JPH0691273B2 - Photovoltaic device manufacturing method - Google Patents

Photovoltaic device manufacturing method

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JPH0691273B2
JPH0691273B2 JP61127455A JP12745586A JPH0691273B2 JP H0691273 B2 JPH0691273 B2 JP H0691273B2 JP 61127455 A JP61127455 A JP 61127455A JP 12745586 A JP12745586 A JP 12745586A JP H0691273 B2 JPH0691273 B2 JP H0691273B2
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film
phthalocyanine
cadmium sulfide
electrode
photovoltaic element
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信次 南
義一 田辺
圭四郎 津田
祥友 米原
正一 木下
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工業技術院長
財団法人 川村理化学研究所
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光起電力素子の製造方法に関し、さらに詳しく
は、光電エネルギー変換効率および安定性に優れたフタ
ロシアニンを分散質とする光起電力素子の製造方法に関
する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a photovoltaic device, and more specifically, a photovoltaic device using phthalocyanine as a dispersoid, which is excellent in photoelectric energy conversion efficiency and stability. Manufacturing method.

(従来の技術) 従来、光起電力素子としては、結晶性シリコン、アモル
ファスシリコン、GaAs、InP/CdS、CdS/Cu2S、CdS/CdTe
等の無機化合物を用いた素子が知られている。しかしな
がら、これらの素子は光電エネルギー変換効率が5〜23
%と比較的高くても原料が高価であったり、製作技術が
複雑であったりするため、素子も高価にならざるを得な
かった。
(Prior Art) Conventionally, as a photovoltaic element, crystalline silicon, amorphous silicon, GaAs, InP / CdS, CdS / Cu 2 S, CdS / CdTe
An element using an inorganic compound such as is known. However, these devices have a photoelectric energy conversion efficiency of 5 to 23.
However, even if it is relatively high, the raw material is expensive and the manufacturing technique is complicated, so the element must be expensive.

そこで安価な材料を用い、しかも大面積化が容易な光起
電力素子を得るために、有機化合物が見直されつつある
現状である。特にフタロシアニン化合物は、極めて安定
な有機化合物であり、また半導性を有する等の点から、
光起電力素子材料として注目され、多くの報告がなされ
ている。
Therefore, in order to obtain a photovoltaic element that uses an inexpensive material and that can easily have a large area, organic compounds are being reviewed. Particularly, the phthalocyanine compound is an extremely stable organic compound, and also has semiconductivity.
It has received attention as a photovoltaic element material and many reports have been made.

例えば、フタロシアニンの微粒子を高分子化合物中に分
散せしめた光活性層薄膜が光起電力素子として有効に使
用できることが知られている(米国特許第4、175、981
号)。この場合、障壁金属としてはアルミニウムを使用
し、フタロシアニンとしてはX−型無金属フタロシアニ
ンを用い、そのバインダー用高分子としては暗絶縁性の
よいもの、特にポリスチレン、ポリアクリロニトリル、
ポリ酢酸ビニル、ポリカーボネート、スチレン−アクリ
ロニトリル共重合体およびポリビニルカルバゾールが適
しているとされている。これらの高分子中に、X−型無
金属フタロシアニンを分散させた薄膜を用いて形成され
た光起電力素子は1〜17μW/cm2の単色入射光に対し
て、1.4〜4%の光電エネルギー変換効率を示してい
る。また光電エネルギー変換効率は用いる高分子により
劇的には変化しないと明記されている。ちなみに17μW/
cm2の単色入射光における光電エネルギー変換効率は2.0
〜2.9%である。
For example, it is known that a photoactive layer thin film in which fine particles of phthalocyanine are dispersed in a polymer compound can be effectively used as a photovoltaic element (US Pat. No. 4,175,981).
issue). In this case, aluminum is used as the barrier metal, X-type metal-free phthalocyanine is used as the phthalocyanine, and the polymer for the binder has a good dark insulating property, particularly polystyrene, polyacrylonitrile,
Polyvinyl acetate, polycarbonate, styrene-acrylonitrile copolymers and polyvinylcarbazole are said to be suitable. A photovoltaic element formed by using a thin film in which X-type metal-free phthalocyanine is dispersed in these polymers has a photoelectric energy of 1.4 to 4% for monochromatic incident light of 1 to 17 μW / cm 2. It shows the conversion efficiency. It is also specified that the photoelectric energy conversion efficiency does not change dramatically depending on the polymer used. By the way, 17μW /
The photoelectric energy conversion efficiency for monochromatic incident light of cm 2 is 2.0.
~ 2.9%.

また、このようなアルミニウムを障壁金属としたフタロ
シアニン分散型光起電力素子は6μW/cm2という微弱光
照射下では良好な光電エネルギー変換効率を示すが、光
強度の増加に伴い、その光電エネルギー変換効率は低下
し、100mW/cm2という強光照射下では0.02%に減少する
ことが報告されている(R.O.Loutfy、J.H.Sharp、J.Che
m.Phys.71(3),P1211(1979))。
In addition, such a phthalocyanine-dispersed photovoltaic device using aluminum as a barrier metal exhibits good photoelectric energy conversion efficiency under irradiation of weak light of 6 μW / cm 2 , but with the increase of light intensity, the photoelectric energy conversion The efficiency is reported to decrease to 0.02% under strong light irradiation of 100 mW / cm 2 (ROLoutfy, JHSharp, J.Che.
m.Phys. 71 (3), P1211 (1979)).

なお、これらの光電エネルギー変換効率の値は、アルミ
ニウム電極を透過した光量(アルミニウム電極の光透過
率は10〜50%)に対する値であり、したがって照射光基
準の光電エネルギー変換効率(ηと略記することもあ
る)の値は、上記の値の1/10〜1/2であり、したがって
光照射下で取出しうる電力値は非常に低いものとなる。
Note that these photoelectric energy conversion efficiency values are values with respect to the amount of light transmitted through the aluminum electrode (the light transmittance of the aluminum electrode is 10 to 50%), and therefore the photoelectric energy conversion efficiency based on the irradiation light (abbreviated as η). Value is 1/10 to 1/2 of the above value, and therefore, the electric power value that can be taken out under light irradiation is very low.

さらにアルミニウムを障壁金属とし、X−型無金属フタ
ロシアニンの樹脂分散膜を光活性層とした光起電力素子
は、非常に不安定であることが報告されている(R.O.Lo
utfy、J.H.Sharp、C.K.Hsiao、R.Ho、J.Appl.Phys.52
(8),P5218(1981))。
Further, aluminum is used as a barrier metal, and an X-type metal-free lid is used.
Photovoltaic device using a photoactive layer made of a resin dispersion film of cyanine
Is reported to be very unstable (R.O.Lo
utfy, J.H.Sharp, C.K.Hsiao, R.Ho, J.Appl.Phys.52
(8), P5218 (1981)).

一方、障壁金属としてインジウムを用いると、135mW/cm
2の光強度でAMOの擬似太陽光を照射した場合、開放電圧
0.45V、短絡電流密度0.2mA/cm2およびη約0.03%が得ら
れるが、11日後にその効率は初期値の57%に低下するこ
とが報告されている(Solar Cells、5,P331(198
2))。
On the other hand, when indium is used as the barrier metal, 135 mW / cm
When the AMO pseudo-sunlight is irradiated with the light intensity of 2 , the open circuit voltage is
0.45V, short circuit current density 0.2mA / cm 2 and η about 0.03% are obtained, but the efficiency is reported to drop to 57% of the initial value after 11 days (Solar Cells, 5 , P331 (198
2)).

さらにX−型無金属フタロシアニン樹脂分散型の新規光
起電力素子として、n−型半導体を窓材料として用いる
X−型無金属フタロシアニン樹脂分散型光電変換素子が
提案されており、(R.O.Loutfy、Y.H.Shing、D.K.Murt
i、Solar Cells、5,P331(1982))、硫化カドミウム−
X−型無金属フタロシアニン/ポリエステル分散膜−金
というヘテロ接合素子も報告されている。この素子を用
い、開放電圧0.62V、タンク電流密度0.13mA/cm2および
η0.027%(AM0、87mW/cm2の照射光)が得られるが、そ
の素子の長期安定性については全く言及されておらず、
わずかに酸化亜鉛をn−型半導体として用いた素子の長
期安定性が優れていると報告されているのみである。
Furthermore, as a new photovoltaic element of X-type metal-free phthalocyanine resin dispersion type, an X-type metal-free phthalocyanine resin dispersion type photoelectric conversion element using an n-type semiconductor as a window material has been proposed (ROLoutfy, YHShing, DKMurt
i, Solar Cells, 5 , P331 (1982), Cadmium sulfide-
A heterojunction element of X-type metal-free phthalocyanine / polyester dispersion film-gold has also been reported. With this device, an open-circuit voltage of 0.62 V, tank current density of 0.13 mA / cm 2 and η 0.027% (AM0, irradiation light of 87 mW / cm 2 ) can be obtained, but the long-term stability of the device is not mentioned at all. Not
It is only reported that the device using zinc oxide as an n-type semiconductor is slightly superior in long-term stability.

以上に述べたように、従来のフタロシアニンを分散質と
して利用する光起電力素子は、いずれもそれほど優れた
光電エネルギー変換効率が得られるものではなかった。
As described above, none of the conventional photovoltaic devices using phthalocyanine as the dispersoid can obtain such excellent photoelectric energy conversion efficiency.

本発明者らは、先に電気的に特異な性質を有する高分子
化合物、すなわちポリビニリデン系化合物にX−型無金
属フタロシアニンを分散させた膜を光活性層として用い
た光起電力素子が改善された光電エネルギー変換効率を
有することを見出した(特開昭60−201672号)。
The present inventors have improved a photovoltaic device using a polymer compound having electrically unique properties, that is, a film in which an X-type metal-free phthalocyanine is dispersed in a polyvinylidene compound as a photoactive layer. It was found that the photoelectric energy conversion efficiency was improved (JP-A-60-201672).

さらに本発明者らは、同様の素子において、障壁電極と
して鉛または硫化カドミウムを用いることにより(特開
昭61−3473号)、また、硫化カドミウム電極を加熱処理
することにより(特願昭60−43160号)、従来に比して
優れた安定性を示すことを見出した。
Furthermore, the inventors of the present invention used lead or cadmium sulfide as a barrier electrode in the same device (Japanese Patent Laid-open No. 61-3473) and heat-treated the cadmium sulfide electrode (Japanese Patent Application No. No. 43160), it has been found that it exhibits superior stability as compared with conventional ones.

(発明が解決しようとする問題点) 本発明の目的は、より優れた光電エネルギー変換効率を
達成し、しかも安定性に優れた、フタロシアニンを分散
質とする光起電力素子の製造方法を提供することにあ
る。
(Problems to be Solved by the Invention) An object of the present invention is to provide a method for producing a photovoltaic device having phthalocyanine as a dispersoid, which achieves superior photoelectric energy conversion efficiency and is excellent in stability. Especially.

(問題点を解決するための手段) 本発明者らは、上記目的達成のため鋭意研究の結果、障
壁電極として硫化カドミウム層を用い、この層の上に前
記フタロシアニン樹脂分散膜を光活性層として形成した
ものに、150〜300℃で加熱処理を施すことによりその光
電エネルギー変換効率が格段に高められることを見出
し、本発明に達成した。
(Means for Solving Problems) As a result of earnest research for achieving the above-mentioned object, the present inventors have used a cadmium sulfide layer as a barrier electrode, and using the phthalocyanine resin dispersion film as a photoactive layer on this layer. The inventors have found that the photoelectric energy conversion efficiency is remarkably enhanced by subjecting the formed one to a heat treatment at 150 to 300 ° C., and thus the present invention has been accomplished.

本発明の光起電力素子の製造方法は、フタロシアニンを
分散状態で含有するポリビニリデン系化合物からなるフ
ィルムを光活性層とし、これを硫化カドミウム障壁電極
とオーミック電極とで挟持した構造を有する光起電力素
子の製造方法において、硫化カドミウム障壁電極上に前
記フィルムの光活性層を形成した後、150〜300℃で加熱
処理を施すことを特徴とする。
The method for producing a photovoltaic element of the present invention is a photovoltaic device having a structure in which a film made of a polyvinylidene compound containing phthalocyanine in a dispersed state is used as a photoactive layer and sandwiched between a cadmium sulfide barrier electrode and an ohmic electrode. In the method for manufacturing a power element, the photoactive layer of the film is formed on the cadmium sulfide barrier electrode, and then heat treatment is performed at 150 to 300 ° C.

本発明によれば、従来の光起電力素子に比して容易にか
つ安価に、より改善された光電エネルギー変換効率を有
する光起電力素子を提供することができる。
According to the present invention, a photovoltaic element having improved photoelectric energy conversion efficiency can be provided more easily and cheaply than a conventional photovoltaic element.

本発明の製造方法で得られた光起電力素子は、フタロシ
アニンを分散状態で含有するポリビニリデン系化合物か
らなるフィルムを光活性層としている。
The photovoltaic element obtained by the production method of the present invention has a film made of a polyvinylidene compound containing phthalocyanine in a dispersed state as a photoactive layer.

本発明に用いられるフタロシアニンとしては、種々の既
知の金属または無金属フタロシアニンが挙げられるが、
特にX−型無金属フタロシアニンが好ましい。
Examples of the phthalocyanine used in the present invention include various known metal or metal-free phthalocyanines,
X-type metal-free phthalocyanine is particularly preferable.

ここでX−型無金属フタロシアニンとは、ブラッグ角度
において、7.5、9.1、16.7、17.3および22.3度に強いX
線回折図形を有するもので、その強度比は第2図に示す
ように必ずしも、米国特許第3、357、989号明細書に記
載のものと一致するものでなくてもよい。なお第2図中
のAは米国特許第3、357、989号明細書から引用したX
−型無金属フタロシアニンのX線回折図、B、Cおよび
Dは各種製法によるX−型無金属フタロシアニンのX線
回折図(いずれも銅Kα)を示す。
Here, the X-type metal-free phthalocyanine means a strong X at 7.5, 9.1, 16.7, 17.3 and 22.3 degrees at the Bragg angle.
It has a line diffraction pattern, and its intensity ratio need not necessarily match that described in US Pat. No. 3,357,989, as shown in FIG. Incidentally, A in FIG. 2 is X which is cited from US Pat. No. 3,357,989.
X-ray diffractograms of -type metal-free phthalocyanine, B, C and D show X-ray diffractograms of X-type metal-free phthalocyanine (all copper Kα) by various production methods.

また無金属フタロシアニンは市販顔料、その硫酸処理品
または昇華精製品を用いることもできるが、例えば、ジ
リチウムフタロシアニンを経由した精製法またはJ.Am.C
hem.Soc.,103,P4629(1981)に記載されているフタロシ
アニンの種々の錯体を経由した精製法、さらにこれらの
方法と硫酸処理または昇華精製とを併用した方法等によ
り精製を行なって得られる高純度フタロシアニンを用い
ることが好ましい。
Further, as the metal-free phthalocyanine, a commercially available pigment, a sulfuric acid-treated product or a sublimated purified product thereof can be used, but for example, a purification method via dilithium phthalocyanine or J. Am.
hem.Soc., 103 , P4629 (1981), the purification method via various phthalocyanine complexes, and the purification method by a combination of these methods with sulfuric acid treatment or sublimation purification. It is preferable to use high-purity phthalocyanine.

ここで高純度フタロシアニンとは好ましくは純度95%以
上、さらに好ましくは97.5%以上のものをいう。
Here, the high-purity phthalocyanine preferably has a purity of 95% or more, more preferably 97.5% or more.

X−型無金属フタロシアニンは、上記のごとき精製法で
得られるα−型無金属フタロシアニンに、ボールミル等
の機械的エネルギーを加える等の方法により容易に製造
できる。
The X-type metal-free phthalocyanine can be easily produced by adding mechanical energy such as a ball mill to the α-type metal-free phthalocyanine obtained by the above-mentioned purification method.

本発明に用いられるポリビニリデン系化合物としては、
例えばビニリデンフルオライド、ビニリデンクロライ
ド、ビニリデンシアナイド等の重合体またはこれらと他
の共重合成分との共重合体が挙げられる。これらの
(共)重合体はいかなる重合法により製造されたもので
もよく、通常成形材料として市販されているものをその
まま、またはこれらを再沈殿法により精製して使用する
ことができる。またポリビニリデンシアナイドまたはそ
の共重合体は、H.Gilbert等のJ.Am.Chem.Soc.,76,P1074
(1954)、同78,P1669(1956)に記載されている方法等
により容易に製造できる。
Examples of the polyvinylidene compound used in the present invention include:
Examples thereof include polymers such as vinylidene fluoride, vinylidene chloride and vinylidene cyanide, and copolymers of these with other copolymerization components. These (co) polymers may be produced by any polymerization method, and commercially available molding materials may be used as they are, or they may be purified by the reprecipitation method before use. Polyvinylidene cyanide or a copolymer thereof is described in H. Gilbert et al., J. Am. Chem. Soc., 76 , P1074.
(1954), ibid. 78 , P1669 (1956) and the like.

これらの(共)重合体の重合度は特に制限されず、フタ
ロシアニン分散質のバインダーとして機能すればよく、
一般に1000〜5000程度の重合度のものが好ましい。これ
らの(共)重合体を例示すると、ポリビニリデンフルオ
ライドとしては、例えばKF−ポリマー(商品名、呉羽化
学工業(株)製)、Foraflon(商品名、Produits Chimi
ques社製)等が、ポリビニリデンクロライドとしては、
例えばサラン(旭化成(株)製、ビニリデンクロライド
−ビニルクロライド共重合体の商品名)、ビニリデンク
ロライド−アクリロニトリル共重合体(Polysciences.I
nc製)等が挙げられる。
The degree of polymerization of these (co) polymers is not particularly limited as long as they function as a binder of a phthalocyanine dispersoid,
Generally, those having a degree of polymerization of about 1000 to 5000 are preferable. Examples of these (co) polymers include polyvinylidene fluorides such as KF-polymer (trade name, manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.), Foraflon (trade name, Produits Chimi).
ques company), etc., as polyvinylidene chloride,
For example, Saran (trade name of vinylidene chloride-vinyl chloride copolymer manufactured by Asahi Kasei Corporation), vinylidene chloride-acrylonitrile copolymer (Polysciences.I)
nc) and the like.

前記無金属フタロシアニンとポリビニリデン系化合物と
の混合割合には特に制限はないが、形成される膜厚とも
関係するが、1:4〜4:1の重量割合が好ましい。フタロシ
アニン含有量があまり多すぎると形成される膜の強度が
低下し、膜に亀裂が生じ易く、またあまり少なすぎると
光電エネルギー変換効率が悪くなり、実用的でなくな
る。特に好ましい重量割合は1:3〜3:2である。
The mixing ratio of the metal-free phthalocyanine and the polyvinylidene compound is not particularly limited, but is preferably 1: 4 to 4: 1 by weight, though it is related to the film thickness to be formed. If the phthalocyanine content is too high, the strength of the formed film is lowered and the film is easily cracked, and if it is too low, the photoelectric energy conversion efficiency is deteriorated, which is not practical. A particularly preferred weight ratio is 1: 3 to 3: 2.

本発明の方法で光起電力素子を製造するに際して用いら
れる溶媒は、ポリビニリデン系化合物を溶解または膨潤
しうるもので、かつフタロシアニンの結晶形を維持しう
るものであればよい。ポリビニリデンフルオライドまた
はポリビニリデンシアナイドについては、例えばジメチ
ルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル
ウレア等の非プロトン性極性溶媒が好ましい。またポリ
ビニリデンクロライドについては、例えばシクロヘキサ
ノン、イソホロン等のカルボニル化合物、N−メチルピ
ロリドン、テトラメチルウレア等の非プロトン性極性溶
媒が好ましい。またエピクロルヒドリン、ジクロルメタ
ン等のハロゲン化物または一般の有機溶媒を希釈剤とし
て併用することもできる。
The solvent used for producing the photovoltaic device by the method of the present invention may be any solvent that can dissolve or swell the polyvinylidene compound and can maintain the crystalline form of phthalocyanine. With regard to polyvinylidene fluoride or polyvinylidene cyanide, an aprotic polar solvent such as dimethylformamide, dimethylacetamide or tetramethylurea is preferable. Regarding polyvinylidene chloride, for example, carbonyl compounds such as cyclohexanone and isophorone, and aprotic polar solvents such as N-methylpyrrolidone and tetramethylurea are preferable. A halide such as epichlorohydrin or dichloromethane or a general organic solvent can also be used as a diluent.

本発明で用いるポリビニリデン系化合物は光活性層内で
フタロシアニンと何らかの相互作用を持ち、光電エネル
ギー変換効率を向上させるものであるが、この効率を低
下させない範囲内で他の高分子化合物を添加含有させて
もよい。例えばポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリ
ル、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂
等を、ポリビニリデン系化合物に対して、好ましくは50
重量%以下の割合で添加することができる。
The polyvinylidene compound used in the present invention has some interaction with the phthalocyanine in the photoactive layer and improves photoelectric energy conversion efficiency, but other polymer compounds are added within a range that does not reduce this efficiency. You may let me. For example, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, polyester resin, phenol resin, epoxy resin, etc., with respect to the polyvinylidene compound, preferably 50
It can be added in a proportion of not more than wt%.

また、本発明で用いる光活性層に例えばローダミンのご
とき色素増感剤、例えばピレンのごとき電子供与性化合
物、例えばジニトロベンゼン、クロラニル、テトラシア
ノキノジメタンのごとき電子受容性化合物等を添加する
と、さらに本発明の効果が改善される。
Further, when a dye sensitizer such as rhodamine, an electron-donating compound such as pyrene, for example, dinitrobenzene, chloranil, an electron-accepting compound such as tetracyanoquinodimethane is added to the photoactive layer used in the present invention, Further, the effect of the present invention is improved.

本発明の製造方法で得られた光起電力素子は、前記光活
性層を、障壁電極とオーミック電極とで挟持した構造を
有するが、その構造工程には何ら制限はない。
The photovoltaic element obtained by the manufacturing method of the present invention has a structure in which the photoactive layer is sandwiched between a barrier electrode and an ohmic electrode, but the structure process is not limited at all.

本発明の光起電力素子においては、障壁電極として硫化
カドミウム層が使用される。
In the photovoltaic device of the present invention, a cadmium sulfide layer is used as the barrier electrode.

硫化カドミウム層は、通常、可視光に対し透明または反
透明で用いられ、ガラスまたは透明高分子フィルム等の
基板上に、またはNESA、ITO膜等の上に真空蒸着、スパ
ッタリング、スクリーン印刷、スプレー熱分解、近接気
相輸送法等の手法で形成される。NESA、ITO膜等の透明
導電性膜を基板とした場合は、電気化学的手法により形
成することもできる。
The cadmium sulfide layer is usually transparent or anti-transparent to visible light, and is vacuum-deposited, sputtered, screen-printed, or spray-heated on a substrate such as glass or a transparent polymer film, or on a NESA or ITO film. It is formed by a method such as decomposition and proximity vapor transport method. When a transparent conductive film such as NESA or ITO film is used as the substrate, it can be formed by an electrochemical method.

またオーミック電極上に形成したX−型無金属フタロシ
アニン樹脂分散膜上に硫化カドミウム膜を形成する場合
には、真空蒸着またはスパッタリングを用いることが好
ましい。
Further, when the cadmium sulfide film is formed on the X-type metal-free phthalocyanine resin dispersion film formed on the ohmic electrode, vacuum deposition or sputtering is preferably used.

硫化カドミウム膜は光起電力の起源となる接合を形成す
る膜であるとともに光を光活性層にまで透過させる窓の
役も兼ねるため、可視光を充分に透過する必要がある。
硫化カドミウム膜は、本来、可視光に対しほぼ透明であ
るので、可視光の透過率が10%以上(通常は20〜95%)
になるように形成されるが、この範囲に限定されるもの
ではない。
The cadmium sulfide film is a film that forms a junction that is a source of photovoltaic power, and also serves as a window that allows light to pass through to the photoactive layer. Therefore, it is necessary to sufficiently transmit visible light.
Since the cadmium sulfide film is essentially transparent to visible light, it has a visible light transmittance of 10% or more (usually 20 to 95%).
However, the present invention is not limited to this range.

また、硫化カドミウム膜は上記手法で形成した膜をその
まま用いてもよいが、加熱処理して用いることもでき、
加熱処理により素子の安定性は飛躍的に向上する。
Further, as the cadmium sulfide film, the film formed by the above method may be used as it is, but it may be used after being heat treated,
The stability of the device is dramatically improved by the heat treatment.

本発明におけるオーミック電極としては、仕事関数の大
きい金属またはその金属酸化物、例えば金、銀、白金、
銅、酸化スズ、酸化インジウム等が好ましく用いられ
る。これらはガラスまたは透明高分子フィルム等の基板
上に、または分散膜上に、真空蒸着、スパッタリング等
の手法により形成されて用いられる。また前記金属板の
形で使用することもでき、さらに透明導電性膜として市
販されているNESA、ITO膜等を使用することもできる。
また、導電性ペースト、例えば銀ペースト、カーボンペ
ースト等を用いることもできる。
The ohmic electrode in the present invention, a metal having a large work function or a metal oxide thereof, for example, gold, silver, platinum,
Copper, tin oxide, indium oxide and the like are preferably used. These are used by being formed on a substrate such as glass or a transparent polymer film or on a dispersion film by a technique such as vacuum deposition and sputtering. Further, it can be used in the form of the metal plate, and NESA, ITO film or the like which is commercially available as a transparent conductive film can also be used.
Alternatively, a conductive paste such as a silver paste or a carbon paste can be used.

本発明での加熱処理は、硫化カドミウム層上にフタロシ
アニン分散膜を形成した後、行うことが必要で、例えば
硫化カドミウム層(またはオーミック電極)上にX−型
無金属フタロシアニン樹脂分散膜を形成し、次いでオー
ミック電極(または硫化カドミウム層)を形成して構成
された光起電力素子、または硫化カドミウム層上にX−
型無金属フタロシアニン樹脂分散膜を形成した素子に対
して施される。後者の場合は、加熱処理後、オーミック
電極を形成することで光起電力素子が構成される。加熱
温度は150〜300℃の範囲であり、処理時間に特に制限は
ないが、特に1秒〜1時間の範囲が好ましい。加熱処理
の雰囲気も制限はないが、窒素、水素、空気、酸素雰囲
気等が仕様でき、また、真空中で処理してもさしつかえ
ない。加熱方法も特に制限はなく、電気炉、ホットプレ
ート、レーザー加熱等通常の加熱方法が使用できる。
The heat treatment in the present invention needs to be performed after forming a phthalocyanine dispersion film on the cadmium sulfide layer, for example, forming an X-type metal-free phthalocyanine resin dispersion film on the cadmium sulfide layer (or ohmic electrode). , And then a photovoltaic element formed by forming an ohmic electrode (or a cadmium sulfide layer), or X- on the cadmium sulfide layer.
It is applied to an element having a metal-free phthalocyanine resin dispersion film formed thereon. In the latter case, a photovoltaic element is formed by forming an ohmic electrode after the heat treatment. The heating temperature is in the range of 150 to 300 ° C., and the treatment time is not particularly limited, but the range of 1 second to 1 hour is particularly preferable. The atmosphere for the heat treatment is not limited, but a nitrogen, hydrogen, air, oxygen atmosphere or the like can be specified, and the heat treatment may be performed in a vacuum. The heating method is also not particularly limited, and an ordinary heating method such as an electric furnace, a hot plate, or laser heating can be used.

このように硫化カドミウム層上にフタロシアニン分散膜
が形成された素子を加熱処理することにより、理由はい
まだ明らかではないが、短絡光電流および光電エネルギ
ー変換効率が飛躍的に向上する。
By heat-treating the element in which the phthalocyanine dispersion film is formed on the cadmium sulfide layer in this manner, the short-circuit photocurrent and the photoelectric energy conversion efficiency are dramatically improved, although the reason is not yet clear.

本発明の製造方法で光起電力素子を得るには、まず前記
フタロシアニン1重量部に対して、ポリビニリデン系化
合物0.25〜4重量部および前記溶媒1〜300重量部を混
合し、さらに所望により、前記の高分子化合物、色素増
感剤、電子供与性化合物、電子受容性化合物等を添加混
合する。次いで得られた混合物を、例えばボールミル、
超音波分散、Spex社製のMixer Mill、ペイントシェーカ
ー、ジェットミル等の分散手段により均一に分散し、得
られた分散液を障壁電極またはオーミック電極上に塗布
する。分散は必要に応じて加熱下にまたは冷却下に行な
うことができる。分散時間は全体の量、液の粘度、分散
温度、分散手段等により変化するので一概には言えない
が、一般に10分間ないし5時間の範囲が好ましい。電極
への塗布方法としては、スピンコーティング法、アプリ
ケータ法、ワイヤーバー法、ドクタープレード法、スク
リーン印刷法等の種々の方法を用いることができる。電
極への塗布は、乾燥時の膜厚が好ましくは0.05〜50μ
m、特に好ましくは0.1〜10μmとなるように塗布す
る。
In order to obtain a photovoltaic device by the manufacturing method of the present invention, first, 0.25 to 4 parts by weight of a polyvinylidene compound and 1 to 300 parts by weight of the solvent are mixed with 1 part by weight of the phthalocyanine, and further, if desired, The above-mentioned polymer compound, dye sensitizer, electron donating compound, electron accepting compound and the like are added and mixed. The resulting mixture is then, for example, ball milled,
The dispersion is uniformly dispersed by a dispersing means such as ultrasonic dispersion, Mixer Mill manufactured by Spex Co., paint shaker, jet mill, etc., and the obtained dispersion liquid is applied onto the barrier electrode or the ohmic electrode. The dispersion can be carried out with heating or with cooling, as required. The dispersion time varies depending on the total amount, the viscosity of the liquid, the dispersion temperature, the dispersion means, etc., and therefore cannot be generally stated, but a range of 10 minutes to 5 hours is generally preferred. Various methods such as a spin coating method, an applicator method, a wire bar method, a doctor blade method, and a screen printing method can be used as a method for applying the electrodes. The coating on the electrode preferably has a dry film thickness of 0.05 to 50 μm.
m, particularly preferably 0.1 to 10 μm.

次いでこれを乾燥した後、基板上の電極が障壁電極の場
合には、オーミック電極を、またオーミック電極の場合
には、障壁電極を、真空蒸着、スパタリング等の手法に
より形成する。
Then, after drying this, when the electrode on the substrate is a barrier electrode, an ohmic electrode is formed, and when the electrode is an ohmic electrode, a barrier electrode is formed by a method such as vacuum deposition and sputtering.

このようにして構成された素子に前記本発明の加熱処理
を施すが、基板上の電極が障壁電極の場合は、オーミッ
ク電極を形成する前に前記本発明の加熱処理を行なって
もよい。
The heat treatment of the present invention is performed on the thus-configured element. However, when the electrode on the substrate is a barrier electrode, the heat treatment of the present invention may be performed before forming the ohmic electrode.

本発明の製造方法で得られた光起電力素子の構造の一例
を、そのエネルギー変換効率測定系とともに第1図に示
す。
An example of the structure of the photovoltaic element obtained by the manufacturing method of the present invention is shown in FIG. 1 together with its energy conversion efficiency measuring system.

この系は、フタロシアニン粒子1を含有するポリビニリ
デン系化合物2からなる光活性層と、これを挟持する、
硫化カドミウム障壁電極3を有する透明導電膜(ITO)
4および導電膜電極(オーミック電極)6と、透明導電
膜(ITO)4の外側に密着して設けられたガラス基板5
と、各電極3、6に設けられたリード端子(銀ペース
ト)7および7aと、該端子とファンクションジェネレー
ター9、電圧計10、電流計11をそれぞれ連結するリード
線8、8a、8b、8c、8dと、電圧計10および電流計11の信
号をデジタルに変換するAD変換器12と、それらのデータ
を処理するコンピュータ13とから構成されている。
This system sandwiches a photoactive layer composed of a polyvinylidene compound 2 containing phthalocyanine particles 1 and the photoactive layer.
Transparent conductive film (ITO) having cadmium sulfide barrier electrode 3
4 and the conductive film electrode (ohmic electrode) 6 and the glass substrate 5 provided in close contact with the outside of the transparent conductive film (ITO) 4.
And lead terminals (silver paste) 7 and 7a provided on the electrodes 3 and 6, and lead wires 8, 8a, 8b and 8c for connecting the terminals to the function generator 9, voltmeter 10 and ammeter 11, respectively. 8d, an AD converter 12 for converting the signals of the voltmeter 10 and the ammeter 11 into a digital signal, and a computer 13 for processing the data.

上記構成の装置において、図の中央部上部の矢印で示す
方向に光を照射し、ファンクションジェネレーター9か
ら、+0.5Vから−0.80Vに0.002Hzで変化する三角波を硫
化カドミウム3に印加すると、素子により光エネルギー
が電気エネルギーに変換され、印加電圧に応じた光電流
変化が電流計11により測定される。この印加電圧および
光電流は、AD変換器12でデジタル信号に変換され、コン
ピュータ13で処理される。その際、印加電圧0Vのときの
光電流(短絡光電流密度Jsc)、電流0Aのときの電圧
(開放電圧Voc)および最適負荷条件を見出すことがで
きる。
In the device having the above configuration, when light is irradiated in the direction indicated by the arrow at the upper center of the figure and a triangular wave that changes from +0.5 V to −0.80 V at 0.002 Hz is applied to the cadmium sulfide 3 from the function generator 9, the element The light energy is converted into electric energy by the, and the photocurrent change according to the applied voltage is measured by the ammeter 11. The applied voltage and photocurrent are converted into digital signals by the AD converter 12 and processed by the computer 13. At that time, the photocurrent when the applied voltage is 0 V (short circuit photocurrent density Jsc), the voltage when the current is 0 A (open circuit voltage Voc), and the optimum load condition can be found.

エネルギー変換効率(照射光基準)ηは次式により算出
される。
Energy conversion efficiency (irradiation light reference) η is calculated by the following equation.

(FFは曲線因子、Piは単位面積当たりの照射光エネルギ
ーである) (発明の効果) 本発明の製造方法によれば、硫化カドミウム層の上にフ
タロシアニンを分散質およびビニリデン系化合物をバイ
ンダーとして用いたフィルムを形成した後、加熱処理を
施すという簡単な操作で、従来の光起電力素子に比して
光電エネルギー変換効率を格段に向上させた光起電力素
子を得ることができる。
(FF is fill factor, Pi is irradiation light energy per unit area) (Effect of the invention) According to the production method of the present invention, phthalocyanine is used as a dispersoid and vinylidene compound as a binder on the cadmium sulfide layer. A photovoltaic element having significantly improved photoelectric energy conversion efficiency as compared with a conventional photovoltaic element can be obtained by a simple operation of forming a film and then performing heat treatment.

また本発明の製造方法は、安価に大面積の光起電力素子
を容易に製造することができ、また光センサーとして用
いることができるなど、工業的実用価値は極めて高いも
のである。
Further, the manufacturing method of the present invention has a very high industrial practical value such that a large-area photovoltaic element can be easily manufactured at low cost and can be used as an optical sensor.

(実施例) 以下、本発明を実施例により説明するが、これにより本
発明の範囲が限定されるものではない。
(Examples) Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited thereby.

実施例1 A.S.Baranski等の報告(J.Electrochem.Soc.,128
(5),P963(1981))に従って透明導電性膜(ITO)上
に硫化カドミウム膜を厚さ約0.3μmとなるように電着
した。
Example 1 Report of A.S. Baranski et al. (J. Electrochem. Soc.,128
(5), P963 (1981)) on transparent conductive film (ITO)
Cadmium sulfide film is electrodeposited to a thickness of about 0.3 μm
did.

X−型無金属フタロシアニンは高純度α−型無金属フタ
ロシアニンをボールミルして調製した。
The X-type metal-free phthalocyanine was prepared by ball-milling high-purity α-type metal-free phthalocyanine.

この高純度X−型無金属フタロシアニン30mg、ポリビニ
リデンフルオライド20mgおよびテトラメチルウレア1.2m
lを混合し、−15℃で20分間分散を行ない、スラリーを
形成させた。得られたスラリーをスピンナーヘッド上で
固定した上記硫化カドミウム薄膜上に滴下し、スピンナ
ーを800rpmで5秒間回転させて膜を形成させた。この膜
を100℃で24時間真空乾燥し、溶媒を完全に除去して薄
膜素子を作成した。次いでこの素子膜の上面に金を真空
蒸着してオーミック電極を形成し、光起電力素子を得
た。
This high-purity X-type metal-free phthalocyanine 30 mg, polyvinylidene fluoride 20 mg and tetramethylurea 1.2 m
l were mixed and dispersed at -15 ° C for 20 minutes to form a slurry. The obtained slurry was dropped on the above-mentioned cadmium sulfide thin film fixed on a spinner head, and the spinner was rotated at 800 rpm for 5 seconds to form a film. This film was vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours to completely remove the solvent to prepare a thin film element. Next, gold was vacuum-deposited on the upper surface of this device film to form an ohmic electrode, and a photovoltaic device was obtained.

この光起電力素子をホットプレート上におき、室温から
100℃/分の速度で200℃の温度に昇温し、200℃にて2
分間加熱処理を行なうことにより光起電力素子を得た。
Place this photovoltaic element on a hot plate and
The temperature is raised to 200 ° C at a rate of 100 ° C / min, and 2
A photovoltaic element was obtained by performing heat treatment for a minute.

この光起電力素子に616nmの単色光またはキセノンラン
プとAM1フィルターで得た擬似太陽光を照射し、Jsc、Vo
c、FFおよびエネルギー変換効率ηを測定した。その結
果を第1表に示す。これらの値は比較例1またはR.O.Lo
utfy等がSolar Cells,5,P331(1982)で報告している硫
化カドミウム〜X−型無金属フタロシアニン−樹脂分散
型光起電力素子の場合の値(AM0擬似太陽光、87mW/cm2
照射時、Jsc0.13mA/cm2、Voc0.62V、FF0.3およびη0.02
7%)に比して非常に高い値である。
This photovoltaic element is irradiated with monochromatic light of 616 nm or pseudo-sunlight obtained with a xenon lamp and AM1 filter, and Jsc, Vo
The c, FF and energy conversion efficiency η were measured. The results are shown in Table 1. These values are Comparative Example 1 or ROLo
utfy et al. reported in Solar Cells, 5 , P331 (1982) for cadmium sulfide to X-type metal-free phthalocyanine-resin dispersed photovoltaic element (AM0 pseudo sunlight, 87 mW / cm 2
Irradiated, Jsc 0.13mA / cm 2 , Voc0.62V, FF0.3 and η0.02
7%), which is a very high value.

これらの結果から本発明の製造方法で得られた光起電力
素子が優れた光電エネルギー変換効率を示すことが明ら
かである。
From these results, it is clear that the photovoltaic device obtained by the manufacturing method of the present invention exhibits excellent photoelectric energy conversion efficiency.

比較例1 実施例1において、加熱処理を行なう前の素子について
エネルギー変換効率ηを実施例1と同一条件で測定し
た。この結果を実施例1とあわせ第1表に示す。
Comparative Example 1 In Example 1, the energy conversion efficiency η of the element before the heat treatment was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with Example 1.

実施例2 対電極として30mm角の白金板、作用電極として30mm角の
ITOガラスを入れた300mlフラスコに0.05Mの塩化カドミ
ウムおよび0.1Mの硫黄を溶解したジメチルスルフォキシ
ド300mlを入れた。また、参照電極として0.05M塩化カド
ミウム/ジメチルスルフォキシド溶液に浸漬したカドミ
ウム線を上記電解液中に入れ、素焼板を隔てて作用電極
の前に位置させた。この系を、アルゴンを吹込みなが
ら、110℃に加熱した。
Example 2 A 30 mm square platinum plate was used as the counter electrode, and a 30 mm square was used as the working electrode.
A 300 ml flask containing ITO glass was charged with 300 ml of dimethyl sulfoxide containing 0.05M cadmium chloride and 0.1M sulfur. As a reference electrode, a cadmium wire dipped in a 0.05M cadmium chloride / dimethylsulfoxide solution was placed in the above electrolytic solution and placed in front of the working electrode with a bisque plate separated. The system was heated to 110 ° C. with a bubbling of argon.

次いでファンクションジェネレーターとポテンシオガル
バノスタットを用いて作用電極に−3mAの電流を18秒
間、+0.5mAの電流を2秒間与え、12回繰返すことによ
り、硫化カドミウム薄膜をITOガラス上に形成した。こ
の硫化カドミウム膜を熱ジメチルスルフォキシドおよび
アセトンで洗浄し、乾燥した。
Then, a cadmium sulfide thin film was formed on the ITO glass by applying a current of −3 mA to the working electrode for 18 seconds and a current of +0.5 mA for 2 seconds using a function generator and a potentiogalvanostat and repeating 12 times. The cadmium sulfide film was washed with hot dimethyl sulfoxide and acetone and dried.

ポリビニリデンフルオライド40mgおよびローダミンB2.8
0mgをテトラメチルウレア1.8mlおよびエピクロルヒドリ
ン0.6mlの混合溶媒に溶解した後X−型無金属フタロシ
アニン60mgを加え、−15℃で30分間分散を行ないスラリ
ーを形成した。
Polyvinylidene fluoride 40 mg and Rhodamine B2.8
After dissolving 0 mg in a mixed solvent of 1.8 ml of tetramethylurea and 0.6 ml of epichlorohydrin, 60 mg of X-type metal-free phthalocyanine was added and dispersed at -15 ° C for 30 minutes to form a slurry.

得られたスラリーを上記硫化カドミウム膜上に滴下し、
10ミルのステンレスワイヤーを巻いて構成されたバーコ
ーターを用いて膜を形成させた。この膜を室温真空下24
時間乾燥し、薄膜素子を作成した。次いでこの素子膜の
上面に金を真空蒸着してオーミック電極を形成し、光起
電力素子を構成した。
Drop the resulting slurry on the cadmium sulfide film,
The film was formed using a bar coater constructed by winding a 10 mil stainless wire. This film is placed under vacuum at room temperature.
After drying for an hour, a thin film element was prepared. Then, gold was vacuum-deposited on the upper surface of the device film to form an ohmic electrode, thereby forming a photovoltaic device.

この素子を190℃に加熱した電気炉中に入れ、10分間加
熱処理を行ない、光起電力素子を得た。
This device was placed in an electric furnace heated to 190 ° C. and heat-treated for 10 minutes to obtain a photovoltaic device.

この光起電力素子のエネルギー変換効率を実施例1と同
様に測定し、その結果を第1表に示す。
The energy conversion efficiency of this photovoltaic element was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

これらの値は比較例2に比して非常に高い値であり、本
発明の加熱処理効果が明らかである。
These values are much higher than those in Comparative Example 2, and the heat treatment effect of the present invention is clear.

比較例2 実施例2において、加熱処理を行なう前の素子について
エネルギー変換効率ηを測定し、この結果をあわせ第1
表に示す。
Comparative Example 2 In Example 2, the energy conversion efficiency η of the element before the heat treatment was measured, and the results were combined to obtain the first value.
Shown in the table.

実施例3 実施例2と同様の電気化学的手法でITOガラス上に硫化
カドミウム薄膜を形成し、200℃で1時間加熱処理を行
なった。次いで実施例1と同様に薄膜を作製し、次いで
同様にオーミック電極を形成して光起電力素子を構成し
た。
Example 3 A cadmium sulfide thin film was formed on ITO glass by the same electrochemical method as in Example 2 and heat-treated at 200 ° C. for 1 hour. Then, a thin film was prepared in the same manner as in Example 1, and then an ohmic electrode was similarly formed to form a photovoltaic element.

この素子にAM0の擬似太陽光(強度91.9mW/cm2)を照射
したとき、Jsc0.13mA/cm2、Voc−0.67V、FF0.26および
η0.025%の値であった。
When this device was irradiated with AM0 pseudo sunlight (intensity 91.9 mW / cm 2 ), the values were Jsc 0.13 mA / cm 2 , Voc-0.67 V, FF 0.26, and η 0.025%.

この素子を200℃で1分間加熱処理を行ない、同様の測
定を行なったところ、Jsc0.37mA/cm2、Voc−0.45V、FF
0.35およびη0.050%の値となった。
When this element was heat-treated at 200 ° C for 1 minute and the same measurement was performed, Jsc 0.37mA / cm 2 , Voc-0.45V, FF
The values were 0.35 and η0.050%.

以上のことより、本発明の加熱処理効果は硫化カドミウ
ム膜のみの加熱処理効果とは異なるものであり、特に短
絡光電流(Jsc)の向上に寄与する新しい効果であるこ
とが明らかである。
From the above, it is clear that the heat treatment effect of the present invention is different from the heat treatment effect of only the cadmium sulfide film, and is a new effect particularly contributing to the improvement of the short-circuit photocurrent (Jsc).

実施例4〜7 実施例2において、ローダミンB2.80mgをピレン0.47mg
またはo−クロラニル1.75mgまたはp−ジニトロベンゼ
ン1.96mgまたはテトラシアノキノンジメタン1.19mgに代
える以外は同様にして光起電力素子を得た。AM1擬似太
陽光(強度115.5mW/cm2)を照射したときのこれらの素
子の加熱処理前後のJscの変化をまとめて、第2表に示
す。いずれの素子においても加熱処理によりJscが向上
していることが明らかである。
Examples 4 to 7 In Example 2, Rhodamine B 2.80 mg and pyrene 0.47 mg
Alternatively, a photovoltaic element was obtained in the same manner except that o-chloranil 1.75 mg, p-dinitrobenzene 1.96 mg or tetracyanoquinone dimethane 1.19 mg was used. Table 2 shows a summary of changes in Jsc before and after heat treatment of these elements when irradiated with AM1 pseudo sunlight (intensity 115.5 mW / cm 2 ). It is clear that the Jsc is improved by the heat treatment in all the devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の製造方法で得られた光起電力素子の
構造の一例とその光電エネルギー変換効率測定系を示す
断面略図、第2図は、X−型無金属フタロシアニンのX
線回折図(銅Kα)である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a photovoltaic element obtained by the manufacturing method of the present invention and its photoelectric energy conversion efficiency measuring system, and FIG. 2 is an X-type metal-free phthalocyanine X-type.
It is a line diffraction diagram (copper Kα).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木下 正一 埼玉県大宮市プラザ91−15 審査官 松本 邦夫 (56)参考文献 特開 昭61−3473(JP,A) 特開 昭57−83054(JP,A) 特開 昭56−124277(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shoichi Kinoshita 91-15, Omiya City, Saitama Prefecture Examiner Kunio Matsumoto (56) References JP 61-3473 (JP, A) JP 57-83054 ( JP, A) JP 56-124277 (JP, A)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】フタロシアニンを分散状態で含有するポリ
ビニリデン系化合物からなるフィルムを光活性層とし、
これを硫化カドミウム障壁電極とオーミック電極とで挟
持した構造を有する光起電力素子の製造方法において、
硫化カドミウム障壁電極上に前記フィルムの光活性層を
形成した後、150〜300℃で加熱処理することを特徴とす
る光起電力素子の製造方法。
1. A photoactive layer comprising a film made of a polyvinylidene compound containing phthalocyanine in a dispersed state,
In a method for manufacturing a photovoltaic device having a structure in which this is sandwiched between a cadmium sulfide barrier electrode and an ohmic electrode,
A method for producing a photovoltaic element, comprising forming a photoactive layer of the film on a cadmium sulfide barrier electrode and then heat-treating the film at 150 to 300 ° C.
【請求項2】フタロシアニンがX−型無金属フタロシア
ニンであることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の光起電力素子の製造方法。
2. The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 1, wherein the phthalocyanine is an X-type metal-free phthalocyanine.
【請求項3】ポリビニリデン系化合物が、ビニリデンフ
ルオライド、ビニリデンクロライド、もしくはビニリデ
ンシアナイドの重合体またはこれらの化合物と他の共重
合成分との共重合体であることを特徴とする特許請求の
範囲第1項または第2項記載の光起電力素子の製造方
法。
3. A polyvinylidene compound is a polymer of vinylidene fluoride, vinylidene chloride, or vinylidene cyanide, or a copolymer of these compounds and another copolymerization component. A method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 1 or 2.
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