JPH0669526A - 有機光起電力素子 - Google Patents

有機光起電力素子

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JPH0669526A
JPH0669526A JP4241373A JP24137392A JPH0669526A JP H0669526 A JPH0669526 A JP H0669526A JP 4241373 A JP4241373 A JP 4241373A JP 24137392 A JP24137392 A JP 24137392A JP H0669526 A JPH0669526 A JP H0669526A
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JP
Japan
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electron
organic
thin film
photovoltaic element
layer
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JP4241373A
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Kazukiyo Nagai
一清 永井
Hiroshi Ikuno
弘 生野
Tetsuo Suzuki
哲郎 鈴木
Masao Yoshikawa
雅夫 吉川
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Ricoh Co Ltd
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Ricoh Co Ltd
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • H10K85/311—Phthalocyanine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E10/549—Organic PV cells

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い変換特性を有する光起電力素子を得る。 【構成】 （１）少なくとも一方が透光性である２つの
電極の間に、電子受容性有機物層、電子供与性有機物層
の連続した２つの層からなる部分を有する光起電力素子
において、電子供与性有機物層が気相成長法で作製され
た塩化アルミニウムフタロシアニンの薄膜からなり、該
薄膜の光吸収スペクトルにおける７８０nmと７１０nmの
吸光度の比（α780／α710）が０.９５から１.０５であ
ることを特徴とする有機光起電力素子。（２）電子供与
性有機物層が気相成長法で作製され、薄膜Ｘ線回析図
（CuKα線）でBragg角（２θ）が１０度から１２度にか
けてのブロードなピークを主ピークとし、それより強度
の強いピークを高角側に有しない塩化アルミニウムフタ
ロシアニン薄膜であることを特徴とする有機光起電力素
子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光センサー等にも有用
な有機光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】有機物を能動材料として用いた光起電力
素子が多く研究されている。その目的は、単結晶、多結
晶、アモルファスのＳｉでは達成が困難とされている、
安価で毒性のない光起電力素子を開発するためである。
【０００３】光起電力素子は、光エネルギを電気エネル
ギ（電圧×電流）に変換する素子であるため、変換効率
がその主要な評価対象となる。光電流の生成には内部電
界の存在が必要であるが、内部電界を生成する方法とし
ていくつかの素子構成が知られている。能動材料として
有機物を用いた場合の、各々の既知の構成での変換効率
のベストデータは以下の通りである。
【０００４】（１）ショットキー接合又はＭＩＳ型接合 金属／半導体接合で生じる内部電界を利用したものであ
る。有機半導体材料としてメロシアニン染料、フタロシ
アニン顔料等が報告されている。Ａｌ／メロシアニン／
Ａｇ素子に対する７８ｍＷ／ｃｍ2の白色光照射で変換
効率０.７％（Ｖoc＝１.２Ｖ，Ｊsc＝１.８ｍＡ／ｃ
ｍ2，ｆｆ＝０.２５）が報告されている（A.K.Ghoshら
J.Appl.Phys.49,5982(1978)）。このタイプの素子に用
いられている有機半導体で変換効率が高いものはｐ型に
限定されている。従って、電極材料もＡｌ，Ｉｎ，Ｍｇ
等の仕事関数が低いものが使用される。これらは容易に
酸化される。
【０００５】（２）ｎ型無機半導体／ｐ型有機半導体接
合を利用したヘテロｐｎ接合 ｎ型無機半導体／ｐ型有機半導体を接合したときに生じ
る内部電界を利用したものである。ｎ型材料としてＣｄ
Ｓ，ＺｎＯ等が用いられる。ｐ型有機半導体材料として
メロシアニン染料、フタロシアニン等が報告されてい
る。ＩＴＯ／電着ＣｄＳ／塩素化アルミニウムクロルフ
タロシアニン／Ａｕ素子に対する７５ｍＷ／ｃｍ2のＡ
Ｍ−２光照射で変換効率０.２２％（Ｖoc＝０.６９Ｖ，
Ｊsc＝０.８９ｍＡ／ｃｍ2，ｆｆ＝０.２９）がベスト
である（A.HorらAppl.Phys.Lett.,42,15 (1983)）。
【０００６】（３）有機／有機ヘテロ接合を利用したも
の 電子受容性の有機物と電子供与性の有機物を接合したと
きに生じる電界を利用したものである。前者の有機物と
してマラカイトグリーン、メチルバイオレット、ピリリ
ウム等の染料、フラバンスロン、ペリレン顔料等の縮合
多環芳香族化合物が報告されており、後者の例として、
フタロシアニン顔料、メロシアニン染料等が報告されて
いる。ＩＴＯ／銅フタロシアニン／ペリレン顔料／Ａｇ
素子に対する７５ｍＷ/ｃｍ2のＡＭ−２光照射で変換効
率０.９５％（Ｖoc＝０.４５Ｖ，Ｊsc＝２.３ｍＡ／ｃ
ｍ2，ｆｆ＝０.６５）が報告されている（C.Tang App
l.Phys.Lett.,48,183(1986)）。この値は有機物を用い
た光起電力素子では最高のものである。又、同じ発明者
による特公昭６２−４８７１号公報には、本素子構成で
別種のペリレン顔料に対して変換効率１％（Ｖoc＝０.
４４Ｖ，Ｊsc＝３.０ｍＡ／ｃｍ2，ｆｆ＝０.６）が報
告されている。
【０００７】有機物を用いた光起電力素子の変換効率
は、無機半導体を用いたものより低い。この要因として
最大のものは短絡光電流（Ｊsc）の低さである。変換効
率５％の素子では７５ｍＷ／ｃｍ2の白色光照射に対
し、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ2のＪscが必要である。
前述のＪscはそれよりもはるかに低い。この原因は、量
子効率の低さと分光感度波長域の狭さにある。分光感度
波長は４００nmからなるべく長波長まで広がっているこ
とが望ましいが、従来の例は特定波長域に限定されてい
る例が多い。
【０００８】又、ｆｆが小さい例が多い。ｆｆの低さの
原因の１つは有機半導体の示す量子効率が、低電界で急
激に低下することにあると言われている。従って、この
様な低下を来さないような強い内部電界が生成する構成
がｆｆの向上に好ましい。更に、生成電荷がエネルギ的
な障壁無しにスムーズに電極に到達できる素子構成がｆ
ｆを大きくする。これらの達成によりＶocの向上も図ら
れるが、従来はこれらの点で十分な考慮がなされていな
い例が多かった。更に加えると、報告されている有機光
起電力素子では、電極材料の化学的安定性の点でも問題
があるものが多い。
【０００９】以上のような観点から前述の従来技術を眺
める。 （１）ショットキー接合又はＭＩＳ型接合 Ｖocは大きくとれるが、電極として金属材料が用いられ
ているため、電極の光透過率が低くなる。実際の光透過
率は、よくても３０％、通常は１０％前後である。又、
これらの材料は耐酸化性に乏しい。従って、この素子形
態では高い変換効率と安定した特性を作り出すことは望
めない。 （２）無機半導体／有機半導体ヘテロｐｎ接合 電荷生成は主として有機層でなされるため、分光感度の
制限を受ける。通常、有機層は単一の材料から形成され
るが、４００から例えば８００nmまで強い光吸収をもつ
有機半導体は現在存在しないからである。従って、この
素子構成では光入射電極の光透過性や、電極の安定性の
問題はクリアできるが、分光感度領域が狭いため高い変
換効率は望めない。 （３）有機／有機ヘテロｐｎ接合 上記２種の構成と較べ、現在のところ最も望ましいもの
である。透明電極からの光照射が行え、又、２種の材料
で光電荷生成が可能であるため、分光感度も広げること
ができる。しかしながら、この構成を持ってしても変換
効率は実用域にはほど遠い状況である。
【００１０】又、本発明類似の技術としてマグネシウム
フタロシアニン（ＭｇＰｃ）の溶媒処理膜をＣｄＳ／Ｍ
ｇＰｃヘテロ接合を有する光起電子素子へ応用した例が
知られている（Thin Solid Films, 106(1983))。しかし
ながら、変換効率は０.１２８％と低い。これは無機半
導体／有機半導体ヘテロｐｎ接合型のためである。変換
効率を向上させる目下の最善の手段は、（３）で記載し
た構成を展開しながら、更に有機層の分光感度を広げ、
有機層の配向性を制御し、高い変換効率を与える有機層
を探索することであると考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、有機
光起電力素子としては高い変換効率を与える素子を提供
することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、鋭意検討した結果、少なくとも一方が透光性である
２つの電極の間に、電子受容性有機物層、電子供与性有
機物層の連続した２つの層からなる部分を有する光起電
力素子において、電子供与性有機物層が気相成長法で作
製された塩化アルミニウムフタロシアニンの薄膜からな
り、該薄膜の光吸収スペクトルにおける７８０nmと７１
０nmの吸光度の比（α780／α710）が０.９５から１.０
５であることを特徴とする有機光起電力素子により上記
目的を達成できることが判明した。
【００１３】又、電子供与性有機物質層を気相成長法で
作製し、薄膜Ｘ線回析図（CuKα線）でBragg角（２θ）
が１０度から１２度にかけてのブロードなピークを主ピ
ークとし、それより強度の強いピークを高角側に有しな
い塩化アルミニウムフタロシアニン薄膜とすることによ
っても目的を達成できることが分った。
【００１４】以下本発明の重要な構成要素である素子の
構成、作製法、使用材料等について説明する。
【００１５】本発明に適用される電子受容性層と電子供
与性層の整流接合に基づく光起電力素子の構成の例には
以下に示すものがある。 （構成１） ここで、支持体は背面電極側にあってもよい。また、電
子受容性層と電子供与性層の順が逆があってもよい。
【００１６】更に異なる構成として次のものが挙げられ
る。 （構成２） ここで、支持体は背面電極側にあってもよい。又、電子
受容性層と電子供与性層が逆があってもよく、その場合
は、電子供与性有機物層（２）、電子供与性有機層
（１）、電子受容性有機物層の順となる。
【００１７】更に適用される構成として次のものが挙げ
られる。 （構成３）
【００１８】更に適用される構成として下図のものが挙
げられる。 （構成４） これらの構成は本発明の一部であり、これらの構成に限
定されるものではない。
【００１９】本発明において使用する透明絶縁支持体と
しては、ガラス、プラスチックフィルム等が用いられ
る。
【００２０】本発明において使用する透明電極として
は、酸化スズインジウム（ITO)、酸化スズ、酸化インジ
ウム等が用いられる。好ましい厚さは10〜1000nmであ
る。
【００２１】本発明において使用するｎ型半導体層とし
ては、硬化亜鉛、３価の金属がドープされた酸化亜鉛、
ＣｄＳ、酸化チタン、リンをドープしたアモルファスシ
リコン等で酸化亜鉛、ＣｄＳ等が好ましい。厚さは10〜
1000nmが好ましい。
【００２２】本発明において使用する電子供与性有機物
層は塩化アルミニウムフタロシアニンであるが、構成例
２の様に他の電子供与性有機物層を積層する場合に
は、．フタロシアニン系顔料（中心金属がCu,Zn,Co,Ni,
Pb,Pt,Fe,Mg等の２価のもの、無金属フタロシアニン、
アルミニウムクロルフタロシアニン、インジウムクロル
フタロシアニン、ガリウムクロルフタロシアニン等のハ
ロゲン原子が配位した３価金属のフタロシアニン、その
他バナジルフタロシアニン、チタニルフタロシアニン等
の酸素が配位したフタロシアニン） ・インジゴ、チオインジゴ系顔料（Pigment Blue 66, P
igment Violet 36等）、キナクリドン系顔料（Pigment
Violet 19, Pigment Red 122等)、メロシアニン化合
物、シアニン化合物、シアニン化合物、スクアリウム化
合物等の染料 ・有機電子写真感光体で用いられる電荷移動剤（ヒドラ
ゾン化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルメタン化
合物、トリフェニルアミン化合物等） ・電気伝導性有機電荷移動錯体で用いられる電子供与性
化合物（テトラチオフラバレン、テトラフェニルテトラ
チオフラバレン等） ・導電性高分子（ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ
アニリン等） から選択される。
【００２３】これらの層は蒸着、スピンコート、ディッ
ピング、電界重合等での方法で製膜される。この中で、
薄膜化、均一化には蒸着が好ましい。塩化アルミニウム
フタロシアニンの膜厚は３〜100nmが適当である。厚く
なるとＪscの増大がみられず、又、薄くなるとその層自
体の光吸収効率が落ち、Ｊscが低下する。積層される電
子供与性有機物層の適当な膜厚は５〜300nmである。
【００２４】又、本発明で用いられる背面電極として
は、Au，Pt，Ni，Pd，Cu，Cr，Ag等が用いられ、特にAu
は安定で好ましい。膜厚は５〜200nmが適当である。
【００２５】本発明において使用する電子受容性有機物
層としては、 ペリレン系顔料 Pigment Red (以下 PR) 179，PR19
0，PR149，PR189，PR123，Pigment Brown 26等 ペリノン系顔料 Pigment Orange 43，PR194等 アントラキノン系顔料 PR168，PR177，Vat Yellow 4等 フラバンスロン等の含キノン黄色顔料 クリスタルバイオレット、メチルバイオレット、マラカ
イトグリーン等の染料を挙げることができる。これらは
蒸着、スピンコート、ディッピングにて製膜される。薄
膜化、均一化には蒸着が好ましい。膜厚は10〜300nmが
好ましい。
【００２６】以下に実施例を示し、本発明を更に詳細に
説明する。
【００２７】〔実施例１〕よく洗浄したＩＴＯガラス
（松崎真空製、３０Ω／□）上に基板温度約３００℃
で、導入ガスとしてアルゴンを用い、ＤＣマグネトロン
スパッタ法で、酸化亜鉛を約１３００Åの厚さで設け
た。その上に、真空蒸着法で電子受容性物質であるペリ
レンテトラカルボン酸ビスメチルイミド（ＰＬ−ＭＥ）
を約４００Åの厚さで、次いで電子供与性物質である図
１の光吸収スペクトルＡを有する塩化アルミニウムフタ
ロシアニン（ＡｌＣｌＰｃ）を約５００Ａの厚さで設け
た。その上に金を真空蒸着した。ＩＴＯと金がなす面積
は０.２５cm2とした。２つの電極に銀ペーストにてリー
ド線を取り付けた。この素子のＩＴＯ側に、７５mW／cm
2の白色光を照射しながら、６mV／ｓで掃引される電圧
を印加して変換効率を測定したとろ、Ｖoc＝０.４６
Ｖ、Ｊsc＝２.０９mA／cm2、ｆｆ＝０.４１となり変換
効率０.５２％が得られた。この値は有機光起電力素子
としては大きなものである。
【００２８】〔比較例１〕実施例１において図１のＢの
光吸収スペクトルを有するＡｌＣｌＰｃ層を用いたこと
以外は、すべて同じにして変換効率を測定した。その結
果、Ｖoc＝０.４０Ｖ、Ｊsc＝１.９４mA／cm2、ｆｆ＝
０.３０となり変換効率０.３１％が得られた。
【００２９】〔実施例２〕よく洗浄したＩＴＯガラス
（松崎真空製、３０Ω／□）上に基板温度約３００℃
で、導入ガスとしてアルゴンを用い、ＤＣマグネトロン
スパッタ法で、酸化亜鉛を約１００nmの厚さで設けた。
その上に、真空蒸着法で電子受容性物質であるペリレン
テトラカルボン酸ビスメチルイミド（ＰＬ−ＭＥ）を約
３０nmの厚さで、次いで電子供与性物質である塩化アル
ミニウムフタロシアニン（ＡｌＣｌＰｃ）を約５０nmの
厚さで設けた。得られたＡｌＣｌＰｃ膜の薄膜Ｘ線回析
ピークは１０.５度にブロードな主ピークがあり、高角
側にはほとんどピークは見られなかった。その上に金を
真空蒸着した。ＩＴＯと金がなす面積は０.２５cm2とし
た。２つの電極に銀ペーストにてリード線を取り付け
た。この素子のＩＴＯ側に、７５mW／cm2の白色光を照
射しながら、６mV／ｓで掃引される電圧を印加して変換
効率を測定したとろＶoc＝０.４６Ｖ、Ｊsc＝２.３mA／
cm2、ｆｆ＝０.４５となり変換効率０.６４％が得られ
た。この値は有機光起電力素子としては大きなものであ
る。
【００３０】〔比較例２〕薄膜Ｘ線回折ピークが２６．
７度に主ピークを有する公知のＡＩＣｌＰｃ蒸着膜を使
用した以外は実施例２と同様に素子を作成した。変換効
率を測定したところ、Ｖoc＝０．４１Ｖ、Ｊsc＝１．８
ｍＡ／cm2、ｆｆ＝０．３３となり、変換効率０．３２％
が得られた。
【００３１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、上記構成
１から４のような光起電力素子において高い変換効率が
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】塩化アルミニウムフタロシアニンの光吸収スぺ
クトル。図中Ａは本発明による、図中Ｂは比較例による
光吸収スペクトルを夫々示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 雅夫 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一方が透光性である２つの電
    極の間に、電子受容性有機物層、電子供与性有機物層の
    連続した２つの層からなる部分を有する光起電力素子に
    おいて、電子供与性有機物層が気相成長法で作製された
    塩化アルミニウムフタロシアニンの薄膜からなり、該薄
    膜の光吸収スペクトルにおける７８０nmと７１０nmの吸
    光度の比（α780／α710）が０.９５から１.０５である
    ことを特徴とする有機光起電力素子。
  2. 【請求項２】 少なくとも一方が透光性である２つの電
    極の間に、電子受容性有機物層、電子供与性有機物層の
    連続した２つの層からなる部分を有する光起電力素子に
    おいて、電子供与性有機物層が気相成長法で作製され、
    薄膜Ｘ線回析図（CuKα線）においてBragg角（２θ）が
    １０度から１２度にかけてのブロードなピークを主ピー
    クとし、それより強度の強いピークを高角側に有しない
    塩化アルミニウムフタロシアニン薄膜であることを特徴
    とする有機光起電力素子。
JP4241373A 1992-08-18 1992-08-18 有機光起電力素子 Pending JPH0669526A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7503593B2 (en) 2004-01-26 2009-03-17 Suk-Yoon Kim Joint for plumbing
AU2007224388B2 (en) * 2007-09-28 2014-11-20 The Regents Of The University Of Michigan Organic photosensitive optoelectronic devices with near-infrared sensitivity

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7503593B2 (en) 2004-01-26 2009-03-17 Suk-Yoon Kim Joint for plumbing
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