KR20070110049A - 적층형 유기태양전지 - Google Patents

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KR20070110049A
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켄지 카와노
노리히로 이토
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 관한 적층형 유기태양전지는, 제1의 발전층(1)과 제2의 발전층 (2)의 사이에 접착층(3)을 설치한 구성으로 하고 있다. 본 구성은, 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 유기 화합물의 용액으로 형성되는 제1의 발전층(1) 위에, 접착층(3)을 형성하고, 더욱이 접착층(3) 위에 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 유기 화합물의 용액을 도포해서 제2의 발전층(2)을 형성하여 이루어지는 것이다. 접착층(3)은, 투명 산화물과 투명 질화물의 적어도 한쪽에 형성되어 있다. 이 구성에 의해, 제1의 발전층(1) 위에 용액도포에 의해 제2의 발전층(2)을 형성할 때에, 접착층(3)은, 제1의 발전층(1)에 제2의 발전층(2)의 용액중의 용매가 침투하는 것을 저지하고, 제1의 발전층(1)의 구조가 파괴되거나, 기능이 열화하거나 하는 경우가 없다.

Description

적층형 유기태양전지{MULTILAYER ORGANIC SOLAR CELL}
본 발명은, 광을 받아서 발전(發電)하는 발전층을 복수 적층하여 형성되는 적층형 유기태양전지에 관한 것이다.
최근, 산업의 발전에 따라 에너지의 사용량이 비약적으로 증가하고 있어, 앞으로도 더한 에너지 수요의 증대가 예상된다. 이와 같은 배경에서, 지구환경에 부하를 주지 않는, 경제적이고 고성능의 새로운 크린 에너지 생산 기술의 개발에 기대가 모아지고 있다. 그 중에서도, 태양전지는 무한히 있다고 해도 좋은 태양광을 이용하는 것이어서 새로운 에너지원으로서 주목받고 있다. 현재 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘을 이용한 무기태양전지이다. 그러나, 이들 무기 실리콘계 태양전지는, 그 제조 프로세스가 복잡해서 비용이 높다고 하는 결점을 가지고 있기 때문에, 널리 일반가정용으로 보급되기에는 이르지 않는다. 이와 같은 결점을 해소하기 위해서, 간단한 프로세스에서 저비용화ㆍ대면적화가 가능한 유기재료를 이용한 유기태양전지의 연구가 번성하게 되고 있다.
이러한 유기태양전지의 연구에 있어서는, 유기태양전지의 일종인 색소증감형 태양전지로는, 최근, 스위스의 로잔 공과대학의 Gratze1교수에 의해, 다공질 산화 티탄, 루테늄 색소, 요오드와 요오드 이온을 이용한 광화학반응에 근거한 것이 10%라는 높은 변환 효율을 갖는 것이 발표되어 있다(B. 0'Regan, M. Gratzel, Nature, 353, 737(1991)).
또 1종류의 유기태양전지로 분류되는 유기박막형 태양전지에 관해서도, 저분자 재료의 전자공여성 재료(도우너 재료)와 전자수용성 재료(억셉터 재료)를 이용해서 진공증착법에 의해 형성한 저분자형 유기박막 태양전지에 있어서, 3.6%의 변환효율을 얻은 것이 보고되어 있다(P. Peumans and S.R.Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126(2001)).
또한, 광을 받아서 전기를 발생하는 발전층의 재료에 고분자 재료를 이용한 검토도 진행하고 있다. 이것은, 발전층의 형성에 비용이 드는 진공증착법을 이용하지 않기 때문에, 보다 저비용화를 기대할 수 있다.
또한, 공역계 폴리머와 플라렌 유도체의 혼합막 타입에서도, 2.5%의 변환 효율을 얻은 것이 보고된(S.E.Shaheen, Appl. Phys. Lett. 78, 841(2001)) 것을 계기로, 유기태양전지에 대한 연구가 다시 주목받게 되어, 고효율의 유기태양전지를 얻기 위해서 여러가지 연구가 이루어져 있다.
또한, 예컨대, 전자를 수집하는 배면음극에 요철을 설치하고, 광의 가두기, 전자의 수집 향상을 시도하거나(M. Niggemannm, e-MRS 20O3, oral presentation(2003)), 공역계 폴리머를 보다 홀 이동도가 높은 재료를 이용하여, 유기태양전지 제작후, 적당하게 가온하는 것에 의해, 공역계 폴리머의 재배열이나 홀수송 재료와 전자수송 재료의 적절한 혼합 상태를 실현해서 전하 분리를 향상시 키거나(F. Padinger, Adv. Funct. Mater, 13, 85(2003)) 하는 등의 연구가 이루어져 있어, 현재, 3.5%의 변환 효율을 얻고 있다.
상기의 다른 유기박막 태양전지의 고효율화를 위한 수법으로서, 발전층을 적층하는 접합이 적극적으로 이루어져 있다. 저분자 재료를 이용한 유기박막 태양전지에 있어서는, 각 층의 기능을 분리하거나, 입사광측의 유리기판에 Wiston 타입의 광수집 구조체를 설치하거나(P.Peumans, V.Bulovic and S.R.Forrest, Appl.Phys.Lett. 76, 2650(2000)), 발전 부분을 0.5nm∼5nm 정도의 금속층을 개재하여 적층하는 접합(A.Yakimov and S.R.Forrest, Appl. Phys. Lett. 80, 1667(2002))이 검토되고 있고, 개방 단전압(Voc)이 약 2배 가까이 향상한 예가 있다. 또한, 고분자 재료를 이용한 경우에 있어서도, 복수의 발전층을 적층화하는 조합이 검토되어 있다. 이와 같이, 발전층의 적층화는, 유기박막 태양전지의 고효율화를 위해서 가장 유효한 수법의 하나인 것이 나타나 있다.
그러나, 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 유기 화합물의 용액을 도포해서 발전층을 형성하는 경우, 제1의 발전층 위에 제2의 발전층을 적층해서 형성할 때에, 제1의 발전층이 제2의 발전층의 형성에 이용하는 용매에 의해 용해하고, 제1의 발전층의 구조가 파괴되거나, 기능이 열화하거나 해서, 발전층의 적층구조를 형성하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
그런데, 일본국특공평 8-31616호 공보에는, 증착법 등에서 형성되는 복수층의 발전층의 사이에 금속층을 설치한 적층형 유기태양전지가 개시되어 있다. 상기한바와 같이 용액을 도포해서 발전층을 형성하는 경우에, 이러한 금속층을 발전층 사이에 설치하는 기술을 적용하는 것에 의해, 제2의 발전층의 형성에 이용하는 용매가 제1의 발전층에 침투하는 것을 금속층에서 저지할 수 있고, 이 용매에 의한 제1의 발전층의 구조의 파괴나 기능 열화를 방지하는 것이 가능하다. 그러나, 이와 같은 금속층을 발전층의 사이에 설치하는 경우, 금속층의 막두께를 두껍게 하면 광투과율이 저하하고, 태양전지의 발전 효율이 저하한다. 이것 때문에, 금속층은 상당히 얇은 막두께로 형성할 필요가 있지만, 금속층의 막두께를 얇게 하면 용매가 투과하기 쉽게 되어, 제1의 발전층에 용매가 침투하여 작용할 염려가 있다. 또한, 일본국특개 2001-319698호 공보에는, 도전층, 하도층, 감광층(발전층), 전하 이동층, 대극 도전층의 순서로 적층한 단 셀을 유리 등의 지지체를 개재하여 적층하는 적층형 유기태양전지가 개시되어 있다. 이와 같이 구성하므로써, 각 셀은 독립하여 형성할 수 있으므로, 상기의 용액도포에 의한 발전층의 형성시의 열화 등은 발생하지 않는다. 그러나, 층 수가 많아 구조가 복잡해지기 때문에, 생산 코드의 상승이나, 광투과율이 저하하고, 태양전지의 발전 효율이 저하할 염려가 있다.
발명의 개시
본 발명의 목적은, 제1의 발전층 위에 용액도포에 의해 제2의 발전층을 적층해서 형성할 때에, 제1의 발전층이 제2의 발전층의 용액중의 용매의 작용을 받아서 구조가 파괴되거나, 기능이 열화하거나 하는 경우가 없는, 발전 효율이 높은 적층형 유기태양전지를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일태양에 관한 적층형 유기태양전지는, 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 제1의 발전층과, 상기 제1의 발전층 위에 형성된 접착층과, 상기 접착층 위에 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 유기 화합물의 용액으로 형성된 제2의 발전층을 구비하고, 상기 접착층은, 투명 산화물과 투명 질화물의 적어도 한쪽에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일태양에 관한 적층형 유기태양전지는, 상기 접착층의 광투과율이 70% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일태양에 관한 적층형 유기태양전지는, 상기 접착층이 상기 제1의 발전층을 용해시키지 않는 용매중에 투명 산화물과 투명 질화물의 적어도 한쪽의 입자를 분산시킨 용액을 상기 제1의 발전층에 도포하는 것에 의해 형성되는 층인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일태양에 관한 적층형 유기태양전지는, 상기 접착층이 기상성장법에서 형성되는 층인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일태양에 관한 적층형 유기태양전지는, 상기 접착층의 두께가 5nm 이상 250nm 이하인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 제1의 발전층 위에 투명하고 또한 치밀한 막으로서 형성된 접착층을 갖기 때문에, 용액도포에 의해 제2의 발전층을 형성할 때에, 접착층은, 제2의 발전층을 형성하는 용액중의 용매가 제1의 발전층에 침투하는 것을 저지하고, 용매의 작용에 의해 제1의 발전층의 구조가 파괴되거나 기능이 저하하거나 하는 것이 방지되어, 높은 발전 효율을 갖는 발전층의 적층구조를 얻을 수 있다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 일실시형태에 관한 적층형 유기태양전지에 관해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은, 유기광전 변환장치인 적층형 유기태양전지의 층구성의 일예를 나타내는 것이며, 지지기판(10) 위에, 투명한 양극층(1)과, 정공수송층(12)과, 발전층(1)(이하 제1의 발전층이라 한다)과, 접착층(3)과, 정공수송층(13)과, 발전층(2)(이하 제2의 발전층이라 한다)과, 전자수송층(14)과, 음극층(15)이 이 순서로 적층하고 있고, 이들의 적층체의 외표면은, 표면보호층(16)에 의해 덮여 있다.
지지기판(10)은, 태양전지의 광입사면측에 설치하는 경우, 광투과성을 갖는 것으로 형성되는 것이며, 무색 투명한 것 이외에, 다소 착색되어 있는 것이어도, 불투명 유리상의 것이어도 좋다. 예컨대, 소다라임 유리나 무알칼리 유리 등의 투명 유리판이나, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 에폭시 등의 수지, 불소계 수지 등으로부터 임의의 방법에 의해 제작된 플라스틱 필름이나 플라스틱판 등을 이용할 수 있다. 또한, 지지기판(10) 내에 기판모제와 굴절율이 다른 입자, 분체, 거품 등을 함유하는 것에 의해, 광확산 효과를 갖는 것을 사용하는 것도 가능하다. 지지기판(10)을 태양전지의 광입사면측에 설치하지 않는 경우는, 지지기판(10)의 재질 등은 특별히 규정되는 것은 아니고, 태양전지 부분을 지지할 수 있는 것이면 좋다.
또한, 정공수송층(12, 13)을 구성하는 정공수송재료로서는, 정공을 수송하는 능력을 갖고, 발전층(1, 2)으로부터의 정공이동 효과를 갖는 동시에, 양극에 대하여 우수한 정공ㆍ이동 효과를 갖고, 또한, 전자를 블록하도록 하는 특성을 갖고, 또한 박막 형성능력이 우수한 화합물이 바람직하다. 구체적으로는 프탈로시아닌 유도체, 나프탈로시아닌 유도체, 폴피린 유도체, N,N'-비즈(3-메틸페닐)-(1,1'-비페닐)-4,4'-디아민(TPD)이나 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(α-NPD) 등의 방향족 디아민 화합물, 옥사졸, 옥사디아졸, 트리아졸, 이미다졸, 이미다졸론, 스틸벤 유도체, 피라졸린 유도체, 테트라히드로이미다졸, 폴리아릴알칸, 부타디엔, 4,4',4"-트리스(N-(3-메틸페닐)N-페닐아미노)트리페닐아민(m-MTDATA), 및 폴리비닐칼바졸, 폴리실란, 아미노피리딘 유도체, 폴리에틸렌디오이사이드티오펜(PEDOT) 등의 도전성 고분자 등의 고분자재료를 들 수 있지만, 특별히 이들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 광을 받아서 전기를 발생하는 제1의 발전층(1)이나 제2의 발전층(2)의 형성에 사용하는 유기 화합물로서는, 전자를 공급하는 도우너 재료와 전자를 수용하는 억셉터 재료가 이용된다. 그리고 도우너 재료로서는, 프탈로시아닌계 안료, 인디고, 티오인디고계 안료, 크나크리돈계 안료, 멜로시아닌 화합물, 시아닌 화합물, 스쿠아륨 화합물, 다환방향족, 또한, 유기전자사진 감광체에 이용되는 전하 이동제, 전기 전도성 유기전하 이동착물이나 도전성 고분자도 이용할 수 있다.
프탈로시아닌계 안료로서는, 중심금속이 Cu, Zn, Co, Ni, Pb, Pt, Fe, Mg 등의 2가의 것, 무금속 프탈로시아닌, 알루미늄클로로프탈로시아닌, 인듐클로로프탈로시아닌, 갈륨클로로프탈로시아닌 등의 할로겐 원자가 배위한 3가 금속의 프탈로시아닌, 그 밖의 바아나지르프탈로시아닌, 티타닐프탈로시아닌 등의 산소가 배위 한 프탈로시아닌 등이 있다. 또한, 다환 방향족으로서는, 안트라센, 테트라센, 펜타센, 또는 이들의 유도체 등이 있다. 또한, 전하 이동제로서는, 히드라존 화합물, 피라졸린 화합물, 트리페닐메탄 화합물, 트리페닐아민 화합물 등이 있다. 또한, 전기 전도성 유기전하 이동착체로서는, 테트라티오플루바렌, 테트라페닐테트라티오플라바렌 등이 있다. 또한, 도전성 고분자로서는, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리파라페닐렌비닐렌 유도체, 폴리플루오렌 유도체, 도전성 고분자의 올리고머 등의 톨루엔 등의 유기용매에 가용인 것을 들 수 있지만, 특별히 이들에 한정되는 것은 아니다.
억셉터 재료로서는, 화합물 반도체 입자를 들 수 있고, 특히 화합물 반도체 나노결정을 이용할 수 있다. 여기에서, 나노결정은, 사이즈가 1∼100nm인 것이다. 또한, 나노결정의 형상에는 로드상, 구상, 테트라포드상이 포함된다. 구체적인 재료로서는 InP, InAs, GaP, GaAs 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체 결정, CdSe, CdS, CdTe, ZnS 등의 II-VI족 화합물 반도체 결정, ZnO, SiO2, TiO2, Al2O3 등의 산화물 반도체 결정, CuInSe2, CuInS 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니고, 전자를 수송하는 재료이면, 플라렌유도체 등으로 이루어지는 저분자 재료나 도전성 고분자 등도 이용할 수 있다.
접착층(3)은, 투명 산화물과 투명 질화물의 적어도 한쪽에서 형성된다. 투명 산화물로서는, ITO(인듐주석 산화물), SnO2, GZO(갈륨아연 산화물), AZO(알루미늄 아연 산화물), IZO(인듐아연 산화물) 등을 들 수 있고, 투명 질화물로서는, Si3N4 등을 들 수 있지만, 광을 통과시키고, 또한 제1의 발전층(1)의 기능을 저하시키지 않는 것이면 좋고, 특별히 이들에 한정되는 것은 아니다.
제2의 발전층(2) 위에 형성되는 전자수송층(14)에 이용되는 재료로서는, 예컨대, 바속프로인, 바소페난트롤린, 및 그들의 유도체, 시롤 화합물, 트리아졸 화합물, 트리스(8-히드록시크놀리네이트)알루미늄 착체, 비스(4-메틸-8-크놀리네이트)알루미늄 착체, 옥사디아졸 화합물, 디스티릴아릴렌 유도체, 시롤 화합물, TPBI(2,2',2"-(1,3,5-벤젠트릴)트리스-[1-페닐-1H-벤즈이미다졸]) 등을 들 수 있지만, 전자수송성의 재료이면 좋고, 이들에 한정되는 것이 아니다. 또한, 전자이동도가 10-6㎠/Vs 이상, 보다 바람직하게는 10-5㎠/Vs 이상의 재료가 좋다.
전자수송층(14) 위에 형성되는 음극층(15)은, 각 발전층(1), (2)에 발생한 전자를 효율 좋게 수집하기 위한 전극이며, 일함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어지는 전극재료를 이용하는 것이 바람직하고, 일함수가 5eV 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 음극층(15)의 전극재료로서는, 알칼리 금속, 알칼리 금속의 할로겐화물, 알칼리 금속의 산화물, 알칼리 토류금속, 희토류 등, 및 이들과 다른 금속과의 합금, 예컨대 나트륨, 나트륨-칼륨합금, 리튬, 마그네슘, 마그네슘―은 혼합물, 마그네슘-인듐 혼합물, 알루미늄-리튬 합금, Al/LiF 혼합물 등을 예로서 들 수 있다. 또한, 알루미늄, Al/Al2O3 혼합물 등도 사용가능하다. 또한, 알칼리 금속의 산화물, 알칼리 금속의 할로겐화물, 혹은 금속산화물을 음극층(15)의 하지로서 이용하고, 더욱이 상기의 일함수가 5eV 이하인 재료 (혹은 이들을 함유하는 합금)를 1층 이상 적층하는 것에 의해, 음극층(15)을 형성하도록 해도 좋다. 예컨대, 알칼리 금속/Al의 적층, 알칼리 금속의 할로겐화물/알칼리 토류금속/Al의 적층, /Al2O3/Al의 적층 등을 예로서 들 수 있다. 음극층(15)은, 예컨대, 이들의 전극재료를 진공증착법이나 스퍼터링법 등의 방법에 의해, 박막에 형성하는 것에 의해 제작할 수 있다.
그리고, 형성한 적층체를 피복하는 표면보호층(16)은, 예컨대, Al등의 금속을 스퍼터로 적층하고, 혹은 불소계 화합물, 불소계 고분자, 그 밖의 유기분자, 고분자 등을 증착, 스퍼터, CVD, 플라즈마 중합, 도포, 자외선 경화, 열경화 기타의 방법으로 박막으로서 형성할 수 있다. 또한, 광투과성, 가스 배리어성을 갖는 필름상의 구조물을 설치하는 것도 가능하다. 광의 입사면측에 이 표면보호층(16)을 설치하는 경우는, 발전층(1), (2)에 광을 도달시키기 위해서, 표면보호층(16)의 광투과율은 70% 이상인 것이 바람직하다.
다음에, 발전층(1), (2) 및 접착층(3)의 층형성에 관해서 설명한다. 이들의 층은, 제1의 발전층(1) 위에 접착층(3)을 형성한 후, 접착층(3) 위에 정공수송층(13) 및 제2의 발전층(2)을 이 순서로 형성하는 것이다. 또, 제1의 발전층(1)의 형성은, 상기의 유기 화합물을 용매에 용해 내지 분산시켜, 정공수송층(12) 위에 도포해서 건조하는 방법이나, 상기의 유기 화합물을 기상성장법으로 정공수송층(12) 위에 형성하는 방법 등 막을 형성할 수 있으면, 형성방법은 특별히 한정되는 것은 아니다.
접착층(3)은, 용매중에 투명 산화물이나 투명 질화물의 입자를 분산시킨 용액을 제1의 발전층(1)에 도포한 후, 용매를 제거하는 것에 의해 형성할 수 있다. 이 경우, 용매로서는 제1의 발전층(1)을 용해시키지 않는 등, 제1의 발전층(1)의 기능을 열화시키지 않는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 용매로서, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올류나 물 등을 이용할 수 있다. 또한, 접착층(3)은 용매를 완전히 사용하지 않는 기상성장법으로 형성할 수 있고, 이 경우에는 용매에 의한 제1의 발전층(1) 기능 열화의 문제는 생기지 않는다. 기상성장법으로서는, 진공증착법, 진공 스퍼터법, EB증착법 등을 들 수 있지만, 용매를 이용하지 않는 형성법에서, 기상에서 형성할 수 있는 것이면 이들에 한정되는 것은 아니다. 또, 여기에서 형성되는 접착층(3)의 두께는 5nm 이상 250nm 이하로 한다.
제2의 발전층(2)은, 접착층(3) 위에 형성한 정공수송층(13) 위에 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 유기 화합물의 용액을 도포한 후, 용매를 제거하는 것에 의해 형성한다. 도우너 재료나 억셉터 재료로서는 상기의 것을 이용할 수 있다. 용매로서는, 클로로포름, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 톨루엔 등의 극성용매를 이용할 수 있다.
이상과 같은 적층형 유기태양전지를 구성하는 것에 의해, 제1의 발전층(1) 위에 형성된 접착층(3)이, 제1의 발전층(1)과 용액도포에 의해 형성되는 제2의 발전층(2)과의 사이에 개재하여, 용액중의 용매가 제1의 발전층(1)에 침투하는 것을 저지하여, 제1의 발전층(1)에 용매에 의한 작용이 미치는 것을 방지한다. 즉, 제1의 발전층(1)이 이 용매에 용해하는 등 하여, 제1의 발전층(1)의 구조가 파괴되거나, 기능이 열화하거나 하지 않으므로, 구성된 적층형 유기태양전지는, 높은 발전 효율을 갖는 발전층의 적층구조로 된다.
또한, 접착층(3)은, 투명 산화물이나 투명 질화물로 형성되어 있기 때문에, 투명하고 또한 치밀한 막으로서 형성할 수 있고, 접착층(3)의 소정 막두께에 있어서 70% 이상의 광투과율을 확보할 수 있다. 접착층(3)의 광투과율이 70% 이상이면, 제1의 발전층 위에 형성된 제2의 발전층(2)에 있어서도, 광흡수ㆍ발전의 효율이 높아지게 되고, 제1의 발전층(1)의 막두께가 얇기 때문에 흡수되지 않고 반사 등으로 손실되어 있었던 광을 전기로 변환시킬 수 있고, 발전 효율이 향상하는 것이다. 접착층(3)의 광투과율이 높으면 높을수록 발전의 효율은 좋고, 상한은 특별히 설정되지 않는다. 또, 접착층(3)의 소정 막두께는 5nm 이상 250nm 이하가 바람직하고, 후술하는 실시예에 있어서도, 접착층(3)의 막두께는 이 범위로 하고 있다. 접착층(3)의 막두께를 5nm 이상으로 하는 것에 의해, 제2의 발전층(2)을 용액도포로 형성할 때에, 용매가 침투해서 제1의 발전층(1)에 작용하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 접착층(3)의 막두께를 250nm 이하로 하는 것에 의해, 70% 이상의 광투과율을 얻을 수 있는 것 이외에, 유기태양전지의 내부저항을 증가시키지 않는다는 이점도 있다.
또, 본 실시형태에서는, 접착층(3)과 제2의 발전층(2)의 사이에 정공수송층(13)을 설치하고 있지만, 필요에 따라서 별도의 층을 설치해도 좋다. 또한, 접착층(3) 위에 직접 제2의 발전층(2)을 형성해도 좋다. 이 경우도, 상기 실시형태와 동일하게 제2의 발전층(2)을 형성하는 용액 중의 용매의 침투를 접착층(3)에서 저지할 수 있으므로, 제1의 발전층(1)이 용해되어 파괴되거나, 기능이 열화하거나 하지 않아, 높은 발전 효율을 갖는 발전층의 적층구조를 구성할 수 있다.
또, 구체적인 적층형 유기태양전지의 구성으로서는, 양극층/제1의 발전층/접착층/제2의 발전층/음극층의 구성이 기본이지만, 양극층/정공수송층/제1의 발전층/접착층/정공수송층/제2의 발전층/전자수송층/음극층의 구성, 양극층/정공수송층/제1의 발전층/접착층/정공수송층/제2의 발전층/음극층의 구성, 양극층/정공수송층/제1의 발전층/접착층/제2의 발전층/음극층의 구성, 양극층/정공수송층/제1의 발전층/접착층/제2의 발전층/전자수송층/음극층의 구성 등을 들 수 있고, 더욱이 상기의 구성에 있어서, 제1의 발전층과 접착층의 사이에 전자수송층을 설치하도록 해도 좋고, 또한, 정공수송층을 제외한 제1의 발전층/전자수송층의 구성이어도 좋다.
도 1은, 본 발명의 실시형태의 일례인 적층형 유기태양전지의 구조를 나타내는 개략 단면도다.
다음에, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
양극층으로 되는 ITO막 부착 유리기판(쿠라모토제작소(주)제)을 아세톤, 이소프로필 알코올(모두 (주)간토화학제), 세미코크린(풀우치과학사제), 초순수에서 각 10분간 초음파세정을 행한 후, 이소프로필 알코올의 증기로 세정하고, 건조시켰다. 다음에, 대기압 플라즈마 표면처리 장치(마쓰시타전공(주)제)에서 3분간, 이 ITO기판의 표면처리를 행하였다.
다음에, ITO막으로 이루어지는 양극층 위에, 정공수송층으로서, 폴리에틸렌 디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(스탈크사제)를 50nm의 막두께로 형성했다.
다음에, 이 기판을 노점 -76℃ 이하, 산소 1ppm이하의 드라이 Ar분위기의 글러브 박스로 이송하고, 도우너 재료로서, 폴리(2-메톡시-5-(3,7-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌(아메리칸다이소스사제, MDMO-PPV)을 4mg, 억셉터 재료로서, 플라렌 유도체인 [6,6]-페닐C61-부티릭 애시드 메틸 에스테르 아메리칸다이소스사제, PCBM라 약칭한다)를 20mg, 1mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액을, 스핀 코팅에 의해 정공수송층 위에 도포하는 것에 의해, 막두께 10Onm의 제1의 유기발전층을 형성했다.
다음에, 이 기판을 DC스퍼터링 장치(아넬바(주)제)에 반송하고, ITO의 세라믹 타겟(토소(주))을 이용하여, 제1의 유기발전층에 대미지가 들어가지 않도록, 제1의 유기발전층 위에 접착층으로서 ITO박막을 20nm의 막두께로 형성했다.
다음에, 접착층 위에 상기와 동일하게 해서 정공수송층을 형성하고, 더욱이 정공수송층 위에, 상기의 제1의 유기발전층의 경우와 동일하게 하여, 스핀 코팅에 의한 용액도포로 제2의 유기발전층을 형성했다.
다음에, 이 기판을, 진공증착장치(알바크사제)에 세트하고, 제2의 유기발전층 위에, 전자수송층으로서 바속프로인((주)동인화학연구소제)을 6nm의 막두께로 형성하고, 더욱이 그 위에, 대향전극의 음극층으로서, 150nm의 막두께의 Al박막을, 진공증착법을 이용해서 형성했다.
다음에, 이 각 층을 형성한 ITO기판을 노점 -76℃ 이하의 드라이 질소분위기의 글러브박스에 대기에 폭로하지 않고 반송했다. 한편, 통기성을 갖는 자루에 흡 수재로서 산화바륨의 분말을 넣고, 이것을 유리제의 봉지판에 점착제로 붙여 두고, 또한, 봉지판의 외주부에는 미리 자외선 경화수지제의 실(seal)제를 도포해 두고, 글러브 박스내에 있어서 ITO기판에 봉지판을 실제로 접합하고, UV로 실제를 경화시켜 표면보호층을 형성하는 것에 의해, 도 1과 같은 층구성의 유기광전 변환장치로서 적층형 유기태양전지를 얻었다.
(실시예 2)
입경 5∼20nm의 ITO초미립자(쓰미토모오사카시멘트사제)를 이소프로필 알코올에 20mg/mL의 농도로 분산시킨 용액을 스핀코팅하여, 제1의 유기발전층 위에 접착층으로서 두께 20Onm의 ITO막을 형성하도록 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 적층형 유기태양전지를 얻었다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일한 스퍼터장치를 이용하고, Ag의 금속 타겟으로, 제1의 유기발전층 위에 접착층으로서 Ag막을 20nm의 막두께로 형성하도록 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 적층형 유기태양전지를 얻었다.
(비교예 2)
실시예 1과 동일한 스퍼터 장치를 이용하고, Ag 의 금속 타겟으로, 제1의 유기발전층 위에 접착층으로서 Ag막을 5nm의 막두께로 형성하도록 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 적층형 유기태양전지를 얻었다.
상기의 실시예 1∼2 및 비교예 1∼2에서 얻어진 적층형 유기태양전지에 대하여, 솔라 시뮬레이터(야마시타전장사제)에 의해 유사 태양광(AM1.5, 1sun)을 조사 했을 때의 광투과율(가시광선의 파장 500nm에 있어서의 광의 투과율)로 변환 효율을 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112007063132646-PCT00001
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 실시예에 관한 적층형 유기태양전지는, 각 비교예의 것에 대하여 광투과율 및 개방 단전압이 높고, 발전 효율이 높은 것이 확인되었다.
본 발명은, 첨부한 도면을 참조한 실시형태에 의해 충분히 기재되어 있지만, 여러가지 변경이나 변형이 가능한 것은, 이 분야의 통상의 지식을 갖는 것에 있어서 분명할 것이다. 그 때문에, 그와 같은 변경 및 변형은, 본원발명의 범위를 일탈하는 것은 아니고, 본 발명의 범위에 포함된다고 해석되어야 한다.
또한, 본 출원은, 일본국특허출원 2005-061364호에 근거하고 있고, 그 내용은, 상기 특허출원의 명세서 및 도면을 참조하는 것에 의해 결과적으로 본원발명에 합체되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 제1의 발전층과,
    상기 제1의 발전층 위에 형성된 접착층과,
    상기 접착층 위에 도우너 재료와 억셉터 재료를 함유하는 유기 화합물의 용액으로 형성된 제2의 발전층을 구비하고,
    상기 접착층은, 투명 산화물과 투명 질화물의 적어도 한쪽에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 유기태양전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 접착층의 광투과율은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 적층형 유기태양전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 접착층은, 상기 제1의 발전층을 용해시키지 않는 용매중에 투명 산화물과 투명 질화물의 적어도 한쪽의 입자를 분산시킨 용액을 상기 제1의 발전층에 도포하는 것에 의해 형성되는 층인 것을 특징으로 하는 적층형 유기태양전지.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 접착층은, 기상성장법에 의해 형성되는 층인 것을 특징으로 하는 적층형 유기태양전지.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접착층의 두께는, 5nm 이상 250nm 이하인 것을 특징으로 하는 적층형 유기태양전지.
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