JP5561722B2 - Manufacturing method of organic thin film solar cell and transfer sheet used therefor - Google Patents
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Description
本願発明は、有機薄膜太陽電池の変換効率向上などに適用できる発明である。 The present invention is an invention that can be applied to improve the conversion efficiency of organic thin-film solar cells.
従来、有機薄膜太陽電池は、2次元的な平面の接合では接合面積が不足し、光電変換効率が低いことが知られている。そこで、有機薄膜太陽電池の変換効率を向上させる発明として、非特許文献1や非特許文献2のようにドナーとアクセプターの混合物の相分離によるバルクヘテロ接合が形成された層構造を形成し、ドナーとアクセプターの接合界面を増やす工夫により有機薄膜太陽電池の光発生電荷を増加させる試みがなされている。
Conventionally, organic thin-film solar cells are known to have a low photoelectric conversion efficiency due to a lack of a bonding area in a two-dimensional planar bonding. Therefore, as an invention for improving the conversion efficiency of an organic thin film solar cell, a layer structure in which a bulk heterojunction is formed by phase separation of a mixture of a donor and an acceptor as in
しかし、このようにドナーとアクセプターの混合物の相分離によるバルクへテロ接合が形成された層構造を膜内に形成し多数の光発生電荷を生じさせたとしても、光発生電荷が消失せずに移動できる距離はせいぜい100nm程度までであるため、ドナーとアクセプターの混合物の膜の厚みが100nmを超えると、電極まで達する前に光発生電荷が消失してしまう傾向にあった。したがって、厚みを100nm以上に厚くすると変換効率が低下し、ドナーとアクセプターの混合物の膜の厚みを厚くすることによる変換効率の向上はできない問題があった。 However, even if a layer structure in which a bulk heterojunction is formed in the film by phase separation of a mixture of a donor and an acceptor as described above and a large number of photogenerated charges are generated, the photogenerated charges are not lost. Since the distance that can be moved is at most about 100 nm, when the thickness of the film of the mixture of the donor and the acceptor exceeds 100 nm, the photogenerated charge tends to disappear before reaching the electrode. Therefore, when the thickness is increased to 100 nm or more, the conversion efficiency is lowered, and there is a problem that the conversion efficiency cannot be improved by increasing the thickness of the donor-acceptor mixture film.
本発明は、離型性を有する基体シート上にドナーとアクセプターによるバルクへテロ接合が形成された層を形成し、ナノインプリント加工して該バルクへテロ接合が形成された層を貫通するナノスケール幅の微細な溝またはナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成し、該微細な溝または島状構造の凹部に電極を形成した後、前記各層を太陽電池の基材に転写し離型性を有する基体シートを剥離し、転写後の最表面にドナー層、アクセプター層またはドナーとアクセプターの混合物層のいずれかを形成することを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法である。
The present invention forms a layer in which a bulk heterojunction is formed by a donor and an acceptor on a substrate sheet having releasability, and a nanoscale width penetrating the layer in which the bulk heterojunction is formed by nanoimprint processing After forming a fine groove or a nanoscale sized island-shaped depression and forming an electrode in the fine groove or depression of the island-like structure, each layer is transferred to a substrate of a solar cell for release properties. And a donor layer, an acceptor layer, or a mixture layer of a donor and an acceptor is formed on the outermost surface after transfer .
また本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法は、離型性を有する基体シート上にドナーとアクセプターによるバルクへテロ接合が形成された層を形成し、ナノインプリント加工して該バルクへテロ接合が形成された層を貫通するナノスケール幅の微細な溝またはナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成し、該微細な溝または島状構造の凹部に電極を形成した後、前記各層を太陽電池の基材に転写し離型性を有する基体シートを剥離し、転写後の最表面にドナー層、アクセプター層またはドナーとアクセプターの混合物層のいずれかを形成することを特徴とする。したがって、ナノインプリント加工の精巧な制御がなくとも、電極間の距離を100nm以下でショートさせることなく形成できるので、変換効率の高い有機薄膜太陽電池を生産性よく製造できる効果がある。 In addition, the organic thin film solar cell manufacturing method of the present invention forms a bulk heterojunction layer formed by donor and acceptor on a substrate sheet having releasability, and forms the bulk heterojunction by nanoimprinting. After forming a nanoscale-width fine groove or a nanoscale-sized island-like recess that penetrates the formed layer, and forming an electrode in the fine groove or island-like recess, the respective layers are formed on the solar cell. The substrate sheet having a releasing property is transferred to a substrate, and either a donor layer, an acceptor layer or a mixture layer of a donor and an acceptor is formed on the outermost surface after transfer. Therefore, even if the nanoimprint process is not elaborately controlled, the distance between the electrodes can be formed without being short-circuited at 100 nm or less, so that an organic thin-film solar cell with high conversion efficiency can be manufactured with high productivity.
本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法によって形成される有機薄膜太陽電池5は、インプリント型30を用いてナノインプリント加工することにより、ドナーとアクセプターによるバルクへテロ接合が形成された層7の表面に多数の島状構造9とそれを取り囲むナノスケール幅の微細な溝1を形成し(図1(a)参照)、該微細な溝1に電極21を形成することで製造される(図1(b)参照)。そして、電極21と反対面には対極の電極20が形成される(図1参照)。そして、電極20を透明電極とし、電極21を光を反射する金属などの電極とした場合、この有機薄膜太陽電池5に斜めから太陽光などの光51が入射されると、光51が溝に形成された電極21で反射し、膜内に閉じ込められる(図2(a)、(b)参照)。これにより、電極21付近でより多くの光発生電荷2を発生させることができるため、多くの光発生電荷2を消失させずに電極21を通して移動させることができ、高い起電力を得ることができる効果もある(図2(c)参照)。
The organic thin film
ドナーの材質としては、架橋型ポリチオフェン、ポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)やフタロシアニン誘導体などが挙げられ、アクセプターの材質としては、PCBMやPCPDTBTなどのフラーレン誘導体や酸化亜鉛などが挙げられるが、これらに限定されない。ただし、ドナーとアクセプターが相分離をし、バルクへテロ接合構造を形成し得る材料である必要がある。 Examples of the donor material include cross-linked polythiophene, poly-3-hexylthiophene (P3HT), and phthalocyanine derivatives. Examples of the acceptor material include fullerene derivatives such as PCBM and PCPDTBT, and zinc oxide. Not. However, it is necessary that the donor and the acceptor be phase-separated to form a bulk heterojunction structure.
バルクへテロ接合が形成された層7の形成方法は、スピンコートなどの各種コート法、グラビア印刷などの各種印刷法などが挙げられ、電極20が形成された基材14の上に形成される。厚みは100〜700nm程度の範囲で可能で、とくに300〜500nm程度が好ましい。従来の電極がフラットな有機薄膜太陽電池では、厚みが100nm以上になると光発生電荷2が電極21に到達する前に消失してしまって変換効率が大きく低下させていたが、本発明の構造では、厚みが多少厚くなっても光発生電荷2が電極21に容易に到達することができる。したがって、厚みが厚いほど光発生電荷2が生じる界面を大きくでき変換効率が向上する。ただし、厚みが500nmを超えると電極20の側に移動する光発生電荷2の消失が多くなってくる。
Examples of the method for forming the
ナノスケールの幅の微細な溝1および該微細な溝1に囲まれた多数の島状構造9を形成する方法は、所望する微細な溝1および多数の島状構造9の形状を反転した形状のインプリント型30を作成し、それをバルクへテロ接合が形成された層7の上にセットし、常温または熱を加えながら一定の圧力で押圧する、所謂常温ナノインプリント法または熱ナノインプリント法により形成する。あるいはバルクへテロ接合が形成された層7を紫外線硬化型にできるのであれば、やや弱めの圧力で押圧して紫外線照射することにより硬化させて所定の形状にする、所謂UVナノインプリント法により形成してもよい。
The method of forming the
微細な溝1はその幅が1〜500nm程度にし、該微細な溝1に囲まれた多数の島状構造9のバルクへテロ接合が形成された層7の一個あたりの平均面積は10〜10000nm2程度になるのが好ましく、その中でも島状構造9の総面積と微細な溝1の総断面積とが同程度、すなわち微細な溝層1の幅が100〜300nm、島状構造9の平均面積が100〜6500nm2になるようにするのが最も好ましい。
The
微細な溝1の幅を1nm未満にするにはインプリント型30の凸部38の幅を1nm未満にする必要がありインプリント型30の強度・耐性が不足する問題が発生し、微細な溝1の幅を500nmよりも大きくしようとすると、バルクへテロ接合が形成された層7の割合が減り光発生電荷の生じる界面が少なくなって変換効率が低下する。また、島状構造9の一個あたりの平均面積を10nm2未満にするには次に述べるインプリント型母材31の島状構造の凸部のサイズを10nm2未満にする必要がありインプリント型母材31の強度・耐性が不足する問題が発生し、10000nm2を超えると電極21に到達する前に光発生電荷が消失してしまう割合が高くなる。
In order to make the width of the
所望する微細な溝1および多数の島状構造9の形状を反転した形状のインプリント型母材31を作成する方法としては、まずインプリント型母材の基材32を用意して、該インプリント型母材の基材32上に電離放射線可溶化層35を形成し(図4(a)参照)、該電離放射線可溶化層35の上に多数の島状構造9の金属膜3を形成し(図4(b)参照)、該金属膜3をマスクとして電離放射線33を照射して電離放射線可溶化層35の一部を可溶化し(図4(c)参照)、該可溶化した電離放射線可溶化層35の一部を剥離除去することにより、ナノスケール幅の溝の凹部37を形成する(図4(d)参照)方法が挙げられる。得られたインプリント型母材31に対してニッケル電鋳などの方法により、インプリント型母材31の形状を反転した凸部38のあるインプリント型30が得られる。
As a method for producing an imprint base material 31 having a shape obtained by inverting the shapes of desired
あるいは、電離放射線可溶化層35の代わりに電離放射線硬化層を形成し、電離放射線33を照射して電離放射線硬化層の一部を硬化し、該硬化した箇所以外の未硬化の電離放射線硬化層を剥離除去することにより、ナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成する方法などが挙げられる。なお、この場合はニッケル電鋳などの方法を2回繰り返すか、インプリント型母材31自体をそのままインプリント型30として使用するとよい。
Alternatively, an ionizing radiation cured layer is formed instead of the ionizing radiation solubilized
あるいは、電離放射線可溶化層35の代わりに被エッチング層を形成し、島状構造の金属膜をマスクとして後述する異方性エッチングなどをすることにより、ナノスケール幅の溝の凹部を形成する方法などが挙げられる。なおインプリント型母材の基材32自体が、電離放射線可溶化、電離放射線硬化あるいは被エッチングの特性を持っている場合は、電離放射線可溶化層35等を省略してインプリント型母材の基材32に直接島状構造の金属膜3を形成して加工してもよい。
Alternatively, a method of forming a recess of a nanoscale width groove by forming a layer to be etched instead of the ionizing
島状構造の金属膜3は、スズ、インジウム、ビスマス、鉛およびそれらの合金などからなる層が挙げられ、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などで形成するとよい。厚みは3〜80nm程度で形成し、光線透過率を測定すれば4%〜15%程度の値を示す厚みにすることが好ましい。上記の金属材料および適切な形成手段で、上記の光線透過率を示す値で島状構造の金属膜3を形成し、該島状構造の金属膜3をマスクとして電離放射線可溶化層、電離放射線硬化層、被エッチング層などをパターン化すれば、前述のナノスケールの幅の微細な溝の凹部またはナノスケールサイズの島状構造の凹部が形成される。なお、マスクの機能を果たした島状構造の金属膜3は剥離やエッチング後もそのまま残存させてもよいし、剥離やエッチングで消失させるよう設定してもよい。
The island-shaped
電離放射線可溶化層35としては、アクリル系、ピリミジン系、ノボラック系などのレジストが挙げられる。電離放射線可溶化層35の形成方法としてはグラビア印刷などの汎用印刷方式や、ディピング、コーター、塗装が挙げられ、厚みとしては0.02〜2μm程度が好ましい。電離放射線可溶化層35の剥離はトルエンなどの有機溶剤が挙げられる。
Examples of the ionizing
電離放射線硬化層としては、カリックスアレーンなどのレジストが挙げられる。電離放射線硬化層の形成方法や厚みは電離放射線可溶化層35と同様の方法で構わない。未硬化の電離放射線硬化層の剥離はトルエンなどの有機溶剤が挙げられる。電離放射線の例としては、可視光線、紫外線、赤外線、電子線、X線、ガンマ線などが挙げられる。
Examples of the ionizing radiation-cured layer include resists such as calixarene. The formation method and thickness of the ionizing radiation cured layer may be the same method as the ionizing radiation solubilized
被エッチング層としては、アクリル系、ビニル系、ポリエステル系、ポリアミド系、ウレタン系などのポリマーが挙げられる。被エッチング層の形成方法や厚みは電離放射線可溶化層35と同様の方法で構わない。エッチングは、島状構造の金属膜3よりも被エッチング層の方がエッチングされやすい方式であればよく、とくに異方性エッチング方式が好ましい。
Examples of the layer to be etched include acrylic, vinyl, polyester, polyamide, and urethane polymers. The formation method and thickness of the layer to be etched may be the same as that of the ionizing radiation solubilized
異方性エッチングとは、膜面方向の方位に対してはエッチングが抑制される性質のエッチングのことであり、これにより細く深い(高アスペクト比の)微細な溝1を掘ることができるからである。具体的には、酸素、アルゴン、フッ素系ガスなどのプラズマを用いたドライエッチング方式などが挙げられる。
Anisotropic etching is etching having a property that etching is suppressed with respect to the orientation in the film surface direction, and this makes it possible to dig a
微細な溝1に電極21を形成する方式および電極20を形成する方式としては、前記金属材料を蒸着・スパッタリング・メッキなどの方法により形成するだけでなく、前記金属材料やそれらのナノワイヤを含むインキ等をスピンコートなどの各種コート法、グラビア印刷などの各種印刷法で充填する方式が挙げられる。電極21の形成は微細な溝1を丁度埋め尽くす程度にするのが最もよく、一部は多数の島状構造9の部分まで被覆してしまっても良い。
The method of forming the
電極20および電極21の材質は、太陽光が入射してくる側の電極はインジウムスズ酸化物、酸化亜鉛、あるいは銀ナノワイヤやカーボンナノチュ―ブを含ませた透明導電膜で形成し、その対極の電極はアルミニウム、金、銀、銅などの材質で形成するとよい。また、電極20とドナーとの間にはポリスチレンスルホン酸をドーパントに用いたポリ3, 4―エチレンジオキシチオフェン(PEDOT/PSS)、電極21とアクセプターの層8との間には酸化チタンなどのバッファー層を設けてもよく、これらの層の追加により変換効率がさらに向上する。
The
なお、前記微細な溝1はバルクへテロ接合が形成された層7を完全に貫通させてもよいし、層の途中までであっても構わない。ただし、前述の構成で完全に貫通させようとすると、ナノインプリント加工の際にインプリント型30の凸部38を、バルクへテロ接合が形成された層7だけでなく電極20の一部までくいこむようにしなければならず、電極20が傷む問題がある。したがってバルクへテロ接合が形成された層7を完全に貫通する微細な溝1を形成する場合には、離型性を有する基体シート12上にバルクへテロ接合が形成された層7を形成し(図3(a)参照)、該バルクへテロ接合が形成された層7をナノインプリント加工し(図3(b)参照)、該バルクへテロ接合が形成された層7を貫通するナノスケール幅の微細な溝を形成し(図3(c)参照)、該微細な溝または島状構造の凹部に電極21を形成し(図3(d)参照)、前記各層を太陽電池の基材14に転写し離型性を有する基体シート12を剥離した後(図3(e)参照)、転写後の最表面にドナー層、アクセプター層またはドナーとアクセプターの混合物層(バルクへテロ接合が形成されていても、されていなくともよい)50を形成し、その上から電極20を形成する(図3(f)参照)方法によって形成するのが好ましい。
The
この方法では、インプリント型30の凸部38がバルクへテロ接合が形成された層7だけでなく離型性を有する基体シート12の一部までくいこんでも、そのときには電極20は形成されておらず、転写した後に電極20を形成するので電極20が傷む問題は発生しない。そしてこのようにして得られた構造は理想的な直立超格子構造に近く、高い変換効率を呈することができる。なお、離型性を有する基体シート12としては、ポリエステルフィルム上に離型性および熱成形性を有するフッ素アクリル系の樹脂をコートしたものや、フッ素アクリル系の共押出しフィルムなどが挙げられる。
In this method, even if the
インプリント型母材の基材として厚さ25μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用意し、該インプリント型母材の基材上に2,4-ジクロロピリミジン誘導体を主成分とする電離放射線可溶化層をグラビア印刷法により0.2μmの厚みで形成し、該電離放射線可溶化層の上に真空蒸着法を用いてスズからなる厚み8nmの多数の島状の金属膜を形成した。次いで、該金属膜をマスクとして電子線を照射して電離放射線可溶化層の一部を可溶化し、トルエンを主成分とする有機溶剤でもって該可溶化した箇所を剥離除去した。 A polyethylene terephthalate film having a thickness of 25 μm is prepared as a base material for an imprint base material, and an ionizing radiation solubilized layer mainly composed of a 2,4-dichloropyrimidine derivative is gravured on the base material for the imprint base material. A number of island-like metal films having a thickness of 8 nm made of tin were formed on the ionizing radiation-solubilized layer by a vacuum evaporation method on the ionizing radiation solubilized layer. Next, an electron beam was irradiated using the metal film as a mask to solubilize a part of the ionizing radiation solubilized layer, and the solubilized portion was peeled and removed with an organic solvent containing toluene as a main component.
上記得られたインプリント型母材には幅100nm程度の微細な溝の凹部が形成され、凸部は平均面積が400nm2程度の多数の島状構造となっていた、次いで該インプリント型母材に対して全面に銅を真空蒸着し、次いでニッケル電鋳により、前記インプリント型母材の形状を反転した平均面積が400nm2程度の多数の島状構造の凹部とそれを取り囲む幅100nm程度で高さが150nm程度の凸部とがあるシート状のインプリント型が得られた。 The imprint base material thus obtained was formed with concave portions having fine grooves with a width of about 100 nm, and the convex portions had a large number of island structures with an average area of about 400 nm 2. the copper was vacuum-deposited on the entire surface against the timber, followed by nickel electroforming, the recess and the width 100nm approximately surrounding the said imprint basic material a number of islands average area of about 400 nm 2 of the shape obtained by inverting the Thus, a sheet-like imprint mold having a convex portion with a height of about 150 nm was obtained.
一方、離型性を有する基体シートとして表面にフッ素アクリル系の樹脂を1μm程度の厚みでグラビア印刷された厚さ100μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用い、その印刷表面にドナー層としてポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)、アクセプター層としてフラーレン60を含む混合物をコーターで200nmの厚みで形成した。形成された層はバルクへテロ構造になっていた。次いで、該バルクへテロ接合が形成された層に前記シート状のインプリント型を載置し、80℃に加熱しながら2気圧の圧力で押圧し、シート状のインプリント型を積層した。放置冷却後、シート状のインプリント型を剥離したところ、バルクへテロ接合が形成された層を貫通し、フッ素アクリル系の樹脂層まで達する幅100nm程度の多数の微細な溝が形成されていた。 On the other hand, a polyethylene terephthalate film having a thickness of about 100 μm obtained by gravure printing on the surface with a fluoroacrylic resin having a thickness of about 1 μm is used as a substrate sheet having releasability, and poly-3-hexylthiophene (P3HT) is used as a donor layer on the printed surface. ) A mixture containing fullerene 60 as an acceptor layer was formed with a coater to a thickness of 200 nm. The formed layer had a bulk heterostructure. Next, the sheet-like imprint mold was placed on the layer where the bulk heterojunction was formed, and pressed at a pressure of 2 atm while being heated to 80 ° C., and the sheet-like imprint mold was laminated. After leaving to cool, the sheet-like imprint mold was peeled off, and a large number of fine grooves with a width of about 100 nm reaching the fluoroacrylic resin layer through the layer in which the bulk heterojunction was formed. .
次いで、該形成された多数の微細な溝に電極として金膜を真空蒸着法で形成し、その上に塩化ビニル系の接着層をグラビア印刷で全面に形成し、アクリル板に載置し、熱と圧力を加えて前記各層をアクリル板状に転写させた。 Next, a gold film is formed as an electrode in the formed many fine grooves by a vacuum deposition method, and a vinyl chloride adhesive layer is formed on the entire surface by gravure printing, placed on an acrylic plate, and heated. And the pressure was applied to transfer each layer into an acrylic plate.
次いで、前記離型性を有する基体シートを剥離除去し、露出した最表面にPEDOT/PSSの水分散液をコーターで形成し、乾燥後、その上に透明電極としてインジウムスズ酸化物膜をスパッタリング法で200nmの厚みで形成し、有機薄膜太陽電池を得た。この有機薄膜太陽電池の断面は、ドナー層とアクセプター層が両電極を完全に貫通した直立超格子構造でほぼ理想に近いナノ構造になっており、従来の不均一なバルクへテロジャンクション接合構造と異なり、変換効率も格段に向上していた。また、大面積にしてもこの構造はほぼ維持されていた。 Next, the substrate sheet having releasability is peeled and removed, an aqueous dispersion of PEDOT / PSS is formed on the exposed outermost surface with a coater, and after drying, an indium tin oxide film is sputtered thereon as a transparent electrode With a thickness of 200 nm, an organic thin film solar cell was obtained. The cross section of this organic thin-film solar cell is an almost super-ideal nanostructure with an upright superlattice structure in which the donor layer and the acceptor layer completely penetrate both electrodes, and the conventional non-uniform bulk heterojunction junction structure Unlikely, the conversion efficiency was also greatly improved. In addition, this structure was almost maintained even in a large area.
インプリント型母材の基材として厚さ25μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用意し、該インプリント型母材の基材上にクロルメチル化カリックスアレーンを主成分とする電離放射線硬化層をグラビア印刷法により0.2μmの厚みで形成し、該電離放射線硬化層の上に真空蒸着法を用いてインジウムからなる厚み3nmの多数の島状の金属膜を形成した。次いで、該金属膜をマスクとして電子線を照射して電離放射線硬化層の一部を硬化させ、トルエンを主成分とする有機溶剤でもって未効果の箇所を剥離除去した。 A polyethylene terephthalate film having a thickness of 25 μm is prepared as a base material for an imprint base material, and an ionizing radiation cured layer mainly composed of chloromethylated calixarene is formed on the base material of the imprint base material by a gravure printing method. A plurality of island-shaped metal films made of indium and having a thickness of 3 nm were formed on the ionizing radiation-cured layer using a vacuum deposition method. Next, an electron beam was irradiated using the metal film as a mask to cure a part of the ionizing radiation-cured layer, and an ineffective portion was peeled and removed with an organic solvent containing toluene as a main component.
上記得られたインプリント型母材には幅300nm程度の微細な溝の凹部が形成され、凸部は平均面積が200nm2程度の多数の島状構造となっていた、次いで該インプリント型母材に対して全面に銅を真空蒸着し、次いでニッケル電鋳により、前記インプリント型母材の形状を反転した平均面積が200nm2程度の多数の島状構造の凹部とそれを取り囲む幅300nm程度で高さが170nm程度の凸部とがあるシート状のインプリント型が得られた。 The imprint base material thus obtained was formed with concave portions having fine grooves with a width of about 300 nm, and the convex portions had a large number of island structures with an average area of about 200 nm 2. the copper was vacuum-deposited on the entire surface against the timber, followed by nickel electroforming, the recess and the width 300nm approximately surrounding the said imprint basic material a number of islands average area of about 200 nm 2 of the shape obtained by inverting the Thus, a sheet-like imprint mold having a convex portion with a height of about 170 nm was obtained.
一方、離型性を有する基体シートとして厚さ100μmのフッ素アクリル系フィルムを用い、その表面にドナーとしてポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)、アクセプターとしてC60フェニルブチル酸メチルエステル(PC60BM)が1:1の重量比で含有された塗布液をコーターで500nmの厚みで形成した。形成された層はバルクへテロ構造になっていた。次いで、該バルクへテロ接合が形成された層に前記シート状のインプリント型を載置し、50℃に加熱しながら5気圧の圧力で押圧し、シート状のインプリント型を積層した。放置冷却後、シート状のインプリント型を剥離したところ、アクセプター層を貫通し、フッ素アクリル系フィルムまで達する幅300nm程度の多数の微細な溝が形成されていた。 On the other hand, a fluoroacrylic film having a thickness of 100 μm is used as a base sheet having releasability, and poly (hexylthiophene) (P3HT) is used as a donor on its surface, and C60 phenylbutyric acid methyl ester (PC60BM) is used as an acceptor. The coating solution contained at a weight ratio was formed with a coater to a thickness of 500 nm. The formed layer had a bulk heterostructure. Next, the sheet-like imprint mold was placed on the layer where the bulk heterojunction was formed, and pressed at a pressure of 5 atm while being heated to 50 ° C., thereby laminating the sheet-like imprint mold. When the sheet-like imprint mold was peeled off after being allowed to cool, a large number of fine grooves having a width of about 300 nm reaching the fluoroacrylic film through the acceptor layer were formed.
次いで、このバルクへテロ接合が形成された層の微細な溝に透明電極として銀ナノワイヤを含有した透明導電インキをグラビア印刷で500nmの厚みで形成し、その上に塩化ビニル系の接着層をグラビア印刷で全面に形成し、アクリル板に載置し、熱と圧力を加えて前記各層をアクリル板状に転写させた。次いで、前記離型性を有する基体シートを剥離除去し、露出した最表面に離型性を有する基体シートを剥離除去し、露出した最表面にポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)とC70フェニルブチル酸メチルエステル(PC70BM)とが1:1の重量比の混合物を30nmの厚みで真空蒸着法により形成した。 Next, a transparent conductive ink containing silver nanowires as a transparent electrode is formed in a fine groove of the layer in which the bulk heterojunction is formed with a thickness of 500 nm by gravure printing, and a vinyl chloride adhesive layer is formed thereon. It was formed on the entire surface by printing, placed on an acrylic plate, and heat and pressure were applied to transfer each layer into an acrylic plate. Subsequently, the base sheet having releasability is peeled and removed, and the base sheet having releasability is peeled and removed on the exposed outermost surface, and poly-3hexylthiophene (P3HT) and C70 phenylbutyrate methyl are exposed on the exposed outermost surface. A mixture of ester (PC70BM) at a weight ratio of 1: 1 was formed by vacuum deposition with a thickness of 30 nm.
次いでその上にバッファー層として酸化チタンからなる膜をスパッタリング法で500nmの厚みで形成し、その上に電極としてアルミニウム膜を真空蒸着法で800nmの厚みで形成して、有機薄膜太陽電池を得た。この有機薄膜太陽電池の断面は、バルクへテロ接合層が両電極を完全に貫通した直立超格子構造でほぼ理想に近いナノ構造になっており、従来の不均一なバルクへテロジャンクション接合構造と異なり、変換効率も格段に向上していた。また、大面積にしてもこの構造はほぼ維持されていた。 Next, a film made of titanium oxide as a buffer layer was formed thereon with a thickness of 500 nm by a sputtering method, and an aluminum film was formed thereon as an electrode with a thickness of 800 nm by a vacuum evaporation method to obtain an organic thin film solar cell. . The cross section of this organic thin-film solar cell has an almost super-ideal nanostructure with an upright superlattice structure in which the bulk heterojunction layer completely penetrates both electrodes, and the conventional heterogeneous bulk heterojunction junction structure. Unlikely, the conversion efficiency was also greatly improved. In addition, this structure was almost maintained even in a large area.
インプリント型母材の基材として厚さ25μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用意し、該インプリント型母材の基材上に塩化ビニル酢酸ビニル共重合樹脂を主成分とする被エッチング層をグラビア印刷法により0.1μmの厚みで形成し、該被エッチング層の上に真空蒸着法を用いてスズからなる厚み5nmの多数の島状の金属膜を形成した。次いで、該金属膜をマスクとしてアルゴンプラズマによる反応性エッチングを施した。 A 25 μm-thick polyethylene terephthalate film is prepared as a base material for an imprint base material, and an etching target layer mainly composed of a vinyl chloride vinyl acetate copolymer resin is formed on the base material for the imprint base material. A plurality of island-shaped metal films made of tin and having a thickness of 5 nm were formed on the layer to be etched using a vacuum deposition method. Next, reactive etching using argon plasma was performed using the metal film as a mask.
上記得られたインプリント型母材には幅300nm程度の微細な溝の凹部が形成され、凸部は平均面積が6500nm2程度の多数の島状構造となっていた、次いで該インプリント型母材に対して全面に銅を真空蒸着し、次いでニッケル電鋳により、前記インプリント型母材の形状を反転した平均面積が6500nm2程度の多数の島状構造の凹部とそれを取り囲む幅300nm程度で高さが80nm程度の凸部とがあるシート状のインプリント型が得られた。 The imprint base material thus obtained was formed with concave portions of fine grooves having a width of about 300 nm, and the convex portions had a number of island structures with an average area of about 6500 nm 2. Copper is vacuum-deposited on the entire surface of the material, then nickel electroforming is used to invert the shape of the imprint base material, and the average area is about 6500 nm 2 and a large number of island-shaped recesses and the width surrounding it is about 300 nm. Thus, a sheet-like imprint mold having a convex portion having a height of about 80 nm was obtained.
一方、アクリル板に、その表面に電極としてアルミニウム膜を真空蒸着法で800nmの厚みで形成し、次いでその上にバッファー層として酸化チタンからなる膜をスパッタリング法で500nmの厚みで形成し、その上にドナー層として亜鉛ドープフタロシアニン、アクセプター層としてC70フェニルブチル酸メチルエステル(PC70BM)を含む混合物の塗布膜をコーターで120nmの厚みで形成した。形成した層はバルクへテロ構造になっていた。次いで、該バルクへテロ接合が形成された層に前記シート状のインプリント型を載置し、60℃に加熱しながら3気圧の圧力で押圧し、シート状のインプリント型を積層した。放置冷却後、シート状のインプリント型を剥離したところ、バルクへテロ接合が形成された層には、深さが60nm程度で幅300nm程度の多数の微細な溝が形成されていた。 On the other hand, on the acrylic plate, an aluminum film is formed as an electrode on the surface with a thickness of 800 nm by a vacuum deposition method, and then a film made of titanium oxide is formed thereon with a thickness of 500 nm by a sputtering method as a buffer layer. A coating film of a mixture containing zinc-doped phthalocyanine as a donor layer and C70 phenylbutyric acid methyl ester (PC70BM) as an acceptor layer was formed with a coater to a thickness of 120 nm. The formed layer had a bulk heterostructure. Next, the sheet-like imprint mold was placed on the layer where the bulk heterojunction was formed, and pressed at a pressure of 3 atm while being heated to 60 ° C., thereby laminating the sheet-like imprint mold. When the sheet-like imprint mold was peeled off after standing cooling, many fine grooves having a depth of about 60 nm and a width of about 300 nm were formed in the layer in which the bulk heterojunction was formed.
次いで、該形成された多数の微細な溝に電極とし銀ナノワイヤを含む透明導電インキをグラビア印刷法で形成し、有機薄膜太陽電池を得た。この有機薄膜太陽電池の断面は、従来のフラットな電極構造と異なり、銀ナノワイヤを含む透明導電インキの電極がバルクへテロ接合が形成された層の奥深くまでくいこむ構造になっており、変換効率も格段に向上していた。また、大面積にしてもこの構造はほぼ維持されていた。 Next, a transparent conductive ink containing silver nanowires as electrodes was formed in the formed numerous fine grooves by a gravure printing method to obtain an organic thin film solar cell. Unlike the conventional flat electrode structure, this organic thin-film solar cell has a structure in which a transparent conductive ink electrode containing silver nanowires is embedded deep into the layer where the bulk heterojunction is formed, and the conversion efficiency is also high. It was much improved. In addition, this structure was almost maintained even in a large area.
1 微細な溝
2 光発生電荷
3 金属膜
5 有機薄膜太陽電池
7 バルクへテロ接合が形成された層
9 多数の島状構造
12 離型性を有する基体シート
14 太陽電池の基材
20、21 電極
30 インプリント型
31 インプリント型母材
32 インプリント型母材の基材
33 電離放射線
35 電離放射線可溶化層
37 ナノスケール幅の溝の凹部
38 インプリント型の凸部
51 光
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