WO2007108385A1 - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents

有機薄膜太陽電池 Download PDF

Info

Publication number
WO2007108385A1
WO2007108385A1 PCT/JP2007/055081 JP2007055081W WO2007108385A1 WO 2007108385 A1 WO2007108385 A1 WO 2007108385A1 JP 2007055081 W JP2007055081 W JP 2007055081W WO 2007108385 A1 WO2007108385 A1 WO 2007108385A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thin film
organic semiconductor
electron
film
solar cell
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/055081
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jun Sakai
Kazuhiro Saito
Tetsuya Taima
Original Assignee
Matsushita Electric Works, Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Works, Ltd. filed Critical Matsushita Electric Works, Ltd.
Priority to EP07738551.6A priority Critical patent/EP1998386B1/en
Priority to US12/282,819 priority patent/US9040817B2/en
Priority to CN2007800098582A priority patent/CN101405885B/zh
Publication of WO2007108385A1 publication Critical patent/WO2007108385A1/ja

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • H10K30/211—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions comprising multiple junctions, e.g. double heterojunctions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10—Definition of the polymer structure
    • C08G2261/14—Side-groups
    • C08G2261/142—Side-chains containing oxygen
    • C08G2261/1424—Side-chains containing oxygen containing ether groups, including alkoxy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/32—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/322—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain non-condensed
    • C08G2261/3223—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain non-condensed containing one or more sulfur atoms as the only heteroatom, e.g. thiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
    • H10K2102/10—Transparent electrodes, e.g. using graphene
    • H10K2102/101—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO]
    • H10K2102/103—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO] comprising indium oxides, e.g. ITO
    • 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
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • 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
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/30—Coordination compounds
    • H10K85/311—Phthalocyanine
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene
    • H10K85/623—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene containing five rings, e.g. pentacene
    • 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
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

　光から電気への変換効率および電極へのキャリア輸送性に優れる新規な光電変換層を有する有機薄膜太陽電池を提供する。光電変換層は、少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極の間に配置され、電子供与性の有機半導体薄膜と電子受容性の薄膜とを交互に積層して形成される多層膜を含む。電子供与性の有機半導体薄膜は、環状化合物を直線状に結合した有機半導体分子によって形成される。

Description

明 細 書
有機薄膜太陽電池
技術分野
[0001] 本発明は、有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池に関するものである。
背景技術
[0002] 有機薄膜太陽電池は、従来のシリコンや化合物半導体太陽電池と比較して、簡便 な製法と低い設備コストで製造できるため、将来の低コスト太陽電池として期待されて いる。
[0003] p型及び n型有機半導体による pnヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池にお ヽては、 有機半導体が光吸収によって電子 ·正孔ペアの束縛力の強 、エキシトン (励起子)を 形成し、これ力 ¾n接合の界面に拡散移動する。エキシトンは、界面における強い電 界によって電子と正孔に電荷分離され、これらがそれぞれ異なる電極に輸送されて、 起電力を発生する。しかし、この構成の太陽電池では、エキシトンの拡散長は数十 n m前後と短いため、実際には pn接合界面力も数十 nmの距離の範囲内にある領域し か有効にキャリア生成が行なわれず、変換効率は非常に低い。
[0004] その後、 p型有機半導体 (ドナー）と n型有機半導体 (ァクセプタ）とをブレンドし、 pn 接合面をナノオーダで薄膜内に分散させるバルタへテロジャンクション技術の進歩に よって、有機薄膜太陽電池の変換効率はそれまでと比べ大きく向上した。例えば、 J. Xue, S.Uchida, B.P丄 and, S.R.Forrestらは、図 9に示すようなバルタへテロジャンクシ ヨン構造の有機薄膜太陽電池について記載している (Appl.Phys丄 ett., 85, p.5757(2 004)) oこの太陽電池の光電変換層 3は、 p型有機半導体 15と n型有機半導体 16が ブレンドされ、ナノオーダで分散しているバルタへテロジャンクション構造を有し、透 明電極 1と金属電極 2の間に配置される。このような層構成が透明基板 12の表面に 積層形成される。
[0005] 光電変換層 3を形成するには、主として低分子材料を用いる蒸着法と、高分子材料 を用いる塗布法がある。蒸着法は、 p型有機半導体と n型有機半導体の 2種の材料を 同時に蒸着（共蒸着)するもので、図 9のバルタへテロジャンクション構造のように各 々異なる機能を備えた薄膜を多層化して形成できることに特徴がある。一方、塗布法 は、可溶性のあるドナー材料 (p型有機半導体)ゃァクセプタ材料 (n型有機半導体） を溶剤に溶かして塗布する方法で、蒸着法よりも pn接合界面を均一分散させ易いと いう特徴がある。
[0006] この構造の有機薄膜太陽電池では、光を吸収して発生したエキシトン Eがナノォー ダの拡散移動ですぐに pnの界面に到達し、電荷分離を起こして、電子 eは n型有機 半導体 16が偶然につながったキャリアパスを通って電極 2へ、正孔 hは p型有機半導 体 15のキャリアパスを通って反対側の電極 1へ輸送され、起電力を発生する。また、 光電変換層 3を p型有機半導体層 17と n型有機半導体層 18の間に挟むことによって 、光電変換層 3で発生したキャリアを p型有機半導体層 17と n型有機半導体層 18の 2 層で形成される内蔵電界によってさらに効率良く収集することができる。この構造は 光電変換層 3が中性的な役目を果たすため、 pin型と呼ばれることもある。また、正孔 輸送層 10や電子輸送層 11を挿入することにより、キャリアの選択的輸送、再結合の 低減、効率のさらなる向上が図られている。
[0007] このように、エキシトンの拡散距離が短 、という問題は、 p型有機半導体と n型有機 半導体のブレンドしたバルタへテロジャンクション構造でなる光電変換層の形成によ つて改善することができる。
[0008] 一方、電荷分離したキャリアをいかに失活 (再結合)させることなく電極まで輸送す るかという課題もある。太陽電池は発生した電子が外部負荷に流れ、また太陽電池 に戻って正孔と再結合するサイクルを繰り返して仕事が行なわれる。つまり電子と正 孔の収集数にアンバランスがあった場合、実際の仕事量は少な!、方のキャリア数に 律速されることになる。ここで、輸送性を示すパラメータの一つに移動度： μがある。こ れはある電界のもとでのドリフト速度を示すもので、キャリア寿命を τ、電界の強さを Ε とした場合、キャリアが輸送される距離は τ Εで表される。従って移動度が高い材 料の方が、再結合確率が低ぐより長い距離を輸送することができる。
[0009] η型有機半導体としてフラーレンを用いた低分子系有機太陽電池は、高い変換効 率を示すことが知られているが、フラーレンの電子輸送能が、 ρ型有機半導体の正孔 輸送能を上回るため、電子が過剰に輸送され、正孔輸送量が全体の発生電流を律 速すると考えられている。また、 P型有機半導体として主に金属フタロシアニンを用い た低分子系有機太陽電池においては、金属フタロシアニンが光吸収性とフラーレン との分散性において優れるものの、移動度が低いため、フラーレン中を輸送されて電 極へ到達する電子数に比べ、フタロシア-ン中を輸送されて電極へ到達する正孔数 の方が少ない。このため、フタロシアニンが発生電流を律速し、変換効率が低下する という問題がある。
[0010] ところで、近年、有機トランジスタの開発において様々な高移動度材料が開発され ている。例えば、オリゴチォフェンやペンタセン力 ¾型有機半導体として代表的な材料 であり、 lcm2ZVs前後の移動度が得られている。これらの材料を有機薄膜太陽電 池へ応用する試みもなされているが、これまでのところ、 p型有機半導体層と n型有機 半導体層とを面同士で pn接合したタイプのものでしか動作が確認されて 、な 、。この ようなタイプの太陽電池では、キャリアを有効に取り出せる領域が平面状の pn接合面 近辺でしかないので、高変換効率の有機薄膜太陽電池として作動させるためには、 P型有機半導体と n型有機半導体を共蒸着してブレンドした、図 9のようなバルタへテ 口ジャンクション構造を形成し、 pn接合面を光電変換層内に分散させる必要がある。 しかし、オリゴチォフェンやペンタセンは環状ィ匕合物が直線状に結合した分子である ため、蒸着時に基板面上で凝集し易ぐ p型有機半導体分子を n型有機半導体分子 とナノオーダで均一に分散させることが困難であり、結果的に変換効率を有効に向上 させることが難し!/、と 、う問題がある。
発明の開示
[0011] 本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バルタへ テロジャンクション構造の光電変換層と同様に光力 電気への高い変換効率を有す るとともに、電極へのキャリア輸送性にも優れる新規な構造の光電変換層を有する有 機薄膜太陽電池を提供することにある。
[0012] すなわち、本発明にかかる有機薄膜太陽電池は、少なくとも一方が光透過性を有 する一対の電極と、前記電極間に配置される光電変換層とを含む有機薄膜太陽電 池であって、前記光電変換層は、電子供与性の有機半導体薄膜と電子受容性の薄 膜とを交互に積層して形成される多層膜を含み、前記電子供与性の有機半導体薄 膜が、環状化合物を直線状に結合した有機半導体分子よりなることを特徴とする。
[0013] 本発明にお 、ては、環状ィ匕合物を直線状に結合した有機半導体分子が、フラーレ ンなどの有機半導体分子との分散性が乏しいため、これらを交互に積層して多層膜 とすることによってバルタへテロジャンクション構造の光電変換層と同様の動作を可能 にしている。また、環状ィ匕合物を直線状に結合した有機半導体分子の高移動度特性 により、キャリア輸送性を改善することができる。
[0014] 上記電子供与性の有機半導体薄膜と上記電子受容性の薄膜の各々は、 lOnm以 下の膜厚を有することが好ましい。また、この場合は、多層膜が、膜厚 lOnm以上の 電子供与性の有機半導体薄膜と、膜厚 lOnm以上の電子受容性の薄膜の間に挟ま れてなることがさらに好ましい。
[0015] 上記有機半導体分子は、次式（1)であらわされるァセン系分子化合物であることが 好ましい。
[0016] C H · · · · (!■)
6+4 (n- l) 6 + 2 (n- l)
(ここに、 nは 2以上の整数である。 )
上記電子受容性の薄膜は、フラーレン又はフラーレン化合物を含むことが好ま ヽ
[0017] また、上記電子供与性の有機半導体薄膜の膜厚は、上記電子受容性の薄膜の膜 厚より大きいことが好ましい。
[0018] 変換効率をさらに高める観点から、上記多層膜は、上記電子供与性の有機半導体 薄膜と上記電子受容性の薄膜との間に設けられる中間層をさらに含み、この中間層 は、上記電子供与性の有機半導体薄膜よりバンドギャップが小さ!、電子供与性の有 機半導体薄膜、もしくは上記電子受容性の薄膜よりバンドギャップが小さ 1、電子受容 性の有機半導体薄膜でなることが好まし 、。
[0019] 本発明のさらなる特徴およびそれがもたらす効果は，以下に述べる発明を実施する ための最良の形態および実施例に基づいてより明確に理解されるだろう。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]本発明の好ましい実施形態に力かる有機薄膜太陽電池の概略断面図である。
[図 2] (A)は光電変換部の拡大断面図、（B)はそのエネルギーバンド構造を示す図 である。
[図 3]ペンタセンとフラーレンのへテロ接合力 なる光電変換層を備えた有機薄膜太 陽電池の概略断面図である。
[図 4]本発明の別の好ましい実施形態に力かる有機薄膜太陽電池の概略断面図で ある。
[図 5]本発明のさらに別の好ましい実施形態に力かる有機薄膜太陽電池の概略断面 図である。
[図 6] (A)図 5の光電変換部の拡大断面図、（B)はそのエネルギーバンド構造を示す 図である。
[図 7]ペンタセンとフラーレンの共蒸着層からなる光電変換層を備えた有機薄膜太陽 電池の概略断面図である。
[図 8]実施例 4の有機薄膜太陽電池の概略断面図である。
[図 9]従来のバルタへテロジャンクション型有機薄膜太陽電池の概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、本発明の有機薄膜太陽電池を好ましい実施形態に基づいて詳細に説明す る。
[0022] 本発明の有機薄膜太陽電池の一例を図 1に示す。この太陽電池は、透明基板 12 上に、電極 正孔輸送層 10、光電変換層 3、電子輸送層 11、電極 2が順次積層さ れてなる。電極 2のうち透明基板 12の側に位置する電極 1は光透過性を有する透 明電極であり、電極 2は金属電極である。光電変換層 3は、電子供与性の有機半導 体薄膜 4と電子受容性の薄膜 5とを交互に積層した多層膜によって形成される。
[0023] 本発明では、電子供与性の有機半導体薄膜 4が、環状ィ匕合物を直線状に結合した P型有機半導体分子によって形成される。ここに、環状ィ匕合物としては、ベンゼン環、 チォフェン環等を有する化合物を例示でき、ベンゼン環を直線状に結合した p型有 機半導体分子としては、式（1)であらわされるァセン系分子化合物を用いることがで きる。式（1)において nは 2以上の整数であり、 nの上限は特に限定されないが、実用 上、 nは 6以下であることが望ましい。このァセン系分子化合物としては、例えば、式（ 2)によって示されるようなベンゼン環を 1軸方向に 4個連結させたテトラセン、式（3) によって示されるような 5個連結させたペンタセンを例示できる。また、チォフェン環を 直線状に結合した P型有機半導体分子としては、チォフェン環を 1軸方向に 4〜12個 の範囲で連結させたオリゴチォフェンを用いることができ、例えば、式 (4)によって示 されるようなチォフェン環の連結数が 6個の sexitiophenを用いることができる。これら の直線性分子は、分子凝集エネルギーが大きいので、室温であっても蒸着によって 、基板上に高結晶性の薄膜を形成できるという特徴を有する。
[0024] [化 1]
( 1 )
^ 6+4(n- l) H 6+2(n- l)
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0002
[0025] 電子受容性の薄膜 5は、 n型有機半導体分子によって形成することができる。 n型 有機半導体分子としては、フラーレンやフラーレンィ匕合物を用いることができる。フラ 一レンは構成する炭素の数によって、 C60、 C70、 C82などがあり、またフラーレン化 合物とは、 C60、 C70等のフラーレンの炭素原子に置換基が結合したィ匕合物である 。以下、フラーレンとフラーレンィ匕合物をあわせてフラーレンと呼ぶ。
[0026] ここで、有機トランジスタの開発にぉ ヽて FETを用いた有機半導体材料の移動度 が調べられており、フタロシアニンの移動度は 0. 02〜0. 03cm2ZVsであるのに対 し、オリゴチォフェンの移動度は 0. 1〜： Lcm2/Vs、ペンタセンでは lcm2/Vsと大き な値が示されている。
[0027] p型有機半導体のペンタセンと n型有機半導体のフラーレンとの pn接合型の有機 薄膜太陽電池としては、例えば、 S. Yoo, B. Domercq, B. Kippelemらによって提案さ れているものがある（Applied Physics Letters. Vol. 85, No.22, 29 November P.5427 ( 2004)) oこの太陽電池においては、ペンタセンとフラーレンのへテロ接合が良好なダ ィオード特性を示す力 これはノ レクヘテロジャンクション型ではない。また、本発明 者も、図 3に示すように、ペンタセン層 20とフラーレン（C60)層 22とをへテロ接合して 光電変換層 3を形成した有機薄膜太陽電池を作製したところ、良好なダイオード特性 を示すことを確認している。さらに、このペンタセン Zフラーレンのへテロ接合ダイォ ードにソーラシミュレータで AMI. 5G、 lOOmWZcm2の擬似太陽光を照射して変 換効率を調べたところ、最大で 0. 9%の効率を示した。従って、光電変換層の膜全 体に亘つて、図 9に示すように pn接合界面を分散させたバルタへテロジャンクション 構造をこのペンタセンとフラーレンの系にお 、ても実現できれば、光電変換層の全体 に亘つて発生したエキシトンの電荷分離効率を高めることができ、またホール輸送の 移動度に優れるペンタセンを用いることで変換効率のさらなる向上を期待できる。
[0028] そこで、従来の成膜方法である蒸着法を適用して、ペンタセンとフラーレンをプレン ドした光電変換層を作製することが考えられるが、これらの材料を均一分散させること は以下の理由により非常に困難である。例えば、図 9のバルタへテロジャンクション構 造の光電変換層を形成する場合、フタロシアニンとフラーレンを同時に蒸着 (共蒸着 )することによって、フタロシアニンとフラーレンがナノオーダで分散した光電変換層を 形成することができ、正孔 ·電子のキャリアノ スが形成されて高い特性を得ることがで きる。しかし、ペンタセンとフラーレンを同時に蒸着して薄膜を形成する場合は、ペン タセンが直線性の分子であるため、ペンタセンは配向して凝集し易く（面方向に百 n mオーダで凝集する）、非常に不均一な薄膜が形成される。このため、ペンタセンを フラーレンとナノオーダで均一分散させることができない。したがって、ペンタセンとフ ラーレンを使用して図 9のような構造の有機薄膜太陽電池を形成しても、変換効率が 0. 03%程度の非常に低 、特性を示すにすぎな!/、。 [0029] 上記では、 p型有機半導体分子としてペンタセンを用いた場合について説明したが 、他のァセン系化合物やオリゴチォフェンも環状ィ匕合物を直線状に結合した直線性 の分子であるので、同様に配向して凝集し易ぐフラーレンなどの n型有機半導体分 子とナノオーダで分散させることは難しい。このように、環状ィ匕合物を直線状に結合し た P型有機半導体分子を用いて、従来の共蒸着法でバルタへテロジャンクション構造 の光電変換層を形成することは困難であると言える。
[0030] そこで、本発明は、図 1に示すように、 p型有機半導体分子で形成される電子供与 性の有機半導体薄膜 4と、 n型有機半導体分子で形成される電子受容性の薄膜 5と を、交互にそれぞれ 2層以上に積層した多層膜で光電変換層 3を形成する。薄膜 4と 薄膜 5の各々は、 lOnm以下の極薄の膜厚で形成され、半導体の技術分野では一 般に超格子構造と呼ばれている。薄膜 4と薄膜 5は薄い程好ましいが、分子の大きさ である lnmが膜厚の下限である。これ以下であると均一な膜ではなくなるので、本発 明で必要とされる動作が得られなくなる。また薄膜 4と薄膜 5の積層数も特に限定され るものではないが、各薄膜 4、 5の各積層数は 2〜50層の範囲であることが望ましい。
[0031] p型有機半導体の薄膜 4と n型有機半導体の薄膜 5とを交互に積層して形成した光 電変換層 3の発電のメカニズムを図 2 (A)および図 2 (B)に示す。まず、光が入射され ると、 p型有機半導体の薄膜 4内又は n型有機半導体の薄膜 5内で、電子 eと正孔 hの ペアでなるエキシトン Eが発生する。図 9の光電変換層 3の構造では、エキシトン Eは ランダムに形成された pn接合界面まで拡散移動して、電荷分離を起こすが、図 2 (A) のように p型と n型の薄膜 4、 5が交互に積層されている場合は、規則正しく互い違い に形成された pn接合界面まで拡散移動して、電荷分離が起こる。図 9の光電変換層 3のように p型有機半導体と n型有機半導体がランダムに分布する場合、ある単位体 積内での pn接合界面の存在確率にばらつきがあり、界面までの移動距離が長くなる と、到達するまでの再結合確率が大きくなるが、図 2 (A)のように p型有機半導体薄膜 4と n型有機半導体薄膜 5が交互に積層した構造では、 pn接合界面をあらかじめ設 計した通りのナノオーダのサイクルで存在させることができるので、すべてのエキシト ン Eは、確実に pn接合界面に到達し、ほぼ 100%電荷分離に至らせることが可能に なる。 [0032] 一方、このように電荷分離して生成された電子 e、正孔 hは電極 1、 2まで輸送されな ければならない。図 9のバルタへテロジャンクション構造の光電変換層 3の場合、偶然 に繋がったキャリアパスを通って電極へ輸送される力 キャリアパスはランダムに形成 されるため、電極 1、 2まで繋がっている場合は電子 e、正孔 hは電極に到達するもの の、キャリアパスが途中で切れている場合は、そこで失活して、電極まで輸送されな い。これに対して、本発明の図 2 (A)の構造の場合、キャリアノ スは無ぐキャリアは 薄膜 4、 5の多層膜を垂直方向に走らなければならない。この時のエネルギーバンド 図を図 2 (B)に示す。各 pn接合部にはポテンシャル障壁があり、キャリアはこの障壁 を乗り越えていかねばならないが、各薄膜 4、 5の膜厚は lOnm以下であるので、電 子 eは図 2 (B)の矢印で示すように、この障壁をトンネル効果により透過することがで きる。従って、本発明のように光電変換層 3を極薄の薄膜 4、 5で形成することによつ て、電荷分離して生成された電子 e、正孔 hを電極 1、 2まで確実に輸送することがで きる。
[0033] ここで、超格子構造について説明する。化合物半導体のェピタキシャル成長を用い た超格子構造は、 1970年代に発明され、異種の薄膜を繰り返し交互に積層すること によって、バンドギャップ、光学的性質、キャリア移動度等をコントロールできることか ら、この技術を応用することで様々なデバイスが開発されてきた。化合物半導体太陽 電池への応用では、例えば、 Barnham, Dugganらが、 pin型の太陽電池の i層に超格 子構造を用いている（J.Appl.Phys., 67, 7, P.3490, 1990)。この太陽電池では、 p、 n 層で電圧をコントロールし、 i層のバンドギャップを超格子に用いる材料や膜厚でコン トロールしている。これを本発明の超格子構造と比較すると、電荷分離した後のキヤリ ァ輸送がトンネル効果を利用している点で同じてあるが、本発明では電荷分離の効 率向上を図るため交互積層構造を活用している点で相違する。化合物半導体をはじ め、無機系半導体太陽電池の場合は、光エネルギーによって生成した電子、正孔の ペアは束縛力が弱いため熱エネルギー等ですぐに分離し、自由キャリアとなって輸 送されるので、電荷分離に関して超格子構造の効果は無い。
[0034] また、有機半導体デバイスにおける超格子構造の応用としては、例えば、沢、大森 、吉野らが、有機 EL素子に超格子構造を応用している (電子情報通信学会技術研 究報告、 Vol.7、 ΟΜΕ99-52) Ρ.1、 1999)。ここでは、エネルギーバンド構造の異なる 2 種の有機半導体を交互に積層した構造が提案されており、外部カゝら注入したキャリア の閉じ込め効果により発光効率の向上を達成している。し力しながら、本発明のよう な太陽電池の動作とは超格子構造の活用の仕方が異なっている。
[0035] さらに、 P.Peumans,A.Yakimov, S.R.Forrestらは、有機半導体によるフォトダイオード に超格子構造を活用している（Jour, of Appl. Phys. Vol. 93,No.7, P.3693, 2003)。こ こでは、 p型有機半導体に銅フタロシアニン、 n型有機半導体に PTCBI(3,4,9,10-per ylenetetracarboxylic bis— benzimidazole)を用い、これらを交互に積層し、膜厚とタイォ ード特性の関係が調べられて！/ヽる。このデバイスは逆バイアスをかけた時の交互積層 膜の膜厚と外部量子効率の関係が示されており、太陽電池動作として必要なゼロバ ィァス時においては、積層数が多いと量子効率は 0. 1以下となり、この p型材料と n型 材料の組合せでは電荷分離ができてもキャリア輸送が行われて ヽな 、。このように、 本発明の太陽電池動作とは超格子構造の活用の仕方が異なる。
[0036] また、 p型有機半導体分子としてフタロシアニンを用いたバルタへテロジャンクション 型の有機薄膜太陽電池の場合は、共蒸着法で非常に均一にナノオーダで分散した 光電変換層を得ることができるが、逆に本発明の光電変換層のように薄膜を交互積 層した超格子構造の場合にはバルタへテロジャンクション効果を期待できな 、。これ は、フタロシアニンは平面状の分子構造であり、またキャリア移動度が低いため、数 分子層程度の超薄膜では、膜の密度が面方向で均一性になっていることと、キャリア がポテンシャル障壁を越えるとき再結合し易いこと等がその原因と考えられる。
[0037] 一方、本発明のように、ペンタセン等の環状ィ匕合物が直線状に結合された p型有機 半導体分子とフラーレン等の n型有機半導体分子で超格子構造を形成する場合は、 環状化合物が直線状に結合された直線分子が蒸着時に凝集、配向し易いので、ど のような下地の上に蒸着しても容易に配向して極薄の膜を形成することができる。ま た、このような材料の組合せにより、電荷分離効率の向上と、明確な pn接合界面の形 成と、 p型有機半導体材料の高い移動度とが実現されるので、超格子構造での高い キャリア輸送性と高変換効率の有機薄膜太陽電池を得ることができる。
[0038] 尚、本発明において光電変換層 3を p型有機半導体薄膜 4と n型有機半導体薄膜 5 を交互に積層して形成するにあたって、 p型有機半導体薄膜 4の膜厚と n型有機半導 体薄膜 5の膜厚は同じ膜厚に形成してもよ 、が、 p型有機半導体薄膜 4の膜厚を n型 有機半導体薄膜 5の膜厚よりも厚く形成することによって、太陽電池特性をさらに向 上することができる。これは、 p型有機半導体薄膜 4を形成するペンタセンやオリゴチ ォフェンなどの環状ィ匕合物を直線状に結合した有機半導体分子は、 n型有機半導体 薄膜 5を形成するフラーレンなどよりも光吸収が多ぐ移動度が高いので、光吸収とキ ャリア輸送の両方を改善できるためと考えられる。このように p型有機半導体薄膜 4の 膜厚を n型有機半導体薄膜 5の膜厚よりも厚く形成する場合は、特に限定されるもの ではないが、例えば、 p型有機半導体薄膜 4の膜厚を n型有機半導体薄膜 5の膜厚 の 4倍以下の範囲で厚くすることが好ましい。
[0039] 本発明の別の実施形態を図 4に示す。この太陽電池においては、 p型有機半導体 薄膜 4と n型有機半導体薄膜 5とを交互に積層した光電変換層 3を、膜厚 lOnm以上 の電子供与性の有機半導体薄膜 6 (p型)と、膜厚 lOnm以上の電子受容性の薄膜 7 (n型)の間に挟んで、 pin型に形成したことに特徴がある。 p型有機半導体薄膜 6は、 光電変換層 3と正孔輸送層 10の間に、 n型有機半導体薄膜 7は光電変換層 3と電子 輸送層 11の間にそれぞれ配置され、その他の構成は図 1と同じである。 p型有機半 導体薄膜 6や n型有機半導体薄膜 7の膜厚の上限は特に限定されないが、実用的に は 1 OOnm程度が上限である。
[0040] この場合は、 p型有機半導体薄膜 6と n型有機半導体薄膜 7の間に内蔵電界が発 生し、これがキャリア輸送効率を向上させることができるため、変換効率のさらなる向 上を図れる。 p型有機半導体薄膜 6や n型有機半導体薄膜 7がなくても、光透過性電 極 1と金属電極 2の間に仕事関数の差があれば、それによつて生じる内蔵電界によつ て同様に動作させることが可能であるが、上記のような pin型の場合、 p型有機半導体 薄膜 6や n型有機半導体薄膜 7で発生したエキシトンや接合界面付近で発生したェ キシトンを有効利用することができ、両キャリアの輸送層として働き、電圧、形状因子 を向上させる効果があり、変換効率をより高めることが可能になる。
[0041] 本発明のさらに別の実施形態を図 5に示す。変換効率のさらなる向上を図るために は、発生電流、発生電圧ともに向上させなければならない。図 5に示す太陽電池は、 電子供与性の p型有機半導体薄膜 4と電子受容性の n型有機半導体薄膜 5とを交互 に積層してなる光電変換層 3において、 p型有機半導体薄膜 4よりバンドギャップが小 έ 、ρ型の有機半導体薄膜もしくは η型有機半導体薄膜 5よりバンドギャップが小さ ヽ η型の有機半導体薄膜でなる中間層 8を ρ型有機半導体薄膜 4と η型有機半導体薄 膜 5の間に設けたことを特徴とする。中間層 8の厚みは、好ましくは 1〜： LOnm、より好 ましくは 2〜4nmである。このように、 p型有機半導体薄膜 4、低バンドギャップ有機半 導体薄膜（中間層 8)、 n型有機半導体薄膜 5でなる 3層を複数回繰り返し積層して得 られる多層膜によって光電変換層 3を形成することで、変換効率のさらなる向上を図 ることがでさる。
[0042] この光電変換層 3を有する太陽電池の発電のメカニズムを図 6 (A)および図 6 (B) を参照しながら説明する。ここでは、中間層 8が、 p型有機半導体薄膜 4よりバンドギヤ ップが小さ!ヽ p型有機半導体薄膜によって形成されて！ヽるものとする。この太陽電池 に光が照射されると、 P型有機半導体薄膜 4、 n型有機半導体薄膜 5での光吸収にカロ え、 p型有機半導体薄膜 4よりバンドギャップが小さい p型の中間層 8が長波長光を吸 収するため、より広範囲の波長の光を吸収することができる。次に、光吸収により励起 されたエキシトンは、拡散移動あるいは光電変換層 3の両側に設けた p型有機半導 体薄膜と n型有機半導体薄膜によって生じる内蔵電界等によって移動し、 p型有機半 導体薄膜 4と n型有機半導体薄膜 5の界面あるいは、 p型の中間層 8と n型有機半導 体薄膜 5との界面に到達すると電荷分離を起こし、電子、正孔のキャリアが発生する。 次に、各薄膜が lOnm以下と十分に薄いと、キャリアはトンネル現象により障壁層を 透過して輸送され、各々の電極に到達する。尚、 p型有機半導体薄膜 4としては、環 状化合物を直線状に結合した有機半導体分子を用いな!/ヽと優れたキャリア輸送性が 得られないが、 p型の中間層 8は、環状化合物を直線状に結合した有機半導体分子 に限らず、例えば、長波長光吸収に優れる平面型分子である金属フタロシアニン等 を用いることができる。
[0043] また、上記例では、 p型有機半導体薄膜、 p型の中間層、 n型有機半導体薄膜の順 序で積層したが、低バンドギャップの p型有機半導体薄膜、 p型有機半導体薄膜、 n 型有機半導体薄膜の順に積層しても良い。この場合も、 p型有機半導体薄膜 Zn型 有機半導体薄膜の界面、低バンドギャップの p型有機半導体薄膜 Zn型有機半導体 薄膜界面で電荷分離を起こし、トンネル現象によりキャリアは輸送される。
[0044] また、低バンドギャップの p型有機半導体薄膜の代わりに、低バンドギャップの n型 有機半導体薄膜を採用してもよい。この場合も、動作原理は上記と同様で、低バンド ギャップの n型有機半導体薄膜には、高次フラーレンである C70、 C84あるいはこれ 以上の炭素数力もなるフラーレン、ペリレン等を使用できる。要するに、 n型有機半導 体薄膜よりもバンドギャップが小さければ、光吸収範囲の増大、ひいては発生電流の 増大の効果が得られる。
[0045] 本発明によると、発生電圧は主として、電荷分離した後の電子、正孔のポテンシャ ルエネルギー差である p型有機半導体薄膜 (p型層）の HOMO準位 (highest occupie d molecular orbital)と n型有機半導体薄膜（n型層）の LUMO準位（lowest unoccupi ed molecular orbital)の差が起源となり、発生電流は、 p型層、 n型層、中間層（低バ ンドギャップ半導体層）の光吸収が大きく寄与するため、電圧と電流を独立してコント ロールする（向上させていく）ことが可能である。
[0046] 化合物半導体太陽電池の場合、超格子層を p型層、 n型層でサンドイッチし、異な るバンドギャップを持つ 2種の化合物半導体層の交互積層からなる超格子層で光吸 収させ、両側の p型層と n型層のフェルミエネルギーの差で電圧を発生させると!、うよ うに機能分担型の構成をとる。この場合、超格子層で光吸収して発生した電子 Z正 孔ペアは、すぐに自由キャリアとなって輸送され始めるので、交互積層される 2種の半 導体のバンドギャップは極めて近い値をとる。これに対して、本発明の有機薄膜太陽 電池の場合は、電荷分離を起こさせるために p型層、 n型層の界面、具体的にはェキ シトンの結合エネルギー約 0. 4eV以上のバンドオフセットが必要であり、それに高吸 収の層をカ卩え、電荷分離と光吸収の 2つの機能を担わせている。し力も、この動作を 行わせるためには、 p型層は環状化合物を直線状に結合した有機半導体分子を用 V、て形成しなければならず、これによつてキャリア輸送性に優れる太陽電池の実現が 可能となる。
実施例
[0047] 次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。 (実施例 1)
図 4に示すように、電極 1として ITO電極が 150nmの膜厚で形成されたガラス基板 12の上に、正孔輸送層 10として、 PEDOT： PSS層（poly[3,4- (ethylenedioxy)thiophe ne]： poly(styrene sulfonate))を 30nmの膜厚で形成した。次に、 p型有機半導体分 子としてペンタセンを用い、正孔輸送層 10の上にペンタセンを真空蒸着して、膜厚 2 5nmの電子供与性の有機半導体薄膜 6を形成した。
[0048] 次に、 n型有機半導体分子としてフラーレン (C60)を用い、薄膜 6の上にフラーレン を真空蒸着して、膜厚 lnmの電子受容性の有機半導体薄膜 5を形成し、さらにこの 上にペンタセンを真空蒸着して膜厚 lnmの電子供与性の薄膜 4を形成した。そして このフラーレンの薄膜 5とペンタセンの薄膜 4をさらに 3回ずつ交互に積層し、多層膜 でなる光電変換層 3を形成した。したがって、この光電変換層 3は、膜厚 lnmのフラ 一レンの薄膜 5および膜厚 lnmのペンタセンの薄膜 4をそれぞれ 4層ずつ備え、これ らが互 ヽ違いに積層されてなる合計 8層の多層構造を有する。
[0049] さらにこの光電変換層 3の上にフラーレンを真空蒸着して、膜厚 25nmの電子受容 性の薄膜 7を形成した。この後、薄膜 7の上に電子輸送層 11として BCP (bathocuproi ne)を 5nmの膜厚で形成し、最後にこの上に電極 2として Ag : Mg合金薄膜を 100η mの膜厚で形成することによって、実施例 1の有機薄膜太陽電池を得た。
(実施例 2)
光電変換層 3力 膜厚 2nmのフラーレンの薄膜 5および膜厚 2nmのペンタセンの 薄膜 4をそれぞれ 2層ずつ備え、これらが互い違いに積層されてなる合計 4層の多層 構造を有することを除いて、その他は実施例 1と同様にして実施例 2の有機薄膜太陽 電池を得た。
(実施例 3)
光電変換層 3力 膜厚 lnmのフラーレンの薄膜 5および膜厚 2nmのペンタセンの 薄膜 4をそれぞれ 3層ずつ備え、これらが互い違いに積層されてなる合計 6層の多層 構造を有することを除いて、その他は実施例 1と同様にして実施例 3の有機薄膜太陽 電池を得た。
(比較例 1) 図 3に示すように、ペンタセンを真空蒸着して膜厚 25nmのペンタセン層 20を形成 し、さらにこの上にフラーレンを真空蒸着して膜厚 25nmのフラーレン層 22を形成す ること〖こよって、ペンタセン層 20とフラーレン層 22からなる pn接合型の光電変換層 3 を正孔輸送層 10上に形成し、この光電変換層 3上に電子輸送層 11を形成した。そ れ以外は実施例 1と同様にして比較例 1の有機薄膜太陽電池を得た。
(比較例 2)
図 7に示すように、ペンタセンとフラーレンを 1： 1の体積比で共蒸着することによって 、ペンタセンとフラーレンをブレンドした光電変換層 3を正孔輸送層 10上形成し、この 光電変換層 3上に電子輸送層 11を形成した。それ以外は実施例 1と同様にして比較 例 2の有機薄膜太陽電池を得た。
[0050] 上記のようにして得た有機薄膜太陽電池の各々につ 、て、ソーラシミュレータで A Ml . 5G、 lOOmWZcm2の擬似太陽光を照射して太陽電池特性を測定した。太陽 電池特性の測定結果を表 1に示す。尚、太陽電池の変換効率： PCE (Power convers ion efficiency)は、一般に次式で表される。
[0051] PCE(%)=Jsc (短絡電流） X Voc (開放電圧） X FF (Fillfactor:形状因子） Z 入射エネルギー
[0052] [表 1]
Figure imgf000017_0001
[0053] 比較例 1のように、ペンタセンとフラーレンのへテロ接合で形成した光電変換層 3は 良好なダイオード特性を示し、太陽電池としても良好な太陽電池特性を示すが、ェキ シトン力 有効にキャリア収集ができる領域はへテロ接合界面付近だけであると考え られ、ペンタセンやフラーレンの光吸収力 推定される電流値より低い値を示した。ま た、比較例 2のようにヘテロ接合界面を増やすための共蒸着法で光電変換層 3を形 成したものはほとんど出力を発生しな力つた。これはペンタセンが凝集しやすぐフラ 一レンとまったく分散しな 、ためである。
[0054] 一方、膜厚 lnmのフラーレンの薄膜 5と膜厚 lnmのペンタセンの薄膜 4を交互に積 層して光電変換層 3を形成した実施例 1のものは、比較例 1のへテロ接合型のものと 比較して電流値が大幅に増加して 、る。これは交互積層された領域で生成されたェ キシトンが効率良く電荷分離され、し力も、ポテンシャル障壁を乗り越えてキャリア輸 送され、外部に取り出せたからと考えられる。
[0055] また、このようにフラーレンの薄膜 5とペンタセンの薄膜 4を交互積層して光電変換 層 3を形成するにあたって、実施例 2のように各薄膜 4、 5の膜厚を 2nmに増やしても 特性にはほとんど変化がなカゝつた。これは、このオーダで膜厚を増やしても障壁を乗 り越える阻害要因にはならな 、ことを示して 、る。
[0056] また、実施例 3のように、ペンタセンの薄膜 4の膜厚をフラーレンの薄膜 5の膜厚より も厚くすることによって特性がさらに向上した。これは、ペンタセンのほうが光吸収が 多ぐまたペンタセンのほうが移動度が高いため、光吸収とキャリア輸送の両方にお いてさらなる向上を図れたためと考えられる。
(実施例 4)
図 8に示すように、本実施例の有機薄膜太陽電池は、 p型有機半導体薄膜 4として ペンタセン、 n型有機半導体薄膜 5としてフラーレン C60、低バンドギャップの p型有 機半導体薄膜 8として Znフタロシアニンを用い、これら 3層をその厚み方向に複数回 繰り返し積層形成することで得られる超格子構造の光電変換層 3に特徴がある。
[0057] すなわち、太陽電池全体の構成は、ガラス基板 12上に透明電極 1として ITO膜、正 孔輸送層 10として PEDOT膜を順次形成し、その上にペンタセン層 6を 25nmの膜 厚で形成した。次に、膜厚 2nmの C60フラーレンの薄膜 5、膜厚 2nmのペンタセンの 薄膜 4、膜厚 2nmの Znフタロシアニンの薄膜 8を順次形成し、これらの 3層を計 4回 繰り返し積層形成して光電変換層 3 (合計 12層）を得た。次に、光電変換層 3上に C6 0フラーレン層 7を 25nmの膜厚で形成し、その上に電子輸送層 11として BCP層を 6 nmの膜厚で形成し、さらに電極 2として AgMg合金層を 60nmの膜厚で電子輸送層 11上に形成した。得られた太陽電池の特性を評価したところ、ソーラシミュレータで A Ml. 5G、 lOOmWZcm2の擬似太陽光を照射した時の太陽電池出力は、短絡電流 9.0mA/cm2、開放電圧 0.37V、形状因子 0.45、変換効率 1.5%であった。
[0058] また、上記した光電変換層 3に代えて、膜厚 2nmのペンタセンの薄膜 4、膜厚 2nm の C60フラーレンの薄膜 5を互い違いに 6回積層形成した光電変換層 3 (合計 12層） を有する太陽電池についても同様の評価を行った。この場合の太陽電池の特性は、 短絡電流 7.9mA/cm2、開放電圧 0.37V、形状因子 0.44、変換効率 1.3%であった。この ように、直線性 p型有機半導体であるペンタセンと n型有機半導体であるフラーレンの 繰り返し多層膜中に低バンドギャップの p型有機半導体薄膜 8でなる光吸収層を挿入 することにより、さらなる発生電流の増大を発生電圧を低下させることなく達成できる ことがわかった。
産業上の利用可能性
[0059] 上記実施形態力も明らかなように、本発明によれば、光電変換層を、電子供与性の 有機半導体薄膜と電子受容性の薄膜とを交互に積層してなる多層膜とすることで、 p 型有機半導体 (ドナー）と n型有機半導体 (ァクセプタ)とをブレンドして薄膜内に均一 分散させた従来のバルタへテロジャンクション層と同等の光電変換性能が得られると ともに、電子供与性の有機半導体薄膜として環状ィ匕合物を直線状に結合した有機半 導体分子を用いることで電極へのキャリア輸送性にも優れる有機薄膜太陽電池を提 供することができ、従来のシリコンやィ匕合物半導体太陽電池にとってかわる次世代の 太陽電池としてその実用化が期待される。

Claims

請求の範囲
[1] 少なくとも一方が光透過性を有する一対の電極と、前記電極間に配置される光電変 換層とを含む有機薄膜太陽電池であって、前記光電変換層は、電子供与性の有機 半導体薄膜と電子受容性の薄膜とを交互に積層して形成される多層膜を含み、前記 電子供与性の有機半導体薄膜が、環状化合物を直線状に結合した有機半導体分 子よりなることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
[2] 上記電子供与性の有機半導体薄膜と上記電子受容性の薄膜の各々は、 lOnm以下 の膜厚を有することを特徴とする請求項 1に記載の有機薄膜太陽電池。
[3] 上記有機半導体分子は、次式（1)であらわされるァセン系分子化合物であることを特 徴とする請求項 1に記載の有機薄膜太陽電池。
C H · ' · · (1)
6 + 4 (n- l) 6 + 2 (n- l)
(ここに、 ηは 2以上の整数である。 )
[4] 上記電子受容性の薄膜は、フラーレン又はフラーレンィ匕合物を含むことを特徴とする 請求項 1に記載の有機薄膜太陽電池。
[5] 上記電子供与性の有機半導体薄膜の膜厚は、上記電子受容性の薄膜の膜厚より大 ヽことを特徴とする請求項 1に記載の有機薄膜太陽電池。
[6] 上記多層膜は、膜厚 lOnm以上の電子供与性の有機半導体薄膜と、膜厚 lOnm以 上の電子受容性の薄膜の間に挟まれてなることを特徴とする請求項 2に記載の有機 薄膜太陽電池。
[7] 上記多層膜は、上記電子供与性の有機半導体薄膜と上記電子受容性の薄膜との間 に設けられる中間層をさらに含み、前記中間層は、上記電子供与性の有機半導体 薄膜よりバンドギャップが小さい電子供与性の有機半導体薄膜でなることを特徴とす る請求項 1に記載の有機薄膜太陽電池。
[8] 上記多層膜は、上記電子供与性の有機半導体薄膜と上記電子受容性の薄膜との間 に設けられる中間層をさらに含み、前記中間層は、上記電子受容性の薄膜よりバンド ギャップが小さ!/ヽ電子受容性の有機半導体薄膜でなることを特徴とする請求項 1に 記載の有機薄膜太陽電池。
PCT/JP2007/055081 2006-03-20 2007-03-14 有機薄膜太陽電池 WO2007108385A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07738551.6A EP1998386B1 (en) 2006-03-20 2007-03-14 Organic thin film solar cell
US12/282,819 US9040817B2 (en) 2006-03-20 2007-03-14 Organic thin film solar cell
CN2007800098582A CN101405885B (zh) 2006-03-20 2007-03-14 有机薄膜太阳能电池

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006077161 2006-03-20
JP2006-077161 2006-03-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007108385A1 true WO2007108385A1 (ja) 2007-09-27

Family

ID=38522415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2007/055081 WO2007108385A1 (ja) 2006-03-20 2007-03-14 有機薄膜太陽電池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9040817B2 (ja)
EP (1) EP1998386B1 (ja)
KR (1) KR101027708B1 (ja)
CN (1) CN101405885B (ja)
WO (1) WO2007108385A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009302247A (ja) * 2008-06-12 2009-12-24 Idemitsu Kosan Co Ltd 有機薄膜太陽電池用材料及びそれを用いた有機薄膜太陽電池
JP2014500395A (ja) * 2010-10-13 2014-01-09 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン 秩序化された多層結晶有機薄膜構造を形成するための方法、多層結晶有機薄膜構造、それを用いた有機感光装置及び有機発光装置
KR101468592B1 (ko) * 2008-06-25 2014-12-05 삼성전자주식회사 유기 광전 변환막, 광전 변환 소자 및 이미지 센서

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101046183B1 (ko) * 2010-04-19 2011-07-04 재단법인대구경북과학기술원 풀러렌 유도체를 포함하는 인버트형 유기태양전지
CN102270672A (zh) * 2010-06-03 2011-12-07 上海空间电源研究所 一种用于薄膜太阳能电池的多层背反射镜结构
CN103097431A (zh) * 2010-09-10 2013-05-08 住友化学株式会社 高分子化合物和有机光电转换装置
JP6018774B2 (ja) 2011-03-31 2016-11-02 住友化学株式会社 金属系粒子集合体
JP6085095B2 (ja) 2011-03-31 2017-02-22 住友化学株式会社 光学素子
JP6125758B2 (ja) 2011-03-31 2017-05-10 住友化学株式会社 光学素子
JP6373552B2 (ja) * 2011-10-26 2018-08-15 住友化学株式会社 光電変換素子
CN102437287A (zh) * 2011-12-08 2012-05-02 南昌大学 一种紫外光交联活性层法制备柔性衬底有机薄膜太阳能电池的方法
WO2014024581A1 (ja) * 2012-08-09 2014-02-13 ソニー株式会社 光電変換素子、撮像装置及び光センサ
US9276963B2 (en) * 2012-12-28 2016-03-01 Intel Corporation Policy-based secure containers for multiple enterprise applications
KR102355558B1 (ko) * 2014-07-31 2022-01-27 삼성전자주식회사 이미지 센서
JP2018516108A (ja) * 2015-04-08 2018-06-21 リー，ジョセフ，ヨサップ ゲームの乱数発生及び監査システム及び方法
JP6593140B2 (ja) * 2015-12-09 2019-10-23 住友電気工業株式会社 フォトダイオード
KR20220152591A (ko) * 2021-05-07 2022-11-17 삼성디스플레이 주식회사 전자 장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62222668A (ja) * 1986-03-25 1987-09-30 Toshiba Corp 有機薄膜素子
JP2003298152A (ja) * 2002-04-01 2003-10-17 Sharp Corp ヘテロ接合素子

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0482920A3 (en) 1990-10-24 1993-01-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Organic optical element
US6451415B1 (en) * 1998-08-19 2002-09-17 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer
US7956349B2 (en) 2001-12-05 2011-06-07 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Organic semiconductor element
JP2005123208A (ja) * 2001-12-05 2005-05-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 有機太陽電池
US7592539B2 (en) 2003-11-07 2009-09-22 The Trustees Of Princeton University Solid state photosensitive devices which employ isolated photosynthetic complexes
US6972431B2 (en) * 2003-11-26 2005-12-06 Trustees Of Princeton University Multilayer organic photodetectors with improved performance
US7196366B2 (en) * 2004-08-05 2007-03-27 The Trustees Of Princeton University Stacked organic photosensitive devices
WO2006034268A2 (en) * 2004-09-20 2006-03-30 Georgia Tech Research Corporation Photovoltaic cell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62222668A (ja) * 1986-03-25 1987-09-30 Toshiba Corp 有機薄膜素子
JP2003298152A (ja) * 2002-04-01 2003-10-17 Sharp Corp ヘテロ接合素子

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
APPL. PHYS. LETT., vol. 85, 2004, pages 5757
BARNHAM; DUGGAN ET AL., J. APPL. PHYS., vol. 67, no. 7, 1990, pages 3490
P. PEUMANS; A. YAKIMOV; S.R. FORREST ET AL., JOUR. OF APPL. PHYS., vol. 93, no. 7, 2003, pages 3693
PEUMANS P. ET AL.: "Small molecular weight organic thin-film photodetectors and solar cells", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 93, no. 7, 2003, pages 3693 - 3723, XP012059300 *
S. YOO; B. DOMERCQ; B. KIPPELEM ET AL., APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 85, no. 22, 29 November 2004 (2004-11-29), pages 5427
SAWA; OHMORI; YOSHINO ET AL., TECHNICAL REPORT OF THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS, vol. 7, 1999, pages 1
See also references of EP1998386A4
TAIMA ET AL.: "Yuki Hakumaku Taiyo Denchi no Kenkyu Kaihatsu", KOGYO ZAIRYO, vol. 55, no. 2, 2007, pages 35 - 39, XP003018000 *
YOO S. ET AL.: "Efficient thin-film organic solar cells based on pentacene/C60 heterojunctions", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 85, no. 22, 2004, pages 5427 - 5429, XP001234058 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009302247A (ja) * 2008-06-12 2009-12-24 Idemitsu Kosan Co Ltd 有機薄膜太陽電池用材料及びそれを用いた有機薄膜太陽電池
KR101468592B1 (ko) * 2008-06-25 2014-12-05 삼성전자주식회사 유기 광전 변환막, 광전 변환 소자 및 이미지 센서
JP2014500395A (ja) * 2010-10-13 2014-01-09 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン 秩序化された多層結晶有機薄膜構造を形成するための方法、多層結晶有機薄膜構造、それを用いた有機感光装置及び有機発光装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20080104371A (ko) 2008-12-02
US20100012189A1 (en) 2010-01-21
CN101405885B (zh) 2012-05-30
CN101405885A (zh) 2009-04-08
EP1998386A1 (en) 2008-12-03
KR101027708B1 (ko) 2011-04-12
EP1998386A4 (en) 2011-02-16
EP1998386B1 (en) 2015-02-25
US9040817B2 (en) 2015-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1998386B1 (en) Organic thin film solar cell
US20240074218A1 (en) Organic photosensitive devices with exciton-blocking charge carrier filters
Rand et al. Solar cells utilizing small molecular weight organic semiconductors
Yip et al. Recent advances in solution-processed interfacial materials for efficient and stable polymer solar cells
KR101418124B1 (ko) 유기 감광 장치
US9295133B2 (en) Solution processable material for electronic and electro-optic applications
JP4872051B2 (ja) 有機薄膜太陽電池
US20090084436A1 (en) Effective organic solar cells based on triplet materials
JP4783958B2 (ja) 有機薄膜太陽電池
WO2015061772A1 (en) Organic photosensitive devices with exciton-blocking charge carrier filters
Taima et al. Doping effects for organic photovoltaic cells based on small-molecular-weight semiconductors
Benten et al. Design of Multilayered Nanostructures and Donor–Acceptor Interfaces in Solution‐Processed Thin‐Film Organic Solar Cells
US20160254101A1 (en) Organic photosensitive devices with exciton-blocking charge carrier filters
TWI684296B (zh) 具有採用高玻璃轉換溫度材料之激子障蔽性電荷載體濾波器之穩定性有機光敏性裝置
TWI660532B (zh) 具有激子障蔽性電荷載體濾波器之有機光敏性裝置
JP2010219448A (ja) 有機薄膜太陽電池
Xue et al. High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions
BENSON-SMITH et al. Organic donor–acceptor heterojunction solar cells
Al Kadi Jazairli Growth of zinc oxide nanoparticles on top of polymers and organic small molecules as a transparent cathode in tandem photovoltaic device

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07738551

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007738551

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200780009858.2

Country of ref document: CN

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020087025040

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12282819

Country of ref document: US