JP6003071B2 - Tandem organic photoelectric conversion device - Google Patents

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Description

本発明は、タンデム型有機光電変換素子に関する。   The present invention relates to a tandem organic photoelectric conversion element.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の削減が切に望まれている。また、近い将来、石油、石炭、及び天然ガスなどの化石燃料が枯渇することが予想されており、これらに替わる地球に優しいエネルギー資源の確保が急務となっている。そこで、太陽光、風力、地熱、原子力など利用した発電技術の開発が盛んに行われているが、中でも太陽光発電は、安全性の高さから特に注目されている。   In recent years, in order to cope with global warming, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired. In addition, fossil fuels such as oil, coal, and natural gas are expected to be depleted in the near future, and there is an urgent need to secure alternative earth-friendly energy resources. Thus, development of power generation technology using sunlight, wind power, geothermal energy, nuclear power, and the like has been actively conducted, and among them, solar power generation is particularly attracting attention because of its high safety.

太陽光発電では、光起電力効果を利用した光電変換素子を用いて、光エネルギーを直接電力に変換する。光電変換素子は、一般的に、一対の電極の間に光電変換層(光吸収層)が挟持されてなる構造を有し、当該光電変換層において光エネルギーが電気エネルギーに変換される。光電変換素子は、光電変換層に用いられる材料や、素子の形態により、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いたシリコン系光電変換素子、GaAsやCIGS(銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)からなる半導体)等の化合物半導体を用いた化合物系光電変換素子、色素増感型光電変換素子(グレッツェルセル)などが提案・実用化されている。   In solar power generation, light energy is directly converted into electric power using a photoelectric conversion element utilizing the photovoltaic effect. Generally, a photoelectric conversion element has a structure in which a photoelectric conversion layer (light absorption layer) is sandwiched between a pair of electrodes, and light energy is converted into electric energy in the photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion element is a silicon-based photoelectric conversion element using single-crystal / polycrystalline / amorphous Si, GaAs, CIGS (copper (Cu), indium (In), depending on the material used for the photoelectric conversion layer and the form of the element. Compound-based photoelectric conversion elements using a compound semiconductor such as gallium (Ga) and selenium (Se)), dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells), and the like have been proposed and put to practical use.

しかしながら、これらの太陽電池を用いた場合の発電コストは、依然として化石燃料を用いて発電・送電する場合のコストと比較して高く、これが太陽光発電の普及の妨げとなっていた。また、基板に重いガラスを用いなければならないため、屋根などに設置する場合に補強工事が必要であり、これらも発電コストを高騰させる一因であった。   However, the power generation cost when these solar cells are used is still higher than the cost when generating and transmitting power using fossil fuels, which hinders the spread of solar power generation. In addition, since heavy glass must be used for the substrate, reinforcement work is required when it is installed on a roof or the like, which has also contributed to the increase in power generation costs.

太陽光発電における発電コストを低減させるための技術として、陽極と陰極との間(透明電極と対電極との間)に、電子供与性有機化合物(p型有機半導体)及び電子受容性有機化合物(n型有機半導体との混合物を光電変換層として含む、バルクへテロジャンクション(BHJ)型の光電変換素子が提案されている(例えば、非特許文献1及び特許文献1を参照)。   As a technique for reducing the power generation cost in solar power generation, an electron-donating organic compound (p-type organic semiconductor) and an electron-accepting organic compound (between a transparent electrode and a counter electrode) and an electron-accepting organic compound ( A bulk heterojunction (BHJ) type photoelectric conversion element including a mixture with an n-type organic semiconductor as a photoelectric conversion layer has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

バルクへテロジャンクション型有機光電変換素子は、軽量で柔軟性に富むことから、様々な製品への応用が期待されている。また、構造が比較的単純であり、p型有機半導体およびn型有機半導体を塗布することによって光電変換層を形成できることから、ロール・トゥ・ロールでの大量生産によってコストダウンが期待でき、上述した発電コストの課題を解決できる可能性があると考えられる。さらに、従来のシリコン系光電変換素子、化合物系光電変換素子、色素増感型光電変換素子などの製造とは異なり、160℃よりも高温の製造プロセスを必須に伴うものではないため、安価でかつ軽量なプラスチック基板上への形成も可能であると期待される。   Bulk heterojunction organic photoelectric conversion elements are lightweight and flexible, and are expected to be applied to various products. In addition, since the structure is relatively simple and a photoelectric conversion layer can be formed by applying a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, cost reduction can be expected by mass production on a roll-to-roll basis. It is possible that the problem of power generation cost can be solved. Further, unlike the production of conventional silicon-based photoelectric conversion elements, compound-based photoelectric conversion elements, dye-sensitized photoelectric conversion elements, etc., it does not necessarily involve a manufacturing process at a temperature higher than 160 ° C. It is expected that it can be formed on a lightweight plastic substrate.

なお、発電コストは、初期の製造コスト以外に素子の光電変換効率及び耐久性等も考慮する必要があり、これらを向上させるための研究が盛んに進められている。   Note that the power generation cost needs to take into consideration the photoelectric conversion efficiency and durability of the element in addition to the initial manufacturing cost, and research for improving these has been actively conducted.

更なる光電変換効率の向上を図るためには、より太陽光エネルギーを効率的よく電気エネルギーへと変換することが必要である。具体的には、(1)光電変換に利用できる太陽光スペクトルの波長域を拡大すること;(2)特定の波長の吸収率を上げること;が求められている。前記非特許文献1では、主に上記(1)を目的として、約900nmまで吸収可能な有機高分子を光電変換材料として用いることによって、5%を超える変換効率を達成するに至っている。   In order to further improve the photoelectric conversion efficiency, it is necessary to more efficiently convert solar energy into electric energy. Specifically, (1) expanding the wavelength range of the sunlight spectrum that can be used for photoelectric conversion; (2) increasing the absorptance of a specific wavelength is required. In the said nonpatent literature 1, it has reached the conversion efficiency exceeding 5% by using the organic polymer which can absorb to about 900 nm as a photoelectric conversion material mainly for the said (1) objective.

また、上記(1)及び(2)の双方を達成することが可能な技術として、タンデム化技術が期待されている。これは複数の太陽電池(セル)を積層する(すなわち、1つの素子中に複数の光電変換層を設ける)技術であり、積層する光電変換層の光電変換材料を同一のものとすれば光吸収率(吸光度)の増大が見込まれるし、異なる波長を吸収する光電変換層からなる光電変換層を積層すれば利用できる波長域の向上を期待することができる。   Further, a tandem technology is expected as a technology capable of achieving both of the above (1) and (2). This is a technique for stacking a plurality of solar cells (cells) (that is, providing a plurality of photoelectric conversion layers in one element). If the photoelectric conversion materials of the stacked photoelectric conversion layers are the same, light absorption is achieved. The rate (absorbance) is expected to increase, and if a photoelectric conversion layer composed of photoelectric conversion layers that absorb different wavelengths is laminated, an improvement in the usable wavelength region can be expected.

このようなタンデム型有機光電変換素子(以下、単に「タンデム型素子」とも称する)は、ボトムセルとトップセルの電気的な接続の仕方でその素子性能が異なり、理論上は直列に接続した場合は開放電圧Vocが上下のセルの和となり、並列に接続した場合は短絡電流密度Jscが上下のセルの和となり、曲線因子FFはいずれの場合もおおよそ単セルの値と同じになることが知られている。しかし、実際には、ボトムセルとトップセルとを接続する中間層の抵抗が十分低くなければ、FFが著しく低下し、理論通りの効率を得ることは難しい。 Such a tandem organic photoelectric conversion element (hereinafter also simply referred to as “tandem type element”) has different element performance depending on how the bottom cell and the top cell are electrically connected. In theory, when connected in series, The open circuit voltage V oc is the sum of the upper and lower cells, and when connected in parallel, the short-circuit current density J sc is the sum of the upper and lower cells, and the fill factor FF may be approximately the same as the value of a single cell in any case. Are known. However, in practice, unless the resistance of the intermediate layer connecting the bottom cell and the top cell is sufficiently low, the FF is remarkably lowered and it is difficult to obtain the efficiency as theoretically.

これまで、並列接続型のタンデム型素子の中間層として、PEDOT−PSS上に金属を蒸着してなる中間層(例えば、特許文献1ではCrを1nm、Auを5nm蒸着;非特許文献2ではAuを12nm蒸着)や、極薄膜の金属層を蒸着により形成した後PEDOT−PSSを積層してなる中間層が開示されている。一方、直列接続型のタンデム型素子では、非特許文献3及び4、並びに特許文献4のように、酸化チタンのような無機物からなる層を中間層として使用している。   Up to now, an intermediate layer formed by vapor-depositing a metal on PEDOT-PSS as an intermediate layer of a parallel-connected tandem element (for example, Cr is 1 nm and Au is 5 nm in Patent Document 1; Au in Non-Patent Document 2 is Au) And an intermediate layer formed by laminating PEDOT-PSS after forming an ultrathin metal layer by vapor deposition. On the other hand, in the serial connection type tandem element, as in Non-Patent Documents 3 and 4 and Patent Document 4, a layer made of an inorganic material such as titanium oxide is used as an intermediate layer.

国際公開第二008/066933号パンフレットInternational Publication No. 008/066933 Pamphlet 米国特許出願公開第2009/0211633号明細書US Patent Application Publication No. 2009/0211633 米国特許出願公開第2010/326497号明細書US Patent Application Publication No. 2010/326497 特開2010−192862号明細書JP 2010-192862 A

A.Heeger,Nature Mat.,vol.6(2007),p497A. Heeger, Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497 Adv.Mater.,2010,22,E77Adv. Mater. , 2010, 22, E77 Science,317,p222,2007Science, 317, p222, 2007 Adv.Mater.,2011,23,3465Adv. Mater. , 2011, 23, 3465

しかしながら、上述の並列接続型のタンデム型素子における中間層は、いずれも金属層を真空下で蒸着により形成する必要があるため、生産プロセスの効率化の点で課題を有していた。   However, each of the intermediate layers in the above-mentioned tandem type parallel connection device has a problem in terms of increasing the efficiency of the production process because it is necessary to form a metal layer by vapor deposition under vacuum.

また、上述の並列接続型のタンデム型素子における中間層に含まれる金属層や、直接接続型のタンデム型素子の中間層である酸化チタンのような無機物からなる層は、有機物からなる層と隣接・接合している。無機物(金属)と有機物とは線膨張率や弾性率が異なるため、温度サイクルテスト(JIS C8938−1995等)や曲げ試験によってはがれ等が生じ、電気的な接続が切断され、光電変換効率の低下を引き起こすおそれがあった。   Further, the metal layer included in the intermediate layer in the parallel connection type tandem element and the layer made of an inorganic material such as titanium oxide that is the intermediate layer of the direct connection type tandem element are adjacent to the layer made of the organic substance.・ It is joined. Since inorganic materials (metals) and organic materials have different linear expansion coefficients and elastic moduli, peeling due to temperature cycle tests (JIS C8938-1995 etc.) and bending tests occur, electrical connections are cut, and photoelectric conversion efficiency is reduced. There was a risk of causing.

さらに、光電変換素子を効率よく安価に生産するためには、安価なプラスチックフィルム基板を用いて、ロール・トゥ・ロールで連続的に生産できることが求められるが、直列接続型のタンデム型素子において中間層を形成する際、前記非特許文献3では160℃、5分間のアニール工程が、前記非特許文献4では150℃、30分間のアニール工程が必要とされており、プラスチックフィルムの耐熱性(120℃以下)に適応できるプロセスではないといった課題を有していた。   Furthermore, in order to efficiently and inexpensively produce photoelectric conversion elements, it is required that they can be produced continuously on a roll-to-roll basis using an inexpensive plastic film substrate. In forming the layer, the non-patent document 3 requires an annealing process at 160 ° C. for 5 minutes, and the non-patent document 4 requires an annealing process at 150 ° C. for 30 minutes. It was a problem that it is not a process that can be adapted to below ℃.

そこで本発明は、真空下のプロセス及び120℃を超える高温下のプロセスを要しない製造方法により製造することが可能であり、かつ十分な光電変換効率及び耐久性を有するタンデム型有機光電変換素子を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a tandem organic photoelectric conversion element that can be manufactured by a manufacturing method that does not require a vacuum process and a process at a high temperature exceeding 120 ° C. and that has sufficient photoelectric conversion efficiency and durability. The purpose is to provide.

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。そして、特定のエマルジョン形成化合物、すなわち界面活性剤を要さずに水系溶媒に分散可能な自己分散型ポリマー(一般に、「自己乳化型ポリマー」又は「ソープフリーポリマー」とも呼ばれる)と、導電性高分子とを用いて中間層を形成することにより、所望の透明性を有し、かつ上記課題を解決できることを見出した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research. And a specific emulsion-forming compound, that is, a self-dispersing polymer that is dispersible in an aqueous solvent without the need for a surfactant (commonly referred to as “self-emulsifying polymer” or “soap-free polymer”); It has been found that by forming an intermediate layer using molecules, it has desired transparency and can solve the above problems.

すなわち、本発明のタンデム型有機光電変換素子は、第一の電極、第一の光電変換層、第二の光電変換層、及び第二の電極がこの順に積層されてなり、前記第一の光電変換層と前記第二の光電変換層との間に、導電性高分子及び水系溶媒に分散可能な自己分散型ポリマーを共に含有する中間層を有することを特徴とする。   That is, the tandem organic photoelectric conversion element of the present invention includes a first electrode, a first photoelectric conversion layer, a second photoelectric conversion layer, and a second electrode laminated in this order, and the first photoelectric An intermediate layer containing both a conductive polymer and a self-dispersing polymer dispersible in an aqueous solvent is provided between the conversion layer and the second photoelectric conversion layer.

本発明によれば、真空下のプロセス及び120℃を超える高温下のプロセスを要しない製造プロセスにより製造することが可能であり、かつ十分な光電変換効率及び耐久性を有するタンデム型有機光電変換素子を提供することが可能となる。   According to the present invention, a tandem organic photoelectric conversion element that can be manufactured by a manufacturing process that does not require a vacuum process and a process at a high temperature exceeding 120 ° C. and that has sufficient photoelectric conversion efficiency and durability. Can be provided.

順層型のシングル型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented the normal layer type single type organic photoelectric conversion element typically. 逆層型のシングル型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the reverse layer type single type organic photoelectric conversion element. 本発明の参考例の一実施形態に係る順層・直列接続型のタンデム型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the tandem type | mold organic photoelectric conversion element of the normal layer and series connection type which concerns on one Embodiment of the reference example of this invention. 本発明の参考例の他の一実施形態に係る順層・並列接続型のタンデム型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the tandem type | mold organic photoelectric conversion element of the normal layer and parallel connection type which concerns on other one Embodiment of the reference example of this invention.

以下、本発明の好ましい形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

<有機光電変換素子>
本発明の一形態は、第一の電極、第一の光電変換層、第二の光電変換層、及び第二の電極がこの順に積層されてなり、第一の光電変換層と第二の光電変換層との間に、導電性高分子及び水系溶媒に分散可能な自己分散型ポリマーを共に含有する中間層を有する、タンデム型有機光電変換素子に関する。
<Organic photoelectric conversion element>
In one embodiment of the present invention, a first electrode, a first photoelectric conversion layer, a second photoelectric conversion layer, and a second electrode are stacked in this order, and the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer are stacked. The present invention relates to a tandem organic photoelectric conversion element having an intermediate layer containing both a conductive polymer and a self-dispersing polymer that can be dispersed in an aqueous solvent between the conversion layer.

本発明者らの検討によると、自己分散型ポリマーは、接着性が高く、かつ低温でも分散性に優れるため、導電性高分子と混合した場合、ミクロ相分離構造を形成するものと考えられる。すなわち、自己分散型ポリマーから形成される粒子の隙間を導電性高分子が埋めるようなモルホロジーを形成しうる。その結果、中間層全体としては導電性高分子の密度が低減されて透明性が向上し、また、中間層とこれに隣接する層との密着性が改善されつつ、導電性高分子はドメイン構造を形成するために導電性の低下は抑制することができる。さらに、本発明者らは、当該中間層は、120℃以下の低温で形成することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。   According to the study by the present inventors, since the self-dispersing polymer has high adhesiveness and excellent dispersibility even at a low temperature, it is considered that a microphase separation structure is formed when mixed with a conductive polymer. That is, it is possible to form a morphology in which the conductive polymer fills the gaps between the particles formed from the self-dispersing polymer. As a result, the density of the conductive polymer is reduced as the whole intermediate layer, and the transparency is improved. Also, the conductive polymer has a domain structure while improving the adhesion between the intermediate layer and the adjacent layer. Therefore, a decrease in conductivity can be suppressed. Furthermore, the present inventors have found that the intermediate layer can be formed at a low temperature of 120 ° C. or lower, and have completed the present invention.

当該中間層を用いて素子をタンデム化することにより、トップセルとボトムセルといった2つのサブセルを良好な電気的特性で接続することができ、かつ中間層自体の透明性も高いためにボトムセル(光入射側でないセル)にも十分な強度の光を透過させることができる。また、密着性及び柔軟性が高いために、温度サイクルテストに対しても優れた耐久性を示すことができる。   By tandemizing the element using the intermediate layer, two subcells such as the top cell and the bottom cell can be connected with good electrical characteristics, and the intermediate layer itself is highly transparent, so that the bottom cell (light incidence It is possible to transmit light having sufficient intensity to a cell that is not on the side. Moreover, since adhesiveness and flexibility are high, it can show the durability excellent also with respect to the temperature cycle test.

なお、このような効果は、後述のように中間層に補助取り出し電極として金属グリッドを配置した際にも得られうる。中間層に金属グリッドを設けることによりさらに高い曲線因子と光電変換効率を得ることが可能となる。   Such an effect can also be obtained when a metal grid is arranged as an auxiliary extraction electrode in the intermediate layer as will be described later. By providing a metal grid in the intermediate layer, a higher fill factor and photoelectric conversion efficiency can be obtained.

以下、本形態のタンデム型有機光電変換素子の構造及び各部材について詳細に説明する。   Hereinafter, the structure and each member of the tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment will be described in detail.

[タンデム型有機光電変換素子の構造]
本形態の有機光電変換素子はタンデム型であることを特徴とする。タンデム型の有機光電変換素子は、単セルからなるいわゆるシングル型の素子を電気的に直列又は並列に複数積層した構成を有する。なお、シングル型の素子の構造についても、基板上に形成された第一の電極(透明電極)を陽極(アノード)、第二の電極(対電極)を陰極(カソード)として機能させる、いわゆる順層型の素子と、第一の電極(透明電極)を陰極(カソード)、第二の電極(対電極)を陽極(アノード)として機能させる、いわゆる逆層型の素子とがある。したがって、例えば2つサブセルが積層されたタンデム型素子では、上述の直列・並列と、順層・逆層とを考慮すると、以下の、4種類の構成のタンデム型有機光電変換素子が考えられる。
(1)順層・直列タンデム型素子:第一の電極(アノード)/第一の光電変換層/中間層(電荷再結合層)/第二の光電変換層/第二の電極(カソード)
(2)逆層・直列タンデム型素子:第一の電極(カソード)/第一の光電変換/中間層(電荷再結合層)/第二の光電変換層/第二の電極(アノード)
(3)順層・並列タンデム型素子:第一の電極(アノード)/第一の光電変換層/中間層(取出し電極;カソード)/第二の光電変換層/第二の電極(アノード)
(4)逆層・並列タンデム型素子:第一の電極(カソード)/第一の光電変換層/中間層(取り出し電極;アノード)/第二の光電変換層/第二の電極(カソード)
本発明および本発明の参考例においては、上記4種類の構成のいずれも使用することができるが、素子の耐久性を向上させる観点からは、逆層型である(2)及び(4)の構成が好ましく、加えて温度サイクルテストに対する耐性を向上させる観点からは(4)の構成であることがさらに好ましい。
[Structure of tandem organic photoelectric conversion device]
The organic photoelectric conversion element of this embodiment is a tandem type. A tandem organic photoelectric conversion element has a configuration in which a plurality of so-called single-type elements made of a single cell are electrically stacked in series or in parallel. Note that the structure of the single-type element also functions so that the first electrode (transparent electrode) formed on the substrate functions as an anode (anode) and the second electrode (counter electrode) functions as a cathode (cathode). There is a layer type element and a so-called reverse layer type element in which a first electrode (transparent electrode) functions as a cathode (cathode) and a second electrode (counter electrode) functions as an anode (anode). Therefore, for example, in the case of a tandem element in which two subcells are stacked, the following four types of tandem organic photoelectric conversion elements are conceivable in consideration of the above-described series / parallel and forward / reverse layers.
(1) Normal layer / series tandem type element: first electrode (anode) / first photoelectric conversion layer / intermediate layer (charge recombination layer) / second photoelectric conversion layer / second electrode (cathode)
(2) Reverse layer / series tandem type element: first electrode (cathode) / first photoelectric conversion / intermediate layer (charge recombination layer) / second photoelectric conversion layer / second electrode (anode)
(3) Normal layer / parallel tandem type element: first electrode (anode) / first photoelectric conversion layer / intermediate layer (extraction electrode; cathode) / second photoelectric conversion layer / second electrode (anode)
(4) Reverse layer / parallel tandem type element: first electrode (cathode) / first photoelectric conversion layer / intermediate layer (extraction electrode; anode) / second photoelectric conversion layer / second electrode (cathode)
In the present invention and the reference example of the present invention, any of the above-mentioned four types of structures can be used. From the viewpoint of improving the durability of the element, the reverse layer type (2) and (4) In addition, the configuration (4) is more preferable from the viewpoint of improving the resistance to the temperature cycle test.

まず、素子の順層型及び逆層型について説明するため、シングル型の有機光電変換素子の構造について説明する。   First, in order to describe the normal layer type and the reverse layer type of the element, the structure of a single type organic photoelectric conversion element will be described.

図1は、順層型のシングル型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。有機光電変換素子10は、基板11上に、第一の電極12、正孔輸送層17、光電変換層14、電子輸送層18、第二の電極13がこの順に積層されてなる。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a normal layer type single-type organic photoelectric conversion element. The organic photoelectric conversion element 10 is formed by laminating a first electrode 12, a hole transport layer 17, a photoelectric conversion layer 14, an electron transport layer 18, and a second electrode 13 on a substrate 11 in this order.

図1において、基板11及び第一の電極12は透明な材料からなり、光電変換に用いられる光は、基板11の側から照射され、第一の電極12及び正孔輸送層17を経て、光電変換層14へと届く。光電変換層14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、光電変換材料としてp型有機半導体及びn型有機半導体とを含有する。   In FIG. 1, the substrate 11 and the first electrode 12 are made of a transparent material, and light used for photoelectric conversion is irradiated from the side of the substrate 11, passes through the first electrode 12 and the hole transport layer 17, and It reaches the conversion layer 14. The photoelectric conversion layer 14 is a layer that converts light energy into electrical energy, and contains a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor as a photoelectric conversion material.

p型有機半導体は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型有機半導体は、相対的に電子受容体(アクセプター)として機能する。なお、ここでいう電子供与体及び電子受容体は、「光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する」機能を有するものであり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。   The p-type organic semiconductor functions relatively as an electron donor (donor), and the n-type organic semiconductor functions relatively as an electron acceptor (acceptor). In addition, the electron donor and the electron acceptor referred to here are “when electrons are absorbed, electrons move from the electron donor to the electron acceptor to form a hole-electron pair (charge separation state)”. It has a function, and does not simply donate or accept electrons like an electrode, but donates or accepts electrons by a photoreaction.

図1において、基板11を介して第一の電極12から入射した光は、光電変換層14における電子受容体あるいは電子供与体(p型有機半導体及びn型有機半導体)で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。   In FIG. 1, light incident from the first electrode 12 through the substrate 11 is absorbed by an electron acceptor or an electron donor (p-type organic semiconductor and n-type organic semiconductor) in the photoelectric conversion layer 14, and the electron donor. The electrons move from the electron acceptor to the electron acceptor, and a hole-electron pair (charge separation state) is formed.

発生した電荷は内部電界、例えば、第一の電極12と第二の電極13との仕事関数が異なる場合では第一の電極12と第二の電極13との電位差によって、電子は電子受容体間を通り、また正孔は電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。   The generated electric charge is generated between the electron acceptors due to the internal electric field, for example, when the work functions of the first electrode 12 and the second electrode 13 are different, due to the potential difference between the first electrode 12 and the second electrode 13. And the holes pass between the electron donors and are carried to different electrodes, and a photocurrent is detected.

図1の例では、第一の電極12の仕事関数は第二の電極13の仕事関数よりも深く(大きく)、かつ第一の電極12と光電変換層14の間に正孔を運びやすく電子を運びにくい正孔輸送層17が形成され、また第二の電極13と光電変換層14の間に正孔を運びにくく電子を運びやすい電子輸送層18が形成されているため、正孔は第一の電極12へと運ばれ、電子は第二の電極13へ輸送される。すなわち、第一の電極はアノード(陽極)として、第二の電極はカソード(陰極)として機能する。この場合、第二の電極13としては仕事関数が浅く(小さく)比較的酸化されやすい金属が用いられうる。なお、第一の電極及び第二の電極の仕事関数は、あくまで光電変換層14を基準とした際の相対的な仕事関数であり、例えばAdvanced Materials,2011(Vol.23,no.40),p4636−4643のように双極子層が形成される場合は、それらによる準位のシフトも考慮して仕事関数の大小を決定する必要がある。   In the example of FIG. 1, the work function of the first electrode 12 is deeper (larger) than the work function of the second electrode 13, and electrons are easily carried between the first electrode 12 and the photoelectric conversion layer 14. The hole transport layer 17 that does not easily transport holes is formed, and the electron transport layer 18 that does not easily transport holes and easily transports electrons is formed between the second electrode 13 and the photoelectric conversion layer 14. The electrons are transported to one electrode 12 and the electrons are transported to the second electrode 13. That is, the first electrode functions as an anode (anode) and the second electrode functions as a cathode (cathode). In this case, as the second electrode 13, a metal having a shallow (small) work function and relatively easily oxidized can be used. Note that the work functions of the first electrode and the second electrode are relative work functions when the photoelectric conversion layer 14 is used as a reference, and are, for example, Advanced Materials, 2011 (Vol. 23, no. 40), When a dipole layer is formed as in p4636-4463, it is necessary to determine the magnitude of the work function in consideration of the level shift caused by them.

図2は、逆層型のシングル型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。図2の逆層型のシングル型有機光電変換素子20では、図1の順層型の場合とは反対に、第一の電極12は第二の電極13よりも相対的に仕事関数が浅く(小さく)なるような材料から形成されている。加えて、第一の電極12と光電変換層14の間に電子を運びやすく正孔を運びにくい電子輸送層18が形成され、第二の電極13と光電変換層14の間に電子を運びにくく正孔を運びやすい正孔輸送層17が形成されているため、電子は第一の電極12へと運ばれ、正孔は第二の電極13へと輸送される。すなわち、第一の電極はカソード(陰極)として、第二の電極はアノード(陽極)として機能する。逆層型では、第一の電極(透明電極、金属酸化物からなる電極)よりも同等若しくは深い仕事関数を有する金属、金属酸化物、導電体を第二の電極として用いることができるため、順層型の素子よりも第二の電極の酸素や水分に対する安定性が高く、素子の耐久性を高いものとすることができる。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a reverse layer type single type organic photoelectric conversion element. In the reverse layer type single type organic photoelectric conversion element 20 of FIG. 2, the work function of the first electrode 12 is relatively shallower than that of the second electrode 13, contrary to the case of the forward layer type of FIG. (Made small). In addition, an electron transport layer 18 that easily carries electrons between the first electrode 12 and the photoelectric conversion layer 14 is formed, and it is difficult to carry electrons between the second electrode 13 and the photoelectric conversion layer 14. Since the hole transport layer 17 that easily transports holes is formed, electrons are transported to the first electrode 12, and holes are transported to the second electrode 13. That is, the first electrode functions as a cathode (cathode) and the second electrode functions as an anode (anode). In the reverse layer type, a metal, metal oxide, or conductor having a work function equivalent to or deeper than that of the first electrode (transparent electrode, electrode made of metal oxide) can be used as the second electrode. The stability of the second electrode with respect to oxygen and moisture is higher than that of the layer type element, and the durability of the element can be increased.

次に、本形態に係るタンデム型有機光電変換素子の構造について説明する。本形態のタンデム型有機光電変換素子は、上記の順層型又は逆層型サブセルが複数積層されてなる構成を有する。タンデム型有機光電変換素子は、光電変換層が1層のみからなるシングル型の素子よりも太陽光の吸収波長の拡大化及び/又は吸収量の増大を図ることができ、シングル型の素子よりも高い光電変換効率が期待できる。   Next, the structure of the tandem organic photoelectric conversion element according to this embodiment will be described. The tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment has a configuration in which a plurality of the above normal layer type or reverse layer type subcells are stacked. The tandem organic photoelectric conversion element can increase the absorption wavelength of sunlight and / or increase the amount of absorption as compared with a single-type element having only one photoelectric conversion layer. High photoelectric conversion efficiency can be expected.

タンデム型有機光電変換素子としては、上述のように、直列・並列と、順層・逆層とを考慮すると4種類の構成が考えられるが、以下では、上記(1)順層・直列タンデム型素子、及び(3)順層・並列タンデム型素子、について具体的について説明する。これら以外の(2)逆層・直列タンデム型素子及び(4)逆層・並列タンデム型素子の逆層型の素子に関しては、上記シングル型の素子で説明したように、第一電極及び第二電極の仕事関数の関係や、正孔輸送層17及び電子輸送層18を配置する位置を適宜選択することによって作製することができる。   As described above, four types of tandem organic photoelectric conversion elements can be considered in consideration of series / parallel and forward / reverse layers. In the following, (1) forward / series tandem type is considered. The elements and (3) forward layer / parallel tandem elements will be described in detail. Other than these, (2) reverse layer / series tandem type elements and (4) reverse layer / parallel tandem type reverse layer type elements, as described in the single type element, the first electrode and the second layer It can be produced by appropriately selecting the relationship between the work functions of the electrodes and the positions where the hole transport layer 17 and the electron transport layer 18 are arranged.

なお、以下の本明細書中では、主に2つのサブセルを含むタンデム型有機光電変換素子について説明するが、本発明は3つ以上のサブセルを含むタンデム型有機光電変換素子であっても勿論構わない。また、当該2つのサブセルのうち透明電極側若しくは光が入射する側に位置するセルを「トップセル」(または第一の光電変換層)と、反射電極(対電極)側若しくは光が入射する側ではない方のセルを「ボトムセル」(または第二の光電変換層)と、それぞれ称する。   In the following description, a tandem organic photoelectric conversion element including two subcells will be mainly described. However, the present invention may be a tandem organic photoelectric conversion element including three or more subcells. Absent. The cell located on the transparent electrode side or the light incident side of the two subcells is referred to as the “top cell” (or the first photoelectric conversion layer) and the reflective electrode (counter electrode) side or the light incident side. The other cell is referred to as a “bottom cell” (or a second photoelectric conversion layer).

図3は、本発明の参考例の一実施形態に係る順層・直列接続型のタンデム型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。図3によると、タンデム型有機光電変換素子30は、基板21上に、第一の電極22a、第一の正孔輸送層27a、第一の光電変換層24a、第一の電子輸送層28a、金属グリッド25及び透明導電層26を含む中間層29を有し、さらに第二の正孔輸送層27b、第二の光電変換層24b、第二の電子輸送層28b、第二の電極23がこの順に積層されてなる構成を有する。つまり、図3の形態では2つの順層型の素子(サブセル)が中間層29により直列接続されることによりタンデム化されている。この際、中間層29は電荷再結合層として機能する。本形態では、第一の電極22の仕事関数は第二の電極23の仕事関数よりも深い(大きい)ため、正孔は第一の電極22へ、電子は第二の電極23へと輸送される。この場合、第一の電極はアノード(陽極)として、第二の電極はカソード(陰極)として機能する。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a normal layer / series connection type tandem organic photoelectric conversion device according to an embodiment of a reference example of the present invention. According to FIG. 3, the tandem organic photoelectric conversion element 30 includes a first electrode 22a, a first hole transport layer 27a, a first photoelectric conversion layer 24a, a first electron transport layer 28a, It has an intermediate layer 29 including a metal grid 25 and a transparent conductive layer 26, and further includes a second hole transport layer 27b, a second photoelectric conversion layer 24b, a second electron transport layer 28b, and a second electrode 23. It has a configuration in which the layers are laminated in order. That is, in the form of FIG. 3, two forward layer type elements (subcells) are connected in series by the intermediate layer 29 to be tandem. At this time, the intermediate layer 29 functions as a charge recombination layer. In this embodiment, since the work function of the first electrode 22 is deeper (larger) than the work function of the second electrode 23, holes are transported to the first electrode 22 and electrons are transported to the second electrode 23. The In this case, the first electrode functions as an anode (anode) and the second electrode functions as a cathode (cathode).

また、上述の図1及び図2で説明したシングル型の素子のように、第一の電極22の仕事関数よりも第二の電極23の仕事関数を深く(大きく)することで、電子を第一の電極22へ、正孔を第二の電極23へと輸送するように設計することもできる(逆層・直列型タンデム型素子)。この場合には、図3における第一の電子輸送層28aは第一の電極22と第一の光電変換層24aとの間に配置され、第一の正孔輸送層27aは第一の光電変換層24aと中間層29との間に配置され、第二の電子輸送層28bは中間層29と第二の光電変換層24bの間に配置され、第二の正孔輸送層27bは第二の光電変換層24bと第二の電極23との間に配置される。この際、第一の電極はカソード(陰極)として、第二の電極はアノード(陽極)として機能する。本形態では、2つの逆層型の素子(サブセル)が中間層29により直列接続されることによりタンデム化され、中間層29は電荷再結合層として機能する。   Further, as in the single-type element described with reference to FIGS. 1 and 2 described above, the work function of the second electrode 23 is made deeper (larger) than the work function of the first electrode 22, so that It can also be designed to transport holes to one electrode 22 to the second electrode 23 (reverse layer / series tandem element). In this case, the first electron transport layer 28a in FIG. 3 is disposed between the first electrode 22 and the first photoelectric conversion layer 24a, and the first hole transport layer 27a is the first photoelectric conversion layer. The second electron transport layer 28b is disposed between the intermediate layer 29 and the second photoelectric conversion layer 24b, and the second hole transport layer 27b is disposed between the second layer 24a and the intermediate layer 29. It arrange | positions between the photoelectric converting layer 24b and the 2nd electrode 23. FIG. At this time, the first electrode functions as a cathode (cathode) and the second electrode functions as an anode (anode). In this embodiment, two reverse layer elements (subcells) are connected in series by the intermediate layer 29 to be tandem, and the intermediate layer 29 functions as a charge recombination layer.

このような順層型および逆層型のサブセルが直列接続によりタンデム化された素子は、トップセルで発生した電子(あるいは正孔)と、ボトムサブセルで発生した正孔(あるいは電子)とが、中間層29で再結合されることで、出力される開放電圧(Voc)は、トップセルの電圧とボトムセルの電圧とを足し合わせた合算値になる。ただし、短絡電流値(Jsc)は2つのサブセルのうちの低い方に制限されるため、より高い効率を得るためにはトップセルとボトムセルの電流が略等しくなるように2つのサブセルの膜厚を制御することが好ましい。 An element in which such normal layer and reverse layer subcells are tandemly connected in series has electrons (or holes) generated in the top cell and holes (or electrons) generated in the bottom subcell, By being recombined in the intermediate layer 29, the output open-circuit voltage (V oc ) becomes a total value obtained by adding the voltage of the top cell and the voltage of the bottom cell. However, since the short-circuit current value (J sc ) is limited to the lower of the two subcells, the film thicknesses of the two subcells are set so that the currents of the top cell and the bottom cell are substantially equal in order to obtain higher efficiency. Is preferably controlled.

図4は本発明の参考例の他の一実施形態に係る順層・並列接続型のタンデム型有機光電変換素子を模式的に表した断面概略図である。図4におけるタンデム型有機光電変換素子40は、基板21上に、第一の電極22a、第一の正孔輸送層27a、第一の光電変換層24a、第一の電子輸送層28a、金属グリッド25及び透明導電層26を含む中間層29を有し、さらに第二の電子輸送層28b、第二の光電変換層24b、第二の正孔輸送層27b、第二の電極23がこの順に積層されてなる構成を有する。図4の形態では順層型の素子(サブセル)をトップセルとして、逆層型の素子(サブセル)をボトムセルとして用いており、中間層29により並列接続されることによりタンデム化されている。この際、中間層29は取り出し電極として機能する。本形態では、第一の電極22及び第二の電極23の仕事関数は深く(大きく)、中間層29の仕事関数は浅く(小さく)なるように設計されており、正孔は第一の電極22及び第二の電極23へと輸送され、電子は中間層29へと輸送される。この場合、第一の電極22及び第二の電極23はアノード(陽極)として、中間層29はカソード(陰極)として機能する。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view schematically showing a forward-layer / parallel-connected tandem organic photoelectric conversion device according to another embodiment of the reference example of the present invention. The tandem organic photoelectric conversion element 40 in FIG. 4 includes a first electrode 22a, a first hole transport layer 27a, a first photoelectric conversion layer 24a, a first electron transport layer 28a, a metal grid on a substrate 21. 25 and an intermediate layer 29 including a transparent conductive layer 26, and further a second electron transport layer 28b, a second photoelectric conversion layer 24b, a second hole transport layer 27b, and a second electrode 23 are laminated in this order. It has the structure formed. In the form of FIG. 4, the forward layer type element (subcell) is used as the top cell, and the reverse layer type element (subcell) is used as the bottom cell, which is tandemized by being connected in parallel by the intermediate layer 29. At this time, the intermediate layer 29 functions as an extraction electrode. In this embodiment, the work functions of the first electrode 22 and the second electrode 23 are designed to be deep (large), and the work function of the intermediate layer 29 is designed to be shallow (small). 22 and the second electrode 23 are transported, and the electrons are transported to the intermediate layer 29. In this case, the first electrode 22 and the second electrode 23 function as an anode (anode), and the intermediate layer 29 functions as a cathode (cathode).

また、上述の図1及び図2で説明したシングル型の素子のように、第一の電極22及び第二の電極23の仕事関数を浅く(小さく)、中間層29の仕事関数を深く(大きく)なるように設計することにより、電子を第一の電極22と第二の電極23へ、正孔を中間層29へと輸送するように設計することもできる(逆層・並列型タンデム型素子)。この場合には、図4における電子輸送層28aは、第一の電極22と第一の光電変換層24aとの間に配置され、第一の正孔輸送層27aは第一の光電変換層24aと中間層29との間に配置され、第二の正孔輸送層27bは中間層と第二の光電変換層24bとの間に配置され、第二の電子輸送層28bは第二の光電変換層24bと第二の電極23との間に配置される。この際、第一の電極22及び第二の電極23はカソード(陰極)として、中間層29はアノード(陽極)として機能する。本形態では、2つの逆層型の素子(サブセル)が中間層29により並列接続されることによりタンデム化され、中間層29は取り出し電極として働く。   Further, as in the single-type element described with reference to FIGS. 1 and 2, the work function of the first electrode 22 and the second electrode 23 is shallow (small), and the work function of the intermediate layer 29 is deep (large). ) So that electrons can be transported to the first electrode 22 and the second electrode 23, and holes can be transported to the intermediate layer 29 (reverse layer / parallel type tandem element) ). In this case, the electron transport layer 28a in FIG. 4 is disposed between the first electrode 22 and the first photoelectric conversion layer 24a, and the first hole transport layer 27a is the first photoelectric conversion layer 24a. The second hole transport layer 27b is disposed between the intermediate layer and the second photoelectric conversion layer 24b, and the second electron transport layer 28b is disposed between the second photoelectric conversion layer and the intermediate layer 29. Arranged between the layer 24 b and the second electrode 23. At this time, the first electrode 22 and the second electrode 23 function as a cathode (cathode), and the intermediate layer 29 functions as an anode (anode). In this embodiment, two reverse layer elements (subcells) are connected in parallel by the intermediate layer 29 to be tandem, and the intermediate layer 29 functions as an extraction electrode.

このような並列接続によりタンデム化された素子は、トップセルで発生した正孔(あるいは電子)と、ボトムセルで発生した正孔(あるいは電子)とが、各々中間層29から出力され、同時に、トップセルで発生した電子(あるいは正孔)と、ボトムセルで発生した電子(あるいは正孔)とが、第一の電極22及び第二の電極23から出力されることで、トップセルとボトムセルとの間で電気的な並列接続が形成され、図4に示されるように接続することで、外部回路200が駆動される。この並列接続が効率よく行われたとき、出力される短絡電流密度(Jsc)は、トップセルの電流とボトムセルの電流とを足し合わせた合算値になる。ただし、開放電圧(Voc)は2つのサブセルのうちの低い方に制限されるため、高い効率を得るためにはトップセルとボトムセルの電圧は略等しくなるように2つのサブセルの光電変換材料を適宜選択することが好ましい。なお、光電変換材料による電圧は、後述する光電変換層に含まれるp型有機半導体のHOMO準位とn型有機半導体のLUMO準位によって主に決定されるため、各サブセルが所望のVocとなるようなp型有機半導体とn型有機半導体の組合せを選択すればよい。これは、直列型タンデム素子が各サブセル間のJscを合わせるために第1及び第2の光電変換層の膜厚を厳密に制御しなければならないことに比べると、直列接続のタンデム型素子よりも最適化が容易であるといった利点がある。 In the element tandemized by such parallel connection, holes (or electrons) generated in the top cell and holes (or electrons) generated in the bottom cell are respectively output from the intermediate layer 29, and at the same time, Electrons (or holes) generated in the cell and electrons (or holes) generated in the bottom cell are output from the first electrode 22 and the second electrode 23, so that there is a gap between the top cell and the bottom cell. Thus, an electrical parallel connection is formed, and the external circuit 200 is driven by the connection as shown in FIG. When this parallel connection is efficiently performed, the output short-circuit current density (J sc ) is a total value obtained by adding the current of the top cell and the current of the bottom cell. However, since the open circuit voltage (V oc ) is limited to the lower of the two subcells, in order to obtain high efficiency, the photoelectric conversion materials of the two subcells should be set so that the voltages of the top cell and the bottom cell are substantially equal. It is preferable to select appropriately. In addition, since the voltage by the photoelectric conversion material is mainly determined by the HOMO level of the p-type organic semiconductor and the LUMO level of the n-type organic semiconductor included in the photoelectric conversion layer described later, each subcell has a desired V oc and A combination of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor may be selected. This is because the series-type tandem element has more control over the thickness of the first and second photoelectric conversion layers in order to match the J sc between the sub-cells than the series-connected tandem-type element. There is an advantage that optimization is easy.

なお、直列型のタンデム型素子(図3)及び並列型のタンデム型素子(図4)はいずれも、第二の光電変換層24bは、第一の光電変換層24aの吸収スペクトルと同じスペクトルの光を吸収する光電変換材料からなる層であってもよいし、異なるスペクトルの光を吸収する光電変換材料からなる層であってもよいが、より広い波長域の光を効率よく電気に変換するためには、互いに異なるスペクトルの光を吸収する光電変換材料からなる層であることが好ましい。   Note that in both the series tandem element (FIG. 3) and the parallel tandem element (FIG. 4), the second photoelectric conversion layer 24b has the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion layer 24a. It may be a layer made of a photoelectric conversion material that absorbs light or a layer made of a photoelectric conversion material that absorbs light of different spectra, but efficiently converts light in a wider wavelength range into electricity. For this purpose, a layer made of a photoelectric conversion material that absorbs light having different spectra is preferable.

以下、本形態のタンデム型有機光電変換素子の各部材について詳細に説明する。   Hereinafter, each member of the tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment will be described in detail.

[中間層]
本発明に関わる中間層は、直列接続のタンデム型素子においては2つのサブセルから抽出される正孔及び電子の両方を取り込み、再結合させる役割を担う。また、並列接続のタンデム型素子における中間層は、2つのサブセルから抽出された正孔又は電子を外部の回路に取り出す機能を有する。したがって、直列・並列のいずれの形態においても中間層は十分な導電性を有するから構成される必要がある。また、これらの中間層は、塗布法によるプロセスにより形成可能なものであることが好ましい。
[Middle layer]
The intermediate layer according to the present invention plays a role of taking in and recombining both holes and electrons extracted from two subcells in a series-connected tandem element. Further, the intermediate layer in the tandem element connected in parallel has a function of extracting holes or electrons extracted from the two subcells to an external circuit. Therefore, the intermediate layer needs to be configured with sufficient conductivity in both the series and parallel forms. Moreover, it is preferable that these intermediate | middle layers can be formed by the process by the apply | coating method.

また、上述の図3及び4で示したように、中間層29は2つの光電変換層(24a,24b)の間に形成されるため、第二の光電変換層24bが高い光電変換効率で発電できるようにするには、中間層が高い透明性を有していることが望ましい。また、素子を安価なプラスチック基板上に形成可能とするためには、プラスチックの耐熱性の上限温度である120℃以下の低温で素子を形成することも求められる。   Also, as shown in FIGS. 3 and 4 described above, since the intermediate layer 29 is formed between the two photoelectric conversion layers (24a, 24b), the second photoelectric conversion layer 24b generates power with high photoelectric conversion efficiency. In order to be able to do so, it is desirable that the intermediate layer has high transparency. In addition, in order to be able to form an element on an inexpensive plastic substrate, it is also required to form the element at a low temperature of 120 ° C. or less, which is the upper limit temperature of plastic heat resistance.

これらの課題は、一般にはトレードオフの関係にある。例えば、高い導電性を得るためには非特許文献2のように、ある程度中間層の膜厚を厚くする必要があるが、使用する材料が金属であってもPEDOT−PSS等の有機系導電材料であっても、通常透明性は低下してしまう。   These issues are generally in a trade-off relationship. For example, in order to obtain high conductivity, it is necessary to increase the thickness of the intermediate layer to some extent as in Non-Patent Document 2, but organic conductive materials such as PEDOT-PSS are used even if the material used is a metal. Even so, transparency usually decreases.

また、PEDOT−PSS等を用いる場合、高い導電性を得るためには、非特許文献2のように、ある程度高温(150℃程度)でアニールする必要がある。   Further, when using PEDOT-PSS or the like, it is necessary to anneal at a certain high temperature (about 150 ° C.) as in Non-Patent Document 2 in order to obtain high conductivity.

本発明では、このようなトレードオフ関係にある複数の課題を、導電性高分子及び自己分散型ポリマーを用いることで解決した。すなわち、導電性高分子と自己分散型ポリマーとを混合することにより、導電性高分子は連続的なドメイン構造を保持しつつ、その間を自己分散型ポリマーの粒子が埋めるような構造を形成すると考えられる。この結果、十分な導電性を確保しつつ、透明性に優れた中間層を形成することに成功した。さらに導電性高分子が微細に分散されたドメイン構造となるためか、低温のアニールでも十分な導電性を得ることが可能となった。更なる効果としては、自己分散型ポリマーは一般に接着性が高いという特性を有するため、中間層に隣接する層が無機物からなる層である場合や、中間層中に金属グリッドを有しているような形態であっても、高い密着性が確保でき、温度サイクルテストに対して高い耐久性を発揮することができるようになった。   In the present invention, a plurality of problems in such a trade-off relationship have been solved by using a conductive polymer and a self-dispersing polymer. In other words, by mixing a conductive polymer and a self-dispersing polymer, the conductive polymer retains a continuous domain structure and forms a structure in which self-dispersing polymer particles fill the gap. It is done. As a result, the present inventors succeeded in forming an intermediate layer excellent in transparency while ensuring sufficient conductivity. Furthermore, because of the domain structure in which the conductive polymer is finely dispersed, sufficient conductivity can be obtained even at low temperature annealing. As a further effect, since the self-dispersing polymer generally has a property of high adhesiveness, when the layer adjacent to the intermediate layer is a layer made of an inorganic material, it seems that the intermediate layer has a metal grid. Even if it is a form, high adhesiveness can be ensured and it became able to exhibit high durability with respect to a temperature cycle test.

なお、本明細書において「金属グリッド」とは、並列接続のタンデム型素子において中間層を取り出し電極として外部回路へと接続する場合、中間層の抵抗を非常に低く(10Ω/cm square以下)しないと曲線因子(FF)が低下し、光電変換効率が低下してしまうが、これを防ぐために導入される、メッシュ状の金属パターンをいう。このような補助電極を中間層内に形成することで、透明性を維持しつつ、導電性をさらに高いものとすることができる。したがって、本形態における中間層は、例えば、上記図4で示した形態のように、導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む導電性層と、必要に応じて配置される金属グリッド(金属細線)と、を組み合わせることにより形成されもよい。なお、金属グリッドは、上記図3に示すように、直列接続のタンデム型素子の中間層に設けられていてもよい。 In the present specification, the “metal grid” means that the resistance of the intermediate layer is very low (less than 10 Ω / cm 2 square) when the intermediate layer is connected to an external circuit as an extraction electrode in a tandem element connected in parallel. Otherwise, the fill factor (FF) decreases and the photoelectric conversion efficiency decreases. However, this refers to a mesh-like metal pattern introduced to prevent this. By forming such an auxiliary electrode in the intermediate layer, the conductivity can be further increased while maintaining transparency. Therefore, the intermediate layer in this embodiment includes, for example, a conductive layer containing a conductive polymer and a self-dispersing polymer, and a metal grid (metal fine wire) disposed as necessary, as in the embodiment shown in FIG. ) And may be formed. The metal grid may be provided in the intermediate layer of the series-connected tandem elements as shown in FIG.

(自己分散型ポリマー)
本発明において、水系溶媒に分散可能なポリマー分散液とは、ミセル形成を補助する界面活性剤や乳化剤等を必要とせずに、媒体中にナノメートルスケールの微粒子が安定して懸濁した状態にあるコロイド形成性ポリマーである。
(Self-dispersing polymer)
In the present invention, a polymer dispersion that can be dispersed in an aqueous solvent is a state in which nanometer-scale fine particles are stably suspended in a medium without the need for a surfactant or an emulsifier that assists micelle formation. A colloid-forming polymer.

本明細書で用いるところでは、用語「分散液」は、微粒子の懸濁を含有する液体媒体に関する。本発明に従って、「媒体」は典型的には水性液体、例えば、水である。本明細書で用いるところでは、「水性」は、かなりの部分の水を有する液体(50重量%以上)を意味する。「コロイド形成」は、水溶液に分散されたときに微粒子を形成する物質に関し、すなわち、「コロイド形成」ポリマーは水溶性ではない。   As used herein, the term “dispersion” relates to a liquid medium containing a suspension of microparticles. In accordance with the present invention, the “medium” is typically an aqueous liquid, such as water. As used herein, “aqueous” means a liquid (greater than 50% by weight) with a significant portion of water. “Colloid formation” refers to substances that form microparticles when dispersed in an aqueous solution, ie, “colloid formation” polymers are not water soluble.

すなわち、非水溶性のポリマーが界面活性剤、乳化剤等無しに水分を50重量%以上含む溶媒中で安定して(1週間以上)ナノメートルスケールの微粒子の粒径を安定して維持できる(増大、凝集、沈殿がみとめられない)ものを水系溶媒に分散可能自己分散型ポリマー分散液と定義する。   That is, the water-insoluble polymer can stably maintain the particle size of nanometer-scale fine particles in a solvent containing 50% by weight or more of water without a surfactant or an emulsifier (for one week or more) (increase). In this case, a self-dispersing polymer dispersion that can be dispersed in an aqueous solvent is defined.

上記コロイド粒子の大きさ(直径)は通常0.001〜1μm(1〜1000nm)程度であるが、得られる中間層の透明性の観点から好ましくは、3〜500nmであり、より好ましくは5〜100nmであり、さらに好ましくは10〜50nmである。上記のコロイド粒子の大きさは、光散乱光度計により測定することができる。なおここでいう粒径とは、1次粒子の粒径をいう。   The size (diameter) of the colloidal particles is usually about 0.001 to 1 μm (1 to 1000 nm), but preferably 3 to 500 nm, more preferably 5 to 500 nm from the viewpoint of the transparency of the obtained intermediate layer. It is 100 nm, More preferably, it is 10-50 nm. The size of the colloidal particles can be measured with a light scattering photometer. The particle size here refers to the particle size of the primary particles.

このような自己分散型ポリマーは、主に、イオン性のものとノニオン性のものに大別される。つまり、水系溶媒中で解離性基(カルボン酸基等)が解離して電荷を帯びることで自己分散可能となるタイプのイオン性のポリマーと、ポリエチレンオキシドのような親水性基によって自己分散するノニオン性のポリマーがある。本形態ではイオン性、ノニオン性のいずれのポリマーも使用可能であるが、得られる素子の耐久性の観点からは、解離性基を有するポリマー(イオン性ポリマー)を用いることが好ましい。解離性基を有する自己分散型ポリマーを用いることにより得られる中間層の導電性や密着性を向上させることができる。特に、アニオン性の解離性基を有するポリマーを使用することが好ましい。   Such self-dispersing polymers are mainly classified into ionic ones and nonionic ones. In other words, an ionic polymer of a type that can dissociate by dissociating a dissociable group (such as a carboxylic acid group) in an aqueous solvent and becoming charged, and a nonion that is self-dispersed by a hydrophilic group such as polyethylene oxide. There are sex polymers. In this embodiment, both ionic and nonionic polymers can be used, but from the viewpoint of durability of the resulting device, it is preferable to use a polymer having a dissociable group (ionic polymer). By using a self-dispersing polymer having a dissociable group, the conductivity and adhesion of the intermediate layer obtained can be improved. In particular, it is preferable to use a polymer having an anionic dissociative group.

なお基本的にはこれらの自己分散型ポリマーを含む組成物が塗布されて薄膜となった場合も、上記の分散液での粒径がそのまま膜中においても観測され、好ましくは5〜100nmであり、より好ましくは8〜80nmであり、さらに好ましくは10〜50nmである粒径が5nm以上であると、導電性高分子との相溶性が高くなりすぎないため、導電性高分子とのドメインが良好に形成されうる。一方、粒径が100nm以下であると導電性高分子との相溶性が低くなりすぎないため、透明性や導電性が良好に維持されうる。なお、当該自己分散型ポリマーの薄膜中の粒径は原子間力顕微鏡(AFM)により測定することができる。   Basically, even when a composition containing these self-dispersing polymers is applied to form a thin film, the particle size in the above dispersion is also observed in the film as it is, preferably 5 to 100 nm. More preferably, the particle diameter is 8 to 80 nm, and more preferably 10 to 50 nm. If the particle size is 5 nm or more, the compatibility with the conductive polymer does not become too high. It can be formed well. On the other hand, when the particle size is 100 nm or less, the compatibility with the conductive polymer does not become too low, and thus transparency and conductivity can be maintained well. The particle size in the thin film of the self-dispersing polymer can be measured with an atomic force microscope (AFM).

自己分散型ポリマーのガラス転移温度(Tg)は、25℃〜80℃であることが好ましく、30〜75℃であることがより好ましく、50〜70℃であることがさらに好ましい。ガラス転移温度が25℃以上であると、中間層に十分な耐熱性を付与することができる。一方、ガラス転移温度(Tg)が80℃以下であると、温度サイクルテストで耐久性を向上できる。ガラス転移温度ガラス転移温度(Tg)は、示差走査熱量測定器(Perkin Elmer社製DTC−7型)を用いて、昇温速度20℃/分で測定し、JIS K7121(1987)に従い求めることができる。   The glass transition temperature (Tg) of the self-dispersing polymer is preferably 25 ° C to 80 ° C, more preferably 30 to 75 ° C, and still more preferably 50 to 70 ° C. When the glass transition temperature is 25 ° C. or higher, sufficient heat resistance can be imparted to the intermediate layer. On the other hand, if the glass transition temperature (Tg) is 80 ° C. or lower, the durability can be improved by a temperature cycle test. Glass transition temperature The glass transition temperature (Tg) is measured at a rate of temperature increase of 20 ° C./min using a differential scanning calorimeter (DTC-7 manufactured by Perkin Elmer), and can be determined according to JIS K7121 (1987). it can.

自己分散型ポリマーが解離性基を有する場合の当該解離性基としては、アニオン性基(スルホ基(−SOH)及びその塩(−SOX;X=陽イオン、以下同様)、カルボキシル基(−COOH)及びその塩(−COOX)、リン酸基(−OPO)及びその塩(−OPOHX、−OPO)等)、カチオン性基(アンモニウム塩(−NHX)等)等が挙げられる。特に限定はないが、導電性高分子との相溶性の観点から、解離性基はアニオン性基であることが好ましい。解離性基の量は、自己分散型ポリマーが水系溶媒に分散可能ある限りにおいては特に制限はないが、可能な限り少ない方が乾燥時間が短縮されるため好ましい。また、アニオン性基、カチオン性基に使用されるカウンター種(陽イオンX)も特に限定はないが、分散安定性の観点から、ハロゲン化物イオンであることが好ましい。 When the self-dispersing polymer has a dissociable group, examples of the dissociable group include an anionic group (sulfo group (—SO 3 H) and a salt thereof (—SO 3 X; X = cation, the same shall apply hereinafter), carboxyl Group (—COOH) and its salt (—COOX), phosphoric acid group (—OPO 3 H 2 ) and its salt (—OPO 3 HX, —OPO 3 X 2 ), etc., cationic group (ammonium salt (—NH) 3 X) and the like. Although there is no particular limitation, the dissociable group is preferably an anionic group from the viewpoint of compatibility with the conductive polymer. The amount of the dissociable group is not particularly limited as long as the self-dispersing polymer can be dispersed in an aqueous solvent, but is preferably as small as possible because the drying time is shortened. The counter species (cation X) used for the anionic group and the cationic group is not particularly limited, but is preferably a halide ion from the viewpoint of dispersion stability.

自己分散型ポリマーの構造は特に制限はないが、ポリエチレン、ポリエチレン−ポリビニルアルコール(PVA)共重合体、ポリエチレン−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン−ポリウレタン共重合体、ポリブタジエン、ポリブタジエン−ポリスチレン共重合体、ポリアミド(ナイロン)、ポリ塩化ビニリデン、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリアクリレート−ポリエステル共重合体、ポリアクリレート−ポリスチレン共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン−ポリカーボネート共重合体、ポリウレタン−ポリエーテル共重合体、ポリウレタン−ポリアクリレート共重合体、シリコーン共重合体、シリコーン−ポリウレタン共重合体、シリコーン−ポリアクリレート共重合体、ポリフッ化ビニリデン−ポリアクリレート共重合体、ポリフルオロオレフィン−ポリビニルエーテル共重合体を主骨格として有していることが好ましい。また、これらの骨格をベースに、さらに他のモノマーと共重合させた共重合体であってもよい。中でもポリエステル骨格を有するポリマー(ポリエステル系ポリマー、ポリエステル−アクリル樹脂系ポリマー)や、エチレン骨格を有するポリエチレン樹脂ポリマーであることが好ましい。   The structure of the self-dispersing polymer is not particularly limited, but polyethylene, polyethylene-polyvinyl alcohol (PVA) copolymer, polyethylene-polyvinyl acetate copolymer, polyethylene-polyurethane copolymer, polybutadiene, polybutadiene-polystyrene copolymer. , Polyamide (nylon), polyvinylidene chloride, polyester, polyacrylate, polyacrylate-polyester copolymer, polyacrylate-polystyrene copolymer, polyvinyl acetate, polyurethane-polycarbonate copolymer, polyurethane-polyether copolymer, Polyurethane-polyacrylate copolymer, silicone copolymer, silicone-polyurethane copolymer, silicone-polyacrylate copolymer, polyvinylidene fluoride-polyacrylate copolymer It preferably has polyvinyl ether copolymer as a main skeleton - polyfluoro olefins. Further, a copolymer obtained by copolymerizing with other monomers based on these skeletons may be used. Among them, a polymer having a polyester skeleton (polyester-based polymer, polyester-acrylic resin-based polymer) or a polyethylene resin polymer having an ethylene skeleton is preferable.

これらの自己分散型ポリマーは、自ら合成したものを用いてもよいし、市販品を利用してもよい。市販品の一例を以下に示す。例えばアニオン性の解離性基を有する自己分散型ポリマーとしては、ポリゾール(登録商標)FP3000(ポリエステル樹脂、アニオン、コア:アクリル、シェル:ポリエステル、昭和電工社製)、バイロナール(登録商標)MD1480(ポリエステル樹脂、アニオン、東洋紡社製)、バイロナール(登録商標)MD1245(ポリエステル樹脂、アニオン、東洋紡社製)、バイロナール(登録商標)MD1500(ポリエステル樹脂、アニオン、東洋紡社製)、バイロナール(登録商標)MD2000(ポリエステル樹脂、アニオン、東洋紡社製)、バイロナール(登録商標)MD1930(ポリエステル樹脂、アニオン、東洋紡社製)、プラスコートRZ105(ポリエステル樹脂、アニオン、互応化学社製)、プラスコートRZ561(ポリエステル樹脂、アニオン、互応化学社製)、プラスコートRZ570(ポリエステル樹脂、アニオン、互応化学社製)、プラスコートRZ571(ポリエステル樹脂、アニオン、互応化学社製)、ハイテックS−9242(ポリエチレン樹脂、アニオン、東邦化学社製)等が挙げられる。   As these self-dispersing polymers, those synthesized by themselves may be used, or commercially available products may be used. An example of a commercial product is shown below. For example, as a self-dispersing polymer having an anionic dissociative group, Polysol (registered trademark) FP3000 (polyester resin, anion, core: acrylic, shell: polyester, Showa Denko), Vironal (registered trademark) MD1480 (polyester) Resin, anion, manufactured by Toyobo Co., Ltd., Vironal (registered trademark) MD1245 (polyester resin, anion, manufactured by Toyobo Co., Ltd.), Vironal (registered trademark) MD1500 (polyester resin, anion, manufactured by Toyobo Co., Ltd.), Vironal (registered trademark) MD2000 ( Polyester resin, anion, manufactured by Toyobo Co., Ltd., Vironal (registered trademark) MD 1930 (polyester resin, anion, manufactured by Toyobo Co., Ltd.), plus coat RZ105 (polyester resin, anion, manufactured by Toyobo Co., Ltd.), plus coat RZ5 1 (polyester resin, anion, manufactured by Kyoyo Chemical Co., Ltd.), Plus Coat RZ570 (polyester resin, anion, manufactured by Kyogo Chemical Co., Ltd.), Plus Coat RZ571 (polyester resin, anion, manufactured by Kyogo Chemical Co., Ltd.), Hitec S-9242 (polyethylene resin) , Anion, manufactured by Toho Chemical Co., Ltd.).

バイロナール(登録商標)は、親水性官能基を有するモノマーが少量共重合されてなる高分子量ポリエステルであり、分子末端には水酸基を有する。また、プラスコート(登録商標)はテレフタル酸を主成分とした飽和共重合ポリエステル樹脂であり、ポリマー中にハードセグメント、ソフトセグメントを含むことを特徴とする樹脂である。   Vironal (registered trademark) is a high molecular weight polyester obtained by copolymerizing a small amount of a monomer having a hydrophilic functional group, and has a hydroxyl group at the molecular end. Pluscoat (registered trademark) is a saturated copolymerized polyester resin containing terephthalic acid as a main component, and is a resin characterized by including a hard segment and a soft segment in the polymer.

また、カチオン性の解離性基を有する自己分散型ポリマーとしては、UW−319SX、UW−223SX、UW−550CS(アクリル樹脂、大成ファインケミカル社製)、リカボンド(登録商標)AW71−L,アクアテックスEC−1200,EC−1700,AC−3100,FK−854,ES−330(ポリオレフィン系、中央理化工業社製),NS−600X,NS−620X,NS−650X(アクリル樹脂、高松油脂社製)等を挙げることができる。   Examples of the self-dispersing polymer having a cationic dissociable group include UW-319SX, UW-223SX, UW-550CS (acrylic resin, manufactured by Taisei Fine Chemical Co., Ltd.), Rikabond (registered trademark) AW71-L, Aquatex EC. -1200, EC-1700, AC-3100, FK-854, ES-330 (polyolefin, manufactured by Chuo Rika Kogyo Co., Ltd.), NS-600X, NS-620X, NS-650X (acrylic resin, manufactured by Takamatsu Yushi Co., Ltd.), etc. Can be mentioned.

一方、解離性基を有さないノニオン性(非解離性)の自己分散型ポリマーとしては、モビニール(登録商標)7720(アクリル樹脂、ノニオン、日本合成化学社製)、モビニール(登録商標)7820(アクリル樹脂、ノニオン、日本合成化学社製)、リカボンド(登録商標)BA−10L、AW−18LK,AW−919,BE−812H,BE−814,BC−331(ポリオレフィン系、中央理化工業社製)等を挙げることができる。   On the other hand, as a nonionic (non-dissociable) self-dispersing polymer having no dissociable group, Movinyl (registered trademark) 7720 (acrylic resin, nonion, manufactured by Nippon Synthetic Chemical Co., Ltd.), Movinyl (registered trademark) 7820 ( Acrylic resin, nonion, manufactured by Nippon Synthetic Chemical Co., Ltd.), Ricabond (registered trademark) BA-10L, AW-18LK, AW-919, BE-812H, BE-814, BC-331 (polyolefin, manufactured by Chuo Rika Kogyo Co., Ltd.) Etc.

これらの中でも、解離性基を有するタイプの自己分散型ポリマーであることが好ましい。自己分散型ポリマーが解離性基を有することで、より最適なドメインサイズとすることができる。特に導電性高分子にPSS等のアニオン性の材料を使用する場合は、アニオン性の解離性基を有する自己分散ポリマーを用いることにより、最適かつ経時安定性に優れた中間層を得ることができる。   Among these, a self-dispersing polymer of a type having a dissociable group is preferable. When the self-dispersing polymer has a dissociable group, a more optimal domain size can be obtained. In particular, when an anionic material such as PSS is used for the conductive polymer, an optimum intermediate layer with excellent temporal stability can be obtained by using a self-dispersing polymer having an anionic dissociative group. .

(導電性高分子)
本明細書において、「導電性高分子」とは、JIS K 7194の「導電電性プラスチックの4探針法による抵抗率試験方法」に準拠した方法で測定したシート抵抗が10×Ω/cm squareより低い高分子材料をいう。
(Conductive polymer)
In this specification, “conductive polymer” means a sheet resistance of 10 × 8 Ω / cm measured by a method according to JIS K 7194 “Resistivity test method of conductive plastic by four-probe method”. It refers to a polymer material lower than 2 square.

導電性高分子は、π共役系導電性高分子とポリ陰イオンとを有してなる導電性高分子であることが好ましい。このような導電性高分子は、後述するπ共役系導電性高分子を形成する前駆体モノマー、適切な酸化剤及び酸化触媒を後述のポリ陰イオンの存在下で化学酸化重合することによって容易に製造できる。   The conductive polymer is preferably a conductive polymer having a π-conjugated conductive polymer and a polyanion. Such a conductive polymer can be easily obtained by chemical oxidative polymerization of a precursor monomer that forms a π-conjugated conductive polymer described later, an appropriate oxidizing agent, and an oxidation catalyst in the presence of a poly anion described later. Can be manufactured.

上記π共役系導電性高分子としては、特に限定されず、置換又は無置換のポリチオフェン類、ポリピロール類、ポリインドール類、ポリカルバゾール類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリフラン類、ポリパラフェニレンビニレン類、ポリアズレン類、ポリパラフェニレン類、ポリパラフェニレンサルファイド類、ポリイソチアナフテン類、ポリチアジル類等の鎖状導電性高分子を利用することができる。中でも、導電性、透明性、安定性等の観点からポリチオフェン類やポリアニリン類が好ましく、ポリチオフェン類であることがより好ましく、ポリエチレンジオキシチオフェンが最も好ましい。   The π-conjugated conductive polymer is not particularly limited, but is substituted or unsubstituted polythiophenes, polypyrroles, polyindoles, polycarbazoles, polyanilines, polyacetylenes, polyfurans, polyparaphenylene vinylenes, Chain conductive polymers such as polyazulenes, polyparaphenylenes, polyparaphenylene sulfides, polyisothianaphthenes, and polythiazyl compounds can be used. Of these, polythiophenes and polyanilines are preferable from the viewpoint of conductivity, transparency, stability, and the like, polythiophenes are more preferable, and polyethylenedioxythiophene is most preferable.

π共役系導電性高分子の形成に用いられる前駆体モノマーは、分子内にπ共役系を有し、適切な酸化剤の作用によって高分子化した際にもその主鎖にπ共役系が形成されるものである。例えば、ピロール類及びその誘導体、チオフェン類及びその誘導体、アニリン類及びその誘導体等が挙げられる。   Precursor monomers used in the formation of π-conjugated conductive polymers have a π-conjugated system in the molecule, and even when polymerized by the action of an appropriate oxidant, a π-conjugated system is formed in the main chain. It is what is done. Examples thereof include pyrroles and derivatives thereof, thiophenes and derivatives thereof, anilines and derivatives thereof, and the like.

前駆体モノマーの具体例としては、ピロール、3−メチルピロール、3−エチルピロール、3−n−プロピルピロール、3−ブチルピロール、3−オクチルピロール、3−デシルピロール、3−ドデシルピロール、3,4−ジメチルピロール、3,4−ジブチルピロール、3−カルボキシルピロール、3−メチル−4−カルボキシルピロール、3−メチル−4−カルボキシエチルピロール、3−メチル−4−カルボキシブチルピロール、3−ヒドロキシピロール、3−メトキシピロール、3−エトキシピロール、3−ブトキシピロール、3−ヘキシルオキシピロール、3−メチル−4−ヘキシルオキシピロール、チオフェン、3−メチルチオフェン、3−エチルチオフェン、3−プロピルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−ヘキシルチオフェン、3−ヘプチルチオフェン、3−オクチルチオフェン、3−デシルチオフェン、3−ドデシルチオフェン、3−オクタデシルチオフェン、3−ブロモチオフェン、3−クロロチオフェン、3−ヨードチオフェン、3−シアノチオフェン、3−フェニルチオフェン、3,4−ジメチルチオフェン、3,4−ジブチルチオフェン、3−ヒドロキシチオフェン、3−メトキシチオフェン、3−エトキシチオフェン、3−ブトキシチオフェン、3−ヘキシルオキシチオフェン、3−ヘプチルオキシチオフェン、3−オクチルオキシチオフェン、3−デシルオキシチオフェン、3−ドデシルオキシチオフェン、3−オクタデシルオキシチオフェン、3,4−ジヒドロキシチオフェン、3,4−ジメトキシチオフェン、3,4−ジエトキシチオフェン、3,4−ジプロポキシチオフェン、3,4−ジブトキシチオフェン、3,4−ジヘキシルオキシチオフェン、3,4−ジヘプチルオキシチオフェン、3,4−ジオクチルオキシチオフェン、3,4−ジデシルオキシチオフェン、3,4−ジドデシルオキシチオフェン、3,4−エチレンジオキシチオフェン、3,4−プロピレンジオキシチオフェン、3,4−ブテンジオキシチオフェン、3−メチル−4−メトキシチオフェン、3−メチル−4−エトキシチオフェン、3−カルボキシチオフェン、3−メチル−4−カルボキシチオフェン、3−メチル−4−カルボキシエチルチオフェン、3−メチル−4−カルボキシブチルチオフェン、アニリン、2−メチルアニリン、3−イソブチルアニリン、2−アニリンスルホン酸、3−アニリンスルホン酸等が挙げられる。   Specific examples of the precursor monomer include pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-ethylpyrrole, 3-n-propylpyrrole, 3-butylpyrrole, 3-octylpyrrole, 3-decylpyrrole, 3-dodecylpyrrole, 3, 4-dimethylpyrrole, 3,4-dibutylpyrrole, 3-carboxylpyrrole, 3-methyl-4-carboxylpyrrole, 3-methyl-4-carboxyethylpyrrole, 3-methyl-4-carboxybutylpyrrole, 3-hydroxypyrrole 3-methoxypyrrole, 3-ethoxypyrrole, 3-butoxypyrrole, 3-hexyloxypyrrole, 3-methyl-4-hexyloxypyrrole, thiophene, 3-methylthiophene, 3-ethylthiophene, 3-propylthiophene, 3 -Butylthiophene, 3-hexylchi Phen, 3-heptylthiophene, 3-octylthiophene, 3-decylthiophene, 3-dodecylthiophene, 3-octadecylthiophene, 3-bromothiophene, 3-chlorothiophene, 3-iodothiophene, 3-cyanothiophene, 3-phenyl Thiophene, 3,4-dimethylthiophene, 3,4-dibutylthiophene, 3-hydroxythiophene, 3-methoxythiophene, 3-ethoxythiophene, 3-butoxythiophene, 3-hexyloxythiophene, 3-heptyloxythiophene, 3- Octyloxythiophene, 3-decyloxythiophene, 3-dodecyloxythiophene, 3-octadecyloxythiophene, 3,4-dihydroxythiophene, 3,4-dimethoxythiophene, 3,4-diethoxythiol 3,4-dipropoxythiophene, 3,4-dibutoxythiophene, 3,4-dihexyloxythiophene, 3,4-diheptyloxythiophene, 3,4-dioctyloxythiophene, 3,4-didecyloxy Thiophene, 3,4-didodecyloxythiophene, 3,4-ethylenedioxythiophene, 3,4-propylenedioxythiophene, 3,4-butenedioxythiophene, 3-methyl-4-methoxythiophene, 3-methyl -4-ethoxythiophene, 3-carboxythiophene, 3-methyl-4-carboxythiophene, 3-methyl-4-carboxyethylthiophene, 3-methyl-4-carboxybutylthiophene, aniline, 2-methylaniline, 3-isobutyl Aniline, 2-aniline sulfonic acid, 3-aniline A sulfonic acid etc. are mentioned.

上記ポリ陰イオンは、置換若しくは未置換のポリアルキレン、置換若しくは未置換のポリアルケニレン、置換若しくは未置換のポリイミド、置換若しくは未置換のポリアミド、置換若しくは未置換のポリエステル、及びこれらの共重合体であって、アニオン性基を有する構成単位とアニオン性基を有さない構成単位とからなるものであることが好ましい。   The poly anion is a substituted or unsubstituted polyalkylene, a substituted or unsubstituted polyalkenylene, a substituted or unsubstituted polyimide, a substituted or unsubstituted polyamide, a substituted or unsubstituted polyester, and a copolymer thereof. And it is preferable that it consists of a structural unit which has an anionic group, and a structural unit which does not have an anionic group.

導電性高分子において、ポリ陰イオンは、π共役系導電性高分子を溶媒に可溶化させる機能を有する。また、ポリ陰イオンのアニオン性基は、π共役系導電性高分子に対するドーパントとして機能して、π共役系導電性高分子の導電性と耐熱性を向上させうる。   In the conductive polymer, the poly anion has a function of solubilizing the π-conjugated conductive polymer in a solvent. Further, the anionic group of the polyanion functions as a dopant for the π-conjugated conductive polymer, and can improve the conductivity and heat resistance of the π-conjugated conductive polymer.

ポリ陰イオンのアニオン性基としては、π共役系導電性高分子への化学酸化ドープが起こりうる官能基であればよいが、中でも、製造の容易さ及び安定性の観点から、一置換硫酸エステル基、一置換リン酸エステル基、リン酸基、カルボキシル基、スルホ基等が好ましい。さらに、官能基のπ共役系導電性高分子へのドープ効果の観点より、スルホ基、一置換硫酸エステル基、カルボキシル基がより好ましい。   The anionic group of the polyanion may be any functional group that can undergo chemical oxidation doping to the π-conjugated conductive polymer. Among them, from the viewpoint of ease of production and stability, a monosubstituted sulfate ester Group, monosubstituted phosphate group, phosphate group, carboxyl group, sulfo group and the like are preferable. Furthermore, from the viewpoint of the doping effect of the functional group on the π-conjugated conductive polymer, a sulfo group, a monosubstituted sulfate group, and a carboxyl group are more preferable.

ポリ陰イオンの具体例としては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリル酸エチルスルホン酸、ポリアクリル酸ブチルスルホン酸、ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリスチレンカルボン酸、ポリアリルカルボン酸、ポリアクリルカルボン酸、ポリメタクリルカルボン酸、ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンカルボン酸、ポリイソプレンカルボン酸、ポリアクリル酸等が挙げられる。また、これらは単独重合体であってもよいし、上記2種以上の共重合体であってもよい。   Specific examples of polyanions include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyallyl sulfonic acid, polyacrylic acid ethyl sulfonic acid, polyacrylic acid butyl sulfonic acid, poly-2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, poly Isoprene sulfonic acid, polyvinyl carboxylic acid, polystyrene carboxylic acid, polyallyl carboxylic acid, polyacryl carboxylic acid, polymethacryl carboxylic acid, poly-2-acrylamido-2-methylpropane carboxylic acid, polyisoprene carboxylic acid, polyacrylic acid, etc. Can be mentioned. Further, these may be homopolymers or the above two or more kinds of copolymers.

また、ポリ陰イオンは、化合物内にさらにF(フッ素原子)を有してもよい。具体的には、パーフルオロスルホン酸基を含有するナフィオン(登録商標)(Dupont社製)、カルボン酸基を含有するパーフルオロ型ビニルエーテルからなるフレミオン(登録商標)(旭硝子社製)等を挙げることができる。   The polyanion may further have F (fluorine atom) in the compound. Specifically, Nafion (registered trademark) containing a perfluorosulfonic acid group (manufactured by Dupont), Flemion (registered trademark) made of perfluoro vinyl ether containing a carboxylic acid group (made by Asahi Glass Co., Ltd.), etc. Can do.

これらのポリ陰イオンうち、スルホン酸基を有する化合物を用いる場合、導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含有する層を塗布、乾燥することによって形成した後に、マイクロ波を照射する前に100〜120℃で5分以上の加熱乾燥処理を施してもよい。   Among these polyanions, when a compound having a sulfonic acid group is used, it is formed by applying and drying a layer containing a conductive polymer and a self-dispersing polymer, and then before irradiation with microwaves. You may heat-dry for 5 minutes or more at 120 degreeC.

さらに、これらのポリ陰イオン中でも、高い導電性が得られるポリスチレンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸、ポリアクリル酸エチルスルホン酸、ポリアクリル酸ブチルスルホン酸が好ましい。   Furthermore, among these poly anions, polystyrene sulfonic acid, polyisoprene sulfonic acid, polyacrylic acid ethyl sulfonic acid, and polybutyl acrylate sulfonic acid that can obtain high conductivity are preferable.

ポリ陰イオンの重合度は、10〜100000であることが好ましく、溶媒溶解性及び導電性の点からは、50〜10000の範囲であることがより好ましい。当該重合度はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定(確認)することができる。   The polymerization degree of the polyanion is preferably 10 to 100,000, and more preferably in the range of 50 to 10,000 from the viewpoint of solvent solubility and conductivity. The degree of polymerization can be measured (confirmed) by gel permeation chromatography (GPC).

ポリ陰イオンの製造方法としては、例えば、酸を用いてアニオン性基を有しないポリマーにアニオン性基を直接導入する方法、アニオン性基を有しないポリマーをスルホ化剤によりスルホン酸化する方法、アニオン性基含有重合性モノマーの重合により製造する方法等が挙げられる。   Examples of the method for producing a polyanion include a method of directly introducing an anionic group into a polymer having no anionic group using an acid, a method of sulfonating a polymer having no anionic group with a sulfonating agent, an anion And a method of producing the polymerizable group-containing polymerizable monomer by polymerization.

より詳しくは、アニオン性基含有重合性モノマーの重合により製造する方法は、溶媒中、アニオン性基含有重合性モノマーを、酸化剤及び/又は重合触媒の存在下で、酸化重合又はラジカル重合によって製造する方法が挙げられる。具体的には、所定量のアニオン性基含有重合性モノマーを溶媒に溶解させ、これを一定温度に保ち、それに予め溶媒に所定量の酸化剤及び/又は重合触媒を溶解した溶液を添加し、所定時間で反応させる。その反応により得られたポリマーは溶媒によって一定の濃度に調整される。この製造方法において、アニオン性基含有重合性モノマーにアニオン性基を有さない重合性モノマーを共重合させてもよい。   More specifically, in the method for producing an anionic group-containing polymerizable monomer by polymerization, the anionic group-containing polymerizable monomer is produced by oxidative polymerization or radical polymerization in a solvent in the presence of an oxidizing agent and / or a polymerization catalyst. The method of doing is mentioned. Specifically, a predetermined amount of the anionic group-containing polymerizable monomer is dissolved in a solvent, this is maintained at a constant temperature, and a solution in which a predetermined amount of an oxidizing agent and / or a polymerization catalyst is dissolved in the solvent is added to the solvent. The reaction is performed for a predetermined time. The polymer obtained by the reaction is adjusted to a certain concentration by the solvent. In this production method, a polymerizable monomer having no anionic group may be copolymerized with the anionic group-containing polymerizable monomer.

得られたポリマーがポリ陰イオン塩である場合には、ポリ陰イオン酸に変質させることが好ましい。ポリ陰イオン酸に変質させる方法としては、イオン交換樹脂を用いたイオン交換法、透析法、限外濾過法等が挙げられ、これらの中でも、作業が容易な点から限外濾過法が好ましい。   When the obtained polymer is a polyanionic salt, it is preferably transformed into a polyanionic acid. Examples of the method for transforming into polyanionic acid include ion exchange method using an ion exchange resin, dialysis method, ultrafiltration method and the like, and among these, ultrafiltration method is preferable from the viewpoint of easy work.

導電性高分子に含まれるπ共役系導電性高分子とポリ陰イオンの比率「π共役系導電性高分子」:「ポリ陰イオン」は質量比で1:1〜20が好ましい。導電性、分散性の観点からより好ましくは1:2〜10の範囲である。   Ratio of π-conjugated conductive polymer and polyanion contained in conductive polymer “π-conjugated conductive polymer”: “polyanion” is preferably 1: 1 to 20 in mass ratio. From the viewpoint of conductivity and dispersibility, the range of 1: 2 to 10 is more preferable.

π共役系導電性高分子を形成する前駆体モノマーをポリ陰イオンの存在下で化学酸化重合して、本発明に係る導電性高分子を得る際に使用される酸化剤は、例えばJ.Am.Soc.,85、454(1963)に記載されるピロールの酸化重合に適する、いずれかの酸化剤であることが好ましい。実際的な理由のために、安価でかつ取扱い易い酸化剤、例えば鉄(III)塩、例えばFeCl、Fe(ClO、有機酸及び有機残基を含む無機酸の鉄(III)塩、又は過酸化水素、重クロム酸カリウム、過硫酸アルカリ(例えば過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム)又はアンモニウム、過ホウ酸アルカリ、過マンガン酸カリウム及び銅塩例えば四フッ化ホウ酸銅を用いることが好ましい。加えて、酸化剤として随時触媒量の金属イオン、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン又はバナジウムイオン等の存在下における空気又は酸素も使用することができる。過硫酸塩、ならびに有機酸及び有機残基を含む無機酸の鉄(III)塩は腐食性でないためこれらを使用することが好ましい。 Examples of the oxidizing agent used for obtaining the conductive polymer according to the present invention by chemical oxidative polymerization of a precursor monomer that forms a π-conjugated conductive polymer in the presence of a polyanion include, for example, J. Org. Am. Soc. 85, 454 (1963), and is preferably any oxidizing agent suitable for oxidative polymerization of pyrrole. For practical reasons, cheap and easy to handle oxidants, such as iron (III) salts, eg FeCl 3 , Fe (ClO 4 ) 3 , organic acids and iron (III) salts of inorganic acids containing organic residues Or use hydrogen peroxide, potassium dichromate, alkali persulfate (eg potassium persulfate, sodium persulfate) or ammonium, alkali perborate, potassium permanganate and copper salts such as copper tetrafluoroborate preferable. In addition, air or oxygen in the presence of catalytic amounts of metal ions, such as iron, cobalt, nickel, molybdenum or vanadium ions, can be used as an oxidizing agent. Persulfates and the iron (III) salts of inorganic acids containing organic acids and organic residues are not corrosive and are preferably used.

有機残基を含む無機酸の鉄(III)塩の例としては、炭素数1〜20のアルカノールの硫酸半エステルの鉄(III)塩、例えばラウリル硫酸;炭素数1〜20のアルキルスルホン酸、例えばメタンスルホン酸又はドデカンスルホン酸;脂肪族炭素数1〜20のカルボン酸、例えば2−エチルヘキシルカルボン酸;脂肪族パーフルオロカルボン酸、例えばトリフルオロ酢酸及びパーフルオロオクタノン酸;脂肪族ジカルボン酸、例えばシュウ酸;並びに殊に芳香族の、随時炭素数1〜20のアルキル置換されたスルホン酸、例えばベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸及びドデシルベンゼンスルホン酸のFe(III)塩;等が挙げられる。   Examples of iron (III) salts of inorganic acids containing organic residues include iron (III) salts of sulfuric acid half esters of alkanols having 1 to 20 carbon atoms, such as lauryl sulfate; alkyl sulfonic acids having 1 to 20 carbon atoms, For example, methanesulfonic acid or dodecanesulfonic acid; carboxylic acid having 1 to 20 aliphatic carbon atoms such as 2-ethylhexylcarboxylic acid; aliphatic perfluorocarboxylic acid such as trifluoroacetic acid and perfluorooctanoic acid; aliphatic dicarboxylic acid; For example oxalic acid; and especially aromatic, optionally substituted alkyl sulfonic acids having 1 to 20 carbon atoms, such as Fe (III) salts of benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid and dodecylbenzenesulfonic acid; It is done.

これらの導電性高分子は、市販の材料も好ましく利用できる。例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸からなる導電性高分子(PEDOT−PSSと略す)が、H.C.Starck社からClevios(登録商標)シリーズとして、Aldrich社からPEDOT−PSSの483095、560596として、Nagase Chemtex社からDenatronシリーズとして市販されている。また、ポリアニリンが、日産化学社からORMECON(登録商標)シリーズとして市販されている。   Commercially available materials can be preferably used for these conductive polymers. For example, a conductive polymer (abbreviated as PEDOT-PSS) made of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and polystyrenesulfonic acid is H.264. C. It is commercially available from Starck as the Clevios® series, from Aldrich as PEDOT-PSS 483095, 560596, from Nagase Chemtex as the Denatron series. Polyaniline is commercially available from Nissan Chemical as the ORMECON (registered trademark) series.

導電性高分子は、更なる導電性の向上を目的として、第二のドーパントとして有機化合物を含有してもよい。本発明で用いることができる有機化合物には特に制限はなく、公知のものの中から適宜選択することができ、例えば、酸素含有化合物が好適に挙げられる。酸素含有化合物としては、酸素を含有する限り特に制限はなく、例えば、ヒドロキシ基含有化合物、カルボニル基含有化合物、エーテル基含有化合物、スルホキシド基含有化合物等が挙げられる。ヒドロキシ基含有化合物としては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,4−ブタンジオール、グリセリン等が挙げられ、これらの中でも、エチレングリコール、ジエチレングリコールが好ましい。カルボニル基含有化合物としては、例えば、イソホロン、プロピレンカーボネート、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。エーテル基含有化合物としては、例えば、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等が挙げられる。スルホキシド基含有化合物としては、例えば、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。これらのうち、ジメチルスルホキシド、エチレングリコール、ジエチレングリコールから選ばれる少なくとも1種を用いることが好ましい。また、これらは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。   The conductive polymer may contain an organic compound as the second dopant for the purpose of further improving the conductivity. There is no restriction | limiting in particular in the organic compound which can be used by this invention, It can select suitably from well-known things, For example, an oxygen containing compound is mentioned suitably. The oxygen-containing compound is not particularly limited as long as it contains oxygen, and examples thereof include a hydroxy group-containing compound, a carbonyl group-containing compound, an ether group-containing compound, and a sulfoxide group-containing compound. Examples of the hydroxy group-containing compound include ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, trimethylene glycol, 1,4-butanediol, glycerin and the like. Among these, ethylene glycol and diethylene glycol are preferable. Examples of the carbonyl group-containing compound include isophorone, propylene carbonate, cyclohexanone, γ-butyrolactone, and the like. Examples of the ether group-containing compound include diethylene glycol monoethyl ether. Examples of the sulfoxide group-containing compound include dimethyl sulfoxide. Among these, it is preferable to use at least one selected from dimethyl sulfoxide, ethylene glycol, and diethylene glycol. Moreover, these may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.

透明導電層は、上述のような自己分散型ポリマーを含むが、さらに導電性高分子の導電性増強効果を有するジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)等の極性溶媒、水酸基含有非導電性高分子等を含むことができる。これにより、高い導電性、高い透明性、耐水性、平滑性を同時に満たすことができる。   The transparent conductive layer contains a self-dispersing polymer as described above, but also has a polar solvent such as dimethyl sulfoxide (DMSO) and N, N-dimethylformamide (DMF), which has a conductivity enhancing effect on the conductive polymer, a hydroxyl group A contained non-conductive polymer can be included. Thereby, high electroconductivity, high transparency, water resistance, and smoothness can be satisfy | filled simultaneously.

透明な非導電性高分子としては、天然高分子樹脂又は合成高分子樹脂から広く選択して使用することができ、水溶性高分子又は水性高分子エマルジョンが特に好ましい。水溶性高分子としては、天然高分子のデンプン、ゼラチン、寒天等、半合成高分子のヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体、合成高分子のポリビニルアルコール、ポリアクリル酸系高分子、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン等が挙げられる。水性高分子エマルションとしては、アクリル系樹脂(アクリルシリコン変性樹脂、フッ素変性アクリル樹脂、ウレタン変性アクリル樹脂、エポキシ変性アクリル樹脂等)、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂等が挙げられる。   As the transparent non-conductive polymer, a natural polymer resin or a synthetic polymer resin can be widely selected and used, and a water-soluble polymer or an aqueous polymer emulsion is particularly preferable. Examples of water-soluble polymers include natural polymers such as starch, gelatin, and agar, semi-synthetic polymers such as hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, and hydroxyethylcellulose, cellulose derivatives, synthetic polymers such as polyvinyl alcohol, and polyacrylic acid polymers. , Polyacrylamide, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone and the like. Examples of the aqueous polymer emulsion include acrylic resins (acrylic silicon-modified resins, fluorine-modified acrylic resins, urethane-modified acrylic resins, epoxy-modified acrylic resins, etc.), polyester resins, urethane resins, vinyl acetate resins, and the like.

また、合成高分子樹脂としては、透明な熱可塑性樹脂(例えば、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、フッ化ビニリデン)や、熱・光・電子線・放射線で硬化する透明硬化性樹脂(例えば、メラミンアクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル変性シリケート等のシリコーン樹脂)を使用することができる。また、下記のポリマー(A)も好ましい第二のドーパントとなる合成高分子樹脂である。   In addition, as the synthetic polymer resin, a transparent thermoplastic resin (for example, polyvinyl chloride, vinyl chloride-vinyl acetate copolymer, polymethyl methacrylate, nitrocellulose, chlorinated polyethylene, chlorinated polypropylene, vinylidene fluoride) A transparent curable resin (for example, melamine acrylate, urethane acrylate, epoxy resin, polyimide resin, silicone resin such as acrylic-modified silicate) that can be cured by heat, light, electron beam, or radiation can be used. The following polymer (A) is also a synthetic polymer resin that is a preferred second dopant.

本形態において、導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む透明導電層を形成する方法は特に制限はないが、一例を挙げると、実施例に示すように導電性高分子、自己分散型ポリマーを水系溶媒に分散した塗布液を調製し、これを塗布、乾燥することにより形成することができる。   In this embodiment, a method for forming a transparent conductive layer containing a conductive polymer and a self-dispersing polymer is not particularly limited. However, as an example, a conductive polymer and a self-dispersing polymer are formed as shown in the examples. It can be formed by preparing a coating solution dispersed in an aqueous solvent, coating and drying the coating solution.

水系溶媒としては、水を50体積%以上含む溶媒であれば特に制限されず、純水(蒸留水、脱イオン水を含む)以外にも、酸、アルカリ、塩等を含む水溶液、親水性の有機溶媒等を含んでいてもよい。具体的には、純水(蒸留水、脱イオン水を含む)、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒、ジメチルスルホキシド(DMSO)、DMF、ヘキサメチルホスホルアミド(HMPA)などの非プロトン性水溶性有機溶媒、水とアルコール系溶媒又は非プロトン性水溶性有機溶媒との混合溶媒等が挙げられる。   The aqueous solvent is not particularly limited as long as it contains 50% by volume or more of water. Besides pure water (including distilled water and deionized water), an aqueous solution containing acid, alkali, salt, etc., hydrophilic An organic solvent or the like may be contained. Specifically, pure water (including distilled water and deionized water), alcohol solvents such as methanol and ethanol, aprotic water-soluble such as dimethyl sulfoxide (DMSO), DMF, hexamethylphosphoramide (HMPA) Examples thereof include organic solvents, mixed solvents of water and alcohol solvents or aprotic water-soluble organic solvents.

塗布液中に含まれる導電性高分子と、自己分散型ポリマーとの配合比は、特に制限はないが、得られる中間層の透明性と導電性の両立の観点から、質量比で10:90〜90:10であることが好ましく、25:75〜75:25であることがより好ましい。   The compounding ratio of the conductive polymer contained in the coating solution and the self-dispersing polymer is not particularly limited, but is 10:90 by mass from the viewpoint of achieving both transparency and conductivity of the resulting intermediate layer. It is preferable that it is -90: 10, and it is more preferable that it is 25: 75-75: 25.

また、塗布液に含まれる水系溶媒の割合は、塗布液の安定性の観点から全固形分濃度(導電性高分子及び自己分散型ポリマー、並びに任意に添加される他の成分を含む全ての固形分濃度)は2〜20質量%であることが好ましく、5〜15質量%であることがより好ましい。であることがより好ましい。   In addition, the ratio of the aqueous solvent contained in the coating liquid is determined from the viewpoint of the stability of the coating liquid in terms of the total solid concentration (conducting polymer and self-dispersing polymer, and all solids including other components optionally added). The fractional concentration) is preferably 2 to 20% by mass, and more preferably 5 to 15% by mass. It is more preferable that

当該塗布液のpHは、高い導電性を示す範囲であることが望ましく、具体的には0.1〜4.0が好ましく、より好ましくは0.5〜3.0であり、さらに好ましくは1.0〜2.0である。   The pH of the coating solution is desirably within a range exhibiting high conductivity, specifically, preferably 0.1 to 4.0, more preferably 0.5 to 3.0, and even more preferably 1. 0.0-2.0.

また、当該塗布液は、有機薄膜太陽電池の耐久性の観点から、界面活性剤(乳化剤)や造膜温度をコントロールする可塑剤等は含まないことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said coating liquid does not contain a plasticizer etc. which control surfactant (emulsifier) and film forming temperature from a durable viewpoint of an organic thin-film solar cell.

塗布液を塗布する方法は特に制限はないが、キャスト法、スピンコート法、ブレードコーティング法、ワイヤーバーコーティング法、グラビアコート法、スプレーコーティング法、ディッピング(浸漬)コーティング法、ビードコーティング法、エアーナイフコーティング法、カーテンコーティング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法等の印刷法、Langmuir−Blodgett(LB)法等の通常の方法を用いることができる。中でも、スピンコート法、ブレードコーティング法を用いることが特に好ましい。また、塗布の際の塗布液及び/又は塗布面の温度は、特に制限はないが、塗布・乾燥時の温度変動による析出、ムラを防ぐといった観点から、好ましくは20〜80℃であり、より好ましくは50〜70℃である。さらに、乾燥の具体的な形態についても特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。乾燥(加熱処理)条件の一例を挙げると50〜120℃程度の温度で、1〜20分間程度といった条件が例示される。乾燥に使用する装置としては、ホットプレート、温風乾燥、赤外線ヒーター、マイクロウエーブ、真空乾燥機等が挙げられるが、これ以外の乾燥装置を用いることも勿論可能である。   The method for applying the coating solution is not particularly limited, but the casting method, spin coating method, blade coating method, wire bar coating method, gravure coating method, spray coating method, dipping (dipping) coating method, bead coating method, air knife Ordinary methods such as a coating method, a curtain coating method, an ink jet method, a screen printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, an offset printing method, a flexographic printing method, and a Langmuir-Blodgett (LB) method may be used. it can. Among these, it is particularly preferable to use a spin coating method or a blade coating method. Further, the temperature of the coating liquid and / or the coating surface during coating is not particularly limited, but is preferably 20 to 80 ° C. from the viewpoint of preventing precipitation and unevenness due to temperature fluctuations during coating and drying. Preferably it is 50-70 degreeC. Furthermore, there is no restriction | limiting in particular also about the specific form of drying, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. An example of drying (heat treatment) conditions is exemplified by conditions of about 50 to 120 ° C. and about 1 to 20 minutes. Examples of the apparatus used for drying include a hot plate, hot air drying, an infrared heater, a microwave, and a vacuum dryer. Of course, other drying apparatuses can be used.

(金属グリッド)
本発明における中間層は、金属又は金属酸化物からなる金属グリッド(「金属細線」」、「金属細線パターン」とも称される)をさらに有していてもよい。中間層中に金属グリッドを有することにより中間層の導電性が向上し、より高い曲線因子及び光電変換効率が得られうる。特に素子のサイズが大きい場合や並列接続のタンデム型素子の際に有用である。なお、これらの金属グリッドを中間層に配置する場合は、図3及び4のように第一の光電変換層24a及び第一の電子輸送層28aを形成した後、導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む透明導電層26を形成する前に金属グリッド25を形成することが好ましい。金属グリッドの金属細線パターンは、パターンとパターンとの間が空隙であるため、これらの間を導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む透明導電層26が埋めるような素子構成となることが好ましい。
(Metal grid)
The intermediate layer in the present invention may further include a metal grid (also referred to as “metal fine line” or “metal fine line pattern”) made of metal or metal oxide. By having a metal grid in the intermediate layer, the conductivity of the intermediate layer is improved, and a higher fill factor and photoelectric conversion efficiency can be obtained. This is particularly useful when the element size is large or in the case of tandem elements connected in parallel. In addition, when arrange | positioning these metal grids to an intermediate | middle layer, after forming the 1st photoelectric converting layer 24a and the 1st electron carrying layer 28a like FIG.3 and 4, a conductive polymer and a self-dispersion type | mold are used. It is preferable to form the metal grid 25 before forming the transparent conductive layer 26 containing a polymer. Since the metal fine line pattern of the metal grid has a gap between the patterns, it is preferable to have an element configuration in which a transparent conductive layer 26 containing a conductive polymer and a self-dispersing polymer is filled between the patterns. .

金属グリッドの材料としては、金属又は金属酸化物であるが、導電性の観点から金属が好ましい。金属としては、例えば、金、銀、銅、鉄、ニッケル、クロム等が挙げられるが、導電性の観点から好ましくは金、銀、銅であり、銀が最も好ましい。またこれらの金属を含む合金でもよく、金属パターンは単層でも複数の層が積層されていてもよい。細線パターンの形状に特に制限はないが、例えば、ストライプ状、あるいはメッシュ状等が挙げられ、電極の導電性及び透明性の観点から決めることができる。   The material of the metal grid is a metal or a metal oxide, but a metal is preferable from the viewpoint of conductivity. Examples of the metal include gold, silver, copper, iron, nickel, and chromium. From the viewpoint of conductivity, gold, silver, and copper are preferable, and silver is most preferable. An alloy containing these metals may be used, and the metal pattern may be a single layer or a plurality of layers laminated. Although there is no restriction | limiting in particular in the shape of a thin wire | line pattern, For example, stripe shape or mesh shape etc. are mentioned, It can determine from a viewpoint of the electroconductivity and transparency of an electrode.

金属グリッドは、金属又は金属酸化物のナノ粒子(以下、それぞれ「金属ナノ粒子」、「金属酸化物ナノ粒子」とも称する)を用いて形成されうる。本明細書において金属ナノ粒子又は金属酸化物ナノ粒子とは、粒子径が原子スケールからnmサイズの微粒子状の金属又は金属酸化物のことをいう。金属ナノ粒子又は金属酸化物ナノ粒子の平均粒径は10〜300nmであることが好ましく、30〜200nmであることがより好ましい。金属ナノ粒子に用いられる金属としては、導電性の観点から銀又は銅が好ましく、銀又は銅単独でもよいし、それぞれの組合せでもよく、銀と銅との合金、銀を銅でめっきしたものや、銅を銀でめっきしたものであってもよい。   The metal grid may be formed using metal or metal oxide nanoparticles (hereinafter also referred to as “metal nanoparticles” and “metal oxide nanoparticles”, respectively). In this specification, a metal nanoparticle or a metal oxide nanoparticle means a metal or metal oxide in the form of fine particles having a particle diameter of from atomic scale to nm size. The average particle size of the metal nanoparticles or metal oxide nanoparticles is preferably 10 to 300 nm, and more preferably 30 to 200 nm. The metal used for the metal nanoparticles is preferably silver or copper from the viewpoint of conductivity, may be silver or copper alone, or may be a combination of them, an alloy of silver and copper, or silver plated with copper. Alternatively, copper plated with silver may be used.

金属ナノ粒子又は金属酸化物ナノ粒子は、粒子径の短径がnmサイズであれば、形状として粒子状であってもよく、ロッド状やワイヤ状であってもよい。一般に、ナノワイヤとは、金属元素を主要な構成要素とする、原子スケールからnmサイズの直径を有する線状構造体のことをいう。   The metal nanoparticles or metal oxide nanoparticles may have a particle shape, a rod shape, or a wire shape as long as the minor axis of the particle diameter is nm size. In general, a nanowire refers to a linear structure having a diameter from the atomic scale to the nm size, which contains a metal element as a main component.

金属グリッドに金属ナノワイヤ又は金属酸化物ナノワイヤを用いる場合、1つのナノワイヤで長い導電パスを形成するために、平均長さが3μm以上であることが好ましく、3〜500μmであることがより好ましく、3〜300μmであることがさらに好ましい。また、長さの相対標準偏差は40%以下であることが好ましい。また、平均短径には特に制限はなく、透明性の観点から小さいことが好ましいが、導電性の観点からはある程度大きい方が好ましい。したがって、金属ナノワイヤ又は金属酸化物ナノワイヤの平均短径は10〜300nmであることが好ましく、30〜200nmであることがより好ましい。また、短径の相対標準偏差は20%以下であることが好ましい。金属グリッドの金属ナノワイヤ又は金属酸化物ナノワイヤは相互に接触していることが好ましく、さらにメッシュ状に接触していることが好ましい。金属ナノワイヤ又は金属酸化物ナノワイヤを相互に接触、又はメッシュ状に接触させた金属グリッドは、上記の液相成膜法を用いれば容易に得ることができる。   When using metal nanowires or metal oxide nanowires for the metal grid, in order to form a long conductive path with one nanowire, the average length is preferably 3 μm or more, more preferably 3 to 500 μm. More preferably, it is -300 micrometers. The relative standard deviation of the length is preferably 40% or less. Moreover, there is no restriction | limiting in particular in an average minor axis, Although it is preferable that it is small from a viewpoint of transparency, the one where it is somewhat large is preferable from a viewpoint of electroconductivity. Therefore, the average minor axis of the metal nanowire or metal oxide nanowire is preferably 10 to 300 nm, and more preferably 30 to 200 nm. The relative standard deviation of the minor axis is preferably 20% or less. The metal nanowires or metal oxide nanowires of the metal grid are preferably in contact with each other, and more preferably in mesh form. A metal grid in which metal nanowires or metal oxide nanowires are brought into contact with each other or meshed can be easily obtained by using the above liquid phase film forming method.

本発明において金属ナノワイヤ又は金属酸化物ナノワイヤの製造手段には特に制限はなく、例えば、液相法や気相法等の公知の手段を用いることができる。また、具体的な製造方法にも特に制限はなく、公知の製造方法を用いることができる。例えば、銀ナノワイヤの製造方法としては、Adv.Mater.,2002,14,833〜837;Chem.Mater.,2002,14,4736〜4745、銅ナノワイヤの製造方法としては特開2002−266007号公報等を参考にすることができる。上記銀ナノワイヤの製造方法によると、水溶液中で簡便に銀ナノワイヤを製造することができることから当該製造を適用することが好ましい。   In the present invention, the means for producing the metal nanowire or metal oxide nanowire is not particularly limited, and for example, a known means such as a liquid phase method or a gas phase method can be used. Moreover, there is no restriction | limiting in particular in a specific manufacturing method, A well-known manufacturing method can be used. For example, as a method for producing silver nanowires, Adv. Mater. , 2002, 14, 833-837; Chem. Mater. 2002, 14, 4736-4745, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-266007 as a method for producing copper nanowires. According to the method for producing silver nanowires, it is preferable to apply the production because silver nanowires can be produced easily in an aqueous solution.

金属グリッドを含む中間層の形成方法としては、まず中間層のすぐ下に位置する機能層の上に金属グリッド25として、金属又は金属酸化物からなる細線パターンを形成する。細線パターンは、金属又は金属酸化物粒子とバインダーとからなる分散液を塗布、乾燥して膜形成した後、エッチング等によりパターニングすることにより形成されうる。また、銀塩法により、ハロゲン化銀分散液を塗布、乾燥して膜形成した後、露光、現像処理を行いパターン形成してもよい。これらの膜形成方法としては、液相成膜法であれば特に制限はない。具体的には、ロールコート法、バーコート法、ディップコーティング法、スピンコーティング法、キャスティング法、ダイコート法、ブレードコート法、バーコート法、グラビアコート法、カーテンコート法、スプレーコート法、ドクターコート法、インクジェット法等の塗布法を用いることができる。さらに、金属又は金属酸化物ナノ粒子の分散液を用い、スプレーコート法やインクジェット法、グラビアコート法、フレキソ印刷法により、あるいはマスクを用いて、直接パターン形成してもよい。なお、細線形状は、使用する金属ナノ粒子又は金属酸化物ナノ粒子の分散液の濃度及び粘度や、版の断面形状を変えることにより調整することができる。   As a method for forming an intermediate layer including a metal grid, first, a fine line pattern made of metal or metal oxide is formed as a metal grid 25 on a functional layer located immediately below the intermediate layer. The fine line pattern can be formed by applying a dispersion liquid composed of metal or metal oxide particles and a binder and drying to form a film, followed by patterning by etching or the like. Alternatively, a silver halide dispersion may be applied and dried to form a film by a silver salt method, followed by exposure and development to form a pattern. These film forming methods are not particularly limited as long as they are liquid phase film forming methods. Specifically, roll coating method, bar coating method, dip coating method, spin coating method, casting method, die coating method, blade coating method, bar coating method, gravure coating method, curtain coating method, spray coating method, doctor coating method A coating method such as an ink jet method can be used. Further, a pattern may be formed directly using a dispersion of metal or metal oxide nanoparticles by a spray coating method, an inkjet method, a gravure coating method, a flexographic printing method, or using a mask. The fine line shape can be adjusted by changing the concentration and viscosity of the dispersion of the metal nanoparticles or metal oxide nanoparticles used and the cross-sectional shape of the plate.

金属グリッド25を形成後、パターン形成された金属細線層を被覆するように、導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む分散液を塗布、乾燥して透明導電層26を形成する。この際の具体的な方法としては、上述の液相成膜法を用いることができる。   After forming the metal grid 25, a transparent conductive layer 26 is formed by applying and drying a dispersion containing a conductive polymer and a self-dispersing polymer so as to cover the patterned thin metal wire layer. As a specific method in this case, the above-described liquid phase film forming method can be used.

本形態の中間層を、このような金属グリッド及び透明導電層からなる積層構造とすることにより、金属グリッド又は透明導電層単独では得ることのできない高い導電性を、電極面内において均一に得ることができる。   By making the intermediate layer of this embodiment a laminated structure composed of such a metal grid and a transparent conductive layer, high conductivity that cannot be obtained by the metal grid or the transparent conductive layer alone can be obtained uniformly in the electrode plane. Can do.

金属グリッドにおける細線同士の距離(線幅W)は、通常20〜200μmであるが、好ましくは40〜120μmであり、より好ましくは40〜80μmである。細線の線幅が20μm以上であると、所望の導電性が得られうる。一方、線幅が200μm以下であると、所望の透明性が得られうる。また、細線の高さHは、通常0.1〜2.0μmであるが、好ましくは0.2〜1.5μmであり、より好ましくは0.3〜1.0μmである。細線の高さが0.1μm以上であると、所望の導電性が得らうる。一方、細線の高さHが2μm以下であると素子の製造の際に、電流リークや各機能層の膜厚分布不良の問題が起こりにくい。さらに細線のアスペクト比H/Wは、通常0.001〜0.1であるが、好ましくは0.01〜0.03である。細線のアスペクト比が0.001以上であると所望の導電性が得られうる。一方、細線のアスペクト比が0.1以下であると素子の性能低下が生じにくい。さらに、基板と垂直方向の細線の断面の断面積をSとし、S/(W×H)で表される断面形状係数は、通常0.6〜0.9であるが、好ましくは0.7〜0.8である。断面形状係数が、0.6より小さいと細線の断面形状が錐に近く、また0.9より大きいと矩形に近くなるが、0.6〜0.9の範囲であると、細線エッジ部での電流リークが起こりにくく素子の不良が生じにくい。   Although the distance (line | wire width W) of the thin wires in a metal grid is 20-200 micrometers normally, Preferably it is 40-120 micrometers, More preferably, it is 40-80 micrometers. When the line width of the fine line is 20 μm or more, desired conductivity can be obtained. On the other hand, when the line width is 200 μm or less, desired transparency can be obtained. Moreover, although the height H of a thin wire | line is 0.1-2.0 micrometers normally, Preferably it is 0.2-1.5 micrometers, More preferably, it is 0.3-1.0 micrometer. When the height of the fine wire is 0.1 μm or more, desired conductivity can be obtained. On the other hand, when the height H of the thin wire is 2 μm or less, problems such as current leakage and poor film thickness distribution of each functional layer are unlikely to occur during device manufacture. Further, the aspect ratio H / W of the fine wire is usually 0.001 to 0.1, preferably 0.01 to 0.03. When the aspect ratio of the fine line is 0.001 or more, desired conductivity can be obtained. On the other hand, when the aspect ratio of the thin line is 0.1 or less, the performance of the element is hardly deteriorated. Furthermore, the cross-sectional area of the cross section of the fine wire in the direction perpendicular to the substrate is S, and the cross-sectional shape factor represented by S / (W × H) is usually 0.6 to 0.9, preferably 0.7. ~ 0.8. If the cross-sectional shape factor is smaller than 0.6, the cross-sectional shape of the fine line is close to a cone, and if it is larger than 0.9, it is close to a rectangle, but if it is in the range of 0.6 to 0.9, Current leakage is less likely to occur, and device defects are less likely to occur.

金属グリッドを形成した後、適宜乾燥、熱処理を施すことができる。乾燥処理の条件は特に制限はないが、基板や金属グリッドが損傷しない範囲の温度で乾燥処理することが好ましい。例えば、80℃から120℃で10秒から10分の乾燥処理をすることができる。本発明において、乾燥終了後、さらに熱処理を行うことで、金属グリッドの導電性を著しく向上することができ、素子性能が向上する。さらに、金属グリッドの耐擦過性や耐水性、隣接する層との接着性を向上することができる。熱処理は、50℃以上の温度で、5分間以上行うことが好ましく、50℃未満では導電性向上効果が小さくなりうる。また、120℃を超える温度であっても、基板や金属グリッドが損傷しない範囲で、例えば0.001秒から数秒の処理を行ってもよい。熱処理は、金属グリッドを形成した後、オンラインで行ってもよく、オフラインで行ってもよいが、塗布、乾燥後、直ちに行うことが導電性向上の点から好ましい。   After forming the metal grid, drying and heat treatment can be appropriately performed. The conditions for the drying treatment are not particularly limited, but the drying treatment is preferably performed at a temperature that does not damage the substrate and the metal grid. For example, a drying process can be performed at 80 to 120 ° C. for 10 seconds to 10 minutes. In this invention, after completion | finish of drying, by further heat-processing, the electroconductivity of a metal grid can be improved significantly and element performance improves. Furthermore, the scratch resistance and water resistance of the metal grid, and the adhesion between adjacent layers can be improved. The heat treatment is preferably performed at a temperature of 50 ° C. or more for 5 minutes or more, and if it is less than 50 ° C., the conductivity improvement effect can be reduced. Moreover, even if it is the temperature over 120 degreeC, you may perform the process for 0.001 second to several seconds, for example in the range which does not damage a board | substrate and a metal grid. The heat treatment may be performed on-line or off-line after forming the metal grid, but is preferably performed immediately after coating and drying from the viewpoint of improving conductivity.

本形態の中間層は、高い導電性を有する金属グリッドと、金属グリッドよりは比較的導電性が低いが透明性の高い透明導電層を含みうるが、この際の金属グリッドの細線部の表面比抵抗は、100Ω/cm square以下であることが好ましく、10Ω/cm square以下であることがより好ましく、5Ω/cm square以下であることがさらに好ましい。一方、透明導電層の表面比抵抗は、10Ω/cm square以下であることが好ましく、10Ω/cm square以下であることがより好ましく、10Ω/cm square以下であることがさらに好ましい。これらの表面比抵抗は、例えば、JIS K6911、ASTM D257等に準拠して測定することができ、また市販の表面抵抗率計を用いて簡便に測定することができる。 The intermediate layer of this embodiment may include a metal grid having high conductivity and a transparent conductive layer having relatively low conductivity but higher transparency than the metal grid, but the surface ratio of the thin line portion of the metal grid at this time resistance is preferably not more than 100Ω / cm 2 square, more preferably 10Ω / cm 2 square or less, and more preferably not more than 5Ω / cm 2 square. On the other hand, the surface resistivity of the transparent conductive layer is preferably not more than 10 5 Ω / cm 2 square, more preferably not more than 10 4 Ω / cm 2 square, or less 10 3 Ω / cm 2 square More preferably. These surface specific resistances can be measured according to, for example, JIS K6911, ASTM D257, etc., and can be easily measured using a commercially available surface resistivity meter.

透明導電層に、水酸基含有非導電性高分子が含まれる場合の、導電性高分子と水酸基含有非導電性高分子との比率は、導電性高分子を100質量部とした場合、水酸基含有非導電性高分子が30〜900質量部であることが好ましく、電流リーク防止、水酸基含有非導電性高分子の導電性増強効果、透明性の観点から、水酸基含有非導電性高分子が100質量部以上であることがより好ましい。   When the transparent conductive layer contains a hydroxyl group-containing non-conductive polymer, the ratio of the conductive polymer to the hydroxyl group-containing non-conductive polymer is as follows. The conductive polymer is preferably 30 to 900 parts by mass, and from the viewpoints of preventing current leakage, enhancing the conductivity of the hydroxyl group-containing nonconductive polymer, and transparency, the hydroxyl group-containing nonconductive polymer is 100 parts by mass. More preferably.

透明導電層の乾燥膜厚は30nmから2000nmであることが好ましい。導電性の点から、100nm以上であることがより好ましく、中間層の表面平滑性の点から、200nm以上であることがさらに好ましい。また、透明性の点から、1000nm以下であることがより好ましい。   The dry film thickness of the transparent conductive layer is preferably 30 nm to 2000 nm. From the viewpoint of conductivity, it is more preferably 100 nm or more, and from the viewpoint of surface smoothness of the intermediate layer, it is more preferably 200 nm or more. Moreover, it is more preferable that it is 1000 nm or less from the point of transparency.

透明導電層を塗布した後、適宜乾燥処理を施すことができる。乾燥処理の条件として特に制限はないが、基板や透明導電層が損傷しない範囲の温度で乾燥処理することが好ましい。例えば、80〜120℃で10秒間から10分間の乾燥処理をすることができる。本発明において、乾燥終了後、さらに熱処理を行うことで、水酸基含有非導電性高分子の架橋反応を促進、完了させることができる。これにより中間層の洗浄耐性、溶媒耐性が著しく向上し、さらに素子性能が向上する。   After applying the transparent conductive layer, a drying treatment can be appropriately performed. Although there is no restriction | limiting in particular as conditions of a drying process, It is preferable to dry-process at the temperature of the range which does not damage a board | substrate and a transparent conductive layer. For example, the drying treatment can be performed at 80 to 120 ° C. for 10 seconds to 10 minutes. In the present invention, after the drying is completed, the crosslinking reaction of the hydroxyl group-containing nonconductive polymer can be promoted and completed by further heat treatment. Thereby, the cleaning resistance and solvent resistance of the intermediate layer are remarkably improved, and the device performance is further improved.

熱処理は、50〜120℃の温度で、30分間以上行うことが好ましい。50℃未満では、反応促進効果が小さく、120℃を超える場合、素材への熱的ダメージが増えるためか、効果が小さくなる。処理温度としては80〜120℃であることがより好ましく、処理時間としては1時間以上であることがより好ましい。処理時間の上限は特にないが、生産性の観点から24時間以下であることが好ましい。熱処理は、金属グリッドを塗布、乾燥した後、オンラインで行ってもよく、オフラインで行ってもよい。オフラインで行う場合、さらに減圧下で行うことが、水分の乾燥促進にもつながり、好ましい。   The heat treatment is preferably performed at a temperature of 50 to 120 ° C. for 30 minutes or more. If it is less than 50 ° C., the reaction promoting effect is small, and if it exceeds 120 ° C., the effect is small because thermal damage to the material increases. The treatment temperature is more preferably 80 to 120 ° C., and the treatment time is more preferably 1 hour or more. The upper limit of the treatment time is not particularly limited, but is preferably 24 hours or less from the viewpoint of productivity. The heat treatment may be performed on-line or off-line after applying and drying the metal grid. In the case of off-line, it is preferable to further perform under reduced pressure because it leads to accelerated drying of moisture.

また、本形態の中間層は高い透明性を有する。具体的には、 JIS K 7361−1:1997に従って測定した全光線透過率の値が75%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。   Moreover, the intermediate | middle layer of this form has high transparency. Specifically, the value of total light transmittance measured according to JIS K 7361-1: 1997 is preferably 75% or more, and more preferably 80% or more.

[電荷輸送層]
本形態のタンデム型有機光電変換素子では、光電変換層は、輸送層の上に形成されうる。この輸送層は、トップセル(光入射側のセル)が順層型か逆層型かでどちらの極性のキャリアを運ぶ層かが決定される。
[Charge transport layer]
In the tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment, the photoelectric conversion layer can be formed on the transport layer. In this transport layer, it is determined whether the top cell (cell on the light incident side) is a normal layer type or a reverse layer type, and which layer carries carriers of any polarity.

本形態においては、輸送層は正孔輸送層及び電子輸送層のどちらであってもよく、以下、それぞれの層を形成する材料等について記載する。   In this embodiment, the transport layer may be either a hole transport layer or an electron transport layer. Hereinafter, materials for forming each layer will be described.

(正孔輸送層・電子ブロック層)
有機光電変換素子は、光電変換層と陽極との間に正孔輸送層を有することが好ましい。当該正孔輸送層を配置することにより、光電変換層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となる。
(Hole transport layer / electron block layer)
The organic photoelectric conversion element preferably has a hole transport layer between the photoelectric conversion layer and the anode. By disposing the hole transport layer, charges generated in the photoelectric conversion layer can be taken out more efficiently.

正孔輸送層を構成する材料としては、例えば、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT−PSS、ポリアニリン及びそのドープ材料、国際公開第2006/019270号パンフレット等に記載のシアン化合物等を用いることができる。なお、光電変換層に用いられるn型有機半導体のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、光電変換層で生成した電子を陽極側には流さないような整流効果を有する、電子ブロック機能が付与される。このような正孔輸送層は、電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用する方が好ましい。このような材料としては、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、光電変換層に用いたp型有機半導体のみからなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。光電変換層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。   As a material constituting the hole transport layer, for example, PEDOT-PSS made by Stark Vitec Co., Ltd., trade name BaytronP, polyaniline and its doped material, cyan compounds described in International Publication No. 2006/019270, etc. Can be used. Note that the hole transport layer having a LUMO level shallower than the LUMO level of the n-type organic semiconductor used for the photoelectric conversion layer has a rectifying effect that prevents electrons generated in the photoelectric conversion layer from flowing to the anode side. It has an electronic block function. Such a hole transport layer is also called an electron block layer, and it is preferable to use a hole transport layer having such a function. As such a material, a triarylamine compound described in JP-A-5-271166 or a metal oxide such as molybdenum oxide, nickel oxide, or tungsten oxide can be used. Moreover, the layer which consists only of p-type organic semiconductor used for the photoelectric converting layer can also be used. The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming a coating film in the lower layer before forming the photoelectric conversion layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.

前述したように正孔輸送層が金属グリッドの下層に位置する場合は、正孔輸送層は架橋処理されていることが好ましい。この場合は、架橋基を有する架橋基を有するトリアリールアミン系化合物、ゾルゲル法により作製されるMoOx、架橋剤を添加したスタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT−PSS、ポリアニリン及びそのドープ材料、国際公開第2006/019270号パンフレット等に記載のシアン化合物等を好ましく用いることができる。   As described above, when the hole transport layer is located in the lower layer of the metal grid, the hole transport layer is preferably crosslinked. In this case, a triarylamine compound having a crosslinking group having a crosslinking group, MoOx prepared by a sol-gel method, manufactured by Stark Vitec Co., Ltd. with a crosslinking agent added, PEDOT-PSS such as trade name BaytronP, polyaniline and its dope Materials, cyan compounds described in International Publication No. 2006/019270 pamphlet and the like can be preferably used.

(電子輸送層・正孔ブロック層)
本形態の有機光電変換素子は、光電変換層と陰極との中に電子輸送層を形成することが好ましい。電子輸送層を設けることにより、光電変換層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となる。
(Electron transport layer / hole blocking layer)
The organic photoelectric conversion element of this embodiment preferably forms an electron transport layer in the photoelectric conversion layer and the cathode. By providing the electron transport layer, the charge generated in the photoelectric conversion layer can be taken out more efficiently.

電子輸送層を構成する材料としては、例えば、オクタアザポルフィリン、p型有機半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができる。なお、光電変換層に用いられるp型有機半導体のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、光電変換層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用する方が好ましい。このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型有機半導体、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。また、光電変換層に用いたn型有機半導体単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。   As a material constituting the electron transport layer, for example, octaazaporphyrin, a perfluoro body of a p-type organic semiconductor (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, or the like) can be used. Note that the electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type organic semiconductor used in the photoelectric conversion layer has a rectifying effect that prevents holes generated in the photoelectric conversion layer from flowing to the cathode side. It has a hole blocking function. Such an electron transport layer is also called a hole blocking layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function. Examples of such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type organic semiconductors such as naphthalene tetracarboxylic acid anhydride, naphthalene tetracarboxylic acid diimide, perylene tetracarboxylic acid anhydride, perylene tetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide. N-type inorganic oxides such as zinc oxide and gallium oxide, and alkali metal compounds such as lithium fluoride, sodium fluoride, and cesium fluoride can be used. Moreover, the layer which consists of a n-type organic semiconductor single-piece | unit used for the photoelectric converting layer can also be used. The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method.

前述したように電子輸送層が金属グリッドの下層に位置する場合は、電子輸送層は架橋処理されていることが好ましい。この場合は、電子輸送層を構成する材料として架橋基を有するバソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型有機半導体、及びゾルゲル法により作製される酸化チタン、酸化亜鉛等が好ましく用いられる。   As described above, when the electron transport layer is located in the lower layer of the metal grid, the electron transport layer is preferably crosslinked. In this case, phenanthrene compounds such as bathocuproin having a cross-linking group as a material constituting the electron transport layer, naphthalene tetracarboxylic acid anhydride, naphthalene tetracarboxylic acid diimide, perylene tetracarboxylic acid anhydride, perylene tetracarboxylic acid diimide, etc. An n-type organic semiconductor, titanium oxide, zinc oxide and the like produced by a sol-gel method are preferably used.

なお、前述のように耐久性の観点で有利な逆層型の素子とする場合には、第一の電極上に電子輸送層を形成した後に光電変換層が形成されるため、光電変換材料を含む塗布液に対して不溶である化合物が電子輸送材料として好ましい。そのような観点から、電子輸送材料は、酸化チタンや酸化亜鉛といった無機物、及び国際公開2008−134492号パンフレットに記載のポリエチレンイミンやアミノシランカップリング剤のような架橋可能な有機物であることが好ましい。中でもアミノシランカップリング剤(一例を挙げると、3−(2−アミノエチル)−アミノプロピルトリメトキシシラン)を用いることが好ましい。しい。また、APPLIED PHYSICS LETTERS 95(2009),p043301、 Adv. Funct. Mat.,2010,p.1977、Adv. Mater.,2011,23,3086、J.Am.Chem.Soc.,2011,p.8416、Advanced Materials, 2011 (Vol 23,no.40), p4636−4643、および下記の化合物等、アルコール系溶媒には可溶であるが、発電層を溶解する芳香族系溶媒には溶解しない材料も好ましく用いることができる。   As described above, in the case of an inverted layer type element that is advantageous from the viewpoint of durability, the photoelectric conversion layer is formed after the electron transport layer is formed on the first electrode. A compound that is insoluble in the coating liquid to be contained is preferred as the electron transport material. From such a viewpoint, the electron transport material is preferably an inorganic substance such as titanium oxide or zinc oxide and a crosslinkable organic substance such as polyethyleneimine or an aminosilane coupling agent described in International Publication No. 2008-134492. Of these, aminosilane coupling agents (3- (2-aminoethyl) -aminopropyltrimethoxysilane, for example) are preferably used. That's right. In addition, APPLIED PHYSICS LETTERS 95 (2009), p043301, Adv. Funct. Mat. 2010, p. 1977, Adv. Mater. , 2011, 23, 3086, J.A. Am. Chem. Soc. , 2011, p. 8416, Advanced Materials, 2011 (Vol 23, no. 40), p4636-4643, and the following compounds, etc., which are soluble in alcohol solvents but not in aromatic solvents that dissolve the power generation layer Can also be preferably used.

[光電変換層]
本形態のタンデム型光電変換素子には2以上の光電変換層が含まれるが、これらの光電変換層は、p型有機半導体及びn型有機半導体を含むバルクへテロジャンクション構造を有することが好ましい。以下、p型有機半導体及びn型有機半導体について説明する。
[Photoelectric conversion layer]
The tandem photoelectric conversion element of this embodiment includes two or more photoelectric conversion layers, and these photoelectric conversion layers preferably have a bulk heterojunction structure including a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor. Hereinafter, the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor will be described.

(p型有機半導体)
当該光電変換層に用いられるp型有機半導体としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられるが、本形態のタンデム型有機光電変換素子は2以上の光電変換層を有しているため、それぞれの層に適したp型有機半導体を使用することが好ましい。
(P-type organic semiconductor)
Examples of the p-type organic semiconductor used in the photoelectric conversion layer include various condensed polycyclic aromatic low-molecular compounds and conjugated polymers. The tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment includes two or more photoelectric conversion layers. Therefore, it is preferable to use a p-type organic semiconductor suitable for each layer.

縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、へプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。   Examples of the condensed polycyclic aromatic low molecular weight compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, thacumanthracene, bisanthene, zeslene. , Heptazethrene, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, etc., porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene ( BEDTTTTF) -perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.

また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。   Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A No. 2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol127. No. 14.4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. 9, acene-based compounds substituted with a trialkylsilylethynyl group described in 2706 and the like.

共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、又はTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、国際公開第2008/000664号パンフレットに記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体、Adv.Mater.,vol.19(2007)p2295に記載のポリチオフェン−カルバゾール−ベンゾチアジアゾール共重合体(PCDTBT)、Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー等のポリマー材料が挙げられる。   Examples of the conjugated polymer include a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in International Publication No. 2008/000664 pamphlet, Adv. Mater, 2007, p4160, polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Adv. Mater. , Vol. 19 (2007) p2295, polythiophene-carbazole-benzothiadiazole copolymer (PCDTBT), Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.

また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン等のオリゴマーが好適に用いることができる。   In addition, oligomeric materials instead of polymer materials include thiophene hexamer α-sexual thiophene α, ω-dihexyl-α-sexual thiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.

第一の光電変換層(光入射側、すなわちトップセルの光電変換層は第二の光電変換層と比較して短波領域を吸収する層であることが好ましく、具体的には350〜900nm程度の領域の光を吸収する層であることが好ましい。したがって、第一の光電変換層に用いられるp型有機半導体の吸収領域は、350〜900nm程度であることが好ましい。350nmよりも波長が短い光は基板フィルムなどに有害であるため、基板自体に紫外線吸収機能を付与することが多く、これよりも波長が短い光は吸収することは実質的には必要でない。また、第一の光電変換層で900nm以上の光を吸収すると、第二の光電変換層が利用できる光の帯域が少なくなるため、第二の光電変換層の発電電流が低下し、結果としてタンデム型素子全体の発電電流も低下するため好ましくない。よって、第一の光電変換層には、より好ましくは380〜750nmの光を吸収するp型有機半導体を用いることが好ましい。上述のp型有機半導体のうち、このような範囲に吸収スペクトルを有するものであれば、第一の光電変換層に好適であるが、好ましくはポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、Adv.Mater,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体,Adv.Mater.,vol.19(2007)p2295に記載のポリチオフェン−カルバゾール−ベンゾチアジアゾール共重合体(PCDTBT),ペンタセン又はその誘導体、アントラジチオフェン及びその誘導体、ポルフィリン、ベンゾポルフィリン又はその誘導体、フタロシアニン誘導体であることが好ましい。   The first photoelectric conversion layer (the light incident side, that is, the photoelectric conversion layer of the top cell is preferably a layer that absorbs a short wave region as compared with the second photoelectric conversion layer, specifically about 350 to 900 nm. Therefore, the absorption region of the p-type organic semiconductor used for the first photoelectric conversion layer is preferably about 350 to 900 nm, and light having a wavelength shorter than 350 nm. Is harmful to the substrate film, etc., and often provides an ultraviolet absorption function to the substrate itself, and it is substantially unnecessary to absorb light having a shorter wavelength than this. When the light of 900 nm or more is absorbed, the band of light that can be used by the second photoelectric conversion layer is reduced, so that the power generation current of the second photoelectric conversion layer is decreased, and as a result, the power generation of the entire tandem element is performed. Therefore, it is preferable to use a p-type organic semiconductor that absorbs light of 380 to 750 nm for the first photoelectric conversion layer. Any one having an absorption spectrum in such a range is suitable for the first photoelectric conversion layer, but preferably polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythieny. Lembinylene and its oligomer, Polythiophene-thienothiophene copolymer described in Nature Material, (2006) vol.5, p328, Polythiophene-thiazolothiazole copolymer described in Adv.Matter, 2007, p4160, Adv.Matter , Vol.19 (2007) Polythiophene-carbazole-benzothiadiazole copolymer (PCDTBT) described in p2295, pentacene or a derivative thereof, anthradithiophene and a derivative thereof, porphyrin, a benzoporphyrin or a derivative thereof, or a phthalocyanine derivative.

一方、第二の光電変換層は、第一の光電変換層と比較して長波領域の光も吸収することが可能な層であることが好ましく、具体的には350〜2000nm程度の領域の光を吸収する層であることが好ましい。したがって、第二の光電変換層に用いられるp型有機半導体の吸収領域は、350〜2000nm程度であることが好ましい。350nmよりも波長が短い光は基板フィルムなどに有害であるため、基板自体に紫外線吸収機能を付与することが多く、これよりも波長が短い光は吸収することは実質的には必要でない。また、2000nm以上の光を吸収するp型有機半導体は、バンドギャップが小さくなりすぎて起電力が低下し、タンデム化した際の発電効率の向上が見込めなくなるために好ましくない。より好ましくは、380〜1200nmの光を吸収するp型有機半導体である。具体的には、国際公開第2008/000664号パンフレットに記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、APL2004v85p5081に記載のAPFO−Green1等、ポルフィリン、ベンゾポルフィリン又はその誘導体、フタロシアニン誘導体であることが好ましい。   On the other hand, the second photoelectric conversion layer is preferably a layer that can also absorb light in a long wave region as compared with the first photoelectric conversion layer, and specifically, light in a region of about 350 to 2000 nm. It is preferable that it is a layer which absorbs. Therefore, the absorption region of the p-type organic semiconductor used for the second photoelectric conversion layer is preferably about 350 to 2000 nm. Since light having a wavelength shorter than 350 nm is harmful to the substrate film or the like, the substrate itself is often provided with an ultraviolet absorbing function, and it is substantially unnecessary to absorb light having a wavelength shorter than this. In addition, a p-type organic semiconductor that absorbs light of 2000 nm or more is not preferable because the band gap becomes too small, the electromotive force is lowered, and improvement in power generation efficiency when tandemized cannot be expected. More preferably, it is a p-type organic semiconductor that absorbs light of 380 to 1200 nm. Specifically, the polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in International Publication No. 2008/000664 pamphlet, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT described in p497, APFO-Green1 described in APL2004v85p5081, porphyrin, benzoporphyrin or a derivative thereof, and a phthalocyanine derivative.

[n型有機半導体]
本形態のタンデム型有機光電変換素子に用いられるn型有機半導体は、特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、上述のp型有機半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
[N-type organic semiconductor]
The n-type organic semiconductor used in the tandem-type organic photoelectric conversion element of this embodiment is not particularly limited. For example, perfluoro compounds in which hydrogen atoms of the above-described p-type organic semiconductor such as fullerene and octaazaporphyrin are substituted with fluorine atoms. (Skeletons such as perfluoropentacene and perfluorophthalocyanine), naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, etc. The polymer compound etc. which are contained as can be mentioned.

中でもn型有機半導体としては、各種のp型有機半導体と高速(〜50フェムト秒)で、かつ効率的に電荷分離を行うことができる、フラーレン誘導体を用いることが好ましい。   Among these, as the n-type organic semiconductor, it is preferable to use a fullerene derivative that can perform charge separation efficiently with various p-type organic semiconductors at high speed (up to 50 femtoseconds).

フラーレン誘導体としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等、及びこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換又は無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。 Fullerene derivatives include fullerene C 60 , fullerene C 70 , fullerene C 76 , fullerene C 78 , fullerene C 84 , fullerene C 240 , fullerene C 540 , mixed fullerene, fullerene nanotube, multi-wall nanotube, single-wall nanotube, nanohorn (cone Type), etc., and some of these are hydrogen atoms, halogen atoms, substituted or unsubstituted alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, heteroaryl groups, cycloalkyl groups, silyl groups, ether groups, thioether groups, The fullerene derivative substituted by the amino group, the silyl group, etc. can be mentioned.

中でもN−Methylfulleropyrrolidine、下記式で表される[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−n−ヘキシルエステル(PCBH)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116等に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報等のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報等のメタロセン化フラーレン、米国特許第7,329,709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン、J.Amer.Chem.Soc.,(2009)vol.130,p15429に記載のSIMEF、Appl.Phys.Lett.,vol.87(2005)、p203504に記載のC60MC12等のような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。 Among them, N-methylfullylpyrrolidine, [6,6] -phenyl C 61 -butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM) represented by the following formula, [6,6] -phenyl C 61 -butyric acid-n-butyl ester (PCBnB) ), [6,6] - phenyl C 61 - butyric acid - isobutyl ester (PCBiB), [6,6] - phenyl C 61 - butyric acid -n- hexyl ester (PCBH), Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, etc., aminated fullerenes such as JP-A 2006-199674, metallocene fullerenes such as JP-A 2008-130889, US Pat. No. 7,329,709, etc. Fullerene having a cyclic ether group such as Amer. Chem. Soc. , (2009) vol. 130, p15429, SIMEF, Appl. Phys. Lett. , Vol. 87 (2005), C 60 MC12 described in p203504, and the like. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility.

[光電変換層の形成方法]
本形態において光電変換層を形成する方法は特に制限はないが、上述のp型有機半導体及びn型有機半導体が混合されたバルクヘテロジャンクション構造を有する光電変換層を形成する方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、正孔と電子とが電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法を採用することが好ましい。また塗布法は、製造速度を向上させる点でも優れている。
[Method for forming photoelectric conversion layer]
The method for forming the photoelectric conversion layer in this embodiment is not particularly limited, but as a method for forming the photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction structure in which the above-described p-type organic semiconductor and n-type organic semiconductor are mixed, an evaporation method, Examples thereof include a coating method (including a casting method and a spin coating method). Among these, in order to increase the area of the interface where charges are separated from holes and electrons and to produce a device having high photoelectric conversion efficiency, it is preferable to employ a coating method. The coating method is also excellent in improving the production rate.

p型有機半導体及びn型有機半導体を含む塗布液を塗布した後は、残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体の結晶化による移動度向上・吸収長波化を図るために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集又は結晶化が促進され、光電変換層のバルクヘテロジャンクション構造を適切な相分離構造とすることができる。その結果、光電変換層におけるキャリアの移動度が向上し、高い光電変換効率を得ることができるようになる。   After applying a coating solution containing a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, heating may be performed to remove residual solvent, moisture, and gas, and improve mobility and increase absorption longwave by crystallization of the semiconductor. preferable. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the bulk heterojunction structure of the photoelectric conversion layer can be made into an appropriate phase separation structure. As a result, carrier mobility in the photoelectric conversion layer is improved, and high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

光電変換層は、p型有機半導体及びn型有機半導体が均一に混在された単一層であってもよいが、p型有機半導体及びn型有機半導体との混合比を変えた層が複数積層されてなる構成を有していてもよい。   The photoelectric conversion layer may be a single layer in which a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor are uniformly mixed, but a plurality of layers having different mixing ratios with the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are stacked. You may have the structure which consists of.

[電極]
本形態の有機光電変換素子は、第一の電極及び第二の電極を必須に含む。したがって、第一の電極が陽極として機能し、第二の電極が陰極として機能する場合もあるし、逆に、第一の電極が陰極として機能し、第二の電極が陽極として機能する場合もある。光電変換層14で生成されるキャリア(正孔・電子)は、電極間を移動し、正孔は陽極12へ、電子は陰極16へと到達する。なお、本発明においては主に正孔が流れる電極を陽極と呼び、主に電子が流れる電極を陰極と呼ぶ。さらに、電極が透光性を有するものであるか否かという機能面から、透光性を有する電極を透明電極と呼び、透光性のない電極を対電極と呼び分ける場合もある。図1の順層型の場合、通常、陽極は透光性のある透明電極であり、陰極は透光性のない対電極である。
[electrode]
The organic photoelectric conversion element of this embodiment essentially includes a first electrode and a second electrode. Therefore, the first electrode may function as an anode and the second electrode may function as a cathode. Conversely, the first electrode may function as a cathode and the second electrode may function as an anode. is there. Carriers (holes / electrons) generated in the photoelectric conversion layer 14 move between the electrodes, and the holes reach the anode 12 and the electrons reach the cathode 16. In the present invention, an electrode through which holes mainly flow is called an anode, and an electrode through which electrons mainly flow is called a cathode. Furthermore, from the functional aspect of whether or not the electrode has translucency, the translucent electrode is sometimes referred to as a transparent electrode, and the non-translucent electrode is sometimes referred to as a counter electrode. In the normal layer type of FIG. 1, the anode is usually a transparent electrode having a light transmitting property, and the cathode is a counter electrode having no light transmitting property.

本形態の電極に使用される材料は、光電変換素子として駆動する限りにおいては特に制限はなく、本技術分野で使用されうる電極材料を適宜採用することができる。中でも、陽極は陰極と比較して相対的に仕事関数が大きい材料から構成されることが好ましく、逆に陰極は陽極と比較して相対的に仕事関数が小さい材料から構成されることが好ましい。なお、電荷輸送層(正孔輸送層又は電子輸送層)が存在する場合は、上記以外の形態であっても十分に光電変換素子として機能する。   The material used for the electrode of this embodiment is not particularly limited as long as it is driven as a photoelectric conversion element, and an electrode material that can be used in this technical field can be appropriately employed. In particular, the anode is preferably composed of a material having a relatively large work function compared to the cathode, and conversely, the cathode is preferably composed of a material having a relatively small work function compared to the anode. Note that in the case where a charge transport layer (a hole transport layer or an electron transport layer) is present, it functions sufficiently as a photoelectric conversion element even in a form other than the above.

上述の図1に示す有機光電変換素子10において、陽極11は、相対的に仕事関数が大きく、透明な(好ましくは、380〜800nmの可視光に対して80%以上の透過率を有する)電極材料から構成されることが好ましい。一方、陰極12は、相対的に仕事関数が小さく(例えば、4eV以下)、通常、透光性の低い電極材料から構成されうる。   In the organic photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 described above, the anode 11 has a relatively large work function and is transparent (preferably has a transmittance of 80% or more for visible light of 380 to 800 nm). It is preferable that it is comprised from a material. On the other hand, the cathode 12 has a relatively small work function (for example, 4 eV or less), and can usually be composed of an electrode material having low translucency.

このような、図1に示す有機光電変換素子10において、陽極(透明電極)に使用される電極材料としては、例えば、金、銀、白金等の金属;インジウム・スズ酸化物(ITO)、SnO、ZnO等の透明な導電性金属酸化物;金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等の炭素材料等が挙げられる。また、陽極の電極材料として導電性高分子を用いることも可能である。陽極に使用されうる導電性高分子としては、例えば、PEDOT−PSS、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン、ポリナフタレン及びこれらの誘導体等が挙げられる。これらの電極材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上の材料を混合して使用してもよい。また、これらの材料の形状も特に制限はなく、ナノ粒子、ナノワイヤ、極薄膜等の形状で使用されうる。さらに、各材料からなる層を2種以上積層させて電極を構成することも可能である。また、本発明においては中間層として記載している、自己分散型ポリマーと導電性高分子からなる粗製物、及びこれらに金属グリッドを複合化した透明導電膜も、本発明における第1及び第2の電極として使用することができる。 In the organic photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1, examples of electrode materials used for the anode (transparent electrode) include metals such as gold, silver, and platinum; indium tin oxide (ITO), SnO 2. Transparent conductive metal oxides such as ZnO; carbon materials such as metal nanowires and carbon nanotubes. It is also possible to use a conductive polymer as the anode electrode material. Examples of the conductive polymer that can be used for the anode include PEDOT-PSS, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, and polyphenyl. Examples include acetylene, polydiacetylene, polynaphthalene, and derivatives thereof. These electrode materials may be used alone or as a mixture of two or more materials. Also, the shape of these materials is not particularly limited, and can be used in the form of nanoparticles, nanowires, ultrathin films and the like. Furthermore, it is also possible to constitute an electrode by laminating two or more layers made of each material. In the present invention, a crude product composed of a self-dispersing polymer and a conductive polymer, which is described as an intermediate layer, and a transparent conductive film in which a metal grid is combined with these are also the first and second in the present invention. It can be used as an electrode.

一方、図1の有機光電変換素子において、陰極(対電極)に使用される電極材料としては、合金、電子伝導性化合物、及びこれらの混合物が使用されうる。具体的には、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。このうち、電子の取り出し性能や、酸化等に対する耐久性の観点から、仕事関数が低い第一の金属と、第一の金属よりも仕事関数が大きく安定な金属である第二の金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、リチウム/アルミニウム混合物や、安定な金属であるアルミニウム等を用いることが好ましい。また、これらの材料のうち金属を用いることも好ましく、これにより、第一の電極側から入射し光電変換層で吸収されずに透過した光を、第二の電極で反射させて光電変換に再利用することができ、光電変換効率を向上させることが可能である。また、これらの材料の形状も特に制限はなく、ナノ粒子、ナノワイヤ、極薄膜等の形状で使用されうる。さらに、各材料からなる層を2種以上積層させて電極を構成することも可能である。 On the other hand, in the organic photoelectric conversion element of FIG. 1, an alloy, an electron conductive compound, and a mixture thereof can be used as an electrode material used for the cathode (counter electrode). Specifically, sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixture, indium, Examples include lithium / aluminum mixtures and rare earth metals. Of these, a mixture of a first metal having a low work function and a second metal, which is a metal having a larger work function and more stable than the first metal, from the viewpoint of electron extraction performance and durability against oxidation, etc. For example, it is preferable to use a magnesium / silver mixture, a magnesium / aluminum mixture, a magnesium / indium mixture, an aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixture, a lithium / aluminum mixture, aluminum which is a stable metal, or the like. In addition, it is also preferable to use a metal among these materials, so that light that is incident from the first electrode side and transmitted without being absorbed by the photoelectric conversion layer is reflected by the second electrode and is regenerated for photoelectric conversion. The photoelectric conversion efficiency can be improved. Also, the shape of these materials is not particularly limited, and can be used in the form of nanoparticles, nanowires, ultrathin films and the like. Furthermore, it is also possible to constitute an electrode by laminating two or more layers made of each material.

また、図2に示す有機光電変換素子では、光が入射する基板25側に陰極12が位置し、反対側に陽極11が位置する。したがって、図2に示す陽極11は、相対的に仕事関数が大きく、通常、透光性の低い電極材料から構成されることが好ましい。一方、陰極12は、相対的に仕事関数が小さく、透明な電極材料から構成される。   In the organic photoelectric conversion element shown in FIG. 2, the cathode 12 is located on the substrate 25 side where light enters, and the anode 11 is located on the opposite side. Therefore, the anode 11 shown in FIG. 2 is preferably composed of an electrode material having a relatively large work function and usually low translucency. On the other hand, the cathode 12 has a relatively small work function and is made of a transparent electrode material.

図2の有機光電変換素子において、陰極(透明電極)に使用される電極材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウム、スズ、亜鉛等の金属、金属化合物、及び合金(具体的には、インジウム・スズ酸化物(ITO)、SnO、ZnO、IDIXO(In−ZnO));カーボンナノ粒子、カーボンナノワイヤー、カーボンナノ構造体等の炭素材料;が挙げられる。これらの電極材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上の材料を混合して使用してもよい。また、これらの材料の形状も特に制限はなく、ナノ粒子、ナノワイヤ、極薄膜等の形状で使用されうる。さらに、各材料からなる層を2種以上積層させて電極を構成することも可能である。このうち、カーボンナノワイヤーを用いることにより、透明で導電性の高い陰極を塗布法により形成できるため好ましい。また、金属系の材料を使用する場合、陽極(対電極)と対向する側に、例えば、金、銀、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、又はこれらの合金(アルミニウム合金)、金属化合物(銀化合物)等を用いて、補助電極(グリッド電極、バスライン電極とも称される)を作製した後、上述の図1の有機光電変換素子の陽極(透明電極)材料として例示した導電性高分子の膜を設けることで、陰極(透明電極)とすることができる。このように補助電極を設けることにより、素子を大面積化した場合に起こる曲線因子(FF)の低減を抑えることができる。 In the organic photoelectric conversion element of FIG. 2, examples of the electrode material used for the cathode (transparent electrode) include metals such as gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, tin, and zinc, Metal compounds and alloys (specifically, indium tin oxide (ITO), SnO 2 , ZnO, IDIXO (In 2 O 3 —ZnO)); carbon nanoparticles, carbon nanowires, carbon nanostructures, etc. And carbon materials. These electrode materials may be used alone or as a mixture of two or more materials. Also, the shape of these materials is not particularly limited, and can be used in the form of nanoparticles, nanowires, ultrathin films and the like. Furthermore, it is also possible to constitute an electrode by laminating two or more layers made of each material. Among these, it is preferable to use carbon nanowires because a transparent and highly conductive cathode can be formed by a coating method. Moreover, when using a metal-type material, gold | metal | money, silver, copper, iron, nickel, chromium, aluminum, or these alloys (aluminum alloy), metal compound (on the side facing an anode (counter electrode), for example After preparing an auxiliary electrode (also referred to as a grid electrode or a bus line electrode) using a silver compound) or the like, the conductive polymer exemplified as the anode (transparent electrode) material of the organic photoelectric conversion element in FIG. By providing this film, a cathode (transparent electrode) can be obtained. By providing the auxiliary electrode in this way, it is possible to suppress the reduction of the fill factor (FF) that occurs when the element has a large area.

一方、図2の有機光電変換素子において、陽極(対電極)に使用される電極材料としては、例えば、銀、ニッケル、モリブデン、金、白金、タングステン、及び銅等が挙げられる。   On the other hand, in the organic photoelectric conversion element of FIG. 2, examples of the electrode material used for the anode (counter electrode) include silver, nickel, molybdenum, gold, platinum, tungsten, and copper.

第一の電極及び第二の電極のシート抵抗は、特に制限はないが、数百Ω/cm square以下が好ましく、50Ω/cm square以下がより好ましく、15Ω/cm square以下がさらに好ましい。なお、第一の電極及び第二の電極のシート抵抗の下限は、特に制限されないが、通常、380〜800nmの波長の可視光に対して80%以上の透過率を示す範囲でなるべく低いほど好ましい。通常は0.01Ω/cm square以上、好ましくは0.1Ω/cm square以上であれば本発明の効果を得ることができる。ここで、第一の電極及び第二の電極のシート抵抗は、同じであってもあるいは異なってもよい。また、第一の電極及び第二の電極の膜厚も特に制限はなく、材料によって異なるが、通常、10〜1000nmであり、好ましくは100〜200nmであり、光の透過率又は抵抗の観点から当業者により適宜設定されうる。ここで、第一の電極及び第二の電極の膜厚は、同じであってもあるいは異なってもよい。 The sheet resistance of the first electrode and the second electrode is not particularly limited, is preferably from several hundred Ω / cm 2 square, more preferably less 50Ω / cm 2 square, more preferably less 15Ω / cm 2 square . In addition, the lower limit of the sheet resistance of the first electrode and the second electrode is not particularly limited, but it is generally preferable that the sheet resistance is as low as possible within a range showing 80% or more transmittance with respect to visible light having a wavelength of 380 to 800 nm. . Normally 0.01 Ohm / cm 2 square or more, preferably it is possible to obtain the effect of the present invention as long as 0.1Ω / cm 2 square or more. Here, the sheet resistance of the first electrode and the second electrode may be the same or different. Further, the film thicknesses of the first electrode and the second electrode are not particularly limited and vary depending on the material, but are usually 10 to 1000 nm, preferably 100 to 200 nm, from the viewpoint of light transmittance or resistance. It can be set appropriately by those skilled in the art. Here, the film thicknesses of the first electrode and the second electrode may be the same or different.

また、補助電極を有する場合のシート抵抗は、10Ω/cm square以下であることが好ましく、0.01〜8Ω/cm squareであることがより好ましい。この場合、シート抵抗は補助電極の形状(線幅、高さ、ピッチ、形状)によって決まり、補助電極よりも抵抗の高い材料を使用する場合であっても窓部の抵抗影響はほとんど受けない。 Further, the sheet resistance when having an auxiliary electrode, is preferably not more than 10Ω / cm 2 square, and more preferably 0.01~8Ω / cm 2 square. In this case, the sheet resistance is determined by the shape (line width, height, pitch, shape) of the auxiliary electrode, and even if a material having higher resistance than the auxiliary electrode is used, the resistance of the window portion is hardly affected.

(基板)
本発明の有機光電変換素子は、必要に応じて基板を含みうる。基板は、電極を塗布方式で形成する場合における、塗布液の被塗布部材としての役割を有する。
(substrate)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may include a substrate as necessary. The substrate has a role as a member to be coated with a coating solution when the electrode is formed by a coating method.

基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。   When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of light weight and flexibility.

本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, polyolefins such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyester resin film such as modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, cyclic olefin resin, etc. Resin films, vinyl resin films such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin films, polysulfone (PSF) resin films, polyether sulfone (PES) resin films, polycarbonate (PC) resin films , Polyamide resin film, polyimide resin film, acrylic resin film, triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like. If the resin film transmittance of 80% or more in from zero to eight hundred nanomolar), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film, and biaxially stretched. More preferred are polyethylene terephthalate films and biaxially stretched polyethylene naphthalate films.

本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。   The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.

また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよい。   In order to suppress permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate.

(その他の層)
本形態の有機光電変換素子は、上記の各部材(各層)の他に、光電変換効率の向上や、素子の寿命の向上のために、他の部材(他の層)をさらに設けてもよい。その他の部材としては、例えば、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層などが挙げられる。また、上層に偏在した金属酸化物微粒子をより安定にするため等にシランカップリング剤等の層を設けてもよい。さらに本発明の光電変換層に隣接して金属酸化物の層を積層してもよい。
(Other layers)
The organic photoelectric conversion device of this embodiment may further include other members (other layers) in addition to the above-described members (each layer) in order to improve photoelectric conversion efficiency and improve the lifetime of the device. . Examples of other members include a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer. Further, a layer such as a silane coupling agent may be provided in order to make the metal oxide fine particles unevenly distributed in the upper layer more stable. Further, a metal oxide layer may be laminated adjacent to the photoelectric conversion layer of the present invention.

また、本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していてもよい。光学機能層としては、例えば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度光電変換層に入射させることができるような光拡散層等が挙げられる。   Moreover, the organic photoelectric conversion element of this invention may have various optical function layers for the purpose of more efficient light reception of sunlight. Examples of the optical functional layer include a condensing layer such as an antireflection film and a microlens array, and a light diffusion layer that can scatter the light reflected by the cathode and make it incident on the photoelectric conversion layer again.

反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。   Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.

集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。   As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.

マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。   As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.

また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属又は各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤ等を無色透明なポリマーに分散した層等を挙げることができる。   Examples of the light scattering layer include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.

<有機光電変換素子の製造方法>
上述の本形態のタンデム型有機光電変換素子の製造方法は特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することができる。以下では逆層型を有する素子の製造方法について説明するが、各工程の順番等を適宜変更することにより、順層や、直列・並列構成の素子を製造することが可能である。
<Method for producing organic photoelectric conversion element>
The manufacturing method of the tandem organic photoelectric conversion element of the above-described embodiment is not particularly limited, and can be manufactured by appropriately referring to conventionally known methods. Hereinafter, a method for manufacturing an element having the reverse layer type will be described. However, it is possible to manufacture an element having a normal layer or a series / parallel structure by appropriately changing the order of the steps.

本形態のタンデム型有機光電変換素子の製造方法は、陰極を形成する工程と、前記陰極の上に、p型有機半導体材料及びn型有機半導体材料を含む2以上の光電変換層を形成する工程と、前記2以上の光電変換層の上に、陽極を形成する工程とを必須に含む。以下、本形態のタンデム型有機光電変換素子の製造方法の各工程について、詳細に説明する。   The manufacturing method of the tandem organic photoelectric conversion device of this embodiment includes a step of forming a cathode and a step of forming two or more photoelectric conversion layers containing a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material on the cathode. And a step of forming an anode on the two or more photoelectric conversion layers. Hereinafter, each process of the manufacturing method of the tandem organic photoelectric conversion element of this form is demonstrated in detail.

本形態の製造方法では、まず、陰極を形成する。陰極を形成する方法は、特に制限はないが、操作の容易性や、ダイコータ等の装置を用いてロール・ツー・ロールで生産可能なことから、基板の上に、陰極の構成材料を含む液体を塗布し、乾燥させる方法であることが好ましい。またこれ以外にも、市販の薄膜状の電極材料をそのまま使用しても構わない。   In the manufacturing method of this embodiment, first, a cathode is formed. The method of forming the cathode is not particularly limited, but is easy to operate and can be produced by roll-to-roll using a device such as a die coater. Preferably, the method is a method of applying and drying. Besides this, a commercially available thin film electrode material may be used as it is.

上記で陰極を形成した後、必要に応じて、この陰極上に、電子輸送層を形成してもよい。電子輸送層を形成する手段としては、蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。溶液塗布法を用いて電子輸送層を形成する場合には、上述した電子輸送材料を適当な溶媒に溶解・分散させた溶液を、適当な塗布法を用いて陰極上に塗布し、乾燥させればよい。溶液塗布法に用いられる塗布法としては、キャスト法、スピンコート法、ブレードコーティング法、ワイヤーバーコーティング法、グラビアコート法、スプレーコーティング法、ディッピング(浸漬)コーティング法、ビードコーティング法、エアーナイフコーティング法、カーテンコーティング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法等の印刷法、Langmuir−Blodgett(LB)法等の通常の方法を用いることができる。中でも、スピンコート法、ブレードコーティング法を用いることが特に好ましい。なお、塗布法に使用する溶液の固形分濃度は、塗布方法や膜厚によっても変動しうるが、0.5〜15質量%が好ましく、より好ましくは1〜10質量%である。また、なお、塗布の際の塗布液及び/又は塗布面の温度は、特に制限はないが、塗布・乾燥時の温度変動による析出、ムラを防ぐといった観点から、好ましくは30〜120℃であり、より好ましくは50〜120℃である。さらに、乾燥の具体的な形態についても特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。乾燥(加熱処理)条件の一例を挙げると90〜120℃程度の温度で、5〜90分間程度といった条件が例示される。乾燥に使用する装置としては、ホットプレート、温風乾燥、赤外線ヒーター、マイクロウエーブ、真空乾燥機等が挙げられるが、これ以外の乾燥装置を用いることも勿論可能である。   After forming the cathode as described above, an electron transport layer may be formed on the cathode as necessary. The means for forming the electron transport layer may be either vapor deposition or solution coating, but is preferably solution coating. When forming an electron transport layer using a solution coating method, a solution in which the above-described electron transport material is dissolved and dispersed in a suitable solvent is coated on the cathode using a suitable coating method and dried. That's fine. The coating methods used for the solution coating method include cast method, spin coating method, blade coating method, wire bar coating method, gravure coating method, spray coating method, dipping (dipping) coating method, bead coating method, air knife coating method. Ordinary methods such as a curtain coating method, an ink jet method, a screen printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, an offset printing method, a flexographic printing method, and a Langmuir-Blodgett (LB) method can be used. Among these, it is particularly preferable to use a spin coating method or a blade coating method. In addition, although the solid content concentration of the solution used for the coating method may vary depending on the coating method and the film thickness, it is preferably 0.5 to 15% by mass, more preferably 1 to 10% by mass. Further, the temperature of the coating solution and / or the coating surface during coating is not particularly limited, but is preferably 30 to 120 ° C. from the viewpoint of preventing precipitation and unevenness due to temperature fluctuations during coating and drying. More preferably, it is 50-120 degreeC. Furthermore, there is no restriction | limiting in particular also about the specific form of drying, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. An example of the drying (heat treatment) condition is exemplified by a condition of about 90 to 120 ° C. and about 5 to 90 minutes. Examples of the apparatus used for drying include a hot plate, hot air drying, an infrared heater, a microwave, and a vacuum dryer. Of course, other drying apparatuses can be used.

続いて、上記で形成した陰極又は電子輸送層上に、p型有機半導体及びn型有機半導体を含む光電変換層を形成する。光電変換層を形成するための具体的な手法について特に制限はないが、好ましくは、p型有機半導体及びn型有機半導体をそれぞれ、又は一括して、適当な溶媒に溶解・分散させた溶液を、適当な塗布法(具体的な形態については、上述した通りである)を用いて陰極上に塗布し、乾燥させればよい。その後、残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集又は結晶化が促進され、光電変換層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、光電変換層の正孔と電子(キャリア)の移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。このようにして、p型有機半導体及びn型有機半導体が一様に混合され、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子とすることができる。   Subsequently, a photoelectric conversion layer including a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor is formed on the cathode or the electron transport layer formed as described above. A specific method for forming the photoelectric conversion layer is not particularly limited, but preferably, a solution in which a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor are dissolved or dispersed in an appropriate solvent, respectively or collectively. Then, it may be applied on the cathode using an appropriate application method (the specific form is as described above) and dried. After that, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture and gas, and improvement of mobility and absorption longwave by crystallization of the semiconductor material. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the photoelectric conversion layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the mobility of holes and electrons (carriers) in the photoelectric conversion layer is improved, and high efficiency can be obtained. In this manner, the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are uniformly mixed, and a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element can be obtained.

一方、p型有機半導体とn型有機半導体の混合比の異なる複数層からなる光電変換層(例えば、p−i−n構造)を形成する場合には、第一の層を塗布乾燥後に、順次ブレードコーターで塗布することにより形成することも可能である。   On the other hand, in the case of forming a photoelectric conversion layer (for example, a pin structure) composed of a plurality of layers having different mixing ratios of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, the first layer is applied and dried sequentially. It is also possible to form by applying with a blade coater.

なお、ポリアルキレンイミンを含む光電変換層を形成する場合、例えば、P型有機半導体及び/又はn型有機半導体とポリアルキレンイミンと適当な溶媒に溶解・分散させた溶液を調製し、これを塗布、乾燥すればよい。   In the case of forming a photoelectric conversion layer containing polyalkyleneimine, for example, a solution in which P-type organic semiconductor and / or n-type organic semiconductor, polyalkyleneimine and polyalkyleneimine are dissolved and dispersed in an appropriate solvent is prepared and applied. What is necessary is just to dry.

当該光電変換層を形成する工程は、酸素や水分に曝さないようにするために窒素雰囲気下のグローブボックス内で行うことが好ましい。このように、窒素雰囲気下で行うことにより、大気中の酸素又は水分によりp型有機半導体が劣化するのを防ぎ、素子の耐久性を高めることができる。   The step of forming the photoelectric conversion layer is preferably performed in a glove box under a nitrogen atmosphere so as not to be exposed to oxygen or moisture. Thus, by performing in a nitrogen atmosphere, it is possible to prevent the p-type organic semiconductor from being deteriorated by oxygen or moisture in the air, and to increase the durability of the element.

なお、本形態では光電変換層を2以上有することを特徴とするが、各光電変換層の間に上述の方法により中間層を作製する。   Note that this embodiment is characterized by having two or more photoelectric conversion layers, but an intermediate layer is formed between the photoelectric conversion layers by the above-described method.

次に、上記で形成した光電変換層上に、陽極を形成する。陽極を形成するための手段についても特に制限はなく、蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは蒸着法(例えば、真空蒸着法)が用いられる。   Next, an anode is formed on the photoelectric conversion layer formed above. The means for forming the anode is not particularly limited and may be either a vapor deposition method or a solution coating method, but a vapor deposition method (for example, a vacuum vapor deposition method) is preferably used.

さらに、光電変換層と陽極との間に正孔輸送層を設ける場合には、蒸着法又は溶液塗布法、好ましくは溶液塗布法を用いて、正孔輸送層が形成される。なお、当該正孔輸送層を形成する工程は、上記光電変換層を形成する工程と同様、窒素雰囲気下のグローブボックス内で行うことが好ましい。このように、窒素雰囲気下で行うことにより、大気中の酸素又は水分により光電変換層が劣化するのを防ぎ、素子の耐久性を高めることができる。   Furthermore, when providing a positive hole transport layer between a photoelectric converting layer and an anode, a positive hole transport layer is formed using the vapor deposition method or the solution coating method, Preferably the solution coating method. In addition, it is preferable to perform the process of forming the said positive hole transport layer within the glove box of nitrogen atmosphere similarly to the process of forming the said photoelectric converting layer. Thus, by performing in nitrogen atmosphere, it can prevent that a photoelectric converting layer deteriorates with the oxygen or water | moisture content in air | atmosphere, and can improve durability of an element.

さらに、上述した各種の層以外の層が含まれる場合には、これらの層を形成するための工程を、溶液塗布法や蒸着法等を用いることで適宜追加して行うことができる。また、必要に応じて第一の光電変換層と中間層との間、第二の光電変換層と中間層との間に、電荷輸送層(電子輸送層・正孔輸送層)等をさらに配置してもよい。   Furthermore, when layers other than the various layers described above are included, a step for forming these layers can be appropriately added by using a solution coating method, a vapor deposition method, or the like. Further, if necessary, a charge transport layer (electron transport layer / hole transport layer) is further disposed between the first photoelectric conversion layer and the intermediate layer and between the second photoelectric conversion layer and the intermediate layer. May be.

上記電極(陰極・陽極)、光電変換層、正孔輸送層、電子輸送層等は、必要に応じてパターニングされうる。パターニングの方法は特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。例えば、バルクへテロジャンクション型の光電変換層や正孔輸送層・電子輸送層等で使用される可溶性の材料をパターニングする場合には、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取ってもよいし、製膜後に炭酸レーザー等を用いてアブレーションする方法、スクライバで直接削り取る方法等でパターニングしてもよいし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしてもよい。一方、電極等で使用される不溶性の材料の場合は、真空蒸着法や真空スパッタ法、プラズマCVD法、電極材料の微粒子を分散させたインキを用いたスクリーン印刷法やグラビア印刷法、インクジェット法等の各種印刷方法、蒸着膜に対しエッチング又はリフトオフする等の公知の方法を用いることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成してもよい。   The electrodes (cathode / anode), photoelectric conversion layer, hole transport layer, electron transport layer, and the like can be patterned as necessary. The patterning method is not particularly limited, and a known method can be appropriately applied. For example, when patterning soluble materials used in bulk heterojunction type photoelectric conversion layers, hole transport layers, electron transport layers, etc., only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc. Alternatively, patterning may be performed by ablation using a carbonic acid laser or the like after film formation, by direct scraping with a scriber, or by direct patterning at the time of coating using a method such as an inkjet method or screen printing. . On the other hand, in the case of insoluble materials used in electrodes, etc., vacuum deposition method, vacuum sputtering method, plasma CVD method, screen printing method using ink in which fine particles of electrode material are dispersed, gravure printing method, ink jet method, etc. Various printing methods, and known methods such as etching or lift-off of the deposited film can be used. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

また、本形態の有機光電変換素子は、環境中の酸素、水分等による劣化を防止するために、必要に応じて封止されうる。封止の方法は特に制限はなく、有機光電変換素子や有機エレクトロルミネッセンス素子等で用いられる公知の手法によって行われうる。例えば、(1)アルミニウム又はガラス等でできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法;(2)アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上を接着剤で貼合する手法;(3)ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法;(4)ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)又は有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法;並びにこれらを複合的用いて積層する方法等が挙げられる。   Moreover, the organic photoelectric conversion element of this embodiment can be sealed as necessary in order to prevent deterioration due to oxygen, moisture, and the like in the environment. There is no restriction | limiting in particular in the method of sealing, It can carry out by the well-known method used with an organic photoelectric conversion element, an organic electroluminescent element, etc. For example, (1) a method of sealing a cap made of aluminum or glass by bonding with an adhesive; (2) a plastic film on which a gas barrier layer such as aluminum, silicon oxide or aluminum oxide is formed and organic photoelectric conversion (3) A method of spin-coating an organic polymer material (polyvinyl alcohol, etc.) having a high gas barrier property; (4) An inorganic thin film (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) having a high gas barrier property Alternatively, a method of depositing an organic film (parylene or the like) under vacuum; and a method of laminating these in a composite manner can be used.

さらに、本形態の有機光電変換素子は、エネルギー変換効率と素子寿命向上の観点から、素子全体を2枚のバリア付き基板で封止した構成でもよく、好ましくは、水分ゲッター、酸素ゲッター等を同封した構成であることがより好ましい。   Furthermore, the organic photoelectric conversion element of this embodiment may have a configuration in which the entire element is sealed with two substrates with a barrier from the viewpoint of improving energy conversion efficiency and element lifetime, and preferably includes a moisture getter, an oxygen getter, and the like. It is more preferable that the configuration is as described above.

<有機光電変換素子の用途>
本発明の他の形態によれば、上述のタンデム型有機光電変換素子を有する太陽電池が提供される。本形態のタンデム型有機光電変換素子は、優れた耐久性及び光電変換効率を達成することができるため、これを発電素子とする太陽電池に好適に使用されうる。
<Uses of organic photoelectric conversion elements>
According to the other form of this invention, the solar cell which has the above-mentioned tandem type | mold organic photoelectric conversion element is provided. Since the tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment can achieve excellent durability and photoelectric conversion efficiency, it can be suitably used for a solar cell using this as a power generation element.

また、本発明のさらに他の形態によれば、上述したタンデム型有機光電変換素子がアレイ状に配列されてなる光センサアレイが提供される。すなわち、本形態のタンデム型有機光電変換素子は、その光電変換機能を利用して、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する光センサアレイとして利用することもできる。   According to still another aspect of the present invention, there is provided an optical sensor array in which the above-described tandem organic photoelectric conversion elements are arranged in an array. That is, the tandem organic photoelectric conversion element of this embodiment can be used as an optical sensor array that converts an image projected on the optical sensor array into an electrical signal by using the photoelectric conversion function.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<正孔阻止層材料・化合物1の合成>
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
<Synthesis of hole blocking layer material / compound 1>

Adv. Mater. 2007,19,2010を参考として、化合物Bを合成した。化合物Bの重量平均分子量は4400であった。化合物B 1.0gおよび3,3’−イミノビス(N,N−ジメチルプロピルアミン)(アルドリッチ社製)9.0gを、テトラヒドロフラン100mlおよびN,N−ジメチルホルムアミド100mlの混合溶媒に溶解し、室温(25℃)で48時間撹拌して、反応を行った。反応終了後、溶媒を減圧留去し、さらに水に再沈殿を行うことで、化合物15を1.3g得た(収率90%)。得られた化合物について、H−NMRによって構造を特定した。結果を下記に示す。 Adv. Mater. Compound B was synthesized with reference to 2007, 19, 2010. Compound B had a weight average molecular weight of 4,400. 1.0 g of Compound B and 9.0 g of 3,3′-iminobis (N, N-dimethylpropylamine) (manufactured by Aldrich) were dissolved in a mixed solvent of 100 ml of tetrahydrofuran and 100 ml of N, N-dimethylformamide, and room temperature ( The reaction was carried out at 48 ° C. for 48 hours. After completion of the reaction, the solvent was distilled off under reduced pressure, and further reprecipitation was performed in water to obtain 1.3 g of Compound 15 (yield 90%). The structure of the obtained compound was identified by 1 H-NMR. The results are shown below.

7.6〜8.0ppm(br), 2.88ppm(br), 2.18ppm(m), 2.08ppm(s), 1.50ppm(m), 1.05ppm(br)。   7.6-8.0 ppm (br), 2.88 ppm (br), 2.18 ppm (m), 2.08 ppm (s), 1.50 ppm (m), 1.05 ppm (br).

<逆層・並列接続のタンデム型有機光電変換素子の評価>
[有機光電変換素子TC−101の作製](実施例)
国際公開第2008/134492号パンフレットを参考として、有機光電変換素子を作成した。ポリエチレンテレフタレート(PET)基板上に、第一の電極としてインジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜150nm堆積したもの(シート抵抗12Ω/cm square)を、通常のフォトリソグラフィ技術と湿式エッチングとを用いて10mm幅にパターニングし、第一の電極を形成した。パターン形成した第一の電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。これ以降は基板をグローブボックス中に持込み、窒素雰囲気下で作業した。
<Evaluation of tandem organic photoelectric conversion elements with reverse layer and parallel connection>
[Preparation of organic photoelectric conversion device TC-101] (Example)
An organic photoelectric conversion device was prepared with reference to the pamphlet of International Publication No. 2008/134492. On a polyethylene terephthalate (PET) substrate, an indium tin oxide (ITO) transparent conductive film 150 nm deposited as a first electrode (sheet resistance 12 Ω / cm 2 square) is subjected to normal photolithography technology and wet etching. The first electrode was formed by patterning to a width of 10 mm. The patterned first electrode was cleaned in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning. Thereafter, the substrate was brought into the glove box and operated in a nitrogen atmosphere.

この第一の電極上に、Aldrich社製3−(2−アミノエチル)−アミノプロピルトリメトキシシランの0.05wt%メトキシエタノール溶液を、乾燥膜厚が約5nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、ホットプレート上で120℃、1分間の加熱処理をして、第一の電子輸送層を製膜した。   On this first electrode, 0.05 wt% methoxyethanol solution of 3- (2-aminoethyl) -aminopropyltrimethoxysilane manufactured by Aldrich was used with a blade coater so that the dry film thickness was about 5 nm. The coating was dried. Thereafter, a heat treatment was performed on a hot plate at 120 ° C. for 1 minute to form a first electron transport layer.

次いで、o−ジクロロベンゼンに、p型有機半導体であるP3HT(BASF社製:レジオレギュラー ポリ−3−ヘキシルチオフェン)を1.5質量%、n型有機半導体であるPC61BM(フロンティアカーボン製nanom spectra E100H)を1.2質量%で混合した溶液を調製し、ホットプレート上で80℃に加熱しながら一昼夜撹拌して溶解した後、乾燥膜厚が約200nmになるようにブレードコーターを用いて塗布し、80℃で2分間乾燥して、第一の光電変換層を製膜した。   Next, p-type organic semiconductor P3HT (manufactured by BASF: regioregular poly-3-hexylthiophene) is added to o-dichlorobenzene by 1.5 mass%, and n-type organic semiconductor PC61BM (frontier carbon nanom spectra E100H). ) Was mixed at 1.2% by mass, dissolved by stirring overnight while heating to 80 ° C. on a hot plate, and then applied using a blade coater to a dry film thickness of about 200 nm. The film was dried at 80 ° C. for 2 minutes to form a first photoelectric conversion layer.

第一の光電変換層の乾燥完了後、再び大気下に取り出し、次いで正孔輸送層として、導電性高分子及びポリアニオンからなるPEDOT−PSS(CLEVIOS(登録商標) P VP AI 4083、ヘレオス株式会社製、導電率1×10−3S/cm)を等量のイソプロパノールで希釈した液を調製し、乾燥膜厚が約30nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、90℃の温風で20秒間加熱処理して、有機物からなる第一の正孔輸送層(有機材料層)を形成した。なお塗布時の大気の温度、相対湿度は23℃、65%であった。 After the drying of the first photoelectric conversion layer is completed, it is taken out again into the atmosphere, and then, as a hole transport layer, PEDOT-PSS (CLEVIOS (registered trademark) PVP AI 4083, made by Helios Co., Ltd.) composed of a conductive polymer and a polyanion. , Conductivity 1 × 10 −3 S / cm) was prepared by diluting with an equal amount of isopropanol, and applied and dried using a blade coater so that the dry film thickness was about 30 nm. Thereafter, heat treatment was performed with warm air of 90 ° C. for 20 seconds to form a first hole transport layer (organic material layer) made of an organic substance. The atmospheric temperature and relative humidity at the time of application were 23 ° C. and 65%.

次に、上記一連の機能層を製膜した第一の正孔輸送層上に、細線幅50μm、細線深さ15μm、線間隔1000μmの形状を有するグラビア版にて、InkTec社製TEC−PRタイプをインクとして用い、Ag金属細線パターンを印刷した。続けてホットプレート上で120℃で30分乾燥させ、格子状の金属細線パターン(金属グリッド)を作製した。印刷後の細線パターンは高さ0.6μm、線幅60μmであった。   Next, a TEC-PR type manufactured by InkTec Co., Ltd. is used with a gravure plate having a shape with a fine line width of 50 μm, a fine line depth of 15 μm, and a line interval of 1000 μm on the first hole transport layer formed with the above-described series of functional layers Was used as an ink and an Ag metal fine line pattern was printed. Subsequently, it was dried on a hot plate at 120 ° C. for 30 minutes to produce a grid-like fine metal wire pattern (metal grid). The fine line pattern after printing had a height of 0.6 μm and a line width of 60 μm.

前記の金属グリッドを設けた上に、下記に示す導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む塗布液をウェット膜厚10μmになるように塗布し、90℃、1分間乾燥した。その後、ホットプレート上で120℃、30分間の加熱処理を行い、透明導電層を形成した。なお、金属グリッド及び透明導電層からなる中間層は、一部PET基板上(光電変換層等のない部分)に直接形成しておき、後述する方法で中間層自体の透明性、導電性等を評価した。   On the metal grid, a coating solution containing the following conductive polymer and self-dispersing polymer was applied to a wet film thickness of 10 μm and dried at 90 ° C. for 1 minute. Thereafter, a heat treatment was performed on a hot plate at 120 ° C. for 30 minutes to form a transparent conductive layer. In addition, the intermediate layer consisting of the metal grid and the transparent conductive layer is formed directly on a part of the PET substrate (portion where there is no photoelectric conversion layer, etc.), and the transparency, conductivity, etc. of the intermediate layer itself are controlled by the method described later. evaluated.

(導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む塗布液)
導電性高分子:PEDOT−PSS CLEVIOS PH510(固形分濃度1.89%、H.C.Starck社製) 1.59g(0.14g)
自己分散型ポリマー(バインダー):バイロナールMD1245(固形分30%水溶液) 0.23g(0.07g)
ジメチルスルホキシド(DMSO) 0.16g
以上の各成分を混合し、塗布液を調整した。なお塗布液のpHは2であった。
(Coating liquid containing conductive polymer and self-dispersing polymer)
Conductive polymer: PEDOT-PSS CLEVIOS PH510 (solid content concentration 1.89%, manufactured by HC Starck) 1.59 g (0.14 g)
Self-dispersing polymer (binder): Vylonal MD1245 (30% solid content aqueous solution) 0.23 g (0.07 g)
Dimethyl sulfoxide (DMSO) 0.16g
The above components were mixed to prepare a coating solution. The pH of the coating solution was 2.

続けて、PEDOT−PSS(Clevios(登録商標)P4083、ヘレウス社製)分散液を、0.45μmのPVDFフィルタで濾過しながら、上記中間層上に膜厚が30nmになるようにブレードコーターを用い塗布し乾燥させた。さらに120℃で5分間乾燥させ、第二の正孔輸送層を形成した。   Subsequently, while a PEDOT-PSS (Clevios (registered trademark) P4083, manufactured by Heraeus) dispersion was filtered through a 0.45 μm PVDF filter, a blade coater was used so that the film thickness was 30 nm on the intermediate layer. It was applied and dried. Furthermore, it was made to dry at 120 degreeC for 5 minute (s), and the 2nd positive hole transport layer was formed.

続けて、o−ジクロロベンゼンに、J.AM.CHEM.SOC.2008,130,p16144に基づいて合成したPSBTBTと、PC61BM(フロンティアカーボン社製、E100H:6,6−フェニル−C61−ブチリックアシッドメチルエステル)と1:1(質量比)で混合したものを3.0質量%の割合で溶解させた溶液Aを、0.45μmのPTFEフィルタで濾過しながら、乾燥膜厚が約100nmになるよう、ブレードコーターを用いて上記第二の正孔輸送層上に製膜し、第二の光電変換層を形成した。 Subsequently, to o-dichlorobenzene, J.P. AM. CHEM. SOC. PSBTBT synthesized based on 2008, 130, p16144, and PC 61 BM (manufactured by Frontier Carbon Co., E100H: 6,6-phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester) were mixed at 1: 1 (mass ratio). The above second hole transport using a blade coater so that the dry film thickness is about 100 nm while filtering the solution A in which 3.0% by mass is dissolved with a 0.45 μm PTFE filter. A film was formed on the layer to form a second photoelectric conversion layer.

続いて、上記合成した正孔阻止層材料・化合物1を0.02質量%になるようにブタノール:ヘキサフルオロイソプロパノール=1:1に溶解した溶液を調製し、乾燥膜厚が約5nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥し第二の電子輸送層を製膜した。   Subsequently, a solution in which the synthesized hole blocking layer material / compound 1 is dissolved in butanol: hexafluoroisopropanol = 1: 1 so as to be 0.02% by mass is prepared so that the dry film thickness becomes about 5 nm. Then, a second electron transport layer was formed by coating and drying using a blade coater.

次に、上記一連の機能層を製膜した基板を真空蒸着装置チャンバー内に移動させ、1×10−4Pa以下にまで真空蒸着装置内を減圧した後、蒸着速度1.0nm/秒でAgメタルを100nm積層することで第二の電極(対電極;陰極)を形成した。得られた有機光電変換素子を窒素チャンバーに移動させ、封止用キャビティグラスとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行い、受光部が約5×20mmサイズの有機光電変換素子TC−101を完成させた。 Next, the substrate on which the series of functional layers is formed is moved into a vacuum deposition apparatus chamber, the inside of the vacuum deposition apparatus is depressurized to 1 × 10 −4 Pa or less, and then Ag is deposited at a deposition rate of 1.0 nm / second. A second electrode (counter electrode; cathode) was formed by laminating 100 nm of metal. The obtained organic photoelectric conversion element was moved to a nitrogen chamber, and sealing was performed using a sealing cavity glass and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1). An organic photoelectric conversion element TC-101 having a size of × 20 mm was completed.

[有機光電変換素子TC−102〜TC−106、110〜113の作製]
上記TC−101の作製において、自己分散型ポリマー(バインダー)を表1に記載のもの(TC-113はバインダーなし)に変更し、かつ自己分散型ポリマー(バインダー)の固形分濃度から乾燥後に0.07gとなる量に変更した以外は、TC−101と同様にして有機光電変換素子TC−102〜TC−106、110〜113を作製した。なおTC112に用いたナイポールLX435は、日本ゼオンせい社製の自己分散型でない(界面活性剤を含む)ポリマーである。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Elements TC-102 to TC-106, 110 to 113]
In the preparation of TC-101, the self-dispersing polymer (binder) was changed to the one shown in Table 1 (TC-113 has no binder), and the solid content concentration of the self-dispersing polymer (binder) was 0 after drying. Organic photoelectric conversion elements TC-102 to TC-106, 110 to 113 were produced in the same manner as TC-101 except that the amount was changed to 0.07 g. Nypol LX435 used for TC112 is a non-self-dispersing polymer (including a surfactant) manufactured by Nippon Zeon Seiyaku.

[有機光電変換素子TC−107の作製]
上記TC−101の作製において、導電性高分子PH510をポリアニリンM(固形分濃度6.0%、ティーエ―ケミカル)0.5gに変更した以外は、TC−101と同様にして有機光電変換素子TC−107を作製した。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element TC-107]
In the production of TC-101, the organic photoelectric conversion element TC was made in the same manner as TC-101 except that the conductive polymer PH510 was changed to 0.5 g of polyaniline M (solid content concentration 6.0%, T-Chemical). -107 was produced.

[有機光電変換素子TC−108の作製]
Adv.Mater.,2002,14,833〜837に記載の方法を参考に、PVP K30(分子量5万;ISP社製)を利用して、平均短径75nm、平均長さ35μmの銀ナノワイヤを作製し、限外濾過膜を用いて銀ナノワイヤを濾別、洗浄処理した後、ヒドロキシプロピルメチルセルロース60SH−50(信越化学工業社製)を当該銀ナノワイヤに対し25質量%加えた水溶液に再分散し、銀ナノワイヤ分散液を調製した。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element TC-108]
Adv. Mater. , 2002, 14, 833 to 837, by using PVP K30 (molecular weight 50,000; manufactured by ISP), silver nanowires having an average minor axis of 75 nm and an average length of 35 μm were produced. After silver nanowires are filtered and washed using a filtration membrane, hydroxypropylmethylcellulose 60SH-50 (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is redispersed in an aqueous solution containing 25% by mass of the silver nanowires. Was prepared.

そして、上記TC−101の作製において、金属細線パターンの形成を蒸着法ではなく上記銀ナノワイヤ分散液を用いることで形成した。   And in preparation of the said TC-101, formation of the metal fine wire pattern was formed by using the said silver nanowire dispersion liquid instead of a vapor deposition method.

上記銀ナノワイヤ分散液を、銀ナノワイヤの目付け量が0.06g/mとなるように、銀ナノワイヤ分散液を、バーコート法を用いて塗布し、110℃、5分間乾燥加熱し、銀ナノワイヤ基板を作製した。その後、120℃で30分間加熱することにより、銀ナノワイヤのランダムな網目構造を第一の正孔輸送層上に形成した以外はTC−101と同様にして有機光電変換素子TC−108を作製した。 The silver nanowire dispersion is applied using a bar coating method so that the basis weight of the silver nanowire is 0.06 g / m 2, and dried and heated at 110 ° C. for 5 minutes. A substrate was produced. Then, organic photoelectric conversion element TC-108 was produced like TC-101 except having formed the random network structure of silver nanowire on the 1st positive hole transport layer by heating at 120 ° C for 30 minutes. .

[有機光電変換素子TC−109の作製]
上記TC−101の作製において、金属細線パターンの形成材料を銀から銅に変更した以外は、TC−101と同様にして有機光電変換素子TC−109を作製した。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element TC-109]
In the production of TC-101, an organic photoelectric conversion element TC-109 was produced in the same manner as TC-101 except that the forming material of the metal fine line pattern was changed from silver to copper.

[有機光電変換素子TC−114の作製](比較例)
前記TC−113(自己分散型ポリマーなし)の作製において、金属細線パターンの形成材料を銀から金に変更し、かつパターンではなく12nmの均一薄膜とした以外は、TC−113と同様にして有機光電変換素子TC−114を作製した。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element TC-114] (Comparative Example)
In the production of the TC-113 (without self-dispersing polymer), the organic fine wire pattern was formed in the same manner as in the TC-113 except that the material for forming the metal fine line pattern was changed from silver to gold and a 12 nm uniform thin film was used instead of the pattern. A photoelectric conversion element TC-114 was produced.

<直列接続のタンデム型有機光電変換素子の評価>
[有機光電変換素子TC−115の作製](比較例)
上記特許文献4を参考として作製した。上記TC−101の作製と同様に透明導電膜の形成と洗浄までを実施したのち、第一の電子輸送層を、チタニアゾル(触媒化成工業(株)製PASOL HPW−10R)を水で4倍に希釈した溶液をブレードコートにより塗布し、大気中で120℃、10分間の条件で加熱し、第一の電子輸送層(膜厚約20nm)を得た。
<Evaluation of tandem organic photoelectric conversion elements connected in series>
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element TC-115] (Comparative Example)
It was produced with reference to Patent Document 4 above. After carrying out the formation and cleaning of the transparent conductive film in the same manner as in the production of TC-101, the first electron transport layer was titrated with titania sol (PASOL HPW-10R manufactured by Catalyst Chemical Industry Co., Ltd.) 4 times with water. The diluted solution was applied by blade coating and heated in air at 120 ° C. for 10 minutes to obtain a first electron transport layer (film thickness: about 20 nm).

その後、有機光電変換素子TC−101の作製で使用したPSBTBTからなる光電変換層形成用の塗布液を、スピンコートにより塗布し、有機薄膜太陽電池のトップセルの光電変換層(膜厚約100nm)を得た。P3HT(BASF社製:レジオレギュラー ポリ−3−ヘキシルチオフェン)を1.5質量%、n型有機半導体であるPC61BM(フロンティアカーボン製nanom spectra E100H)を1.2質量%で混合した溶液を調製し、ホットプレート上で80℃に加熱しながら一昼夜撹拌して溶解した後、乾燥膜厚が約200nmになるようにブレードコーターを用いて塗布し、80℃で2分間乾燥して、第一の光電変換層を製膜した。   Then, the coating liquid for photoelectric conversion layer formation which consists of PSBTBT used by preparation of organic photoelectric conversion element TC-101 was apply | coated by spin coating, and the photoelectric conversion layer (film thickness of about 100 nm) of the top cell of an organic thin film solar cell Got. A solution was prepared by mixing 1.5% by mass of P3HT (manufactured by BASF: regioregular poly-3-hexylthiophene) and 1.2% by mass of PC61BM which is an n-type organic semiconductor (nanom spectra E100H made by Frontier Carbon). Then, the mixture was stirred and dissolved overnight while heating on a hot plate at 80 ° C., then applied using a blade coater so that the dry film thickness was about 200 nm, dried at 80 ° C. for 2 minutes, and the first photoelectric A conversion layer was formed.

次いでOC1200溶液(Plextronics社製、商品名Plexcore OC1200、シグマアルドリッチ社より購入)をスピンコートにより塗布し、正孔輸送層(膜厚約50nm)を得た。OC1200溶液のpHをpH試験紙(アドバンテック東洋株式会社製、品名「ユニバーサル」、型番「07011030」)で測定したところ、pHは7であった。その後、真空蒸着機により中間層(電荷再結合層)として金を2nm蒸着した。その後、チタニアゾル(触媒化成工業(株)製PASOL HPW−10R)を水で4倍に希釈した溶液をスピンコートにより塗布し、電子輸送層(膜厚約20nm)を得た。なお、加熱処理は特に行わなかった。その後、前記組成物1を、スピンコートにより塗布し、有機薄膜太陽電池のボトムセルの光電変換層(膜厚約100nm)を得た。OC1200溶液(Plextronics社製、商品名Plexcore OC1200、シグマアルドリッチ社より購入)をスピンコートにより塗布し、最後に真空蒸着機により陽極としてAlを厚みが100nmとなるように蒸着し、有機光電変換素子TC−114を作製した。   Next, an OC1200 solution (manufactured by Plextronics, trade name Plexcore OC1200, purchased from Sigma-Aldrich) was applied by spin coating to obtain a hole transport layer (film thickness of about 50 nm). When the pH of the OC1200 solution was measured with a pH test paper (manufactured by Advantech Toyo Corporation, product name “Universal”, model number “07011030”), the pH was 7. Thereafter, 2 nm of gold was vapor-deposited as an intermediate layer (charge recombination layer) by a vacuum vapor deposition machine. Thereafter, a solution obtained by diluting titania sol (PASOL HPW-10R manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) 4 times with water was applied by spin coating to obtain an electron transport layer (film thickness: about 20 nm). Note that no heat treatment was performed. Then, the said composition 1 was apply | coated by spin coating, and the photoelectric conversion layer (film thickness of about 100 nm) of the bottom cell of an organic thin film solar cell was obtained. An OC1200 solution (manufactured by Plextronics, trade name Plexcore OC1200, purchased from Sigma-Aldrich) was applied by spin coating, and finally, Al was vapor-deposited to a thickness of 100 nm as an anode by a vacuum vapor deposition machine, and the organic photoelectric conversion element TC -114 was produced.

[有機光電変換素子TC−116の作製](参考例)
有機光電変換素子TC−115の作製において、中間層(電荷再結合層)として金を2nm蒸着する代わりに、TC−105で用いた塗布溶液を用いて電荷再結合層とした以外は同様にして、直列接続の有機光電変換素子TC−116を作成した。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element TC-116] ( Reference Example)
In the production of the organic photoelectric conversion element TC-115, instead of depositing 2 nm of gold as an intermediate layer (charge recombination layer), a charge recombination layer was formed using the coating solution used in TC-105. An organic photoelectric conversion element TC-116 connected in series was created.

<中間層の評価>
前記の中間層形成時に、PET基板上に一部中間層のみを形成した部分を用いて評価を行った。
<Evaluation of intermediate layer>
When the intermediate layer was formed, an evaluation was performed using a portion in which only a partial intermediate layer was formed on the PET substrate.

(分散液粒径)
大塚電子製ダイナミック光散乱光度計 DLS−8000を用いて、前記導電性高分子及び自己分散型ポリマーを含む塗布液の分散粒子の平均値を測定した。
(Dispersion particle size)
The average value of the dispersed particles of the coating liquid containing the conductive polymer and the self-dispersing polymer was measured using a dynamic light scattering photometer DLS-8000 manufactured by Otsuka Electronics.

(透明性)
JIS K 7361−1:1997に準拠して、東京電色社製 HAZE METER NDH5000を用いて、全光線透過率を測定し、下記基準で評価した。なお、中間層として用いるためには、75%以上であることが好ましい。
(transparency)
Based on JIS K 7361-1: 1997, total light transmittance was measured using HAZE METER NDH5000 manufactured by Tokyo Denshoku Co., Ltd., and evaluated according to the following criteria. In addition, in order to use as an intermediate | middle layer, it is preferable that it is 75% or more.

◎:80%以上
○:75%以上80%未満
△:70%以上75%未満
×:70%未満
(表面抵抗)
JIS K 7194:1994に準拠して、抵抗率計(ロレスタGP(MCP−T610型):(株)ダイヤインスツルメンツ社製)を用いて表面抵抗を測定した。表面抵抗は100Ω/cm square(□)以下であることが好ましく、素子を大面積にするには、30Ω/cm square以下であることが好ましい。
◎: 80% or more ○: 75% or more and less than 80% △: 70% or more and less than 75% ×: less than 70% (surface resistance)
The surface resistance was measured using a resistivity meter (Loresta GP (MCP-T610 type): manufactured by Dia Instruments Co., Ltd.) in accordance with JIS K 7194: 1994. The surface resistance is preferably 100 Ω / cm 2 square (□) or less, and is preferably 30 Ω / cm 2 square or less in order to increase the area of the device.

(表面粗さ(Ra、Ry))
AFM(セイコーインスツルメンツ社製SPI3800Nプローブステーション及びSPA400多機能型ユニット)を使用し、約1cm角の大きさに切り取った試料を用いて、前記の方法(JIS B601(1994)に規定される表面粗さに準ずる。)で測定した。
(Surface roughness (Ra, Ry))
Using an AFM (Seiko Instruments SPI3800N probe station and SPA400 multifunctional unit) and using a sample cut to a size of about 1 cm square, the surface roughness specified in the above method (JIS B601 (1994)). ).

(膜強度)
導電層の膜の強度を、テープ剥離法により評価した。
(Membrane strength)
The strength of the conductive layer film was evaluated by a tape peeling method.

導電層の上に住友スリーエム社製スコッチテープを用いて圧着/剥離を10回繰り返し、導電層の脱落を目視観察し、下記基準で評価した。   Crimping / peeling was repeated 10 times on the conductive layer using a Scotch tape manufactured by Sumitomo 3M Co., and the dropping of the conductive layer was visually observed and evaluated according to the following criteria.

◎:5回の圧着/剥離で変化無し
○:3回の圧着剥離で変化無し
△:1回の圧着剥離で剥離が見られるが8割以上のパターンが残っている
×:1回の圧着剥離で剥離が見られ、残っているパターンが8割未満
<有機光電変換素子の評価>
(光電変換効率の評価)
上記作製した封止した有機光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cmの強度の光を照射し、有効面積を1.0cmにしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを、同素子上に形成した4箇所の受光部についてそれぞれ測定し、平均値を求めた。また、測定されたJsc、Voc、FFから下記数式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。
◎: No change after 5 times of pressure bonding / peeling ○: No change after 3 times of pressure peeling / bonding △: Peeling is observed after 1 time of pressure peeling, but more than 80% pattern remains ×: 1 time of pressure peeling Peeling is observed, and the remaining pattern is less than 80%. <Evaluation of organic photoelectric conversion element>
(Evaluation of photoelectric conversion efficiency)
The organic photoelectric conversion element sealed prepared above, was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 1.0 cm 2 to the light receiving portion, the short circuit The current density Jsc (mA / cm 2 ), the open circuit voltage Voc (V), and the fill factor (fill factor) FF were measured for each of the four light receiving portions formed on the same element, and the average value was obtained. Further, energy conversion efficiency η (%) was obtained from the measured Jsc, Voc, and FF according to the following formula 1.

評価の結果を下記の表1に示す。平均値の数字が大きい程エネルギー変換効率(光電変換効率)が良好であることを示す。また最大値と最小値の差が小さいほど安定な変換効率が得られていることを示す。   The evaluation results are shown in Table 1 below. It shows that energy conversion efficiency (photoelectric conversion efficiency) is so favorable that the number of an average value is large. In addition, the smaller the difference between the maximum value and the minimum value, the more stable conversion efficiency is obtained.

[耐久性(温度サイクルテスト)]
JIS C8938−1995を参考として、温度サイクルテストを行った。
[Durability (temperature cycle test)]
A temperature cycle test was performed with reference to JIS C8938-1995.

すなわち、初期の光電変換効率を測定した後、温度を常温(25℃)→+90±2℃→ −40±3℃→常温(25℃)、と変化させるサイクルを20回(参考:JIS C8938−1995は200回)実施したのち、再度ソーラシュミレーターの光を100mW/cm(AM1.5G)の照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、耐久後の光電変換効率を測定した。 That is, after measuring the initial photoelectric conversion efficiency, 20 cycles of changing the temperature from normal temperature (25 ° C.) → + 90 ± 2 ° C. → −40 ± 3 ° C. → normal temperature (25 ° C.) (reference: JIS C8938- 1995, 200 times), the solar simulator light was again irradiated at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 (AM1.5G), voltage-current characteristics were measured, and post-endurance photoelectric conversion efficiency was measured.

◎:初期の90%以上の光電変換効率が残っている
○:初期の80%以上の光電変換効率が残っている
△:初期の50%以上の光電変換効率が残っている
×:初期の50%未満の光電変換効率が残っている
評価の結果を表1に示す。
◎: Initial photoelectric conversion efficiency of 90% or more remains ○: Initial photoelectric conversion efficiency of 80% or more remains Δ: Initial photoelectric conversion efficiency of 50% or more remains ×: Initial 50 Table 1 shows the results of evaluation in which less than% photoelectric conversion efficiency remains.

表1に示すように、本発明によると、プラスチック基板及び有機半導体デバイス上での形成にも適用できる低温でのプロセスにより、十分に透明性かつ導電性に優れた中間層を形成でき、さらに、得られるタンデム型素子は、光電変換効率及び温度サイクル耐久性に優れることが分かった。   As shown in Table 1, according to the present invention, it is possible to form an intermediate layer that is sufficiently transparent and excellent in electrical conductivity by a low-temperature process that can be applied to formation on a plastic substrate and an organic semiconductor device. It was found that the obtained tandem element was excellent in photoelectric conversion efficiency and temperature cycle durability.

なお、TC−116の素子の結果からも分かるように、並列接続のタンデム型素子だけでなく、直列接続のタンデム型素子(金属グリッドなし)の場合であっても、高い光電変換効率及び耐久性を提供できることが分かった。   As can be seen from the results of the elements of TC-116, high photoelectric conversion efficiency and durability are obtained not only in the case of tandem elements connected in parallel but also in the case of tandem elements connected in series (without a metal grid). It was found that can be provided.

10 順層型のシングル型有機光電変換素子、
11、21 基板、
12、22 第一の電極、
13、23 第二の電極、
14 光電変換層、
17 正孔輸送層、
18 電子輸送層、
20 逆層型のシングル型有機光電変換素子、
24a 第一の光電変換層、
24b 第二の光電変換層、
25 金属グリッド、
26 透明導電層、
27a 第一の正孔輸送層、
27b 第二の正孔輸送層、
28a 第一の電子輸送層、
28b 第二の電子輸送層、
29 中間層、
30 順層・直列接続型のタンデム型有機光電変換素子、
40 順層・並列接続型のタンデム型有機光電変換素子、
200 外部回路。
10 Forward layer type single type organic photoelectric conversion element,
11, 21 substrate,
12, 22 First electrode,
13, 23 Second electrode,
14 photoelectric conversion layer,
17 hole transport layer,
18 electron transport layer,
20 Reverse layer type single type organic photoelectric conversion element,
24a First photoelectric conversion layer,
24b Second photoelectric conversion layer,
25 metal grid,
26 transparent conductive layer,
27a first hole transport layer,
27b second hole transport layer,
28a a first electron transport layer,
28b a second electron transport layer,
29 middle class,
30 tandem type organic photoelectric conversion element of normal layer / series connection type,
40 Forward-layer / parallel-connected tandem organic photoelectric conversion elements,
200 External circuit.

Claims (4)

第一の電極、第一の光電変換層、第二の光電変換層、及び第二の電極がこの順に積層されてなり、
前記第一の光電変換層と前記第二の光電変換層との間に、導電性高分子及び水系溶媒に分散可能な自己分散型ポリマーを共に含有する中間層を有し、
前記第一の光電変換層と、前記第二の光電変換層とが、前記中間層を介して電気的に並列に接続されてなり、
前記中間層が取出し電極として機能し、
前記導電性高分子はポリチオフェンであり、
前記自己分散型ポリマーは、ポリエステル骨格を有するポリマーであり、ガラス転移点(Tg)は25〜64℃であり、かつ、平均粒径は19.8〜80nmであり、
前記中間層は、パターン状に形成された銀を含有する金属グリッドを有する、
逆層・並列接続のタンデム型有機光電変換素子。
The first electrode, the first photoelectric conversion layer, the second photoelectric conversion layer, and the second electrode are laminated in this order,
Between the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer, having an intermediate layer containing both a conductive polymer and a self-dispersing polymer dispersible in an aqueous solvent,
The first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer are electrically connected in parallel via the intermediate layer,
The intermediate layer functions as an extraction electrode ;
The conductive polymer is polythiophene,
The self-dispersing polymer is a polymer having a polyester skeleton, the glass transition point (Tg) is 25 to 64 ° C., and the average particle size is 19.8 to 80 nm,
The intermediate layer will have a metal grid containing silver formed in a pattern,
Tandem organic photoelectric conversion element with reverse layer and parallel connection.
前記自己分散型ポリマーは解離性基を有する、請求項1に記載のタンデム型有機光電変換素子。 The tandem organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the self-dispersing polymer has a dissociable group. 前記自己分散型ポリマーのガラス転移点(Tg)は50〜64℃である、請求項1または2に記載のタンデム型有機光電変換素子。 The tandem organic photoelectric conversion device according to claim 1 or 2 , wherein the self-dispersing polymer has a glass transition point (Tg) of 50 to 64 ° C. 請求項1〜のいずれか1項に記載のタンデム型有機光電変換素子を有する、太陽電池。 The solar cell which has a tandem organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-3 .
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