrated ethanol is spin-coated on the surface of the active layer 20 under the condition of 4000 rpm for 60 seconds, and stored overnight in a cool and dark place in the atmosphere. A TiOx layer is obtained as the electron transport layer 40 by the gel method (FIG. 7E).

<対向電極12の作製>
真空蒸着装置を用いて、電子輸送層40の上にアルミニウムを蒸着して対向電極とした。なお条件は、<1nm・s−1の蒸着速度にて400秒間蒸着を行い、厚さ70nmのアルミニウム電極層12を得た(図7(e))。
以上のようにして、実施例に係る光電変換素子を作製した(図3参照)。
<Preparation of counter electrode 12>
Aluminum was vapor-deposited on the electron carrying layer 40 using the vacuum evaporation apparatus, and it was set as the counter electrode. The conditions were as follows: vapor deposition was performed at a vapor deposition rate of <1 nm · s −1 for 400 seconds to obtain an aluminum electrode layer 12 having a thickness of 70 nm (FIG. 7E).
As described above, the photoelectric conversion element according to the example was manufactured (see FIG. 3).

<比較例1>
次に、比較例1として、実施例と比較してアニール処理を行わない場合の光電変換素子を作製した。
実施例と同じ方法で作製された有機薄膜(図7(c))を比較例1に係る活性層とする。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例1に係る光電変換素子を得る(図7(f))。
<Comparative Example 1>
Next, as Comparative Example 1, a photoelectric conversion element in which annealing treatment was not performed as compared with the Example was manufactured.
Let the organic thin film produced by the same method as an example (Drawing 7 (c)) be an active layer concerning comparative example 1. The electron transport layer 40 and the counter electrode 12 are produced without performing annealing treatment on this, and the photoelectric conversion element according to Comparative Example 1 is obtained (FIG. 7F).

<比較例2>
次に、比較例2として、実施例と比較して有機色素23を含まずアニール処理も行わない場合の光電変換素子を作製した。
実施例と同じ方法で作製された電極基板の正孔輸送層30の上に、SiPcを配合しないことを除き同じ方法で溶液を塗布し(図6(b´))、さらに溶媒を揮発させて比較例2に係る活性層を得る(図8(c´))。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例2に係る光電変換素子を得る(図8(f´))。
<Comparative example 2>
Next, as Comparative Example 2, a photoelectric conversion element in which the organic dye 23 was not included and annealing treatment was not performed as compared with the Example was manufactured.
On the hole transport layer 30 of the electrode substrate produced by the same method as in the example, a solution was applied by the same method except that SiPc was not blended (FIG. 6 (b ′)), and the solvent was volatilized. An active layer according to Comparative Example 2 is obtained (FIG. 8 (c ′)). The electron transport layer 40 and the counter electrode 12 are produced without performing annealing treatment on this, and the photoelectric conversion element according to Comparative Example 2 is obtained (FIG. 8 (f ′)).

<比較例3>
次に、比較例3として、実施例と比較して有機色素23を含まないが、アニール処理は行っている場合の光電変換素子を作製した。
前記した比較例2に係る活性層(図8(c´))にアニール処理を行なって比較例3に係る活性層を得(図8(d´))、さらに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例3に係る光電変換素子を得る(図8(e´))。
<Comparative Example 3>
Next, as Comparative Example 3, a photoelectric conversion element in which the organic dye 23 was not included as compared with the Example but was annealed was produced.
The active layer according to Comparative Example 2 (FIG. 8 (c ′)) is annealed to obtain an active layer according to Comparative Example 3 (FIG. 8 (d ′)), and further, the electron transport layer 40 and the counter electrode 12 are obtained. To obtain a photoelectric conversion element according to Comparative Example 3 (FIG. 8 (e ′)).

<比較例4>
次に、比較例4として(図14参照)、実施例と比較して有機色素としてSiPcに代えて軸配位子を有さない亜鉛フタロシアニン誘導体(ZnPc)を採用し、アニール処理を行わない場合の活性層を作製した。このZnPcは、軸配位子を有さないことに起因してSiPcよりも凝集性が高い性質を備える。
実施例と同じ方法で作製された電極基板の正孔輸送層30の上に、SiPcに代えてZnPcを配合した溶液を塗布し(図14(b”))、さらに溶媒を揮発させて比較例4に係る活性層を得る(図14(c”))。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例4に係る光電変換素子を得る(図14(f”))。
<Comparative example 4>
Next, as Comparative Example 4 (see FIG. 14), a zinc phthalocyanine derivative (ZnPc) having no axial ligand is used as an organic dye instead of SiPc as compared with the Example, and annealing treatment is not performed. An active layer was prepared. This ZnPc has the property of being more cohesive than SiPc because it does not have an axial ligand.
A solution containing ZnPc instead of SiPc was applied on the hole transport layer 30 of the electrode substrate produced by the same method as in the example (FIG. 14 (b ″)), and the solvent was volatilized for comparison. 4 is obtained (FIG. 14 (c ″)). The electron transport layer 40 and the counter electrode 12 are produced without performing annealing treatment on this, and the photoelectric conversion element according to Comparative Example 4 is obtained (FIG. 14 (f ″)).

<比較例5>
次に、比較例5として、実施例と比較して有機色素としてSiPcに代えて凝集性の高いZnPcを採用した場合の活性層を作製した。
前記した比較例4に係る有機薄膜(図14(c”))にアニール処理を行ない、比較例5に係る活性層を得る(図14(d”))。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例5に係る光電変換素子を得る(図14(e”))。
<Comparative Example 5>
Next, as Comparative Example 5, an active layer was produced in the case where ZnPc having high cohesiveness was employed instead of SiPc as an organic dye as compared with the Example.
The organic thin film according to Comparative Example 4 (FIG. 14C ″) is annealed to obtain an active layer according to Comparative Example 5 (FIG. 14D ″). The electron transport layer 40 and the counter electrode 12 are produced without performing annealing treatment on this, and the photoelectric conversion element according to Comparative Example 5 is obtained (FIG. 14 (e ″)).

<比較検討結果>
図9は、実施例及び比較例1,2,3に係る活性層における、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。
この吸光度の測定結果は、透明基板11に設けられた状態の活性層に、紫外−可視光を透過させて紫外可視吸収スペクトルを得、後で透明基板11のみのスペクトルを差し引いた結果である。
<Results of comparative study>
FIG. 9 is a measurement graph of absorbance for each wavelength of irradiation light in the active layers according to Examples and Comparative Examples 1, 2, and 3.
This measurement result of absorbance is a result of ultraviolet-visible light passing through an active layer provided on the transparent substrate 11 to obtain an ultraviolet-visible absorption spectrum, and then subtracting the spectrum of only the transparent substrate 11 later.

吸光度の測定グラフ(図9)における400−650nmの吸収帯はP3HTに由来し、670nmの鋭いピーク状の吸収帯はSiPcに由来するものである。なお、スケールアウトしているが、C61−PCBMに由来する吸収帯が340nm近傍に観測されている。
これより、アニール処理を実施することにより、SiPcに由来する吸光度は変化しないが、P3HTに由来する吸光度は向上することが観測される。これは、アニール処理により、SiPcの結晶構造は変化しないが、P3HTでは非晶(アモルファス)が結晶化したことによる。
The absorption band of 400 to 650 nm in the absorbance measurement graph (FIG. 9) is derived from P3HT, and the sharp peak-shaped absorption band of 670 nm is derived from SiPc. Although scaled out, an absorption band derived from C61-PCBM is observed in the vicinity of 340 nm.
From this, it is observed that the absorbance derived from SiPc does not change, but the absorbance derived from P3HT is improved by performing the annealing treatment. This is because the crystal structure of SiPc does not change by annealing, but amorphous (amorphous) crystallizes in P3HT.

図10は、実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子における、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。
なお、照射光源には500Wのキセノンランプを用い、100mW・cm−2、AM1.5Gの擬似太陽光(光線)をITO基板側から照射した。
比較例1と比較例2の結果を対比して明らかなように、アニール処理を行わない場合は、SiPcの配合の有無にかかわらず短絡電流密度は1.8mA・cm−2程度を示し大きな差異は観測されなかった。
しかし、アニール処理を行うことによりSiPc配合が無い場合は短絡電流密度は6.2mA・cm−2に増加し、さらにSiPcを配合した場合は短絡電流密度は8.0mA・cm−2まで増加する。
FIG. 10 is a measurement graph of a JV curve under irradiation of simulated sunlight in the photoelectric conversion elements according to Examples and Comparative Examples 1, 2, and 3.
A 500 W xenon lamp was used as the irradiation light source, and 100 mW · cm −2 , AM1.5G artificial sunlight (light rays) was irradiated from the ITO substrate side.
As is clear by comparing the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the short-circuit current density is about 1.8 mA · cm −2 regardless of the presence or absence of SiPc when annealing is not performed. Was not observed.
However, the short circuit current density if SiPc formulation is not by performing the annealing treatment was increased to 6.2 mA · cm -2, if further blended with SiPc short-circuit current density increases until 8.0 mA · cm -2 .

図11は、実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
この測定結果から、アニール処理を実施することにより、SiPcに由来するEQEスペクトルは向上し、P3HTに由来するEQEスペクトルの向上も観測される。
そして、このアニール処理に起因するP3HT由来のEQEスペクトルの向上度合は、図9における吸収スペクトルの向上度合よりも顕著であるといえる。
これは、結晶化により成長したP3HTのドナードメイン21と、C61−PCBMのアクセプタドメイン22とが相分離して混在した構造が形成されていることを裏付けている。つまり、ドメイン界面で電荷分離した後の電荷(電子及び正孔)は、他のドメイン界面に阻害されることなく対応する電極層に円滑に到達することができるためと推察される。
さらに、アニール処理されている実施例と比較例3の対比から、SiPcが配合されている実施例の方が、未配合の比較例3よりもP3HT由来のEQEスペクトルの向上が観測される。一方、アニールが未処理である比較例1,2のものについては、SiPcの有無は、P3HT由来のEQEスペクトルの変化に無関係である。
FIG. 11 is a measurement graph of external quantum yield (EQE) with respect to each wavelength of irradiation light in the photoelectric conversion elements according to Examples and Comparative Examples 1, 2, and 3.
From this measurement result, by performing the annealing treatment, the EQE spectrum derived from SiPc is improved, and the improvement of the EQE spectrum derived from P3HT is also observed.
Then, it can be said that the degree of improvement in the EQE spectrum derived from P3HT due to this annealing treatment is more remarkable than the degree of improvement in the absorption spectrum in FIG.
This confirms that a structure in which the donor domain 21 of P3HT grown by crystallization and the acceptor domain 22 of C61-PCBM are phase-separated and mixed is formed. That is, it is presumed that charges (electrons and holes) after charge separation at the domain interface can smoothly reach the corresponding electrode layer without being inhibited by the other domain interface.
Further, from the comparison between the annealed example and the comparative example 3, the improvement in the EQE spectrum derived from P3HT is observed in the example in which the SiPc is blended compared to the unblended comparative example 3. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 where annealing has not been performed, the presence or absence of SiPc is irrelevant to the change in the EQE spectrum derived from P3HT.

図15は、比較例2,3,4,5に係る活性層において、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。
有機色素としてZnPcを含む比較例4と比較例5の測定結果から、凝集性の高いZnPcを適用した場合、この有機色素に由来する670nm近傍の光吸収スペクトルの強度は極めて弱いといえる。
FIG. 15 is a measurement graph of absorbance for each wavelength of irradiated light in the active layers according to Comparative Examples 2, 3, 4, and 5.
From the measurement results of Comparative Examples 4 and 5 containing ZnPc as an organic dye, it can be said that when ZnPc having high cohesiveness is applied, the intensity of the light absorption spectrum near 670 nm derived from this organic dye is extremely weak.

なお、測定結果の掲載を省略するが、確認的にZnPcを含む活性層を溶媒に再溶解させて吸光スペクトルを観測すると、670nm近傍にZnPcに由来する高強度のスペクトルが検出されることから、ZnPcは活性層に間違いなく存在している。
このように有機薄膜にするとZnPc由来の吸光スペクトルが消失するのは、有機色素として加えたZnPcは、活性層の内部で凝集して塊状となって局所的に点在することとなり、照射光が有機色素に入射する実効面積が実質的に低下したためと考えられる。
Although the description of the measurement results is omitted, when an absorption spectrum is observed by re-dissolving the active layer containing ZnPc in a solvent, a high-intensity spectrum derived from ZnPc is detected in the vicinity of 670 nm. ZnPc is definitely present in the active layer.
When the organic thin film is formed in this manner, the absorption spectrum derived from ZnPc disappears because the ZnPc added as an organic dye aggregates inside the active layer to form a lump and is locally scattered. This is thought to be because the effective area incident on the organic dye was substantially reduced.

一方において、有機色素として凝集性の低いSiPcを採用した実施例及び比較例1の吸光スペクトル(図9)について検討すると、SiPc由来の吸収スペクトルは、アニール処理の有無とは無関係に同じ強度で観測されている。このことから、有機色素として凝集性の低いSiPcを採用した場合は、照射光が有機色素に入射する実効面積は、アニール処理を経ても実質的に変化せず、発生する励起子の量も同一であることを示している。   On the other hand, when examining the absorption spectra (FIG. 9) of Examples and Comparative Example 1 in which SiPc having low cohesiveness is used as the organic dye, the absorption spectra derived from SiPc were observed with the same intensity regardless of the presence or absence of annealing treatment. Has been. From this, when SiPc having low cohesion is adopted as the organic dye, the effective area where the irradiated light enters the organic dye does not substantially change even after annealing, and the amount of excitons generated is the same. It is shown that.

図16は比較例2,3,4,5に係る光電変換素子における、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。
比較例4と比較例5の結果を対比するとZnPcが配合される場合もアニール処理を行うことにより短絡電流密度の増加は観測されるが、有機色素が無配合である場合(比較例2→比較例3)よりもその効き目が劣っている。
FIG. 16 is a measurement graph of a JV curve under irradiation with simulated sunlight in the photoelectric conversion elements according to Comparative Examples 2, 3, 4, and 5.
When the results of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 are compared, even when ZnPc is blended, an increase in short-circuit current density is observed by performing the annealing treatment, but when no organic dye is blended (Comparative Example 2 → Comparison Its effectiveness is inferior to that of Example 3).

図17は比較例2,3,4,5に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
比較例4と比較例5の結果を対比から、ZnPcを有機色素に用いた場合であっても、アニール処理の実施により、P3HTに由来するEQEスペクトルの向上が観測される。しかし、有機色素が無配合である場合(比較例2→比較例3)よりも、向上したEQEスペクトルの強度が弱いという結果が得られた。
つまり、有機色素として凝集性の高いZnPcを採用した場合は、光電変換素子の特性向上に寄与せずに、逆に低下させていることを示している。これは、アニール処理により塊状に凝集したZnPcがさらに成長し、ドメイン界面で分離した電荷の移動の円滑性を阻害しているためと推察される。
FIG. 17 is a measurement graph of external quantum yield (EQE) for each wavelength of irradiation light in the photoelectric conversion elements according to Comparative Examples 2, 3, 4, and 5.
From a comparison of the results of Comparative Example 4 and Comparative Example 5, even when ZnPc is used as the organic dye, an improvement in the EQE spectrum derived from P3HT is observed by performing the annealing treatment. However, the result that the intensity | strength of the improved EQE spectrum was weaker than the case where an organic pigment | dye is not mix | blended (comparative example 2-> comparative example 3) was obtained.
That is, when ZnPc having high cohesiveness is employed as the organic dye, it does not contribute to the improvement of the characteristics of the photoelectric conversion element, but decreases. This is presumably because ZnPc aggregated in a lump shape by annealing treatment further grows and inhibits the smooth movement of charges separated at the domain interface.

次に、軸配位子を官能基として備え凝集性が抑制されたSiPcを有機色素として採用した実施例について検討する。
図11の実施例及び比較例1の測定結果において、アニール処理によって、SiPc由来のEQEスペクトル強度が増加している。よって、実施例では、アニール処理によって、有機色素(SiPc)の光吸収による電流発生が増加したことを示している。
このことは、SiPc由来の吸収スペクトル(図9)にはアニール処理の有無に起因する強度変化が無かったことから、アニール処理が未実施の場合は、SiPcで発生した励起子は失活する割合が高いことを意味している。
つまり、アニール処理を実施した場合には、有機色素(SiPc)で発生した励起子はその場で電荷分離し、発生した正孔及び電子はそれぞれP3HT及びC61−PCBMに素早く移動することを示唆している。この測定結果より、アニール処理を実施すると、SiPcは、ドメイン界面に析出し、広く薄く分布することを裏付けている。
Next, an example in which SiPc having an axial ligand as a functional group and suppressed cohesiveness is employed as an organic dye will be examined.
In the measurement results of the example of FIG. 11 and the comparative example 1, the EQE spectrum intensity derived from SiPc is increased by the annealing treatment. Therefore, in the Example, it has shown that the electric current generation by the light absorption of the organic pigment | dye (SiPc) increased by annealing treatment.
This is because, in the absorption spectrum derived from SiPc (FIG. 9), there was no change in intensity due to the presence or absence of annealing treatment, and thus the exciton generated in SiPc is deactivated when annealing treatment is not performed. Means high.
That is, it is suggested that when annealing is performed, excitons generated in the organic dye (SiPc) undergo charge separation in situ, and the generated holes and electrons move quickly to P3HT and C61-PCBM, respectively. ing. From this measurement result, it is confirmed that when annealing is performed, SiPc precipitates at the domain interface and is widely distributed thinly.

さらに、図11における実施例と比較例3の対比から、アニール処理が実施されている光電変換素子において、SiPc配合に起因して、P3HTに由来する吸収スペクトルでの光電流の向上も観測される。このことから、SiPcが無配合であるとP3HTで励起子が発生しても失活する割合が高いが、SiPcを配合することによって励起子を効率よくドメイン界面に捕集し、電荷分離に至る割合が増えることを示唆している。
つまり、SiPcのHOMO−LUMOのEg(1.7eV)とP3HTのEg(1.9eV)との関係により(図3参照)、SiPcの吸収スペクトルとP3HTの発光スペクトルとが良好に重なり合っている。これにより、ドメイン界面から遠い位置に発生したP3HTの励起子であっても、ドメイン界面までの長距離をエネルギー移動してからSiPcを励起させ、電荷分離することを裏付けている。
Furthermore, from the comparison between the example in FIG. 11 and the comparative example 3, in the photoelectric conversion element that has been annealed, an improvement in photocurrent in the absorption spectrum derived from P3HT is also observed due to the SiPc compounding. . From this, when SiPc is not blended, the rate of deactivation is high even if excitons are generated in P3HT, but by incorporating SiPc, excitons are efficiently collected at the domain interface, leading to charge separation. This suggests that the proportion will increase.
That is, due to the relationship between the HOMO-LUMO Eg (1.7 eV) of SiPc and the Eg (1.9 eV) of P3HT (see FIG. 3), the absorption spectrum of SiPc and the emission spectrum of P3HT overlap well. This confirms that even P3HT excitons generated at a position far from the domain interface excite SiPc after energy transfer over a long distance to the domain interface to separate charges.

以上の測定結果より、アニール処理が実施されることにより、P3HTとC61−PCBMが二相分離して混在するドメイン構造を形成するとともに、SiPcは析出し、ドメイン界面に偏在する構造が形成されることを裏付けている。このように、SiPcが、P3HT及びC61−PCBMのドメイン界面に偏在するのは、結晶性の高いP3HT及びC61−PCBMが結晶化によりドメイン成長をする際に、P3HT及びC61−PCBMの両相からSiPcが析出し界面に集合するためと考えられる。   From the above measurement results, when annealing is performed, a domain structure in which P3HT and C61-PCBM are two-phase separated and mixed is formed, and SiPc is precipitated and a structure that is unevenly distributed at the domain interface is formed. I support that. Thus, SiPc is unevenly distributed at the domain interface of P3HT and C61-PCBM because when P3HT and C61-PCBM, which have high crystallinity, undergo domain growth by crystallization, both phases of P3HT and C61-PCBM This is probably because SiPc precipitates and gathers at the interface.

図12及び表1は、実施例に係る光電変換素子(図7(e))において、有機色素(SiPc)の配合量を変化させて擬似太陽光照射下でのJ−V曲線を測定し、短絡電流密度(Jsc),フィルファクタ(FF),エネルギー変換効率(η)の計測値を示したものである。参考までに比較例5に係る光電変換素子の計測値も付記した。
なお測定は、ドナー分子(P3HT)及びアクセプタ分子(C61−PCBM)の重量配合比を1:1とし、P3HTとC61−PCBMの合計100重量部に対して配合されるSiPcの相対重量を0,0.5,1.5,3.5,10重量部と変化させた活性層を設けた光電変換素子を作製して行った。なお、この0重量部及び3.5重量部のEQEスペクトルは、図10,11における比較例3及び実施例に対応する結果である。
12 and Table 1 measure the J-V curve under simulated sunlight irradiation by changing the blending amount of the organic dye (SiPc) in the photoelectric conversion element (FIG. 7 (e)) according to the example. The measured values of short-circuit current density (Jsc), fill factor (FF), and energy conversion efficiency (η) are shown. For reference, measured values of the photoelectric conversion element according to Comparative Example 5 are also appended.
In the measurement, the weight ratio of the donor molecule (P3HT) and the acceptor molecule (C61-PCBM) is 1: 1, and the relative weight of SiPc blended with respect to 100 parts by weight of P3HT and C61-PCBM is 0, A photoelectric conversion element provided with an active layer changed to 0.5, 1.5, 3.5, and 10 parts by weight was prepared. The EQE spectra of 0 parts by weight and 3.5 parts by weight are the results corresponding to Comparative Example 3 and Example in FIGS.

図12及び表1より、0重量部から3.5重量部までは、有機色素(SiPc)の配合量が増えるに従い短絡電流密度(Jsc)及びエネルギー変換効率(η)の諸性能は向上する。一方、3.5重量部を超えると配合量の増加に従い諸性能は低下し、10重量部を超えたところでエネルギー変換効率(η)は0重量部の場合よりも悪化する。これより、有機色素(SiPc)は、配合量が10重量部を超えない範囲で、光電変換素子の特性を向上させるという知見が得られる。   From FIG. 12 and Table 1, from 0 to 3.5 parts by weight, various performances of short-circuit current density (Jsc) and energy conversion efficiency (η) improve as the blending amount of the organic dye (SiPc) increases. On the other hand, when it exceeds 3.5 parts by weight, various performances decrease as the blending amount increases, and when it exceeds 10 parts by weight, the energy conversion efficiency (η) becomes worse than the case of 0 part by weight. From this, the knowledge that the organic dye (SiPc) improves the characteristics of the photoelectric conversion element is obtained within a range where the blending amount does not exceed 10 parts by weight.

Figure 0005258037
Figure 0005258037

図13は、表1に示される有機色素(SiPc)の配合量を変化させた実施例に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
この図13の測定結果によれば、有機色素(SiPc)に由来するEQEスペクトルの強度は、SiPcの配合量に対応して向上している。一方、ドナー分子(P3HT)に由来するEQEスペクトルの強度は、SiPcの配合量に対し極大値を有することがわかる。これは、EQEスペクトルが極大値を示すまでは、SiPcの配合量が増えるに従い、ドメイン界面に占めるSiPcの分布面積が拡大するためと考えられる。一方、EQEスペクトルが極大値を過ぎた後は、SiPcの配合量が増えるに従いSiPcの膜が厚くなり、この膜を突っ切る電荷移動によるエネルギー損失が増大するものと考えられる。
FIG. 13 is a measurement graph of external quantum yield (EQE) with respect to each wavelength of irradiation light in the photoelectric conversion element according to the example in which the blending amount of the organic dye (SiPc) shown in Table 1 is changed.
According to the measurement result of FIG. 13, the intensity of the EQE spectrum derived from the organic dye (SiPc) is improved corresponding to the amount of SiPc. On the other hand, it is understood that the intensity of the EQE spectrum derived from the donor molecule (P3HT) has a maximum value with respect to the amount of SiPc. This is considered to be because the distribution area of SiPc occupying the domain interface increases as the amount of SiPc increases until the EQE spectrum shows a maximum value. On the other hand, after the EQE spectrum exceeds the maximum value, the SiPc film becomes thicker as the SiPc content increases, and it is considered that the energy loss due to charge transfer through the film increases.

以上の測定結果により、活性層の光吸収スペクトルに添加した色素の吸収が認められる場合には、太陽電池の性能が改善されることは明らかである。   From the above measurement results, it is clear that the performance of the solar cell is improved when absorption of the dye added to the light absorption spectrum of the active layer is observed.

(a)は本発明の光電変換素子の第1実施形態を示す概念図であり、(b)はその発電原理の説明図である。(A) is a conceptual diagram which shows 1st Embodiment of the photoelectric conversion element of this invention, (b) is explanatory drawing of the electric power generation principle. 本実施形態に係る光電変換素子の活性層を構成するドメインの境界部分を拡大して示す部分拡大図である。It is the elements on larger scale which expand and show the boundary part of the domain which constitutes the active layer of the photoelectric conversion element concerning this embodiment. (a)は本発明の光電変換素子の第2実施形態を示す概念図であり、(b)はその発電原理の説明図である。(A) is a conceptual diagram which shows 2nd Embodiment of the photoelectric conversion element of this invention, (b) is explanatory drawing of the electric power generation principle. (a)は本発明の光電変換素子の第3実施形態を示す概念図であり、(b)はその発電原理の説明図である。(A) is a conceptual diagram which shows 3rd Embodiment of the photoelectric conversion element of this invention, (b) is explanatory drawing of the electric power generation principle. (a)は本発明の太陽電池の実施形態を示す断面拡大図である。(A) is an expanded sectional view which shows embodiment of the solar cell of this invention. (a)(b)は本発明の光電変換素子の製造方法における塗布工程の実施形態を示す概念図であって、有機色素(SiPc)及びその他の成分の分子構造式が図示されている。また(b´)には比較例の構成成分の分子構造式が図示されている。(A) (b) is a conceptual diagram which shows embodiment of the application | coating process in the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention, Comprising: The molecular structural formula of an organic pigment | dye (SiPc) and another component is illustrated. Further, (b ′) shows the molecular structural formulas of the constituent components of the comparative example. (c)(d)は本発明の光電変換素子の製造方法における熱処理工程の実施形態を示す概念図であって、(e)は図3(a)と同じ光電変換素子を示している。また(f)には比較例1として図7(c)の段階からアニール工程を省略して光電変換素子を作製したものが示されている。(C) (d) is a conceptual diagram which shows embodiment of the heat processing process in the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention, Comprising: (e) has shown the same photoelectric conversion element as Fig.3 (a). Also, (f) shows a comparative example 1 in which a photoelectric conversion element is manufactured by omitting the annealing process from the stage of FIG. (c´)(d´)(e´)は比較例3として図6(b´)の段階からアニール工程を経て光電変換素子を作製する工程が示されている。また(f´)には比較例2として図8(c´)の段階からアニール工程を省略して光電変換素子を作製したものが示されている。(C ′), (d ′), and (e ′) show, as Comparative Example 3, a process of manufacturing a photoelectric conversion element through an annealing process from the stage of FIG. Further, (f ′) shows a comparative example 2 in which a photoelectric conversion element is manufactured by omitting the annealing process from the stage of FIG. 実施例及び比較例1,2,3に係る活性層において、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。In the active layer which concerns on an Example and Comparative Examples 1, 2, 3, it is a measurement graph of the light absorbency with respect to each wavelength of irradiated light. 実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子において、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。In the photoelectric conversion element which concerns on an Example and Comparative Examples 1, 2, and 3, it is a measurement graph of the JV curve under pseudo-sunlight irradiation. 実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。In the photoelectric conversion element which concerns on an Example and Comparative Examples 1, 2, and 3, it is a measurement graph of the external quantum yield (EQE) with respect to each wavelength of irradiation light. 実施例に係る光電変換素子において、有機色素の配合量を変化させて測定した擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の短絡電流密度(Jsc),フィルファクタ(FF),エネルギー変換効率(η)の計測値である。In the photoelectric conversion element according to the example, the short-circuit current density (Jsc), fill factor (FF), energy conversion efficiency (η) of the JV curve under simulated sunlight irradiation measured by changing the blending amount of the organic dye ) Measured value. 実施例に係る光電変換素子において、有機色素の配合量を変化させた場合の、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。In the photoelectric conversion element which concerns on an Example, it is a measurement graph of the external quantum yield (EQE) with respect to each wavelength of irradiation light at the time of changing the compounding quantity of an organic pigment | dye. (b”)(c”)(d”)(e”)は比較例4,5として、実施例の場合と異なり軸配位子を有さない有機色素(ZnPc)を用いた場合の光電変換素子の作製工程が示されている。また(f”)には比較例4として図14(c”)の段階からアニール工程を省略して光電変換素子を作製したものが示されている。(B ″) (c ″) (d ″) (e ″) are photoelectric conversions in the case where an organic dye (ZnPc) having no axial ligand is used as Comparative Examples 4 and 5, unlike the examples. The device fabrication process is shown. Further, (f ″) shows a comparative example 4 in which a photoelectric conversion element was manufactured by omitting the annealing process from the stage of FIG. 14 (c ″). 比較例2,3,4,5に係る活性層において、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。In the active layer which concerns on the comparative examples 2, 3, 4, and 5, it is a measurement graph of the light absorbency with respect to each wavelength of irradiated light. 比較例2,3,4,5に係る光電変換素子において、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。In the photoelectric conversion element which concerns on the comparative examples 2, 3, 4, and 5, it is a measurement graph of the JV curve under pseudo-sunlight irradiation. 比較例2,3,4,5に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。In the photoelectric conversion element concerning the comparative examples 2, 3, 4, and 5, it is a measurement graph of the external quantum yield (EQE) with respect to each wavelength of irradiation light.

符号の説明Explanation of symbols

10,10´,10” 光電変換素子
11 正極層(電極層)
12 負極層(電極層)
20 活性層
21 ドナードメイン(第1ドメイン)
22 アクセプタドメイン(第2ドメイン)
23 有機色素
30 正孔輸送層
40 電子輸送層
50 太陽電池
A アクセプタ分子
D ドナー分子
H 照射光
R 軸配位子
R’ 置換基
10, 10 ', 10 "photoelectric conversion element 11 positive electrode layer (electrode layer)
12 Negative electrode layer (electrode layer)
20 Active layer 21 Donor domain (first domain)
22 Acceptor domain (second domain)
23 organic dye 30 hole transport layer 40 electron transport layer 50 solar cell A acceptor molecule D donor molecule H irradiation light R axis ligand R ′ substituent

Claims (11)

照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子であって、
前記活性層は、
前記照射光を吸収して励起した電子を供与する第1ドメインと前記電子を受容する第2ドメインとが混在したバルクヘテロ接合型の構造を有し、
前記照射光を吸収して励起する有機色素が、バルクヘテロ接合した前記第1ドメインと前記第2ドメインの界面に偏在してい
とを特徴とする光電変換素子。
A photoelectric conversion element that generates a potential difference between a pair of electrode layers disposed opposite to both sides of an active layer when irradiated with light,
The active layer is
A bulk heterojunction structure in which a first domain that absorbs the irradiated light to donate excited electrons and a second domain that accepts the electrons are mixed;
The organic dye is excited by absorbing the irradiation light, you are unevenly distributed in the interface between the first domains bulk heterojunction with said second domain
The photoelectric conversion device characterized and this.
前記有機色素は、隣接するもの同士のπ共役分子軌道の重なり合いを阻害する官能基を含
とを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
The organic dye, a functional group that inhibits overlap of π-conjugated molecular orbital adjacent to each other including
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the this.
前記有機色素は、非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体であ
とを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。
The organic dye is Ru complex der with which can take a non-planar coordination geometry atoms
The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the this.
前記有機色素の光吸収スペクトルの吸収ピークは、前記第1ドメイン又は前記第2ドメインの吸収ピークよりも長波長側に位置す
とを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の光電変換素子。
Absorption peak of light absorption spectrum of the organic dye, located on the longer wavelength side than the absorption peak of the first domain or the second domain
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, characterized and this.
前記有機色素のHOMO準位は、前記第1ドメインを機能させるドナー分子のHOMO準位よりも低く、かつ、前記第2ドメインを機能させるアクセプタ分子のHOMO準位よりも高く、
前記有機色素のLUMO準位は、前記ドナー分子のLUMO準位よりも低く、かつ、前記アクセプタ分子のLUMO準位よりも高く、
前記有機色素のHOMO−LUMOギャップは、前記ドナー分子のものより小さ
とを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
HOMO level of the organic dye is lower than the HOMO level of the donor molecule to function the first domain, and higher than the HOMO level of the acceptor molecule to function the second domain,
The LUMO level of the organic dye is lower than the LUMO level of the donor molecule and higher than the LUMO level of the acceptor molecule,
HOMO-LUMO gap of the organic dyes, have smaller than that of said donor molecules
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 4, characterized and this.
前記有機色素は、軸配位子を有する金属ポルフィリン類、金属フタロシアニン類、金属ナフタロシアニン類である  The organic dye is a metal porphyrin having an axial ligand, a metal phthalocyanine, or a metal naphthalocyanine
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein the photoelectric conversion element is provided.
前記有機色素は、化学式  The organic dye has a chemical formula
Figure 0005258037
Figure 0005258037
で表されるものであるIs represented by
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the photoelectric conversion element is characterized.
前記電極層及び前記活性層の間に正孔輸送層及び電子輸送層の少なくともいずれか一方が配置され
とを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
At least one of the hole transport layer and the electron transport layer is Ru disposed between the electrode layer and the active layer
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 7, characterized and this.
請求項1乃至請求項のいずれか1項に記載の光電変換素子を備え、連結した外部負荷に仕事をさせ
ことを特徴とする太陽電池。
Comprising a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 8, Ru is the work to the external load coupled
A solar cell characterized by that .
前記活性層の紫外−可視−近赤外光吸収スペクトルを測定すると有機色素の光吸収スペクトルの少なくとも一部が観察され
とを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
Ultraviolet said active layer - visible - Ru least part of the light absorption spectra of an organic dye as measured near-infrared light absorption spectrum is observed
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the this.
照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子の製造方法であって、
前記照射光を吸収して励起した電子を供与するドナー分子及び前記電子を受容するアクセプタ分子の合計100重量部と0.1〜10重量部の有機色素とを溶媒に溶解させた溶液を作製する段階と、
前記電極層の一方が設けられている基板上に前記溶液を塗布するとともに前記溶媒を揮発させる段階と、
前記ドナー分子からなる第1ドメイン及び前記アクセプタ分子からなる第2ドメインを相分離させて混在したバルクヘテロ接合型の構造を発現させるとともに、バルクヘテロ接合した前記第1ドメインと前記第2ドメインとの界面に前記有機色素が偏在している前記活性層を形成する段階とを含み、
前記有機色素は、
HOMO−LUMOギャップが前記ドナー分子のものより小さく
HOMO準位が前記ドナー分子のHOMO準位よりも低く、かつ、前記アクセプタ分子のHOMO準位よりも高く、
LUMO準位が前記ドナー分子のLUMO準位よりも低く、かつ、前記アクセプタ分子のLUMO準位よりも高いとともに、
前記ドナー分子及び前記アクセプタ分子に対し非相溶でかつこれらよりも自己凝集性が小さ
とを特徴とする光電変換素子の製造方法。
A method for producing a photoelectric conversion element in which a potential difference is generated between a pair of electrode layers disposed opposite to both sides of an active layer when irradiated with light,
A solution is prepared by dissolving a total of 100 parts by weight of a donor molecule that absorbs the irradiated light and donates excited electrons and an acceptor molecule that accepts the electrons and 0.1 to 10 parts by weight of an organic dye in a solvent. Stages,
Applying the solution onto a substrate provided with one of the electrode layers and volatilizing the solvent;
The interface between the first domain and said acceptor is molecular second domain phase separation consisting of expressing the structure of bulk heterojunction type mixed with Rutotomoni, the second domain and the first domain that bulk heterojunction composed of the donor molecule wherein said forming said active layer an organic dye is unevenly distributed, to,
The organic dye is
The HOMO-LUMO gap is smaller than that of the donor molecule ,
HOMO level lower than the HOMO level of the donor molecules, and is higher than the HOMO level of the acceptor molecule,
The LUMO level is lower than the LUMO level of the donor molecule and higher than the LUMO level of the acceptor molecule ;
Wherein and a donor molecule and incompatible with respect to the acceptor molecule self cohesion than these is less
Method of manufacturing a photoelectric conversion element characterized and this.
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