JP5326744B2 - Organic thin film solar cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、有機薄膜太陽電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an organic thin film solar cell and a method for manufacturing the same.
有機薄膜太陽電池の変換効率値を高めるためには、有機薄膜からなる光電変換層と電極との電気的な接続状態を適切に制御することが重要である。例えば、真空蒸着法により光電変換層上にアルミニウム(Al)電極を形成した後に加熱処理を行うことで高い変換効率値が得られることが報告されている(非特許文献1参照。)。これは、加熱処理により電子受容性材料とAl電極の間に安定な結合状態が形成されることが原因であると考えられる。 In order to increase the conversion efficiency value of the organic thin film solar cell, it is important to appropriately control the electrical connection state between the photoelectric conversion layer made of the organic thin film and the electrode. For example, it has been reported that a high conversion efficiency value can be obtained by performing heat treatment after forming an aluminum (Al) electrode on a photoelectric conversion layer by a vacuum deposition method (see Non-Patent Document 1). This is considered to be because a stable bonding state is formed between the electron-accepting material and the Al electrode by the heat treatment.
また、変換効率値を増加させるために、光電変換層中に含まれ、末端が置換基で修飾された導電性高分子を電極と化学的に結合させることが提案されている(特許文献1参照。)。あるいは、光電変換層中に含まれる導電性高分子と同一構造の基で末端が修飾された有機分子で電極を修飾することが提案されている(特許文献2参照。)。これらの有機薄膜太陽電池の製造工程は、光電変換層等の有機層の光酸化を防止するため、真空中又は不活性ガス中で行われる。 In order to increase the conversion efficiency value, it has been proposed to chemically bond a conductive polymer contained in a photoelectric conversion layer and having a terminal modified with a substituent (see Patent Document 1). .) Alternatively, it has been proposed to modify the electrode with an organic molecule whose terminal is modified with a group having the same structure as the conductive polymer contained in the photoelectric conversion layer (see Patent Document 2). The manufacturing process of these organic thin film solar cells is performed in a vacuum or in an inert gas in order to prevent photooxidation of an organic layer such as a photoelectric conversion layer.
また、有機薄膜太陽電池と類似の構成である有機エレクトロルミネッセンス素子において、電荷注入輸送材料を含有する有機層と電極の間に、反応性有機化合物やその反応生成物を含有することで高い電荷注入特性を得ることが報告されている(特許文献3参照。)。 In addition, in organic electroluminescence devices having a structure similar to that of organic thin-film solar cells, high charge injection is achieved by including a reactive organic compound or its reaction product between the organic layer containing the charge injection transport material and the electrode. It has been reported that characteristics are obtained (see Patent Document 3).
上記の先行技術は、いずれも有機薄膜と電極との電気的な接続状態を適切に制御することで性能を向上させている。しかしながら、上記の先行技術により実現された変換効率は小さく、実用化へ向けてはさらなる変換効率値の改善が必要である。 Each of the above prior arts improves the performance by appropriately controlling the electrical connection state between the organic thin film and the electrode. However, the conversion efficiency realized by the above prior art is small, and further improvement of the conversion efficiency value is necessary for practical use.
上記問題点を鑑み、本発明の目的は、光電変換効率が高い有機薄膜太陽電池及びその製造方法を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an organic thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency and a method for producing the same.
本発明の第1の態様によれば、基板上の第1電極と、第1電極上で、電子供与性材料及び電子受容性材料を含む光電変換層と、光電変換層表面に形成され、酸素が添加された酸素添加層と、(ニ)酸素添加層表面に形成された第2電極とを備える有機薄膜太陽電池が提供される。 According to the first aspect of the present invention, the first electrode on the substrate, the photoelectric conversion layer containing the electron donating material and the electron accepting material on the first electrode, and formed on the surface of the photoelectric conversion layer, oxygen There is provided an organic thin-film solar cell including an oxygen-added layer to which is added and (d) a second electrode formed on the surface of the oxygen-added layer.
本発明の第2の態様によれば、基板上に第1電極を形成する工程と、第1電極上に電子供与性材料及び電子受容性材料を含む光電変換層を形成する工程と、光電変換層を酸素を含むガス中に曝露して光電変換層表面に酸素が添加された酸素添加層を形成する工程と、(ニ)酸素添加層表面上に第2電極を形成する工程とを含む有機薄膜太陽電池の製造方法が提供される。 According to the second aspect of the present invention, a step of forming a first electrode on a substrate, a step of forming a photoelectric conversion layer containing an electron donating material and an electron accepting material on the first electrode, and photoelectric conversion An organic process comprising: exposing a layer to a gas containing oxygen to form an oxygen-added layer in which oxygen is added to the surface of the photoelectric conversion layer; and (d) forming a second electrode on the surface of the oxygen-added layer. A method of manufacturing a thin film solar cell is provided.
本発明によれば、光電変換効率が高い有機薄膜太陽電池及びその製造方法を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide an organic thin film solar cell with high photoelectric conversion efficiency, and its manufacturing method.
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
本発明の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池は、図1に示すように、基板10、基板10上の第1電極12、第1電極12上の正孔取出し層14、正孔取出し層14上の光電変換層16、光電変換層16の表面に設けられた酸素添加層18、酸素添加層18表面に設けられた第2電極20を備える。光電変換層16は、電子供与性材料及び電子受容性材料を含む。
As shown in FIG. 1, the organic thin film solar cell according to the embodiment of the present invention includes a
光電変換層16は、電子供与性材料と電子受容性材料が混在したバルクヘテロ接合、あるいは電子供与性材料膜上に電子受容性材料膜を積層したヘテロ接合を有する。光電変換効率を高くするためには、バルクヘテロ接合が望ましい。また、末端が未修飾の電子供与性材料及び電子受容性材料を用いることが望ましい。末端が修飾された電子供与性材料及び電子受容性材料を用いると、光電変換層の結晶性が不良となるため、導電性が悪くなり、光電変換効率が低下するためである。
The
光電変換層16の膜厚としては、例えば、0.2nm〜3000nmの範囲内、好ましくは1nm〜600nmの範囲内である。光電変換層16の膜厚が3000nmより厚いと、光電変換層16の体積抵抗が高くなる場合がある。一方、膜厚が0.2nmより薄いと、光を十分に吸収できなかったり、電極間で短絡が生じたりする場合がある。
The film thickness of the
光電変換層16の電子供与性材料としては、電子供与体としての機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、湿式塗工法により成膜可能なものであることが好ましい。中でも電子供与性の導電性高分子材料であることが好ましい。導電性高分子はいわゆるπ共役高分子であり、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系から成り立っており、半導体的性質を示すものである。また、導電性高分子材料は、導電性高分子材料を溶媒に溶解もしくは分散させた塗工液を用いることで湿式塗工法により容易に成膜可能であることから、大面積の有機薄膜太陽電池を高価な設備を必要とせず低コストで製造できるという利点がある
電子供与性材料としては、例えば、ポリチオフェン(P3HT)、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリシラン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポルフィリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、およびこれらの誘導体、ならびにこれらの共重合体、あるいは、フタロシアニン含有ポリマ、カルバゾール含有ポリマ、有機金属ポリマ等の高分子材料が用いられる。上記の中でも、チオフェン−フルオレン共重合体、ポリアルキルチオフェン、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体、フェニレンエチニレン−チオフェン共重合体、フェニレンエチニレン−フルオレン共重合体、フルオレン−フェニレンビニレン共重合体、チオフェン−フェニレンビニレン共重合体等が好ましく用いられる。これらの電子供与性材料は、多くの電子受容性材料に対して、最低非占有分子軌道(LUMO)のエネルギー準位差が適切なヘテロ接合を形成することが可能である。
The electron donating material of the
光電変換層16の電子受容性材料としては、電子受容体としての機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、湿式塗工法により成膜可能なものであることが好ましい。電子受容性材料としては、例えば、ポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、及びこれらの誘導体、ならびにこれらの共重合体等の高分子材料、あるいは、カーボンナノチューブ(CNT)、フェニルC61−ブチリック酸メチルエスタ(PCBM)等のフラーレン誘導体、シアノ(CN)基又はトリフルオロメチル(CF3)基含有ポリマ、及びそれらの(CF3)基置換ポリマ等が用いられる。
The electron-accepting material of the
第1電極12としては、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、光の照射方向や、後述する第2電極20を形成する材料の仕事関数等を考慮して適宜選択することが好ましい。例えば、第2電極20を、仕事関数が低い導電材料とした場合には、第1電極12は、仕事関数が高い導電材料が好ましい。仕事関数が高い導電材料としては、例えば金(Au)、銀(Ag)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、導電性炭素(C)、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化スズ(SnO2)、フッ素(F)をドープしたSnO2、酸化亜鉛(ZnO)等が用いられる。また、基板10側を受光面とする場合には、第1電極12を透明電極とすることが好ましく、この場合、一般的に透明電極として使用されているものを用いることができる。具体的には、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ITO、AlドープZnO、酸化亜鉛スズ(ZnSnO)等が用いられる。
The
第1電極12の全光線透過率は、85%以上、好ましくは90%以上、更に好ましくは92%以上である。基板10を受光面とする場合、第1電極12の全光線透過率が85%以上であれば、第1電極12は光を十分に透過することができ、光電変換層16にて光を効率的に吸収することができる。第1電極12は、単層であってもよく、また、異なる仕事関数の材料を積層したものであってもよい。第1電極12の膜厚は、0.1nm〜500nmの範囲、好ましくは1nm〜300nmの範囲である。膜厚が0.1nmより薄い場合は、第1電極12のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した光電荷を十分に外部回路へ伝達することが困難となる。一方、膜厚が500nmより厚い場合には、全光線透過率が低下し、光電変換効率を低下させてしまう。
The total light transmittance of the
第2電極20としては、導電性を有するものであれば特に限定されないが、光の照射方向や、第1電極12を形成する材料の仕事関数等を考慮して適宜選択することが好ましい。例えば、第1電極12が透明電極の場合には、第2電極20は透明でなくともよい。また、第1電極12を仕事関数が高い材料とした場合には、第2電極20は仕事関数が低い材料とすることが好ましい。具体的には、仕事関数が低い材料としては、リチウム(Li)、インジウム(In)、Al、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、サマリウム(Sm)、テルビウム(Tb)、イッテルビウム(Yb)、ジルコニウム(Zr)、フッ化リチウム(LiF)等が用いられる。
The
また、第2電極20は、単層であってもよく、また、異なる仕事関数の材料を積層したものであってもよい。第2電極20の膜厚は、0.1nm〜500nmの範囲、好ましくは1nm〜300nmの範囲である。膜厚が0.1nmより薄い場合は、第2電極20のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した光電荷を十分に外部回路へ伝達することが困難となる。一方、膜厚が500nmより厚い場合には、光の透過率が低下し、光電変換効率を低下させる可能性がある。
The
第1電極12と光電変換層16との間に設けられた正孔取出し層14は、光電変換層16で生成された正孔を、正孔取出し電極である第1電極12へと容易に取り出すためのものである。これにより、光電変換層16から第1電極12への正孔取出し効率が高められるため、光電変換効率を向上させることが可能となる。
The
正孔取出し層14としては、光電変換層16から正孔の取出しを安定化させる材料であれば特に限定されるものではない。具体的には、ドープされたポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、P3HT、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアセチレン、トリフェニルジアミン(TPD)等の導電性有機化合物、又はテトラチオフルバレン、テトラメチルフェニレンジアミン等の電子供与性化合物と、テトラシアノキノジメタン、テトラシアノエチレン等の電子受容性化合物とからなる電荷移動錯体を形成する有機材料等が用いられる。また、Au、In、Ag、パラジウム(Pd)等の金属薄膜も使用することができる。さらに、金属薄膜は、単独で形成してもよく、上記の有機材料と組み合わせて用いてもよい。特に、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、TPDが好ましく用いられる。
The
正孔取出し層14の膜厚は、有機材料を用いた場合は、10nm〜200nmの範囲が好ましく、金属薄膜を用いた場合は、0.1nm〜5nmの範囲が好ましい。
The thickness of the
なお、第2電極20を正孔取出し電極とする場合は、光電変換層16と第2電極20との間に正孔取出し層14が形成される。また、正孔取出し層14を省略してもよい。
When the
基板10は、第1電極12を表面に形成できるものであれば、材質や厚さは限定されない。基板10として、板状やフィルム状の樹脂、ガラス等が用いられる。例えば、基板10側を受光面とする場合、基板10には、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)等の透明樹脂、ガラス等が用いられる。
The material and thickness of the
従来の有機薄膜太陽電池は、光電変換層の水分による劣化を防止するため、不活性ガス中で製造工程が行われる。第2電極は、直接光電変換層の表面に設けられる。一方、本発明の実施の形態では、光電変換層16の表面を酸素を含むガス中に曝露して酸素を添加し、光電変換層16が酸素により改質された酸素添加層18が形成されている。第2電極20は、酸素添加層18の表面上に設けられる。酸素添加層18の存在により、第2電極20と光電変換層16の間の電位障壁を実質的に低減することができる。このように、第2電極20と光電変換層16の間に酸素添加層18を設けることにより、第2電極20と光電変換層16の電気的な接続状態を改善することができる。その結果、光電変換層16で発生した電荷を効率よく外部回路に取り出すことが可能となる。
A conventional organic thin film solar cell is manufactured in an inert gas in order to prevent deterioration of the photoelectric conversion layer due to moisture. The second electrode is directly provided on the surface of the photoelectric conversion layer. On the other hand, in the embodiment of the present invention, oxygen is added by exposing the surface of the
次に、本発明の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法を、図2〜図6に示す工程断面図を用いて説明する。なお、酸素添加層形成工程以外は、不活性ガス中で製造工程が実施される。 Next, the manufacturing method of the organic thin-film solar cell concerning embodiment of this invention is demonstrated using process sectional drawing shown in FIGS. In addition, a manufacturing process is implemented in inert gas except an oxygen addition layer formation process.
図2に示すように、物理蒸着(PVD)法等により酸化シリコン(SiO2)薄膜が形成された基板10の表面に、圧力勾配型プラズマガンを用いた反応性イオンプレーティング法等によりITO膜を成膜する。ITO膜を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチング等によりパターンニングをして第1電極12が形成される。
As shown in FIG. 2, an ITO film is formed on the surface of a
基板10は、厚さが約125μmのPENフィルムである。第1電極12は、膜厚が約150nmで、シート抵抗が約20Ω/□の透明電極である。ITO膜の反応性イオンプレーティングの条件は、パワーが約3.7kW、酸素分圧が約73%、成膜圧力が0.3Pa、成膜速度が約150nm/分、基板温度が約20℃である。次いで、第1電極12が形成された基板10をアセトン、基板洗浄液、及びイソプロパノール(IPA)等を用いて洗浄する。
The
図3に示すように、スピンコート法によりポリ−(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を分散した導電性高分子ペーストを第1電極12上に成膜する。成膜した導電性高分子ペーストを約150℃で約30分間乾燥させ正孔取出し層14を形成する。正孔取出し層14の膜厚は、約100nmである。
As shown in FIG. 3, a conductive polymer paste in which poly- (3,4-ethylenedioxythiophene) is dispersed is formed on the
P3HT及びPCBMをクロロベンゼン等の溶媒に溶解させ、固形分濃度が約1.4重量%の塗工溶液を準備する。図4に示すように、スピンコート法により、準備した塗工溶液を正孔取出し層14上に回転数約600rpmの条件で塗布して光電変換層16を形成する。
P3HT and PCBM are dissolved in a solvent such as chlorobenzene to prepare a coating solution having a solid content concentration of about 1.4% by weight. As shown in FIG. 4, the prepared coating solution is applied onto the
図5に示すように、光電変換層16を酸素(O2)を含むガス、例えば大気に曝露して、光電変換層16の表面に酸素が添加された酸素添加層18を形成する。大気曝露条件は、約20℃の室温で、10分〜2時間の範囲である。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、酸素添加層18の表面上にAlを真空蒸着法により成膜して第2電極20を形成する。第2電極20の膜厚は約100nmである。
As shown in FIG. 6, the
次に、温度約150℃のホットプレート上で、第1電極12、正孔取出し層14、光電変換層16、酸素添加層18、及び第2電極20が形成された基板10を加熱乾燥する。その後、封止用ガラス材及び接着性封止材等により第2電極20上から封止する。このようにして、有機薄膜太陽電池が製造される。
Next, the
上記の酸素添加層形成工程では、酸素を含むガスとして大気を用いている。しかし、O2を含むガスは、大気に限定されず、例えば乾燥空気、あるいはアルゴン(Ar)や窒素(N2)等の不活性ガスにO2を混合したガス等であってもよい。特に、乾燥空気は安価に準備でき、有機薄膜太陽電池の製造コストを低減することが可能である。 In the oxygen addition layer forming step, the atmosphere is used as a gas containing oxygen. However, the gas containing O 2 is not limited to the atmosphere, and may be, for example, dry air or a gas obtained by mixing O 2 with an inert gas such as argon (Ar) or nitrogen (N 2 ). In particular, dry air can be prepared at low cost, and the manufacturing cost of the organic thin-film solar cell can be reduced.
乾燥空気及び大気に曝露して形成した酸素添加層18を有する有機薄膜太陽電池それぞれの太陽電池特性を評価した。また、比較例として、全製造工程を不活性ガス中で実施して製造された酸素添加層がない従来構造の有機薄膜太陽電池の太陽電池特性を評価した。 太陽電池特性に関しては、エアマス(AM)1.5の擬似太陽光(出力100mW/cm2)を照射光源とし、ソースメジャーユニット等の電流電圧源を用いて電流電圧特性の測定を行った。測定した電流電圧特性より、有機薄膜太陽電池の直列抵抗及び光電変換効率を評価した。
The solar cell characteristics of each organic thin-film solar cell having the
乾燥空気を用いて酸素添加層18を形成した有機薄膜太陽電池の直列抵抗は約4.2Ω/cm2で、光電変換効率は約2.7%である。また、大気を用いて酸素添加層18を形成した有機薄膜太陽電池の直列抵抗は約5.1Ω/cm2で、光電変換効率は約2.5%である。一方、比較例の有機薄膜太陽電池の直列抵抗は約10.1Ω/cm2で、光電変換効率は約2.1%である。このように、本発明の実施の形態に係る酸素添加層18を有する有機薄膜太陽電池では、第2電極20と光電変換層16の間の電位障壁を実質的に低減させることにより、有機薄膜太陽電池の直列抵抗が低減し、光電変換効率が増大していることが確認されている。なお、上記の乾燥空気及び大気による曝露時間は約2時間であった。
The organic thin film solar cell in which the oxygen-added
また、乾燥空気及び大気の曝露時間と光電変換効率値の関係を確認した。乾燥空気の場合、曝露時間を約2時間及び約5時間としても、光電変換効率は共に大差なかった。一方、大気の場合、光電変換効率は曝露時間が約2時間の場合と比較して約5時間の場合の方が約35%低下した。大気曝露により酸素添加層が形成されて光電変換効率は増加するが、大気に含まれた水分による光電変換層16の劣化も同時に進行する。そのため、長時間の大気曝露では光電変換効率が低下する。このように、酸素を含むガスとしては、水分を含まない乾燥空気等が望ましい。
Moreover, the relationship between the exposure time of dry air and air | atmosphere and a photoelectric conversion efficiency value was confirmed. In the case of dry air, even if the exposure time was about 2 hours and about 5 hours, the photoelectric conversion efficiency was not much different. On the other hand, in the case of the atmosphere, the photoelectric conversion efficiency was reduced by about 35% when the exposure time was about 5 hours as compared with the case where the exposure time was about 2 hours. Although the oxygen-added layer is formed by exposure to the atmosphere and the photoelectric conversion efficiency increases, the deterioration of the
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
(Other embodiments)
Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
10…基板
12…第1電極
14…正孔取出し層
16…光電変換層
18…酸素添加層
20…第2電極
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1電極上で、電子供与性材料及び電子受容性材料を含む光電変換層と、
前記光電変換層表面に形成され、酸素が添加された酸素添加層と、
前記酸素添加層表面に接して形成された導電性の第2電極
とを備えることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 A first electrode on the substrate;
On the first electrode, a photoelectric conversion layer containing an electron donating material and an electron accepting material;
An oxygen-added layer formed on the surface of the photoelectric conversion layer and added with oxygen;
The organic thin film solar cell; and a second electrode of conductivity formed in contact with the oxygenation layer surface.
前記第1電極上に電子供与性材料及び電子受容性材料を含む光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層を酸素を含むガス中に曝露して前記光電変換層表面に酸素が添加された酸素添加層を形成する工程と、
前記酸素添加層表面上に接して導電性の第2電極を形成する工程
とを含むことを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a first electrode on a substrate;
Forming a photoelectric conversion layer containing an electron-donating material and an electron-accepting material on the first electrode;
Exposing the photoelectric conversion layer to a gas containing oxygen to form an oxygen-added layer in which oxygen is added to the surface of the photoelectric conversion layer;
And a step of forming a conductive second electrode in contact with the surface of the oxygen-added layer.
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