JP6814329B2 - Lateral carrier collection type organic solar cell - Google Patents

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    • Y02E10/549Organic PV cells

Description

本発明は、有機太陽電池に関し、詳細には、横方向にキャリアを収集できる新規の構造を有する有機太陽電池に関する。 The present invention relates to an organic solar cell, and more particularly to an organic solar cell having a novel structure capable of collecting carriers in the lateral direction.

近年、グローバルな規模で環境やエネルギー問題がますます深刻化する中、環境に優しく無尽蔵にクリーンなエネルギーを持続的に供給できる太陽光を利用した太陽電池の開発が盛んに検討されている。太陽電池は、シリコン系やガリウム等を用いた非シリコン系の無機系太陽電池と、色素増感型や有機薄膜型の有機系太陽電池とに大別される。その中でも、特に発電コストの低い有機系太陽電池への期待が高まっている。 In recent years, as environmental and energy problems have become more serious on a global scale, the development of solar cells using sunlight, which is environmentally friendly and can continuously supply inexhaustible and clean energy, is being actively studied. Solar cells are roughly classified into non-silicon-based inorganic solar cells using silicon-based or gallium, and dye-sensitized type or organic thin-film type organic solar cells. Among them, expectations are rising for organic solar cells, which have low power generation costs.

従来の有機系太陽電池の一例として、縦型のバルクへテロ接合構造を有する有機太陽電池が知られている。このようなバルクヘテロ接合構造は、互いに対向する電極対の間に設けられた光電変換層中に存在するn型有機半導体材料(アクセプター)とp型有機半導体材料(ドナー)とがナノレベルで複雑に三次元的に接合した構造である。入射光の光子エネルギーによって励起された光電変換層中の励起子がp−n接合界面に到達することにより励起子がホールと電子に分離し、ドナー領域を通じて一方の電極にホールが輸送され、アクセプター領域を通じて他方の電極に電子が輸送される。しかしながら、従来のバルクヘテロ接合層は、約1μm程度の多結晶薄膜又は非晶質薄膜であり、結晶粒界が多数存在しているため、励起子によるホールと電子への高速分離を妨げ、その結果、キャリア輸送のロスが生じるといった欠点があった。そのため、このような欠点を克服し得る新たな構造を有する有機系太陽電池の開発が望まれている。 As an example of a conventional organic solar cell, an organic solar cell having a vertical bulk heterojunction structure is known. In such a bulk heterojunction structure, an n-type organic semiconductor material (acceptor) and a p-type organic semiconductor material (donor) existing in a photoelectric conversion layer provided between electrode pairs facing each other are complicated at the nano level. It is a three-dimensionally joined structure. When the excitons in the photoelectric conversion layer excited by the photon energy of the incident light reach the pn junction interface, the excitons are separated into holes and electrons, and the holes are transported to one electrode through the donor region, and the acceptor. Electrons are transported through the region to the other electrode. However, the conventional bulk heterojunction layer is a polycrystalline thin film or an amorphous thin film of about 1 μm, and has a large number of grain boundaries, which hinders high-speed separation of holes and electrons by excitons, and as a result. , There was a drawback that carrier transportation loss occurred. Therefore, it is desired to develop an organic solar cell having a new structure capable of overcoming such a drawback.

特許文献1には、p型有機半導体層とn型有機半導体層とを交互に縦に積層した超格子を2枚の金属電極でサンドイッチした直立型超格子セルが開示されている。また、特許文献2においても、互いに対向する電極対の間に、p型有機高分子層とn型有機高分子層とが交互に縦に積層された光電変換層を備えた縦型超格子構造を有する有機薄膜太陽電池が開示されている。しかしながら、このような直立型、縦型の超格子構造を製造するためには、p型有機半導体層とn型有機半導体層とを交互に重ねて積層した積層体を一旦作製した後、超格子を得るために当該積層体を数μm〜数百nmの厚さの非常に薄い幅で垂直に裁断する必要がある。これにより、厚さが非常に薄い超格子を得ることができるものの、製造工程が煩雑であり、また、厚さが非常に薄いp型有機半導体層とn型有機半導体層とを交互に縦に積層させることから、積層構造を制御することも困難であった。 Patent Document 1 discloses an upright superlattice cell in which a superlattice in which p-type organic semiconductor layers and n-type organic semiconductor layers are alternately and vertically laminated is sandwiched between two metal electrodes. Further, also in Patent Document 2, a vertical superlattice structure provided with photoelectric conversion layers in which p-type organic polymer layers and n-type organic polymer layers are alternately and vertically laminated between electrode pairs facing each other. The organic thin film solar cell having the above is disclosed. However, in order to manufacture such an upright type and vertical type superlattice structure, a laminated body in which p-type organic semiconductor layers and n-type organic semiconductor layers are alternately laminated is once produced, and then the superlattice is produced. It is necessary to vertically cut the laminate with a very thin width of several μm to several hundred nm in thickness in order to obtain the above. As a result, a superlattice having a very thin thickness can be obtained, but the manufacturing process is complicated, and the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer having a very thin thickness are alternately arranged vertically. It was also difficult to control the laminated structure because of the lamination.

特許文献3には、電子ドナーと電子アクセプターとを最適に組み合わせることにより、電子ドナー部分にホールナノ輸送経路を、電子アクセプター部分に電子ナノ輸送経路をそれぞれ形成し、ホールと電子をそれぞれの電極に効率良く注入できるバルクヘテロ接合型有機太陽電池が開示されており、その際、当該バルクヘテロ接合型の有機太陽電池の理想的な模式図として、電子ドナーであるポルフィリンと電子アクセプターであるフラーレンが交互に積層された積層体の側面を、互いに対向するITO電極とアルミニウム電極でサンドイッチした構造が開示されている。しかしながら、太陽光は、陽電極のITO側から入射されるため、このような有機太陽電池において、ホールおよび電子の移動方向と太陽光が入射する方向は同じである。したがって、特許文献3には、従来の縦型のバルクヘテロ接合型の有機太陽電池と同様の構造が開示されているだけであり、上記欠点は依然として存在する。 In Patent Document 3, by optimally combining an electron donor and an electron acceptor, a hole nanotransport path is formed in the electron donor portion and an electron nanotransport path is formed in the electron acceptor portion, and holes and electrons are efficiently transferred to their respective electrodes. A bulk heterojunction organic solar cell that can be injected well is disclosed, in which case porphyrin, which is an electron donor, and fullerene, which is an electron acceptor, are alternately laminated as an ideal schematic diagram of the bulk heterojunction type organic solar cell. A structure in which the side surfaces of the laminated body are sandwiched between ITO electrodes and aluminum electrodes facing each other is disclosed. However, since sunlight is incident from the ITO side of the positive electrode, the moving direction of holes and electrons and the incident direction of sunlight are the same in such an organic solar cell. Therefore, Patent Document 3 only discloses a structure similar to that of a conventional vertical bulk heterojunction type organic solar cell, and the above-mentioned drawbacks still exist.

特開2004−103939号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-103939 国際公開第2012/172878号International Publication No. 2012/172878 特開2005−236278号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-236278

従来の縦型のバルクヘテロ接合型の有機太陽電池や縦型超格子構造を有する有機太陽電池において、有機半導体層の材料として、キャリア移動度が高い材料を使用しても、各電極がキャリアを収集できる距離の限界は、電極間の距離が約1μm程度である。そのため、キャリア輸送距離、すなわち、有機半導体層の膜厚を厚くすると、相応して電極間の距離も長くなり、その結果、キャリアを相応する電極に輸送することは不可能であった。また、電極間に存在する層の全厚を増大させると、電極間の距離も増大するため、キャリアを相応する電極に収集することができなくなる。したがって、電極間に設けられ得る層の厚さに限度があり、電極間に新たな特性を付与し得る材料をさらに積層させることは困難であった。 In conventional vertical bulk heterojunction type organic solar cells and organic solar cells having a vertical superlattice structure, even if a material having high carrier mobility is used as the material of the organic semiconductor layer, each electrode collects carriers. The limit of the possible distance is that the distance between the electrodes is about 1 μm. Therefore, when the carrier transport distance, that is, the film thickness of the organic semiconductor layer is increased, the distance between the electrodes is correspondingly increased, and as a result, it is impossible to transport the carrier to the corresponding electrode. Further, if the total thickness of the layer existing between the electrodes is increased, the distance between the electrodes is also increased, so that the carriers cannot be collected on the corresponding electrodes. Therefore, there is a limit to the thickness of the layer that can be provided between the electrodes, and it is difficult to further laminate a material that can impart new characteristics between the electrodes.

上記事情に鑑み、本発明の目的は、電極間の距離が比較的長くてもキャリアを相応する電極に輸送でき、さらには電極間の層の厚膜化が可能である新規の有機太陽電池を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a novel organic solar cell capable of transporting carriers to the corresponding electrodes even if the distance between the electrodes is relatively long, and further thickening the layer between the electrodes. To provide.

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討した結果、太陽光が入射される基板と、該基板の同一表面側に、所定の距離をおいて形成される1対の電極と、ホール輸送可能なドナー材料からなる少なくとも1つのp型有機半導体層、及び電子輸送可能なアクセプター材料からなる少なくとも1つのn型有機半導体層の双方の有機半導体層と、を備え、前記有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向にキャリアを輸送できる特性を有することを特徴とする横方向収集型の新規な構造を有する有機太陽電池を用いることにより、電極間の距離が比較的長く、例えば、10μm以上であってもキャリアを相応する電極に輸送できることを新規に見出し、本発明に至った。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found a substrate on which sunlight is incident and a pair of electrodes formed on the same surface side of the substrate at a predetermined distance. The organic semiconductor layer comprises at least one p-type organic semiconductor layer made of a hole-transportable donor material and at least one n-type organic semiconductor layer made of an electron-transportable acceptor material. By using an organic solar cell having a novel structure of the lateral collection type, which is characterized in that one or both of them can transport carriers in the lateral direction of the organic semiconductor layer, the distance between the electrodes can be reduced. We have newly found that carriers can be transported to a corresponding electrode even if they are relatively long, for example, 10 μm or more, and have reached the present invention.

すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
(1)太陽光が入射される基板と、
該基板の同一表面側に、
所定の距離をおいて形成される1対の電極と、
ホール輸送可能なドナー材料からなる少なくとも1つのp型有機半導体層、及び電子輸送可能なアクセプター材料からなる少なくとも1つのn型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
を備え、
前記有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向にホールまたは電子のキャリアを輸送できる特性を有することを特徴とする横方向キャリア収集型有機太陽電池。
(2)記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層、及び前記n型有機半導体層のうちの一方の有機半導体層と、
該一方の有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
該1対の電極のうちの一方の電極と、前記一方の有機半導体層の間に形成される他方の有機半導体層と、
を備え、
前記一方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm/V・s以上であることを特徴とする、(1)に記載の有機太陽電池。
(3)前記一方の有機半導体層がp型有機半導体層であり、前記他方の有機半導体層がn型有機半導体層であり、
前記一方の電極が電子を収集する第2電極であり、他方の電極がホールを収集する第1電極であり、かつ
前記n型有機半導体層におけるアクセプター材料が、フラーレン誘導体であることを特徴とする、(2)に記載の有機太陽電池。
(4)前記一方の有機半導体層がn型有機半導体層であり、前記他方の有機半導体層がp型有機半導体層であり、
前記一方の電極がホールを収集する第1電極であり、他方の電極が電子を収集する第2電極であり、かつ
前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、ジベンゾテトラフェニルペリフランテン又はフタロシアニン誘導体であることを特徴とする、(2)に記載の有機太陽電池。
(5)前記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層及び前記n型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
それぞれの有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
前記1対の電極の電極間に形成される、前記双方の有機半導体層から構成される1以上の積層ユニットと、
を備え、
前記双方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm/V・s以上であることを特徴とする、(1)に記載の有機太陽電池。
(6)前記1対の電極のうち、前記p型有機半導体層の表面側に形成される電極がホールを収集する第1電極であり、前記n型有機半導体層の表面側に形成される電極が電子を収集する第2電極であることを特徴とする、(5)に記載の有機太陽電池。
(7)前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、
下記式(1)

Figure 0006814329

(式(1)中、
及びXは、互いに独立して、カルコゲン原子であり、
1乃至Rは、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基であり、
及びR並びにR及びRは、それらが結合するベンゼン環と一緒になって、非置換の又は1以上の置換基を有するナフタレン、アントラセン又はフェナントレンの環を形成してもよく、前記置換基は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基である)で表される化合物であるか、又は
下記式(5)
Figure 0006814329

(式(5)中、
及びRは、互いに独立して、水素原子、置換基を有してもよいアリール基、又は置換基を有してもよいアルキル基であり、かつR、Rが複数ある場合は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、
m及びnは、互いに独立して、1〜4の整数である)で表される化合物であることを特徴とする(1)、(2)、(3)、(5)又は(6)に記載の有機太陽電池。
(8)前記ドナー材料が、下記式(2)
Figure 0006814329

(式(2)中、
及びXは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
及びRは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;
下記式(3)
Figure 0006814329

(式(3)中、
及びXは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
乃至R20は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;又は、
下記式(4)
Figure 0006814329

(式(4)中、
及びXは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
21乃至R36は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であることを特徴とする(7)に記載の有機太陽電池。
(9)前記ドナー材料が、前記式(2)で表される化合物であり、
及びXは、それぞれ硫黄原子であり、かつR及びRは、それぞれアルキル基であることを特徴とする(8)に記載の有機太陽電池。
(10)前記アクセプター材料が、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミド又はN,N0−1H,1H−ペルフルオロブチル−シアノペリレンジイミドであることを特徴とする(1)、(2)、(4)、(5)又は(6)に記載の有機太陽電池。
(11)前記所定の距離は10μm以上であることを特徴とする、(1)乃至(10)のいずれか1つに記載の有機太陽電池。 That is, the gist structure of the present invention is as follows.
(1) The substrate on which sunlight is incident and
On the same surface side of the substrate,
A pair of electrodes formed at a predetermined distance,
Both organic semiconductor layers, at least one p-type organic semiconductor layer made of a hole-transportable donor material and at least one n-type organic semiconductor layer made of an electron-transportable acceptor material,
With
A lateral carrier collecting type organic solar cell, characterized in that one or both of the organic semiconductor layers has a property of transporting holes or electron carriers in the lateral direction of the organic semiconductor layer.
(2) The p-type organic semiconductor layer and one of the n-type organic semiconductor layers formed on the surface of the substrate and the organic semiconductor layer.
A pair of electrodes formed on the surface side of the one organic semiconductor layer directly or via an intermediate layer at a predetermined distance.
One electrode of the pair of electrodes and the other organic semiconductor layer formed between the one organic semiconductor layer.
With
The organic solar cell according to (1), wherein the carrier mobility to be transported in the lateral direction of the one organic semiconductor layer is 0.01 cm 2 / V · s or more.
(3) The one organic semiconductor layer is a p-type organic semiconductor layer, and the other organic semiconductor layer is an n-type organic semiconductor layer.
One electrode is a second electrode that collects electrons, the other electrode is a first electrode that collects holes, and the acceptor material in the n-type organic semiconductor layer is a fullerene derivative. , (2).
(4) The one organic semiconductor layer is an n-type organic semiconductor layer, and the other organic semiconductor layer is a p-type organic semiconductor layer.
The one electrode is the first electrode that collects holes, the other electrode is the second electrode that collects electrons, and the donor material in the p-type organic semiconductor layer is a dibenzotetraphenylperifrantene or a phthalocyanine derivative. The organic solar cell according to (2), characterized in that.
(5) An organic semiconductor layer of both the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer formed on the surface of the substrate.
A pair of electrodes formed on the surface side of each organic semiconductor layer, either directly or via an intermediate layer at a predetermined distance,
One or more laminated units formed between the electrodes of the pair of electrodes and composed of both of the organic semiconductor layers, and
With
The organic solar cell according to (1), wherein the carrier mobility to be transported in the lateral direction of both of the organic semiconductor layers is 0.01 cm 2 / V · s or more.
(6) Of the pair of electrodes, the electrode formed on the surface side of the p-type organic semiconductor layer is the first electrode that collects holes, and the electrode formed on the surface side of the n-type organic semiconductor layer. The organic solar cell according to (5), wherein is a second electrode that collects electrons.
(7) The donor material in the p-type organic semiconductor layer is
The following formula (1)
Figure 0006814329

(In equation (1),
X 1 and X 2 are chalcogen atoms, independent of each other.
R 1 to R 8 are independent of each other and are a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an alkyloxy group or an alkylthio group.
R 2 and R 3 and R 6 and R 7 may be combined with the benzene ring to which they are attached to form an unsubstituted or naphthalene, anthracene or phenanthrene ring having one or more substituents. The substituent is a compound represented by a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an alkyloxy group or an alkylthio group independently of each other, or the following formula ( 5)
Figure 0006814329

(In equation (5),
When R c and R d are independent of each other, a hydrogen atom, an aryl group which may have a substituent, or an alkyl group which may have a substituent, and there are a plurality of R c and R d. Can be the same or different,
In (1), (2), (3), (5) or (6), m and n are compounds represented by (1), (2), (3), (5) or (6) independently of each other. The organic solar cell described.
(8) The donor material is the following formula (2).
Figure 0006814329

(In equation (2),
X 1 and X 2 are independently represented by a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and Ra and R b are independently represented by a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group). Is it a compound?
The following formula (3)
Figure 0006814329

(In equation (3),
X 1 and X 2 are independent of each other as a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and R 9 to R 20 are independent of each other as a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group). Is it a compound?
The following formula (4)
Figure 0006814329

(In equation (4),
X 1 and X 2 are independently represented by a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and R 21 to R 36 are independently represented by a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group). The organic solar cell according to (7), which is a compound.
(9) The donor material is a compound represented by the formula (2).
The organic solar cell according to (8), wherein X 1 and X 2 are sulfur atoms, respectively, and Ra and R b are alkyl groups, respectively.
(10) The acceptor material is N, N'-dioctyl-3,4,9,10-perylene carboxymid or N, N0-1H, 1H-perfluorobutyl-cyanoperylene imide (10). The organic solar cell according to 1), (2), (4), (5) or (6).
(11) The organic solar cell according to any one of (1) to (10), wherein the predetermined distance is 10 μm or more.

本発明の有機太陽電池は、p型有機半導体層からなる有機半導体層及びn型有機半導体層からなる有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向にキャリアを輸送できる特性ため、電極間の距離、すなわち、有機半導体層におけるキャリア輸送距離が、例えば、比較的長い10μm以上であっても、キャリアを相応する電極に輸送できる。また、有機半導体層の横方向にキャリアが輸送できる構造により、縦型の有機太陽電池では制限されていた層の厚膜化が可能となる。そのため、積層する材料をさらに選択することができ、その結果、積層する材料の特性を利用できる有機太陽電池を得ることが可能となり、例えば、個々の材料固有の吸収特性を利用した太陽光の全波長流域での吸収が可能になることが期待できる。さらに、各電極を比較的長い距離で配置できるため、微細加工等の頻雑な工程を施すことなく、マスク蒸着等の簡便な工程により各電極を配置せることが可能となる。 The organic solar cell of the present invention has a characteristic that one or both of an organic semiconductor layer composed of a p-type organic semiconductor layer and an organic semiconductor layer composed of an n-type organic semiconductor layer can transport carriers in the lateral direction of the organic semiconductor layer. Therefore, even if the distance between the electrodes, that is, the carrier transport distance in the organic semiconductor layer is, for example, a relatively long 10 μm or more, the carriers can be transported to the corresponding electrodes. In addition, the structure in which carriers can be transported in the lateral direction of the organic semiconductor layer makes it possible to thicken the layer, which is limited in vertical organic solar cells. Therefore, the material to be laminated can be further selected, and as a result, an organic solar cell that can utilize the characteristics of the material to be laminated can be obtained. For example, all of the sunlight utilizing the absorption characteristics peculiar to each material. It can be expected that absorption in the wavelength basin will be possible. Further, since each electrode can be arranged at a relatively long distance, each electrode can be arranged by a simple process such as mask deposition without performing a complicated process such as microfabrication.

本発明に従う有機太陽電池の第1実施形態を示す概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which shows the 1st Embodiment of the organic solar cell according to this invention. 本発明に従う有機太陽電池の第2実施形態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd Embodiment of the organic solar cell which follows this invention. 本発明に従う有機太陽電池の第3実施形態を示す概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which shows the 3rd Embodiment of the organic solar cell according to this invention. 本発明に従う有機太陽電池の第4実施形態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 4th Embodiment of the organic solar cell which follows this invention. 本発明に従う有機太陽電池の第5実施形態を示す概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which shows the 5th Embodiment of the organic solar cell according to this invention.

以下、本発明に従う代表的な有機太陽電池について、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下に示す実施態様は、本発明を具体的に説明するために用いた代表的な実施態様を例示したにすぎず、本発明の範囲において、種々の実施態様をとり得る。 Hereinafter, a typical organic solar cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments shown below merely illustrate typical embodiments used to specifically explain the present invention, and various embodiments can be taken within the scope of the present invention.

本発明の有機太陽電池は、太陽光が入射される基板と、該基板の表面側に所定の距離をおいて形成される1対の電極と、ホール輸送可能なドナー材料からなる少なくとも1つのp型有機半導体層、及び電子輸送可能なアクセプター材料からなる少なくとも1つのn型有機半導体層の双方の有機半導体層と、を備え、前記有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向(以下、単に「横方向」と称する)にキャリアを輸送できる特性を有する、横方向キャリア収集型有機太陽電池である。そのため、本発明の有機太陽電池は、p型有機半導体層とn型有機半導体層の双方の厚さ方向(以下、「縦方向」と称する)にキャリアを輸送する特性を有する従来の縦型のヘテロ接合型、バルクヘテロ接合型の有機太陽電池とは、異なる特性を有している。 The organic solar cell of the present invention comprises at least one p consisting of a substrate on which sunlight is incident, a pair of electrodes formed on the surface side of the substrate at a predetermined distance, and a hole-transportable donor material. It comprises both an organic semiconductor layer of a type organic semiconductor layer and at least one n-type organic semiconductor layer made of an electron-transportable acceptor material, and one or both of the organic semiconductor layers is the organic semiconductor layer. It is a lateral carrier collecting type organic solar cell having a property of being able to transport carriers in the lateral direction (hereinafter, simply referred to as “lateral direction”). Therefore, the organic solar cell of the present invention is a conventional vertical type having a property of transporting carriers in the thickness direction (hereinafter, referred to as "vertical direction") of both the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer. It has different characteristics from the heterojunction type and bulk heterojunction type organic solar cells.

図1は、p型有機半導体層及びn型有機半導体層の双方で横方向にキャリアを輸送する横方向キャリア収集型の有機太陽電池の構成図の一例である。このような構成において、基板1上に、所定の距離をおいて互いに対向する電極対が形成され、これらの電極間にp型有機半導体層2とn型有機半導体層3とが積層される。電極対のうちの一方はホールを収集する第1電極4であり、他方は電子を収集する第2電極5である。ホール輸送可能なドナー材料からなるp型有機半導体層2はホール輸送層を意味し、電子輸送可能なアクセプター材料からなるn型有機半導体層3は電子輸送層を意味する。これにより、p型有機半導体層2及びn型有機半導体層3の双方で横方向にキャリアを輸送する横方向キャリア収集型の有機太陽電池を作製することができる。また、p型有機半導体層2とn型有機半導体層3とのユニットを複数積層させることも可能であり、これにより、発電効率をさらに高めることもできる。 FIG. 1 is an example of a configuration diagram of a lateral carrier collecting type organic solar cell that transports carriers in the lateral direction in both the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer. In such a configuration, electrode pairs facing each other are formed on the substrate 1 at a predetermined distance, and the p-type organic semiconductor layer 2 and the n-type organic semiconductor layer 3 are laminated between these electrodes. One of the electrode pairs is the first electrode 4 that collects holes, and the other is the second electrode 5 that collects electrons. The p-type organic semiconductor layer 2 made of a hole-transportable donor material means a hole-transporting layer, and the n-type organic semiconductor layer 3 made of an electron-transportable acceptor material means an electron-transporting layer. Thereby, a lateral carrier collecting type organic solar cell in which carriers are transported in the lateral direction in both the p-type organic semiconductor layer 2 and the n-type organic semiconductor layer 3 can be manufactured. It is also possible to stack a plurality of units of the p-type organic semiconductor layer 2 and the n-type organic semiconductor layer 3 to further improve the power generation efficiency.

本発明の有機太陽電池において、p型有機半導体層を構成するドナー材料及びn型有機半導体層を構成するアクセプター材料のうち一方又は双方が、横方向に0.01cm/V・s以上のキャリアの移動度(以下、「キャリア移動度」と称する)を有していることが好ましい。ここで、ドナー材料とは、電子供与性を有する有機半導体材料、すなわちホール輸送材料を意味し、アクセプター材料とは、電子受容性を有する有機半導体材料、すなわち電子輸送材料を意味する。このようなキャリア移動度の高いドナー材料及びアクセプター材料のうちのいずれか一方、又は双方を使用することにより、電極間の距離が比較的長い場合であっても、キャリアを横方向に配置された相応する電極まで輸送することができ、その結果、横方向キャリア収集型の有機太陽電池を得ることが可能となる。キャリア移動度は、高ければ高いほど好ましく、より好ましくは0.1cm/V・s以上であり、さらに好ましくは1.0cm/V・s以上である。 In the organic solar cell of the present invention, one or both of the donor material constituting the p-type organic semiconductor layer and the acceptor material constituting the n-type organic semiconductor layer are carriers of 0.01 cm 2 / V · s or more in the lateral direction. It is preferable to have the mobility (hereinafter, referred to as “carrier mobility”). Here, the donor material means an organic semiconductor material having an electron donating property, that is, a hole transporting material, and the acceptor material means an organic semiconductor material having an electron acceptor property, that is, an electron transporting material. By using either or both of the donor material and the acceptor material having high carrier mobility, the carriers are arranged laterally even when the distance between the electrodes is relatively long. It can be transported to the corresponding electrode, and as a result, a lateral carrier collection type organic solar cell can be obtained. The higher the carrier mobility, the more preferable, more preferably 0.1 cm 2 / V · s or more, and further preferably 1.0 cm 2 / V · s or more.

ドナー材料およびアクセプター材料がキャリアを相応する電極まで輸送するためには、これらが横方向へのキャリア輸送に十分なキャリア飛程を有していなければならない。キャリア飛程は、電極間距離Lに相当するものであり、下記の公式

Figure 0006814329
により求めることができる。式中、μはキャリア移動度(cm/V・s)を表し、τはキャリア寿命(ms)を表し、Eは内蔵電界(V/cm)を表す。例えば、使用するドナー材料のμが1.1×10−2cm/V・s、ドナー材料のτが3.8ms(3.8×10−3s)、内蔵電界が120V/cmであった場合、キャリア飛程は、L=約5.0×10−3cm=約50μmとなる。したがって、キャリア移動度が高いほどキャリア飛程も長くなり、その結果、電極間距離Lもより長くすることが可能となる。 In order for the donor and acceptor materials to transport carriers to the corresponding electrodes, they must have sufficient carrier range for lateral carrier transport. The carrier range corresponds to the distance L between the electrodes, and the following formula
Figure 0006814329
Can be obtained by. In the equation, μ represents carrier mobility (cm 2 / V · s), τ represents carrier lifetime (ms), and E represents built-in electric field (V / cm). For example, the donor material used has a μ h of 1.1 × 10 −2 cm 2 / V · s, the donor material τ h is 3.8 ms (3.8 × 10 -3 s), and the built-in electric field is 120 V / cm. If, the carrier range is L h = about 5.0 × 10 -3 cm = about 50 μm. Therefore, the higher the carrier mobility, the longer the carrier range, and as a result, the distance L between the electrodes can be made longer.

高いキャリア移動度を有するドナー材料およびアクセプター材料は、上記の公式に基づき、より長いキャリア飛程を有する。したがって、電極間距離が10μm以上であっても、横方向にキャリアを輸送することが可能となり、好ましくは電極間距離が30μm以上、より好ましくは50μm以上である有機太陽電池を作製することも可能である。本発明の有機太陽電池が、電極間距離が比較的長くても、有効セル面積において従来の縦型の有機太陽電池と同等の短絡電流値Jscを示し、有機太陽電池として機能し得ることは予想外であった。 Donor and acceptor materials with high carrier mobility have a longer carrier range, based on the above formula. Therefore, even if the distance between the electrodes is 10 μm or more, the carrier can be transported in the lateral direction, and it is also possible to manufacture an organic solar cell having a distance between the electrodes of 30 μm or more, more preferably 50 μm or more. Is. Even if the distance between the electrodes is relatively long, the organic solar cell of the present invention exhibits a short-circuit current value J sc equivalent to that of the conventional vertical organic solar cell in the effective cell area, and can function as an organic solar cell. It was unexpected.

上記「有効セル面積」とは、本発明で使用されるp型有機半導体層とn型有機半導体層との接合面において、ホールと電子が有効に分離される領域を意味する。後述するように、本発明には、p型有機半導体層とn型有機半導体層のうち、一方の有機半導体層では接合面から横方向にホールを輸送し、他方の有機半導体層では接合面から縦方向に電子を輸送する態様が含まれる。このように、各有機半導体層でのキャリアの輸送形態が異なる場合、ホールと電子の分離は接合面全域でなく、接合面の一部の領域で行われる。例えば、接合面が、縦2mm、横2mmの正方形であった場合、接合面全域の面積は0.04cmである。ホールと電子の分離が行われる領域が、接合面全体のうち、縦2mm、横0.018mmの範囲である場合、有効セル面積は、2mm×0.018mm=0.0036cmとなる。本発明における有機太陽電池は、従来の縦型の有機太陽電池の短絡電流値Jscを、有効セル面積毎に換算した際、従来の縦型の有機太陽電池と同等の短絡電流値Jscを示す。 The above-mentioned "effective cell area" means a region in which holes and electrons are effectively separated at a bonding surface between the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer used in the present invention. As will be described later, in the present invention, of the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer, one of the organic semiconductor layers transports holes laterally from the bonding surface, and the other organic semiconductor layer transports holes from the bonding surface. A mode of transporting electrons in the vertical direction is included. As described above, when the transport mode of the carriers in each organic semiconductor layer is different, the holes and the electrons are separated not in the entire joint surface but in a part of the joint surface. For example, when the joint surface is a square having a length of 2 mm and a width of 2 mm, the area of the entire joint surface is 0.04 cm 2 . When the region where the holes and electrons are separated is in the range of 2 mm in length and 0.018 mm in width in the entire joint surface, the effective cell area is 2 mm × 0.018 mm = 0.0036 cm 2 . The organic solar cell in the present invention has a short-circuit current value J sc equivalent to that of the conventional vertical organic solar cell when the short-circuit current value J sc of the conventional vertical organic solar cell is converted for each effective cell area. Shown.

本発明の1つの実施態様において、p型有機半導体層及びn型有機半導体層のうちの一方の有機半導体層が横方向にキャリアを輸送できる特性をする。図2は、p型有機半導体層で横方向にキャリアを輸送し、n型有機半導体層で縦方向にキャリアを輸送する単層での横方向キャリア収集型の有機太陽電池の構成図の一例である。基板1上にp型有機半導体層2が形成され、当該p型有機半導体層2の表面側の一部にホールを収集するための第1電極4が配置される。また、第1電極4から横方向に距離Lだけ離れた位置にn型有機半導体層3がp型有機半導体層2上に直接積層され、当該n型有機半導体層3上に電子を収集するための第2電極5が配置される。基板1から太陽光が入射し、p型有機半導体層2とn型有機半導体層3との接合面6に太陽光が照射され、得られた励起子がホールと電子に分離する。次いで、p型有機半導体層2は接合面6から横方向にホールを輸送し、輸送されたホールは第1電極4に収集され、一方で、n型有機半導体層3は接合面6から縦方向に電子を輸送し、輸送された電子は第2電極5に収集される。距離Lは、電極間距離に相当し、p型有機半導体層2を構成するドナー材料には、ホールがこの距離Lを移動できるようにするため、0.01cm/V・s以上のキャリア移動度(ホール移動度)を有する材料が使用される。一方、n型有機半導体層3には、電子を縦方向に輸送できる材料が使用される。このような材料として、フラーレン誘導体が好適に使用される。ここで、フラーレン誘導体とは、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されるものではなく、例えば、C60、C70、C76、C78、C84等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられ、好ましくはC60フラーレンが使用される。また、図3に示されるように、キャリアの輸送効率をより高くするため、p型有機半導体層2と第1電極4との間、n型有機半導体層3と第2電極5との間には、それぞれ中間層7、8を介挿することもできる。 In one embodiment of the present invention, one of the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer has the property of being able to transport carriers in the lateral direction. FIG. 2 is an example of a configuration diagram of a single-layer lateral carrier collecting type organic solar cell in which carriers are transported in the horizontal direction in the p-type organic semiconductor layer and carriers are transported in the vertical direction in the n-type organic semiconductor layer. is there. A p-type organic semiconductor layer 2 is formed on the substrate 1, and a first electrode 4 for collecting holes is arranged on a part of the surface side of the p-type organic semiconductor layer 2. Further, the n-type organic semiconductor layer 3 is directly laminated on the p-type organic semiconductor layer 2 at a position laterally separated from the first electrode 4 by a distance L, and electrons are collected on the n-type organic semiconductor layer 3. The second electrode 5 of the above is arranged. Sunlight is incident from the substrate 1, sunlight is applied to the junction surface 6 between the p-type organic semiconductor layer 2 and the n-type organic semiconductor layer 3, and the obtained excitons are separated into holes and electrons. Next, the p-type organic semiconductor layer 2 transports holes in the lateral direction from the bonding surface 6, and the transported holes are collected in the first electrode 4, while the n-type organic semiconductor layer 3 transports holes in the longitudinal direction from the bonding surface 6. The electrons are transported to the second electrode 5, and the transported electrons are collected in the second electrode 5. The distance L corresponds to the distance between the electrodes, and the donor material constituting the p-type organic semiconductor layer 2 has carrier mobility of 0.01 cm 2 / V · s or more so that holes can move this distance L. Materials with degrees (hole mobility) are used. On the other hand, for the n-type organic semiconductor layer 3, a material capable of transporting electrons in the vertical direction is used. As such a material, a fullerene derivative is preferably used. Here, the fullerene derivative is not particularly limited as long as it has a fullerene skeleton, and examples thereof include derivatives having C60, C70, C76, C78, C84 and the like as the basic skeleton, and are preferable. C60 fullerenes are used. Further, as shown in FIG. 3, in order to further increase the transport efficiency of carriers, between the p-type organic semiconductor layer 2 and the first electrode 4, and between the n-type organic semiconductor layer 3 and the second electrode 5. Can also be inserted through the intermediate layers 7 and 8, respectively.

図4は、n型有機半導体層で横方向にキャリアを輸送し、p型有機半導体層で縦方向にキャリアを輸送する単層での横方向キャリア収集型の有機太陽電池の構成図の一例である。基板1上にn型有機半導体層3が形成され、当該n型有機半導体層3の表面側の一部に電子を収集するための第2電極5が配置される。また、第2電極5から横方向に距離Lだけ離れた位置にp型有機半導体層2がn型有機半導体層3上に直接積層され、当該p型有機半導体層3上にホールを収集するための第1電極4が配置される。基板1から太陽光が入射し、n型有機半導体層3とp型有機半導体層2との接合面6に太陽光が照射され、得られた励起子がホールと電子に分離する。次いで、n型有機半導体層3は接合面6から横方向に電子を輸送し、輸送された電子は第2電極5に収集され、一方で、p型有機半導体層2は接合面6から縦方向にホールを輸送し、輸送されたホールは第1電極4に収集される。距離Lは、電極間距離に相当し、n型有機半導体層3には、電子がこの距離Lを移動できるようにするため、0.01cm/V・s以上のキャリア移動度(電子移動度)を有する材料が使用される。一方、p型有機半導体層2には、ホールを縦方向に輸送できる材料が使用される。このような材料として、ジベンゾテトラフェニルペリフランテン(DBP)又はフタロシアニン誘導体が好適に使用される。ここでフタロシアニン誘導体とは、フタロシアニン骨格を有する誘導体であれば特に限定されるものではなく、例えば、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、H2フタロシアニン(H2Pc)等が挙げられ、好ましくはH2フタロシアニンが使用される。また、キャリアの輸送効率をより高くするため、p型有機半導体層2と第1電極4との間、n型有機半導体層3と第2電極5との間に、それぞれ中間層を介挿することもできる。 FIG. 4 is an example of a configuration diagram of a single-layer lateral carrier collecting type organic solar cell in which carriers are transported in the horizontal direction in the n-type organic semiconductor layer and carriers are transported in the vertical direction in the p-type organic semiconductor layer. is there. An n-type organic semiconductor layer 3 is formed on the substrate 1, and a second electrode 5 for collecting electrons is arranged on a part of the surface side of the n-type organic semiconductor layer 3. Further, the p-type organic semiconductor layer 2 is directly laminated on the n-type organic semiconductor layer 3 at a position laterally separated from the second electrode 5 by a distance L, and holes are collected on the p-type organic semiconductor layer 3. The first electrode 4 of the above is arranged. Sunlight is incident from the substrate 1, sunlight is applied to the junction surface 6 between the n-type organic semiconductor layer 3 and the p-type organic semiconductor layer 2, and the obtained excitons are separated into holes and electrons. Next, the n-type organic semiconductor layer 3 transports electrons laterally from the bonding surface 6, and the transported electrons are collected by the second electrode 5, while the p-type organic semiconductor layer 2 transports electrons vertically from the bonding surface 6. The holes are transported to the first electrode 4, and the transported holes are collected in the first electrode 4. The distance L corresponds to the distance between the electrodes, and the n-type organic semiconductor layer 3 has carrier mobility (electron mobility) of 0.01 cm 2 / V · s or more so that electrons can move this distance L. ) Is used. On the other hand, for the p-type organic semiconductor layer 2, a material capable of transporting holes in the vertical direction is used. As such a material, dibenzotetraphenylperifrantene (DBP) or a phthalocyanine derivative is preferably used. Here, the phthalocyanine derivative is not particularly limited as long as it is a derivative having a phthalocyanine skeleton, and examples thereof include copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), H2 phthalocyanine (H2Pc), and the like, preferably H2. Phthalocyanine is used. Further, in order to further increase the transport efficiency of the carrier, an intermediate layer is interposed between the p-type organic semiconductor layer 2 and the first electrode 4 and between the n-type organic semiconductor layer 3 and the second electrode 5, respectively. You can also do it.

本発明の1つの実施態様において、p型有機半導体層及びn型有機半導体層の双方の有機半導体層が横方向にキャリアを輸送できる特性をする。図5は、p型有機半導体層及びn型有機半導体層の双方で横方向にキャリアを輸送する積層での横方向キャリア収集型の有機太陽電池の構成図の一例である。基板1上にp型有機半導体層2とn型有機半導体層3との積層ユニットが形成され、当該型有機半導体層3は、p型有機半導体層2の表面上にもさらに直接積層されるように形成される。p型有機半導体層2の表面の一部にホールを収集するための第1電極4が配置され、同様に、当該n型有機半導体層3の表面の一部に電子を収集するための第2電極5が配置される。基板1から太陽光が入射し、n型有機半導体層3とp型有機半導体層2との接合面6に太陽光が照射され、得られた励起子がホールと電子に分離する。次いで、p型有機半導体層2は接合面6から横方向にホールを輸送し、輸送されたホールは第1電極4に収集され、n型有機半導体層3も同様に、接合面6から横方向に電子を輸送し、輸送された電子はn型有機半導体層3を介して第2電極5に収集される。距離Lは、電極間距離に相当し、p型有機半導体層2とn型有機半導体層3の双方には、キャリアがこの距離Lを移動できるようにするため、0.01cm/V・s以上のキャリア移動度を有する材料が使用される。また、キャリアの輸送効率をより高めるため、p型有機半導体層2と第1電極4との間、n型有機半導体層3と第2電極5との間に、それぞれ中間層を介挿することもできる。さらに、電極間に存在するp型有機半導体層2とn型有機半導体層3との積層ユニットを複数積層させた構成を有する横方向キャリア収集型の有機太陽電池を作製することも可能である。 In one embodiment of the present invention, both the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer have the property of being able to transport carriers in the lateral direction. FIG. 5 is an example of a configuration diagram of a lateral carrier collecting type organic solar cell in a stack in which carriers are transported in the lateral direction in both the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer. A laminated unit of the p-type organic semiconductor layer 2 and the n-type organic semiconductor layer 3 is formed on the substrate 1, and the type organic semiconductor layer 3 is further directly laminated on the surface of the p-type organic semiconductor layer 2. Is formed in. A first electrode 4 for collecting holes is arranged on a part of the surface of the p-type organic semiconductor layer 2, and similarly, a second electrode 4 for collecting electrons is arranged on a part of the surface of the n-type organic semiconductor layer 3. The electrode 5 is arranged. Sunlight is incident from the substrate 1, sunlight is applied to the junction surface 6 between the n-type organic semiconductor layer 3 and the p-type organic semiconductor layer 2, and the obtained excitons are separated into holes and electrons. Next, the p-type organic semiconductor layer 2 transports holes laterally from the bonding surface 6, the transported holes are collected by the first electrode 4, and the n-type organic semiconductor layer 3 is similarly laterally transported from the bonding surface 6. The transported electrons are collected in the second electrode 5 via the n-type organic semiconductor layer 3. The distance L corresponds to the distance between the electrodes, and 0.01 cm 2 / V · s is provided to both the p-type organic semiconductor layer 2 and the n-type organic semiconductor layer 3 so that carriers can move this distance L. A material having the above carrier mobility is used. Further, in order to further improve the transport efficiency of the carrier, an intermediate layer is interposed between the p-type organic semiconductor layer 2 and the first electrode 4 and between the n-type organic semiconductor layer 3 and the second electrode 5, respectively. You can also. Further, it is also possible to manufacture a lateral carrier collecting type organic solar cell having a configuration in which a plurality of laminated units of a p-type organic semiconductor layer 2 and an n-type organic semiconductor layer 3 existing between electrodes are laminated.

次に、本発明の有機太陽電池に備えられる各層の作製に用いられる材料及び各層の作製方法の例について説明する。 Next, an example of a material used for producing each layer provided in the organic solar cell of the present invention and a method for producing each layer will be described.

(基板)
本発明における基板は、太陽光を入射させるためのものであるため、透過率が高い材料を使用する。一方で、基板は、電極として使用しないため、電気抵抗が高い材料であることが好ましい。このような特性を有する基板であれば、特に限定されるものではないが、例えば、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の高分子フィルムや、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス、シリカガラス(石英ガラス)等のガラス材料が挙げられ、好ましくは石英ガラスが使用される。基板の表面は、フラットであっても、凹凸を有しているものでもよい。基板の厚さは、通常0.05mm〜3mmの範囲であり、0.1mm〜1mmの範囲が好ましく、0.3nm〜0.8mmの範囲がより好ましい。
(substrate)
Since the substrate in the present invention is for allowing sunlight to enter, a material having high transmittance is used. On the other hand, since the substrate is not used as an electrode, it is preferably a material having high electrical resistance. The substrate having such characteristics is not particularly limited, but for example, polymer films such as polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), phenol resin, and epoxy resin, soda lime glass, and lead. Examples thereof include glass materials such as glass, borosilicate glass, and silica glass (quartz glass), and quartz glass is preferably used. The surface of the substrate may be flat or may have irregularities. The thickness of the substrate is usually in the range of 0.05 mm to 3 mm, preferably in the range of 0.1 mm to 1 mm, and more preferably in the range of 0.3 nm to 0.8 mm.

(電極)
本発明における1対の電極は、相応する有機半導体層からキャリアを収集できるように配置される。1対の電極のうち、一方はホールを収集することから陽極として作用し、他方は、電子を収集することから陰極として作用する。これらの電極の材料は、導電性を有するものであれば特に限定されず、互いに同じであっても異なっていてもよい。但し、1対の電極が、有機半導体層の表面側に形成される場合、これらの電極は、太陽光に対して透過性が低い材料であることが望ましい。このような電極の材料として、例えば、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、銅(Cu)、チタン(Ti)、アルミニウム合金、チタン合金およびニッケルクロム合金(Ni−Cr)等の導電性金属が挙げられ、その中でも、電気抵抗値が比較的低いAl、Au、Ag、Cu等が好ましく、Agが特に好ましい。これらの電極は、例えば、使用する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜することができる。また、これらの電極の膜厚は、通常1nm〜500nmの範囲であり、10nm〜300nmの範囲が好ましく、その際、各電極の膜厚は、それぞれ同じであっても異なっていてもよい。
(electrode)
The pair of electrodes in the present invention are arranged so that carriers can be collected from the corresponding organic semiconductor layer. Of the pair of electrodes, one acts as an anode because it collects holes, and the other acts as a cathode because it collects electrons. The materials of these electrodes are not particularly limited as long as they have conductivity, and may be the same or different from each other. However, when a pair of electrodes are formed on the surface side of the organic semiconductor layer, it is desirable that these electrodes are made of a material having low transparency to sunlight. Examples of materials for such electrodes include aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), cobalt (Co), nickel (Ni), platinum (Pt), copper (Cu), titanium (Ti), and the like. Examples thereof include conductive metals such as aluminum alloys, titanium alloys and nickel-chromium alloys (Ni—Cr). Among them, Al, Au, Ag, Cu and the like having relatively low electric resistance values are preferable, and Ag is particularly preferable. For these electrodes, for example, the material to be used can be formed into a film by a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a plating method, a coating method, or the like. The film thickness of these electrodes is usually in the range of 1 nm to 500 nm, preferably in the range of 10 nm to 300 nm, and at that time, the film thickness of each electrode may be the same or different.

(p型有機半導体層)
本発明において、p型有機半導体層が横方向にホールを輸送できる特性を付与させるために、比較的高いキャリア移動度(ホール移動度)を有するドナー材料が使用され、好ましくは、横方向に0.01cm/V・s以上のホール移動度を有するドナー材料が使用される。このようなドナー材料としては、例えば、下記式(1)

Figure 0006814329

(式(1)中、
及びXは、互いに独立して、カルコゲン原子であり、
1乃至Rは、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基であり、
及びR並びにR及びRは、それらが結合するベンゼン環と一緒になって、非置換の又は1以上の置換基を有するナフタレン、アントラセン又はフェナントレンの環を形成してもよく、前記置換基は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基である)で表される化合物が挙げられる。 (P-type organic semiconductor layer)
In the present invention, in order to impart the property that the p-type organic semiconductor layer can transport holes in the lateral direction, a donor material having a relatively high carrier mobility (hole mobility) is used, preferably 0 in the lateral direction. Donor materials with hole mobility of .01 cm 2 / V · s or higher are used. Examples of such donor materials include the following formula (1).
Figure 0006814329

(In equation (1),
X 1 and X 2 are chalcogen atoms, independent of each other.
R 1 to R 8 are independent of each other and are a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an alkyloxy group or an alkylthio group.
R 2 and R 3 and R 6 and R 7 may be combined with the benzene ring to which they are attached to form an unsubstituted or naphthalene, anthracene or phenanthrene ring having one or more substituents. Examples of the substituent include compounds represented by hydrogen atom, halogen atom, alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, alkyloxy group or alkylthio group independently of each other.

上記式(1)中、「カルコゲン原子」とは、酸素原子、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子を意味する。 In the above formula (1), the "chalcogen atom" means an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom.

また、上記式(1)中、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子が挙げられる。 Further, in the above formula (1), examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom.

また、上記式(1)中、アルキル基は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよく、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基、ペンタコシル基、ヘキサコシル基、ヘプタコシル基、オクタコシル基、ノナコシル基、トリアコンチル基、ヘントリアコンチル基、ドトリアコンチル基、トリトリアコンチル基、テトラトリアコンチル基、ペンタトリアコンチル基、ヘキサトリアコンチル基等であるが、これらに限定されるものではない。 Further, in the above formula (1), the alkyl group may be linear or branched, and may be, for example, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group or a heptyl group. , Octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, hexadecyl group, heptadecyl group, octadecyl group, nonadecil group, icosyl group, henicosyl group, docosyl group, tricosyl group Group, pentacosyl group, hexacosyl group, heptacosyl group, octacosyl group, nonacosyl group, triacontyl group, hentoriacontyl group, dotriacyl group, tritoriacontyl group, tetratriacontyl group, pentatriacontyl group, hexatriacontyl group However, the present invention is not limited to these.

また、上記式(1)中、アルケニル基は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよく、例えば、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、イコセニル基、トリアコンテニル基等であるが、これらに限定されるものではない。 Further, in the above formula (1), the alkenyl group may be linear or branched, and for example, an ethenyl group, a propenyl group, a butenyl group, a pentenyl group, a hexenyl group, a heptenyl group and an octenyl group. , Nonenyl group, decenyl group, undecenyl group, dodecenyl group, icosenyl group, triacenyl group and the like, but are not limited thereto.

また、上記式(1)中、アルキニル基は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよく、例えば、エチニル基、プロピニル基、ブチニル基、ペンチニル基、ヘキシニル基、ヘプチニル基、オクチニル基、ノニニル基、デシニル基、ウンデシニル基、ドデシニル基、イコシニル基、トリアコンチニル基等であるが、これらに限定されるものではない。 Further, in the above formula (1), the alkynyl group may be linear or branched, and for example, an ethynyl group, a propynyl group, a butynyl group, a pentynyl group, a hexynyl group, a heptynyl group and an octynyl group. , Noninyl group, decynyl group, undecynyl group, dodecynyl group, icosinyl group, triacynyl group and the like, but are not limited thereto.

また、上記式(1)中、アリール基は、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラニル基、フリル基、チエニル基、セレノフリル基、チエノチエニル基等であるが、これらに限定されるものではない。 Further, in the above formula (1), the aryl group is, for example, a phenyl group, a naphthyl group, an anthranyl group, a frill group, a thienyl group, a selenofryl group, a thienotienyl group and the like, but is not limited thereto.

また、上記式(1)中、アルキルオキシ基は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよく、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基等であるが、これらに限定されるものではない。 Further, in the above formula (1), the alkyloxy group may be linear or branched, and may be, for example, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group, a pentyloxy group or the like. , Not limited to these.

また、上記(1)中、アルキルチオ基は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよく、例えば、メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、ブチルチオ基、ペンチルチオ基等であるが、これらに限定されるものではない。 Further, in the above (1), the alkylthio group may be either linear or branched, and may be, for example, a methylthio group, an ethylthio group, a propylthio group, a butylthio group, a pentylthio group or the like. It is not limited.

上記式(1)で表される化合物の中でも、下記式(2)

Figure 0006814329

(式(2)中、
及びXは、上記式(1)に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
及びRは、上記式(1)のR1乃至Rに定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物;
下記式(3)
Figure 0006814329

(式(3)中、
及びXは、上記式(1)に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
乃至R20は、上記式(1)のR1乃至Rに定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物;又は、
下記式(4)
Figure 0006814329

(式(4)中、
及びXは、上記式(1)に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
21乃至R36は、上記式(1)のR1乃至Rに定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物が好ましい。 Among the compounds represented by the above formula (1), the following formula (2)
Figure 0006814329

(In equation (2),
X 1 and X 2 are as defined in the above formula (1), preferably independent of each other, a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and Ra and R b are the above formula ( A compound represented by (1) as defined in R 1 to R 8 and preferably a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group independently of each other;
The following formula (3)
Figure 0006814329

(In equation (3),
X 1 and X 2 are as defined in the above formula (1), preferably independent of each other, a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and R 9 to R 20 are the above formula ( is as defined for R 1 to R 8 in 1), preferably, independently of one another, a hydrogen atom, a compound represented by the alkyl group or phenyl group); or
The following formula (4)
Figure 0006814329

(In equation (4),
X 1 and X 2 are as defined in the above formula (1), preferably independent of each other, a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and R 21 to R 36 are the above formula ( Compounds represented by (1) as defined in R 1 to R 8 and preferably independent of each other and represented by a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group) are preferable.

上記ドナー材料としては、例えば、下記式(5)

Figure 0006814329

(式(5)中、
及びRは、互いに独立して、水素原子、置換基を有してもよいアリール基、又は置換基を有してもよいアルキル基であり、かつR、Rが複数ある場合は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、
m及びnは、互いに独立して、1〜4の整数である)で表される化合物も挙げられる。 Examples of the donor material include the following formula (5).
Figure 0006814329

(In equation (5),
When R c and R d are independent of each other, a hydrogen atom, an aryl group which may have a substituent, or an alkyl group which may have a substituent, and there are a plurality of R c and R d. Can be the same or different,
Independent of each other, m and n are integers of 1 to 4).

上記式(5)中、アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基、フェナンスリル基、ピレニル基、ベンゾピレニル基等の芳香族炭化水素基;ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、キノリル基、イソキノリル基、ピロリル基、インドレニル基、イミダゾリル基、カルバゾリル基、チエニル基、フリル基、ピラニル基、ピリドニル基などの複素環基;ベンゾキノリル基、アントラキノリル基、ベンゾチエニル基、ベンゾフリル基のような縮合系複素環基が挙げられる。これらのうち、フェニル基、ナフチル基、ピリジル基又はチエニル基が好ましく、フェニル基が特に好ましい。 In the above formula (5), examples of the aryl group include aromatic hydrocarbon groups such as a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a phenanthryl group, a pyrenyl group and a benzopyrenyl group; a pyridyl group, a pyrazil group, a pyrimidyl group and a quinolyl group. , Isoquinolyl group, pyrrolyl group, indolenyl group, imidazolyl group, carbazolyl group, thienyl group, furyl group, pyranyl group, pyridonyl group and other heterocyclic groups; benzoquinolyl group, anthraquinolyl group, benzothienyl group, benzofuryl group Examples include heterocyclic groups. Of these, a phenyl group, a naphthyl group, a pyridyl group or a thienyl group is preferable, and a phenyl group is particularly preferable.

また、上記式(5)中、アルキル基としては、飽和又は不飽和の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基が挙げられ、その炭素数は1〜20が好ましい。ここで、飽和又は不飽和の直鎖状若しくは分岐鎖状のアルキル基の例としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、iso−ブチル基、アリル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−ステアリル基、n−ブテニル基等が挙げられる。また、環状のアルキル基の例としては、例えば、シクロヘキシル基、シクロペンチル基、アダマンチル基、ノルボルニル基等の炭素数3〜12のシクロアルキル基が挙げられる。これらのうち、飽和の直鎖アルキル基が好ましく、C−Cの低級アルキル基が特に好ましい。 Further, in the above formula (5), examples of the alkyl group include saturated or unsaturated linear, branched or cyclic alkyl groups, and the number of carbon atoms thereof is preferably 1 to 20. Here, examples of saturated or unsaturated linear or branched alkyl groups include, for example, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an iso-propyl group, an n-butyl group, and an iso-butyl group. , Allyl group, t-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-octyl group, n-decyl group, n-dodecyl group, n-stearyl group, n-butenyl group and the like. Examples of the cyclic alkyl group include cycloalkyl groups having 3 to 12 carbon atoms such as cyclohexyl group, cyclopentyl group, adamantyl group and norbornyl group. Of these, preferably a linear alkyl group of saturated, lower alkyl group of C 1 -C 3 are particularly preferred.

また、上記式(5)中、アリール基及びアルキル基が有してもよい置換基の例及びその数については、特に制限はないが、置換基としては、例えば、アリール基やハロゲン原子、アルキル基等が挙げられる。置換基としてのアリール基及びアルキル基は、上記に定義したアリール基及びアルキル基と同様であってよく、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。これらの置換基の中でも、C〜Cの低級アルキル基が特に好ましい。 Further, in the above formula (5), examples of substituents that the aryl group and the alkyl group may have and the number thereof are not particularly limited, but examples of the substituent include an aryl group, a halogen atom and an alkyl. The group etc. can be mentioned. The aryl group and the alkyl group as the substituent may be the same as the aryl group and the alkyl group defined above, and examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom. Among these substituents, lower alkyl groups C 1 to C 3 are particularly preferable.

本発明におけるドナー材料として、より高いホール移動度を有する材料を使用するため、上記式(2)で表される化合物が好ましく、式(2)中、X及びXは、それぞれ硫黄原子であり、かつR及びRは、それぞれアルキル基である化合物がより好ましく、R及びRは、それぞれn−オクチル基であることが特に好ましい。このような化合物は、2,7−ジオクチル[1]ベンゾチエノ[3,2−b][1]ベンゾチオフェンであり、通称、C8−BTBTとも呼ばれる。C8−BTBTは、0.3〜40cm/V・sの非常に高いキャリア移動度を有しており、比較的長い距離のホール輸送に適している。 Since a material having a higher hole mobility is used as the donor material in the present invention, the compound represented by the above formula (2) is preferable, and in the formula (2), X 1 and X 2 are sulfur atoms, respectively. It is more preferable that R a and R b are compounds having an alkyl group, respectively, and Ra and R b are particularly preferably n-octyl groups, respectively. Such a compound is 2,7-dioctyl [1] benzothiophene [3,2-b] [1] benzothiophene, also commonly known as C8-BTBT. C8-BTBT has a very high carrier mobility of 0.3 to 40 cm 2 / V · s and is suitable for hole transportation over a relatively long distance.

p型有機半導体層の膜厚は、通常1nm〜500nmの範囲であり、5nm〜200nmの範囲が好ましく、20nm〜150nmの範囲がより好ましい。また、p型有機半導体層は、膜を形成できる方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、プラズマ、イオンプレーティング法等の乾式成膜法やスピンコーティング法、インクジェット法等の湿式成膜法を適用することもできる。また、p型有機半導体層はn型有機半導体層と交互に複数積層されていてもよく、その際、p型有機半導体層の各層は、互いに同じ材料であっても異なる材料であってもよく、膜厚も同じであっても異なっていてもよい。 The film thickness of the p-type organic semiconductor layer is usually in the range of 1 nm to 500 nm, preferably in the range of 5 nm to 200 nm, and more preferably in the range of 20 nm to 150 nm. The p-type organic semiconductor layer is not particularly limited as long as it can form a film. For example, a dry film deposition method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a plasma, or an ion plating method, or a spin coating method. , A wet film forming method such as an inkjet method can also be applied. Further, a plurality of p-type organic semiconductor layers may be alternately laminated with n-type organic semiconductor layers, and at that time, each layer of the p-type organic semiconductor layer may be the same material or a different material from each other. , The film thickness may be the same or different.

(n型有機半導体層)
本発明において、n型有機半導体層が横方向に電子を輸送できる特性を付与させるために、比較的高いキャリア移動度(電子移動度)を有するアクセプター材料が使用され、好ましくは、横方向に0.01cm/V・s以上の電子移動度を有するアクセプター材料が使用される。このようなアクセプター材料としては、例えば、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミド又はN,N0−1H,1H−ペルフルオロブチル−シアノペリレンジイミドが挙げられる。また、アクセプター材料として、有機単結晶を使用する場合には、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(NTCDA)の単結晶を使用することもできる。
(N-type organic semiconductor layer)
In the present invention, an acceptor material having a relatively high carrier mobility (electron mobility) is used in order to impart the property that the n-type organic semiconductor layer can transport electrons in the lateral direction, preferably 0 in the lateral direction. An acceptor material with electron mobility of .01 cm 2 / V · s or higher is used. Examples of such acceptor materials include N, N'-dioctyl-3,4,9,10-perylene carboxymid or N, N0-1H, 1H-perfluorobutyl-cyanoperylene diimide. When an organic single crystal is used as the acceptor material, a single crystal of 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylicdianehydride (NTCDA) can also be used.

本発明におけるアクセプター材料として、より高い電子移動度を有する材料を使用するため、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミドの使用が好ましく、通称、PTCDI−C8とも呼ばれる。PTCDI−C8は、0.6〜1.7cm/V・sの非常に高いキャリア移動度を有しており、比較的長い距離の電子輸送に適している。 Since a material having higher electron mobility is used as the acceptor material in the present invention, it is preferable to use N, N'-dioctyl-3,4,9,10-perylene carboxymid, commonly known as PTCDI-C8. be called. PTCDI-C8 has a very high carrier mobility of 0.6 to 1.7 cm 2 / V · s and is suitable for electron transport over relatively long distances.

n型有機半導体層の膜厚は、通常1nm〜500nmの範囲であり、5nm〜200nmの範囲が好ましく、20nm〜150nmの範囲がより好ましい。また、n型有機半導体層も、p型有機半導体層と同様、膜を形成できる方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、プラズマ、イオンプレーティング法等の乾式成膜法やスピンコーティング法、インクジェット法等の湿式成膜法を適用することもできる。また、n型有機半導体層もp型有機半導体層と交互に複数積層されていてもよく、その際、n型有機半導体層の各層は、互いに同じ材料であっても異なる材料であってもよく、膜厚も同じであっても異なっていてもよい。 The film thickness of the n-type organic semiconductor layer is usually in the range of 1 nm to 500 nm, preferably in the range of 5 nm to 200 nm, and more preferably in the range of 20 nm to 150 nm. Further, the n-type organic semiconductor layer is not particularly limited as long as it is a method capable of forming a film like the p-type organic semiconductor layer. For example, a vacuum deposition method, a sputtering method, a plasma, an ion plating method and the like can be used. Wet film forming methods such as a dry film forming method, a spin coating method, and an inkjet method can also be applied. Further, a plurality of n-type organic semiconductor layers may be alternately laminated with the p-type organic semiconductor layer, and at that time, each layer of the n-type organic semiconductor layer may be the same material or a different material from each other. , The film thickness may be the same or different.

(中間層)
本発明における有機太陽電池には、ホールを収集する電極とp型有機半導体層との間に、さらに中間層が積層されていてもよく、また、電子を収集する電極とn型有機半導体層との間に、さらに中間層が積層されていてもよい。中間層を各電極と有機半導体層の界面に介挿させることにより、各電極と有機半導体層とのコンタクトをより良好にすることができる。ホールを収集する電極とp型有機半導体層との間に介挿できるホール輸送用の中間層の材料としては、例えば、PEDOT(ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)とPSSポリ(4-スチレンスルホネート)とからなる錯体、MoO(三酸化モリブデン)等が挙げられ、電子を収集する電極とn型有機半導体層との間に介挿できる電子輸送用の中間層の材料としては、例えば、BCP(2,9-ジメチル-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)が挙げられる。これらの中間層は、真空蒸着法、スピンコーティング法等によって形成することができ、これらの中間層の膜厚は、1nm〜100nm、好ましくは5nm〜70nmであり、各電極と有機半導体層との間にそれぞれ中間層を形成する場合、各中間層の膜厚は、同じであっても異なっていてもよい。
(Middle layer)
In the organic solar cell of the present invention, an intermediate layer may be further laminated between the electrode for collecting holes and the p-type organic semiconductor layer, and the electrode for collecting electrons and the n-type organic semiconductor layer An intermediate layer may be further laminated between the two. By interposing the intermediate layer at the interface between each electrode and the organic semiconductor layer, the contact between each electrode and the organic semiconductor layer can be improved. Examples of the material of the intermediate layer for transporting holes that can be inserted between the electrode that collects holes and the p-type organic semiconductor layer include PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene)) and PSS poly (4-). Examples thereof include a complex composed of styrene sulfonate), MoO 3 (molybdenum trioxide), and examples of the material of the intermediate layer for electron transport that can be inserted between the electrode for collecting electrons and the n-type organic semiconductor layer. , BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline). These intermediate layers can be formed by a vacuum deposition method, a spin coating method, or the like, and these intermediate layers can be formed. The thickness of each intermediate layer is 1 nm to 100 nm, preferably 5 nm to 70 nm, and when intermediate layers are formed between each electrode and the organic semiconductor layer, the thickness of each intermediate layer is the same but different. You may.

次に、本発明の有機太陽電池を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Next, the organic solar cell of the present invention will be described by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.

〈セルの作製〉
[実施例1](C8−BTBTを用いた横方向収集型セル)
高真空蒸着ベルジャー(アルバック機工社製:VST−350M/ER)を用いて、厚さが約0.7mmの石英基板上にC8−BTBT(ホール移動度:0.3〜0.8cm/V・s)を真空蒸着し、膜厚が50nmのホール輸送層(p型有機半導体層)を形成した。次いで、2mm×2mmの開口部をもつ金属マスクをC8−BTBT膜の上に貼り合わせ、開口部に、電子輸送層(n型有機半導体層)としてのフラーレンC60、電子輸送用の中間層としてのBCP、陰極としてのAgの順でそれぞれ真空蒸着した。電子輸送層の膜厚は50nm、電子輸送用の中間層の膜厚は10nm、陰極の膜厚は100nmであった。その後、陰極から陽極までの電極間距離が50μmになるように、同様の金属マスクをC8−BTBT膜の上に貼り合わせ、開口部に、ホール輸送用の中間層としてのMoO、陽極としてのAgの順でそれぞれ真空蒸着した。ホール輸送用の中間層の膜厚は10nm、陽極の膜厚は100nmであった。なお、有機半導体は大気下に曝すと、大気中の酸素や水分の影響を受けやすいため、上記のセルの作製は、グローブボックスに内蔵した真空蒸着装置を用いて、セルを一切大気に曝すことなく行った。
<Creation of cell>
[Example 1] (horizontal collection type cell using C8-BTBT)
C8-BTBT (hole mobility: 0.3 to 0.8 cm 2 / V) on a quartz substrate with a thickness of about 0.7 mm using a high vacuum thin-film vapor deposition bell jar (manufactured by ULVAC Kiko Co., Ltd .: VST-350M / ER). -S) was vacuum-deposited to form a hole transport layer (p-type organic semiconductor layer) having a film thickness of 50 nm. Next, a metal mask having an opening of 2 mm × 2 mm was attached onto the C8-BTBT film, and fullerene C60 as an electron transport layer (n-type organic semiconductor layer) was used as an intermediate layer for electron transport in the openings. BCP and Ag as a cathode were vacuum-deposited in this order. The film thickness of the electron transport layer was 50 nm, the film thickness of the intermediate layer for electron transport was 10 nm, and the film thickness of the cathode was 100 nm. After that, a similar metal mask was attached onto the C8-BTBT film so that the distance between the electrodes from the cathode to the anode was 50 μm, and MoO 3 as an intermediate layer for hole transportation and MoO 3 as an anode were attached to the opening. Vacuum deposition was performed in the order of Ag. The film thickness of the intermediate layer for hole transportation was 10 nm, and the film thickness of the anode was 100 nm. When organic semiconductors are exposed to the atmosphere, they are easily affected by oxygen and moisture in the atmosphere. Therefore, when making the above cells, use the vacuum vapor deposition device built in the glove box to expose the cells to the atmosphere at all. I went without.

〈測定〉
得られたセルに、ソーラーシミュレータ(朝日分光社製:HAL−320)による擬似太陽光(100mW/cm)を真空下で30秒間照射し、セルの電流−電圧特性を測定した。得られたセルの有効セル面積は、接合面全体のうち、縦2mm、横0.018mmの範囲であったことから、0.0036cmである。この得られたセルの有効セル面積あたりの短絡電流値Jscは、0.39mAcm−2であった。
<Measurement>
The obtained cell was irradiated with simulated sunlight (100 mW / cm 2 ) by a solar simulator (manufactured by Asahi Spectrometer Co., Ltd .: HAL-320) for 30 seconds under vacuum, and the current-voltage characteristics of the cell were measured. The effective cell area of the obtained cell was 0.0036 cm 2 because it was in the range of 2 mm in length and 0.018 mm in width in the entire joint surface. The short-circuit current value J sc per effective cell area of the obtained cell was 0.39 mAcm -2 .

〈セルの作製〉
[比較例1](C8−BTBTを用いた縦方向型標準セル)
陽極として、厚さが約0.7mmのITO電極基板を用意し、高真空蒸着ベルジャー(アルバック機工社製:VST−350M/ER)を用いて、このITO電極基板上に2mm×2mmの開口部をもつ金属マスクを貼り合わせ、開口部に、ホール輸送用の中間層としてのMoO、ホール輸送層としてのC8−BTBT(ホール移動度:0.3〜0.8cm/V・s)、電子輸送層としてのフラーレンC60、電子輸送用の中間層としてのBCP、陰極としてのAgの順でそれぞれ真空蒸着し、縦方向型標準セルを作製した。ホール輸送用の中間層の膜厚は10nm、ホール輸送層の膜厚は50nm、電子輸送層の膜厚は50nm、電子輸送用の中間層の膜厚は10nm、陰極の膜厚は100nmであった。すなわち、得られた標準セルは、実施例1における本発明のセルと各層で使用される材料、膜厚は同じであるが、キャリア輸送が横方向ではなく、縦方向である構成をなす。
<Creation of cell>
[Comparative Example 1] (Vertical standard cell using C8-BTBT)
As an anode, an ITO electrode substrate having a thickness of about 0.7 mm is prepared, and a high vacuum vapor deposition bell jar (manufactured by ULVAC Kiko Co., Ltd .: VST-350M / ER) is used to provide an opening of 2 mm × 2 mm on the ITO electrode substrate. MoO 3 as an intermediate layer for hole transportation, C8-BTBT as a hole transportation layer (hole mobility: 0.3 to 0.8 cm 2 / V · s), Fullerene C60 as an electron transport layer, BCP as an intermediate layer for electron transport, and Ag as a cathode were vacuum-deposited in this order to prepare a vertical standard cell. The film thickness of the intermediate layer for hole transport is 10 nm, the film thickness of the hole transport layer is 50 nm, the film thickness of the electron transport layer is 50 nm, the film thickness of the intermediate layer for electron transport is 10 nm, and the film thickness of the cathode is 100 nm. It was. That is, the obtained standard cell has the same material and film thickness as the cell of the present invention in Example 1, but the carrier transport is not in the horizontal direction but in the vertical direction.

〈測定〉
得られた標準セルに、ソーラーシミュレータ(朝日分光社製:HAL−320)による擬似太陽光(100mW/cm)を真空下で30秒間照射し、標準セルの電流−電圧特性を測定した。上記有効セル面積当たりに換算した標準セルの短絡電流値Jscは、0.38mAcm−2であった。
<Measurement>
The obtained standard cell was irradiated with simulated sunlight (100 mW / cm 2 ) by a solar simulator (manufactured by Asahi Spectrometer Co., Ltd .: HAL-320) for 30 seconds under vacuum, and the current-voltage characteristics of the standard cell were measured. The short-circuit current value J sc of the standard cell converted per effective cell area was 0.38 mAcm -2 .

〈セルの作製〉
[比較例2](α−NPDを用いた横方向収集型セル)
ホール輸送層の材料として、C8−BTBTの代わりにα−NPD(ホール移動度:10−4〜10−3cm/V・s)を用いた以外は、実施例1と同様の操作により横方向収集型セルを作製した。
<Creation of cell>
[Comparative Example 2] (Horizontal collection type cell using α-NPD)
Horizontally by the same operation as in Example 1 except that α-NPD (hole mobility: 10 -4 to 10 -3 cm 2 / V · s) was used instead of C8-BTBT as the material of the hole transport layer. A direction-collecting cell was prepared.

〈測定〉
得られたセルに、ソーラーシミュレータ(朝日分光社製:HAL−320)による擬似太陽光(100mW/cm)を真空下で30秒間照射し、セルの電流−電圧特性を測定した。得られたセルにおいて、短絡電流値Jscは観察されなかった。
<Measurement>
The obtained cell was irradiated with simulated sunlight (100 mW / cm 2 ) by a solar simulator (manufactured by Asahi Spectrometer Co., Ltd .: HAL-320) for 30 seconds under vacuum, and the current-voltage characteristics of the cell were measured. No short-circuit current value J sc was observed in the obtained cell.

実施例1では、50μmの電極間において、有効セル面積当たり0.39mAcm−2の短絡電流値Jscを示した。このことから、本発明の横方向収集型セルは、従来よりも電極間の距離、すなわちキャリア輸送距離が比較的長くてもキャリアを相応する電極に輸送でき、太陽電池として駆動し得ることがわかる。一方、比較例1では、ホール輸送層の膜厚は50nmであることから、50nmのキャリア輸送距離において、有効セル面積当たり0.38mAcm−2の短絡電流値Jscであった。すなわち、比較例1のキャリア輸送距離は、実施例1のキャリア輸送距離の約1000分の1であるにもかかわらず、実施例1と同等の短絡電流値Jscしか得られなかった。このことから、実施例1における本発明のセルは、比較例1の従来の縦方向型標準セルと同等の短絡電流値Jscを、当該標準セルよりも長い電極間で、かつより小さい接合面でも生じさせることが可能である。一方、比較例2の横方向収集型セルでは、実施例1と同じ50μmの電極間において、短絡電流値Jscは観察されなかったため、比較例2で使用されたホール輸送層の材料では、p型有機半導体層の横方向にキャリアを輸送する特性が得られず、横方向収集型の有機太陽電池が得られていないことがわかる。 In Example 1, a short-circuit current value J sc of 0.39 mAcm- 2 per effective cell area was shown between electrodes of 50 μm. From this, it can be seen that the lateral collection type cell of the present invention can transport carriers to the corresponding electrodes even if the distance between the electrodes, that is, the carrier transport distance is relatively long, and can be driven as a solar cell. .. On the other hand, in Comparative Example 1, since the film thickness of the hole transport layer was 50 nm, the short-circuit current value J sc was 0.38 mAcm- 2 per effective cell area at a carrier transport distance of 50 nm. That is, although the carrier transport distance of Comparative Example 1 was about 1/1000 of the carrier transport distance of Example 1, only a short-circuit current value J sc equivalent to that of Example 1 was obtained. From this, the cell of the present invention in Example 1 has a short-circuit current value J sc equivalent to that of the conventional vertical standard cell of Comparative Example 1 between electrodes longer than the standard cell and a smaller joint surface. But it can be caused. On the other hand, in the lateral collection type cell of Comparative Example 2, the short-circuit current value J sc was not observed between the electrodes of 50 μm, which was the same as in Example 1. Therefore, in the material of the hole transport layer used in Comparative Example 2, p. It can be seen that the characteristic of transporting carriers in the lateral direction of the type organic semiconductor layer is not obtained, and the lateral collection type organic solar cell is not obtained.

本発明の有機太陽電池は、電極間の距離が比較的長くてもキャリアを相応する電極に輸送でき、また、有機半導体層の横方向にキャリアを移動させる構造により、層の厚膜化が可能となると共に積層する材料の特性を利用できるため、例えば、個々の材料固有の吸収特性を利用した太陽光の全波長流域での吸収が可能な、新たな性能を有する有機太陽電池の提供が期待できる。 The organic solar cell of the present invention can transport carriers to the corresponding electrodes even if the distance between the electrodes is relatively long, and the structure of moving the carriers in the lateral direction of the organic semiconductor layer enables the layer to be thickened. Since the characteristics of the laminated materials can be utilized, for example, it is expected to provide an organic solar cell having new performance capable of absorbing sunlight in all wavelength basins by utilizing the absorption characteristics peculiar to each material. it can.

1 基板
2 p型有機半導体層
3 n型有機半導体層
4 第1電極
5 第2電極
6 接合面
7 中間層
8 中間層
1 Substrate 2 p-type organic semiconductor layer 3 n-type organic semiconductor layer 4 1st electrode 5 2nd electrode 6 Joint surface 7 Intermediate layer 8 Intermediate layer

Claims (7)

太陽光が入射される基板と、
該基板の同一表面側に、
所定の距離をおいて形成される1対の電極と、
ホール輸送可能なドナー材料からなる少なくとも1つのp型有機半導体層、及び電子輸送可能なアクセプター材料からなる少なくとも1つのn型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
を備え、
前記有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向にホールまたは電子のキャリアを輸送できる特性を有する横方向キャリア収集型有機太陽電池であって、
前記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層及び前記n型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
それぞれの有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
前記1対の電極の電極間に形成される、前記双方の有機半導体層から構成される1以上の積層ユニットと、
を備え、
前記双方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm /V・s以上であることを特徴とする横方向キャリア収集型有機太陽電池。
The substrate on which sunlight is incident and
On the same surface side of the substrate,
A pair of electrodes formed at a predetermined distance,
Both organic semiconductor layers, at least one p-type organic semiconductor layer made of a hole-transportable donor material and at least one n-type organic semiconductor layer made of an electron-transportable acceptor material,
With
A lateral carrier collecting type organic solar cell having a property that one or both of the organic semiconductor layers can transport holes or electron carriers in the lateral direction of the organic semiconductor layer .
The organic semiconductor layers of both the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer formed on the surface of the substrate,
A pair of electrodes formed on the surface side of each organic semiconductor layer, either directly or via an intermediate layer at a predetermined distance,
One or more laminated units formed between the electrodes of the pair of electrodes and composed of both of the organic semiconductor layers, and
With
A lateral carrier collecting type organic solar cell characterized in that the mobility of the carriers to be transported in the lateral direction of both of the organic semiconductor layers is 0.01 cm 2 / V · s or more .
前記1対の電極のうち、前記p型有機半導体層の表面側に形成される電極がホールを収集する第1電極であり、前記n型有機半導体層の表面側に形成される電極が電子を収集する第2電極であることを特徴とする、請求項に記載の有機太陽電池。 Of the pair of electrodes, the electrode formed on the surface side of the p-type organic semiconductor layer is the first electrode that collects holes, and the electrode formed on the surface side of the n-type organic semiconductor layer collects electrons. The organic solar cell according to claim 1 , wherein the organic solar cell is a second electrode for collecting. 前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、
下記式(1)
Figure 0006814329
(式(1)中、
及びXは、互いに独立して、カルコゲン原子であり、
1乃至Rは、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基
、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基であり、
及びR並びにR及びRは、それらが結合するベンゼン環と一緒になって、非置換の又は1以上の置換基を有するナフタレン、アントラセン又はフェナントレンの環を形成してもよく、前記置換基は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基である)で表される化合物であるか、又は
下記式(5)
Figure 0006814329
(式(5)中、
及びRは、互いに独立して、水素原子、置換基を有してもよいアリール基、又は置換基を有してもよいアルキル基であり、かつR、Rが複数ある場合は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、
m及びnは、互いに独立して、1〜4の整数である)で表される化合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機太陽電池。
The donor material in the p-type organic semiconductor layer is
The following formula (1)
Figure 0006814329
(In equation (1),
X 1 and X 2 are chalcogen atoms, independent of each other.
R 1 to R 8 are independent of each other and are a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an alkyloxy group or an alkylthio group.
R 2 and R 3 and R 6 and R 7 may be combined with the benzene ring to which they are attached to form an unsubstituted or naphthalene, anthracene or phenanthrene ring having one or more substituents. The substituent is a compound represented by a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an alkyloxy group or an alkylthio group independently of each other, or the following formula ( 5)
Figure 0006814329
(In equation (5),
When R c and R d are independent of each other, a hydrogen atom, an aryl group which may have a substituent, or an alkyl group which may have a substituent, and there are a plurality of R c and R d. Can be the same or different,
The organic solar cell according to claim 1 or 2 , wherein m and n are compounds represented by ( 1 to 4) independently of each other.
前記ドナー材料が、下記式(2)
Figure 0006814329
(式(2)中、
及びXは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
及びRは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;
下記式(3)
Figure 0006814329
(式(3)中、
及びXは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
乃至R20は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;又は、
下記式(4)
Figure 0006814329
(式(4)中、
及びXは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
21乃至R36は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であることを特徴とする請求項に記載の有機太陽電池。
The donor material is the following formula (2)
Figure 0006814329
(In equation (2),
X 1 and X 2 are independently represented by a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and Ra and R b are independently represented by a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group). Is it a compound?
The following formula (3)
Figure 0006814329
(In equation (3),
X 1 and X 2 are independent of each other as a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and R 9 to R 20 are independent of each other as a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group). Is it a compound?
The following formula (4)
Figure 0006814329
(In equation (4),
X 1 and X 2 are independently represented by a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom, and R 21 to R 36 are independently represented by a hydrogen atom, an alkyl group or a phenyl group). The organic solar cell according to claim 3 , wherein the organic solar cell is a compound.
前記ドナー材料が、前記式(2)で表される化合物であり、
及びXは、それぞれ硫黄原子であり、かつR及びRは、それぞれアルキル基であることを特徴とする請求項に記載の有機太陽電池。
The donor material is a compound represented by the formula (2).
The organic solar cell according to claim 4 , wherein X 1 and X 2 are sulfur atoms, respectively, and Ra and R b are alkyl groups, respectively.
前記アクセプター材料が、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミド又はN,N0−1H,1H−ペルフルオロブチル−シアノペリレンジイミドであることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機太陽電池。 Claim 1 or claim 1, wherein the acceptor material is N, N'-dioctyl-3,4,9,10-perylene carboxymid or N, N0-1H, 1H-perfluorobutyl-cyanoperylene imide. 2. The organic solar cell according to 2. 前記所定の距離は10μm以上であることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項に記載の有機太陽電池。 The organic solar cell according to any one of claims 1 to 6 , wherein the predetermined distance is 10 μm or more.
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