JP5413892B2 - 有機・ナノ炭素複合系薄膜太陽電池 - Google Patents
有機・ナノ炭素複合系薄膜太陽電池 Download PDFInfo
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Description
導電層、
p型半導体として、親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層、
n型半導体として、フラーレンを含む層、および
金属電極層
をこの順で備える、太陽電池。
ITOガラス基板、
前記ITOガラス基板のITO上に配置されたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)から形成された導電層、
p型半導体として、親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層、
n型半導体として、C60フラーレンを含む層、および
アルミニウム電極層
をこの順で含む、太陽電池である。
本発明の有機太陽電池において、p型半導体として作用する光吸収層(光電変換層)は、有機化合物として「親水性基を有する金属フタロシアニン」を含み、さらに「ナノダイヤモンド」を含むことを特徴とする。本発明の太陽電池では、光吸収層に「親水性基を有する金属フタロシアニン」と「ナノダイヤモンド」とを組み合わせて配合することによって、好適な幅広い光エネルギー吸収帯を実現することができる。
フタロシアニンは、一般に、電子供与性の有機化合物であり、有機太陽電池において、p型半導体として作用することが知られている。本発明では、フタロシアニンのなかでも、親水性基を有するフタロシアニン類と金属原子とが錯体を形成した、親水性基を有する金属フタロシアニンを使用することを特徴とする。本発明に用いる親水性基を有する金属フタロシアニンとしては、特に限定はなく、例えば、テトラカルボン酸金属フタロシアニン、オクタカルボン酸金属(Me=Cu、Co、Fe、Ni、Al及びCrのような多価金属)フタロシアニン、テトラスルホン酸金属(Me=Cu、Co、Fe、Ni、Al及びCrのような多価金属)フタロシアニン、オクタスルホン酸金属(Me=Cu、Co、Fe、Ni、Al及びCrのような多価金属)フタロシアニンなどの特開平10−101673号公報などに記載のものを使用することができる。本発明の金属フタロシアニンが有する親水性基の種類および数には特に限定はなく、また、親水性基を有する金属フタロシアニンは、異なる種類の親水性基を有していてもよい。
本発明で用いることのできるナノダイヤモンドは、直径約5nm程度の極めて小さなダイヤモンドであり、爆轟法ダイヤモンドの一次粒子分散体として入手することができ、優れた熱伝導率、ヤング率、熱膨張率および硬度を有するだけでなく、平均粒径が小さく、比表面積が大きいという特徴をも有する。また、爆轟法によって得られたナノダイヤモンドの分散体は太陽電池素子用途に最適である。さらに、ナノダイヤモンドの分散体は、比較的安価であり、しかも、日本国内で生産され、入手が容易である。
「フラーレン」とは、炭素原子のみから構成される球殻状分子構造を有する炭素同素体の総称であり、例えば、炭素原子60個からなるサッカーボール状のC60、その類縁体であるC70、C76、C78、C82、C84、C90、C96等、ならびにその誘導体をすべて含めて、本発明ではフラーレン(またはフラーレン類)と称する。フラーレンは、その特殊な構造から、電子受容性を有するので、n型半導体として作用することができる。量産可能なフラーレンは、C60、およびC60+C70混合物に限られ、また顕著な電子受容性の原因である大きな負の電気陰性度を持つフラーレンもC60およびC70に限定される。工業的生産手段が限られていることを考慮すると、本発明の対象となるフラーレンはC60およびその誘導体を用いることが最適である。
本発明の有機太陽電池で使用することのできる導電性基板としては、ある程度の透明性および導電性を有し、電極として作用することができるものであれば特に限定はない。このような導電性基板としては、例えば、プラスチックまたはガラスなどの透明基板の上に導電性の膜を形成したものなどが挙げられる。また、本発明において、市販の導電性基板を使用してもよい。市販の導電性基板としては、ガラス基板上に導電性膜としてITO(酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide))の膜を形成した、いわゆるITOガラス基板などが特に好ましい。また、ITOガラス基板だけでなく、ある程度の透明性を有する導電性基板、例えば、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)ガラスなども本発明において使用することができる。使用する導電性基板の厚さ、導電性基板の導電性膜の厚さおよび表面抵抗に特に制限はない。
本発明の有機太陽電池において適用することのできる導電層は、キャリアー(電流)輸送層として作用することができるものであれば特に限定はないが、有機太陽電池の利便性を損なわないものであることが望ましい。すなわち、有機太陽電池は、p型半導体層が主に有機化合物で形成されることから、太陽電池自体に優れた柔軟性を付与することができ、従来のシリコン系太陽電池にはない、優れた柔軟性および利便性を提供することができる。従って、本発明の有機太陽電池において適用することのできる導電層は、ある程度の柔軟性および導電性を有する高分子材料から形成されることが好ましい。
本発明の太陽電池において、(陰極となる)金属電極層は、導電性の金属(例えば、アルミニウム、金、銀、銅など)から形成されるものであれば、特に限定はない。
本発明では、上述の通り、
導電性基板またはその上に形成された導電層の上に、親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを塗布して、p型半導体として、「親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層」を形成する工程、
フラーレンを塗布または蒸着して「フラーレンを含む層」をn型半導体として形成する工程、および、
n型半導体の上に、金属電極層を形成する工程
を含む方法によって、本発明の有機太陽電池(素子)を非常に簡便に製造することができる。
導電性基板として、酸化インジウムスズ;ITO(ジオマテック社製 表面抵抗10Ω/□)がコーティングされた2cm×2cmのガラス基板(ITOガラス基板)(200nm)を準備し、以下の手順で洗浄した。
2.磨いた後、ITOガラス基板を超純水で洗浄し、超純水につけておいた。
3.超純水中からITOガラス基板を取り出し、窒素ガスの噴射でITOガラス基板上の水分を飛ばし、アセトンとメタノールを用いて超音波洗浄を行った。
4.超音波洗浄後、超純水でITOガラス基板を洗浄し、窒素ガスの噴射で水分を飛ばした。
(1−A):透明導電層(PEDOT:PSS層)の形成
窒素雰囲気中のグローブボックス内にて、スピンコーター(IH−D7 ミカサ社製)を用いて、PEDOT:PSS[ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート]水溶液(1.3wt%、Aldrich社製)1.0mlを上記で作製した洗浄済のITOガラス基板のITO面にスピンコートした。
窒素雰囲気中のグローブボックス内にて、スピンコーター(IH−D7 ミカサ社製)を用いて、テトラカルボン酸Co(II)フタロシアニン[CoPc(COOH)4](オリヱント化学工業社製)2.0mgを超純水1.0mlに溶かした水溶液1.0mlと、濃度2w/v%(w/v%は100ml中のナノダイヤモンドのグラム数)のナノダイヤモンド水分散コロイド溶液(ナノ炭素研究所製ナノ炭素「ナノアマンド」、平均粒径=4.8±0.7nm)0.1mlとの混合物1.1mlを(1−A)で形成した透明導電層(PEDOT:PSS層)の上にスピンコートした。
窒素雰囲気中のグローブボックス内にて、スピンコーター(IH−D7 ミカサ社製)を用いて、C60(Material Technologies Research社製)12mgをo−ジクロロベンゼン1.0mlに溶解した溶液を(1−B)で形成したp型半導体層(光吸収層)の上にスピンコートした。
4mm×4mmの正方形の穴が4個あいているマスクを2cm×2cmのフォルダに付けて、このフォルダを(1−C)で形成したn型半導体層の上にセットした。
実施例1と同様にして、ITOガラス基板を用いて、太陽電池素子を作製した。
(1−A)と同様の操作で透明導電層(PEDOT:PSS層)を形成した。
(1−B)と同様の操作でCoPc(COOH)4およびナノダイヤモンドを含むp型半導体層(光吸収層)を形成した。
4mm×4mmの正方形の穴が4個あいているマスクを2cm×2cmのフォルダに付けて、このフォルダを(2−B)で形成したp型半導体層の上にセットした。
(1−D)と同様の操作でアルミニウム電極層を形成し、太陽電池素子(370nm)を作製した。
実施例1と同様にして、ITOガラス基板を用いて、太陽電池素子を作製した。
(1−A)と同様の操作で透明導電層(PEDOT:PSS層)を形成した。
(1−B)で用いたCoPc(COOH)4に代えて、オクタカルボン酸Fe(II)フタロシアニン[FePc(COOH)8](オリヱント化学工業社製)を用いたこと以外は、(1−B)と同様の操作でFePc(COOH)8およびナノダイヤモンドを含むp型半導体層(光吸収層)(100nm)を形成した。
(1−C)と同様の操作でC60のn型半導体層を形成した。
(1−D)と同様の操作でアルミニウム電極層を形成し、太陽電池素子(370nm)を作製した。
実施例1と同様にして、ITOガラス基板を用いて、太陽電池素子を作製した。
(1−A)と同様の操作で透明導電層(PEDOT:PSS層)を形成した。
(1−B)で用いたCoPc(COOH)4に代えて、テトラスルホン酸Co(II)フタロシアニン[CoPc(SO3H)4](オリヱント化学工業社製)を用いたこと以外は、(1−B)と同様の操作でCoPc(SO3H)4およびナノダイヤモンドを含むp型半導体層(光吸収層)(100nm)を形成した。
(1−C)と同様の操作でC60のn型半導体層を形成した。
(1−D)と同様の操作でアルミニウム電極層を形成し、太陽電池素子(370nm)を作製した。
実施例1と同様にして、ITOガラス基板を用いて、太陽電池素子を作製した。
(1−A)と同様の操作で透明導電層(PEDOT:PSS層)を形成した。
(1−B)で用いたCoPc(COOH)4に代えて、テトラカルボン酸Zn(II)フタロシアニン[ZnPc(COOH)4](オリヱント化学工業社製)を用いたこと以外は、(1−B)と同様の操作でZnPc(COOH)4およびナノダイヤモンドを含むp型半導体層(光吸収層)(100nm)を形成した。
(1−C)と同様の操作でC60のn型半導体層を形成した。
(1−D)と同様の操作でアルミニウム電極層を形成し、太陽電池素子(370nm)を作製した。
実施例1の(1−B)において、ナノダイヤモンド水分散コロイド溶液を加えないこと以外は、実施例1と同様にして、太陽電池素子(370nm)を作製した。
実施例2の(2−B)において、ナノダイヤモンド水分散コロイド溶液を加えないこと以外は、実施例2と同様にして、太陽電池素子(370nm)を作製した。
実施例1に従って、(1−B)と同様の操作で形成した透明導電層(PEDOT:PSS層)上に、C60(16mg)とダイヤモンドナノ粒子粉末(ニューメタルスエンドケミカルス社製)とをo−ジクロロベンゼン1.0mlに加え、混合液を得た。その液をスピンコートして半導体層を形成した。その後、(1−D)と同様の操作でアルミニウム電極層を蒸着して、太陽電池素子(370nm)を作製した。
電流が流れていないときの電圧を開放電圧(Voc)[V]と称し、電圧が0Vのときの電流密度を短絡電流密度(Jsc)[mA/cm2]と称する。最適動作点での電流密度(Jmax)[mA/cm2]と、最適動作点での電圧(Vmax)[V]とを乗じた値が単位面積当たりの最大出力(Pmax)である。
ピーク波長λpeak(m)での吸収エネルギーE(eV)は、下記の式に従って計算することができる。
hは、プランク定数(4.136×10−15eV・s)を示し、
cは、光速(3.00×108m/s)を示し、
λpeakは、ピーク波長を示す。
本発明では、p型半導体が「親水性基を有する金属フタロシアニン」だけでなく、さらに特定の平均粒径を有する「ナノダイヤモンド」を含むことによって、幅広い光エネルギー吸収帯の実現が可能となった。
従って、本発明の有機太陽電池は、従来の無機太陽電池にはない性質を有し、さまざまな分野および用途における使用に有益である。
Claims (17)
- 導電性基板、
導電層、
p型半導体として、親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層、
n型半導体として、フラーレンを含む層、および
金属電極層
をこの順で備える、太陽電池であって、
前記ナノダイヤモンドが、爆轟法で得られたナノダイヤモンドである、
太陽電池。 - 前記ナノダイヤモンドの平均粒径が、4.8±0.7nmである、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記金属フタロシアニンの親水性基が、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基からなる群から選択される、請求項1または2に記載の太陽電池。
- 前記金属フタロシアニンの中心金属(M1)が、Coである、請求項4記載の太陽電池。
- 前記フラーレンが、C60である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記導電層が、導電性高分子層である請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記導電性高分子層が、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)から形成される、請求項7に記載の太陽電池。
- 前記導電性基板が、ITOガラス基板である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属電極層が、アルミニウム電極層である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の太陽電池。
- ITOガラス基板、
前記ITOガラス基板のITO上に配置されたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)から形成された導電層、
p型半導体として、親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層、
n型半導体として、C60フラーレンを含む層、および
アルミニウム電極層
をこの順で含む、太陽電池であって、
前記ナノダイヤモンドが、爆轟法で得られたナノダイヤモンドである、
太陽電池。 - 前記親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層の厚さが、100〜200nmである、請求項11記載の太陽電池。
- 親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを塗布して、親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層を形成する工程と、フラーレンを塗布または蒸着して、フラーレンを含む層を形成する工程とを含む、請求項1に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記ナノダイヤモンドが、爆轟法で得られたナノダイヤモンドである、
製造方法。 - 前記親水性基を有する金属フタロシアニンおよびナノダイヤモンドを含む層を形成する工程において、前記親水性基を有する金属フタロシアニンとナノダイヤモンドとを水中に含む混合液を塗布する、請求項14に記載の製造方法。
- 前記混合液において、ナノダイヤモンドが分散状態で存在する、請求項15に記載の製造方法。
- 前記ナノダイヤモンドの平均粒径が、4.8±0.7nmである、請求項16に記載の製造方法。
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