WO2009133792A1 - 有機光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents

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WO2009133792A1
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上谷保則
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住友化学株式会社
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an organic photoelectric conversion element and a method for producing the same.
  • organic photoelectric conversion elements such as organic solar cells and optical sensors
  • a multi-junction element represented by a tandem structure in which two or more cells are stacked is expected.
  • each cell is not simply stacked, but an appropriate joined body is provided between the cells.
  • the joined body is usually formed by laminating a plurality of layers such as an electron transport layer, a charge recombination layer, and a hole transport layer.
  • PEDOTZP SS poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly (4-styrenesulfonic acid) (PS S) ⁇ is used for the hole transport layer that constitutes this assembly.
  • This hole transport layer is formed by a coating method using a coating solution containing PEDOTZP SS after forming an electron transport layer and a charge recombination layer (for example, Advanced Functiona 1 Materials, 2006, Vo l. 16, p. 1897-19 03, Science, 2007, Vo l. 317, p. 222-225). Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide an organic photoelectric conversion element including a joined body in which damage to be caused during film formation is suppressed, and a manufacturing method thereof.
  • the present invention is an organic photoelectric conversion element constituted by laminating a plurality of active layers and a joined body positioned between the active layers between a pair of electrodes,
  • the joined body is formed from a plurality of layers including a hole transport layer,
  • the hole transport layer is formed first and by an application method.
  • this invention is an organic photoelectric conversion element whose said hole transport layer is a hole transport layer formed using the coating liquid whose pH is 5-9.
  • the present invention is also a photoelectric conversion element, wherein the joined body includes an electron transport layer formed by a coating method using a dispersion liquid in which particles made of titanium dioxide are dispersed in a dispersion medium.
  • this invention is an organic photoelectric conversion element in which the said active layer contains a conjugated polymer compound and a fullerene derivative.
  • the present invention also relates to a method for producing an organic photoelectric conversion element by laminating a pair of electrodes, a plurality of active layers between the pair of electrodes, and a joined body positioned between the active layers.
  • the hole transport layer is first formed by a coating method, and the method for producing an organic photoelectric conversion element.
  • the organic photoelectric conversion element of the present embodiment is configured by laminating at least a plurality of active layers and a joined body positioned between the active layers between a pair of electrodes, and the joined body includes a hole transport layer.
  • the hole transport layer is formed of a plurality of layers, and the hole transport layer is formed first by a coating method among the plurality of layers constituting the joined body. That is, in the formation of the joined body, the hole transport layer is first formed by a coating method.
  • the organic photoelectric conversion element of this embodiment has a so-called multi-junction structure. An example of the element structure of the organic photoelectric conversion element is shown below.
  • (repeat unit)” indicates the stack of the active layer and the bonded body.
  • Body (active layer / bonded body) symbol “n” represents an integer of 2 or more
  • “(repeat unit) n” is a stacked body in which n stacked bodies (active layer Z bonded body) are stacked. Represents.
  • An electron transport layer may be provided between the cathode and the active layer, and a hole transport layer may be provided between the active layer and the cathode.
  • (a) is an element of the so-called tan ⁇ 2 , mu structure (a multi-junction structure in which two cells are stacked is called a tandem structure), and (b) is a (n + 1) cell stack. It is a multi-junction element.
  • the joined body is configured by stacking a plurality of layers, and includes at least a hole transport layer.
  • the conjugate is formed, for example, by laminating a hole transport layer, a charge recombination layer, and an electron transport layer in this order.
  • the joined body may be composed of only a hole transport layer and an electron transport layer, or may have a layer other than the three layers described above.
  • the hole transport layer and the electron transport layer Among the transport layers the hole transport layer is disposed on the cathode side, and the electron transport layer is disposed on the anode side.
  • the active layer may be, for example, a laminate in which a first layer containing an electron-accepting compound and a second layer containing an electron-donating compound are in contact with each other, and the electron-accepting compound And a single layer containing an electron donating compound.
  • the organic photoelectric conversion element is usually formed by sequentially laminating a pair of electrodes, an active layer, and a bonded body on a substrate in the order described below.
  • the element (a) can be formed by sequentially laminating a cathode, an active layer, a bonded body, an active layer, and an anode in this order on a substrate.
  • the element (b) above is formed by sequentially laminating a cathode, an active layer, a bonded body, an active layer, a bonded body, By doing so, it can be formed.
  • the method for producing an organic photoelectric conversion element of the present invention is characterized in that, in the step of forming a bonded body, the hole transport layer is formed first and by a coating method among a plurality of layers constituting the bonded body. And The substrate should be one that does not change when the electrode is formed and the organic layer is formed.
  • the material for the substrate examples include glass, plastic, polymer film, and silicon.
  • the opposite The electrode that is, the electrode far from the substrate
  • the electrode is preferably transparent or translucent.
  • the hole transport layer in the present embodiment is formed first by a coating method among a plurality of layers constituting the joined body.
  • the hole transport layer is formed by a coating method after forming the electron transport layer and the charge recombination layer.
  • the hole transport layer When forming the hole transport layer, the electron transport layer previously formed, There was a risk of damaging the charge recombination layer.
  • the hole transport layer since the hole transport layer is formed first, when the hole transport layer is formed, damage is not caused to each layer of the joined body excluding the hole transport layer. A reduced organic photoelectric conversion element can be realized, and thus an organic photoelectric conversion element with high photoelectric conversion efficiency can be realized.
  • the hole transport layer is preferably made of a polymer compound, more preferably a polymer compound having high conductivity.
  • the conductivity of the conductive high polymeric compound is usually conductivity 1 0 5 ⁇ : a 1 0 5 S / cm, preferably 1 0- 3 ⁇ : a 1 0 4 S / cm.
  • the function of the hole transport layer is to increase the efficiency of hole injection into the charge recombination layer, to prevent the injection of electrons from the active layer, to increase the hole transport capability, and to the charge recombination layer.
  • a polymer compound having a function of transporting holes examples thereof include a high molecular compound containing a thiopheneyl group, a high molecular compound containing an aniline diyl group, and a high molecular compound containing a pyrrole diyl group.
  • These polymer compounds may have an acid group such as a sulfonic acid group.
  • examples thereof include poly (thiophene) and poly (aniline) having an acid group such as a sulfonic acid group as a substituent. Can be given.
  • the poly (thiophene) and poly (aniline) may further have a substituent. Examples thereof include a halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. Alkoxy group, aryl group having 6 to 60 carbon atoms
  • n represents an integer of 1 to 4
  • m represents an integer of 1 to 6
  • p represents an integer of 0 to 5.
  • X represents an oxygen atom or a direct bond.
  • the coating solution and the solution include dispersion systems such as emulsion (emulsion) and suspension (suspension).
  • the material constituting the hole transport layer may contain another polymer compound as a binder in addition to the above polymer compound.
  • binders include polystyrene sulfonic acid, polyvinyl phenol, nopolac resin, and polyvinyl alcohol.
  • the coating solution used when forming the hole transport layer by a coating method includes a material to be the hole transport layer and a solvent.
  • the coating solution preferably has a pH of 5 to 9 and more preferably a pH of 6 to 8 from the viewpoint of increasing the electromotive force of the organic photoelectric conversion element. That's right.
  • the solvent for the coating solution include water, alcohol, and the like. Specific examples of alcohol include methanol, ethanol, isopropanol, butanol, ethylene glycolanol, propylene glycolanol, butoxyethanol, and methoxybutanol. Can be mentioned. Further, for example, a mixed solution containing two or more kinds of the above-described solvents may be used as a solvent for the coating solution.
  • pH is a value measured using a pH test paper.
  • spin coating method for coating film formation, spin coating method, casting method, micro gravure coating method, gravure coating method, bar coating method, roll coating method, wire per coat method, dip coating method, spray coating method, screen printing method
  • Application methods such as flexographic printing method, offset printing method, ink jet printing method, dispenser printing method, nozzle coating method, and single coating method can be used.
  • spin coating method spin coating method, flexographic printing method, It is preferable to use an ink jet printing method or a disk dispenser printing method. .
  • the charge recombination layer is not necessarily provided, but it is preferable to provide the charge recombination layer between the electron transport layer and the hole transport layer for the purpose of an omic junction between the electron transport layer and the hole transport layer.
  • the charge recombination layer is preferably formed in a state where a plurality of fine particles are aggregated or in a thin film shape so that light can be easily transmitted.
  • the charge recombination layer typically includes a metal.
  • the charge recombination layer may contain a metal oxide or a metal halide, but when the weight of the metal is 100, the sum of the weight of the metal oxide and the weight of the metal halide. Is preferably 10 or less, more preferably substantially made of only metal.
  • the metals include lithium, beryllium, sodium, magnesium, anorium, potassium, calcium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel Kel, copper, zinc, gallium, genoremanium, rubidium, strontium, yttrium, zirconium, niobium, molypden, ruthenium, rhodium, palladium, silver, force donium, indium, tin, antimony, cesium, barium, lanthanum, hafnium, Tantanole, tungsten, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, mercury, thallium, lead, bismuth, lanthanides, etc.
  • An alloy of these metals, graphite, or an intercalation compound between these metals and graphite can also be used for the charge recombination layer.
  • metals aluminum, magnesium, titanium, chromium, iron, nickel, copper, zinc, gallium, zirconium, molybdenum, silver, indium, tin, and gold are preferable.
  • the method for forming the charge recombination layer is not particularly limited, but a vacuum vapor deposition method from powder can be used.
  • the electron transport layer contains an alkali metal such as lithium fluoride, a halide of an alkaline earth metal, an oxide, an electron accepting compound described later, and the like. Further, the electron transport layer may be configured using particles made of an inorganic semiconductor such as titanium oxide. Functions of the electron transport layer include a function to increase electron injection efficiency into the charge recombination layer, a function to prevent hole injection from the active layer, a function to increase electron transport ability, and a function to suppress deterioration of the active layer. Etc. There are no particular restrictions on the method for depositing the electron transport layer, but for low molecular weight electron transport materials, vacuum deposition from powder, film deposition from solution or molten state, and polymer electron transport materials are available.
  • Examples thereof include a method of forming a film from a solution or a molten state.
  • a polymer binder may be used in combination.
  • Examples of the method for forming the electron transport layer from the solution include the same film formation method as the method for forming the hole transport layer from the above-described solution.
  • the electron transport layer is formed by a coating method using particles made of an inorganic semiconductor such as titanium oxide, it is formed by coating a predetermined layer with a dispersion liquid in which the inorganic semiconductor is dispersed in a dispersion medium.
  • the dispersion contains a dispersion medium and an inorganic semiconductor, and the inorganic semiconductor is preferably fine particles, and is preferably titanium dioxide.
  • the particle diameter of the inorganic semiconductor is preferably 10 / im or less, more preferably 1 ⁇ or less. From the viewpoint of increasing the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element, it is preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less. From the viewpoint of improving the dispersibility of the inorganic semiconductor in the dispersion medium, the particle diameter is preferably 30 nm or less. In order to improve the dispersibility of the inorganic semiconductor in the dispersion medium, it is preferable to add a dispersant to the dispersion.
  • the dispersant examples include acetic acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid and the like, and acetic acid is preferable from the viewpoint of easy handling of the dispersion and prevention of corrosion of the electrode.
  • the particle diameter of the inorganic semiconductor of 10 / m or less means that the particle diameter of substantially all inorganic semiconductor particles contained in the dispersion is 10 m or less.
  • the dispersion medium contained in the dispersion include water, alcohol, and the like.
  • alcohol examples include methanol, ethanol, isopropanol, butanol, ethylen glycol, propylene glycol, butoxy ethanol, methoxy butanol. And so on.
  • the dispersion used in the present invention may contain two or more of these solvents.
  • the electric conductivity of the inorganic semiconductor is preferably 0.0 lm SZ cm or more, and more preferably 1 m S / cm or more. From the viewpoint of increasing the photoelectric conversion efficiency, 1 O m SZ cm or more is preferable.
  • the electron transport layer is formed by applying the dispersion medium described above on the charge recombination layer and further removing the dispersion medium. Is done.
  • the electron transport layer When the electron transport layer is formed on the cathode, the electron transport layer Is formed by applying the above-mentioned dispersion medium on the cathode and further removing the dispersion medium.
  • the dispersion medium is removed, for example, by leaving it in the atmosphere for a predetermined time, and heat treatment is performed as necessary.
  • Examples of the method for applying the dispersion liquid to a predetermined layer include spin coating, casting, micro gravure coating, gravure coating, bar coating, roll coating, wire bar coating, dip coating, and spray coating.
  • the film thickness is preferably 1 nm to 100 nm, more preferably 2 nm to l OOO nm, still more preferably 5 nm to 500 nm, and more preferably 20 nm. ⁇ 200 nm.
  • the active layer preferably contains a polymer compound, and may contain one kind of polymer compound alone, or may contain two or more kinds of polymer compounds. Further, in order to improve the charge transporting property of the active layer, an electron donating compound and / or an electron accepting compound can be mixed and used in the active layer. From the viewpoint of containing many heterojunction interfaces, the electron-accepting compound is preferably a fullerene derivative. Among these, it is preferable that the active layer contains a conjugated polymer compound and a fullerene derivative. For example, an organic thin film containing a conjugated polymer compound and a fullerene derivative can be used as the active layer.
  • the ratio of the fullerene derivative in the active layer containing the fullerene derivative and the electron donating compound is preferably 10 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electron donating compound. More preferably, it is 500 parts by weight.
  • the electron-accepting compound suitably used in the organic photoelectric conversion element is such that the HOMO energy of the electron-accepting compound is higher than the HOMO energy of the electron-donating compound, and the L UMO energy of the electron-accepting compound is electron donation '14 Higher than L UMO energy of the compound.
  • the electron donating compound contained in the active layer may be a low molecular compound or a high molecular compound.
  • Examples of the low molecular weight compound include phthalocyanine, metal phthalocyanine, porphyrin, metal porphyrin, oligothiophene, tetracene, pentacene, and rubrene.
  • Examples of the polymer compound include polybulur rubazole and derivatives thereof, polysilane and derivatives thereof, polysiloxane derivatives having an aromatic amine in the side chain or the main chain, polyaniline and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, polypyrrole and derivatives thereof. And polyphenylene vinylene and derivatives thereof, polyphenylene vinylene and derivatives thereof, and polyfluorene and derivatives thereof.
  • the electron-accepting compound contained in the active layer may be a low molecular compound or a high molecular compound.
  • Low molecular weight compounds include oxadiazole derivatives, anthraquinodimethane and its derivatives, benzoquinone and its derivatives, naphthoquinone and its derivatives, anthraquinone and its derivatives, tetracyananthraquinodimethane and its derivatives, fluorenone derivatives, diphenyl Dicyanethylene and its derivatives, diphenoquinone derivatives, metal complexes of 8-hydroxyquinoline and its derivatives, polyquinoline and its derivatives, polyquinoxaline and its derivatives, polyfluorene and its derivatives, C 6 .
  • fullerenes and derivatives thereof and phenanthrene derivatives such as bathocuproine.
  • the polymer compound include polybur force rubazole and derivatives thereof, polysilane and derivatives thereof, polysiloxane derivatives having aromatic amines in the side chain or main chain, polyaniline and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, polypyrrole and polypyrrole. Derivatives thereof, polyphenylene vinylene and derivatives thereof, poly vinylene vinylene and derivatives thereof, polyfluorene and derivatives thereof And derivatives thereof. Of these, fullerene and its derivatives are preferred. For fullerenes, c 6 . , C 7. And fullerenes such as carbon nanotubes, and derivatives thereof. c 6 . Examples of fullerene derivatives include the following.
  • the thickness of the active layer is usually 1 ⁇ ⁇ ! ⁇ 100 m, preferably 2 nm to 1 OOO nm, more preferably 5 nm to 500 nm, and even more preferably 20 nm to 200 nm.
  • the method for forming the active layer include a solvent, a conjugated polymer compound, and fullerene induction. The method by the film-forming from the composition containing a body is mentioned.
  • Solvents include, for example, toluene, xylene, mesitylene, tetralin, decalin, bicycl hexyl, n-ptynolebenzene, sec-butinorebenzene, tert-butinorebenzene and other unsaturated hydrocarbon solvents, carbon tetrachloride, Chlomouth Form, Dichloromethane, Dichloroethane, Chlorobutane, Bromobutane, Chloromouth Pentane, Bromopentane, Black Hexane, Bromohexane, Black Mouth Hexane, Mouth Mokuchi Hexane, etc.
  • halogenated unsaturated hydrocarbon solvents such as black benzene, dichroic benzene, and trichloro benzene
  • ether solvents such as tetrahydrofuran and tetrahydropyran.
  • conjugated polymer compound examples include an unsubstituted or substituted fluorenediyl group, an unsubstituted or substituted benzofluorenedyl group, a dibenzofurandyl group, an unsubstituted or substituted dibenzothiophene group, an unsubstituted group.
  • substituted rubazole diyl group unsubstituted or substituted thiopheneyl group, unsubstituted or substituted frangyl group, unsubstituted or substituted pyrrole diyl group, unsubstituted or substituted benzothiadiazole diyl group, unsubstituted or substituted vinylene
  • One or two or more kinds selected from the group consisting of a vinylene diyl group, an unsubstituted or substituted chain vinylendiyl group, and an unsubstituted or substituted triphenylamine diyl group are used as repeating units, and the repeating units are Examples thereof include a polymer compound bonded directly or via a linking group.
  • the linking group include phenylene, biphenylene, naphthalene diyl, anthracenedyl, and the like.
  • conjugated polymer compound one or two or more kinds selected from the group consisting of a polymer compound having a fluorenediyl group and a thiopheneyl group are used as a repeating unit, and the repeating units are directly or linked to each other.
  • examples thereof include a polymer compound bonded through a group. (electrode;)
  • Examples of transparent or translucent electrode materials include conductive metal oxide films and translucent metal thin films. Specific examples include indium oxide, zinc oxide, tin oxide, indium tin oxide (abbreviation ITO), indium zinc oxide (abbreviation IZO), Gold, platinum, silver, copper and the like are used, and ⁇ , ⁇ and tin oxide are preferable. Further, as the electrode, an organic transparent conductive film such as polyaline and its derivatives, polythiophene and its derivatives may be used. As the opaque electrode, for example, a metal thin film having a thickness that does not transmit light can be used, and the above-described metal paste and its alloys can be used.
  • Non-transparent electrodes include, for example, lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, canoleum, strontium, barium, anoleminium, scandium, vanadium, zinc, yttrium, indium, cerium, samarium, europium, terbium, Metals such as ytterbium, gold, silver, platinum, copper, mangan, titanium, cobalt, nickel, tungsten, tin, and alloys of two or more of these, graphite, or graphite intercalation compounds are used. Examples of the method for producing the electrode include vacuum deposition, sputtering, ion plating, and plating.
  • a metal electrode can also be produced by a coating method using a metal ink, a metal paste, a low melting point metal, or the like.
  • additional layers may be provided between the cathode and the active layer, between the active layer and the cathode, and between the active layer and the joined body.
  • additional layer include a charge transport layer such as an electron transport layer and a hole transport layer.
  • the hole transport layer and the electron transport layer the above-mentioned electron donating compounds and electron accepting compounds can be used, respectively.
  • alkali metals such as lithium fluoride and alkaline earth metals can be used. Halides and oxides, titanium oxide, etc.
  • the organic photoelectric conversion element of this embodiment can be operated as an organic thin-film solar cell by generating photovoltaic power between the electrodes by irradiating light such as sunlight from a transparent or translucent electrode. .
  • the organic thin film solar cell module By integrating a plurality of organic thin film solar cells, it can be used as an organic thin film solar cell module.
  • a photocurrent flows and it can be operated as an organic light sensor. It can also be used as an organic image sensor by integrating multiple organic photosensors.
  • the polystyrene-equivalent number average molecular weight and number average molecular weight of the polymer were determined using GPC (PL-GPC 2000) manufactured by GPC Laboratory.
  • a measurement sample was prepared by dissolving the polymer in o-dichloromouth benzene to a concentration of about 1% by weight.
  • O-Dichroic benzene was used as the mobile phase of GPC.
  • the measurement sample was flowed at a flow rate of 1 mL / min at a measurement temperature of 140 ° C.
  • PLGEL 10 MI XED—B manufactured by PL Laboratory
  • dichlorobis (triphenylphosphine) palladium (II) 0.02 g
  • the temperature was raised to 105 ° C. and 42.2 ml of a 2 mol ZL aqueous sodium carbonate solution was added dropwise.
  • the reaction was allowed to proceed for 5 hours, and phenylboronic acid (2.6 g) and 1.8 ml of toluene were added and stirred at 105 ° C for 16 hours.
  • 700 ml of toluene and 200 ml of 7.5% aqueous sodium trimethylcarbylate trihydrate trihydrate were added thereto, followed by stirring at 85 ° C. for 3 hours.
  • the aqueous layer was removed from the reaction mixture, and then washed twice with 300 ml of 60 ° C. ion exchange water, once with 300 ml of 3% acetic acid at 60 ° C., and further three times with 300 ml of ion exchange water at 60 ° C.
  • the organic layer was passed through a column filled with celite, alumina, and silica, and the column was washed with 800 ml of hot toluene.
  • the resulting solution was concentrated to 700 ml, poured into 2 L of methanol, and a polymer was obtained by reprecipitation.
  • the polymer was recovered by filtration, washed with 500 ml of methanol, acetone, methanol, and then vacuum-dried at 50 ° C to obtain the following formula:
  • polymer 1 (referred to as “polymer 1”).
  • the polystyrene equivalent number average molecular weight of Polymer 1 was 5.4 ⁇ 10 4 , and the weight average molecular weight was 1.1 ⁇ 10 5 .
  • PCBM [6, 6] -phenyl C 61 monobutyric acid methyl ester
  • polymer 1 as an electron donor compound
  • solvent As a result, 1000 parts by weight of o-dichroic benzene was mixed. Thereafter, the mixture was filtered through a Teflon (registered trademark) filter having a pore diameter of 1. A composition 1 was produced.
  • LiF was deposited on a glass substrate with an ITO film with a thickness of 150 nm as a cathode (cathode as a solar cell) by sputtering using a vacuum evaporator. Thereafter, the composition 1 was applied by spin coating to obtain an active layer (film thickness of about 100 nm) of the front cell of the organic thin film solar cell. Thereafter, an HIL 691 solution (manufactured by P 1 extronics, trade name Plexcore HI L691) was applied by spin coating to obtain a hole transport layer (film thickness of about 50 nm).
  • HIL 691 solution product name: Plexcore HIL 6 91, manufactured by Plextronics
  • a 1 was 100 nm thick as an anode (a positive electrode as a solar cell) by a vacuum evaporation machine. It vapor-deposited so that it might become.
  • the degree of vacuum in vapor deposition were all 1 ⁇ 9 X 10- 3 P a.
  • the shape of the obtained organic thin-film solar cell was a regular square of 2 mm ⁇ 2 mm.
  • the photoelectric conversion efficiency of the obtained organic thin-film solar cell is measured by using a solar simulator (trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: lOOmW m 2 ) to generate a certain amount of light.
  • a solar simulator trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: lOOmW m 2 .
  • the open circuit voltage was 1.4 V.
  • a solution obtained by diluting titania sol (PASOL HPW-10R, manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) with water four times by spin coating is applied to a glass substrate with a 150 nm thick ITO film as a cathode by sputtering. Then, it was heated in the atmosphere at 120 ° C. for 10 minutes to obtain an electron transport layer (film thickness of about 20 nm). Thereafter, the composition 1 was applied by spin coating to obtain an active layer (film thickness of about 100 nm) of the front cell of the organic thin film solar cell.
  • PASOL HPW-10R manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.
  • HIL 691 solution product name: Plexcore HIL 691 manufactured by Plextronics
  • a hole transport layer film thickness of about 30 nm.
  • pH test paper manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd., product name “Yue Persal”, model number “07011030”
  • gold was deposited as a charge recombination layer using a vacuum deposition machine.
  • titania sol catalyst Kosei Kogyo Co., Ltd.
  • PASO A solution obtained by diluting L HPW-1 OR with water four times was applied by spin coating to obtain an electron transport layer (film thickness: about 20 nm). No heat treatment was performed. Thereafter, the composition 1 was applied by spin coating to obtain an active layer (film thickness of about 100 nm) of a pack cell of an organic thin film solar cell. After that, HIL 691 solution (P 1 extronics, product name P 1 excore HIL 691) was applied by spin coating, and finally A 1 was deposited as an anode with a vacuum evaporation machine so that the thickness was 1 OO nm. . The degree of vacuum in vapor deposition were all 1 ⁇ 9 X 10- 3 P a. The shape of the obtained organic thin-film solar cell was a regular square of 2 mm ⁇ 2 mm. (Evaluation)
  • the photoelectric conversion efficiency of the obtained organic thin-film solar cell is measured by using a solar simulator (trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: 100 mW / cm 2 ) to generate a certain amount of light.
  • a solar simulator trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: 100 mW / cm 2 .
  • the open circuit voltage was 1.5 V.
  • a solution obtained by diluting titania sol (Catalyst Chemical Industries, Ltd. PASOL HPW-1 OR) 4 times with water on a glass substrate with a 150 nm thick ITO film as a cathode by sputtering is applied by spin coating. 120 in the atmosphere. C, heated for 10 minutes to obtain an electron transport layer (film thickness of about 20 nm). Thereafter, the composition 1 was applied by spin coating to obtain an active layer (film thickness of about 100 nm) of the front cell of the organic thin film solar cell.
  • an OC 1200 solution (manufactured by P 1 extronics, trade name Plexcore OC 1200, purchased from Sigma Aldrich) was applied by spin coating to obtain a hole transport layer (film thickness of about 50 nm).
  • a pH test paper manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd., product name “Ubersal”, model number “07011030”
  • the pH was 7.
  • 2 nm of gold was deposited as a charge recombination layer using a vacuum deposition machine.
  • titania sol (PASO L HPW-1 OR manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd.) was diluted 4 times with water.
  • the open state of the obtained organic thin-film solar cell was a regular square of 2 mm ⁇ 2 mm.
  • P l e x c o r e OC 1 200 is 2% of the following snorephonized polythiophene.
  • the photoelectric conversion efficiency of the obtained organic thin-film solar cell is measured by using a solar simulator (trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: lOOmW m 2 ) to generate a certain amount of light.
  • a solar simulator trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: lOOmW m 2
  • the open circuit voltage was 1.5 V.
  • a glass substrate with an ITO film with a thickness of 150 nm as an anode formed by sputtering is applied to the H I L 691 solution (Pl e x t r o n i cs, product name P l e x c o r e
  • HIL 691 was applied by spin coating to obtain a hole transport layer (film thickness of about 50 nm). Thereafter, the composition 1 is applied by spin coating, and an organic thin film solar cell is applied. A pond active layer (thickness about 100 nm) was obtained. After that, 4 nm of LiF was deposited with a vacuum deposition machine. Then, 2 nm of gold was deposited as a charge recombination layer using a vacuum deposition machine. Thereafter, a hole transport layer (film thickness: about 50 nm) was applied by spin coating with a HIL 691 solution (product name: P 1 excore HI L 691 manufactured by Plextronics).
  • composition 1 was applied by spin coating to obtain an active layer (thickness: about 10 Onm) of an organic thin film solar cell.
  • LiF was deposited to 4 nm with a vacuum deposition machine, and finally A 1 was deposited as a cathode with a vacuum deposition machine to a thickness of 100 nm.
  • the degree of vacuum in vapor deposition was filed in every 1 ⁇ 9 X 10- 3 P a.
  • the shape of the obtained organic thin film solar cell was a regular square of 2 mm ⁇ 2 mm.
  • the photoelectric conversion efficiency of the obtained organic thin-film solar cell is measured by using a solar simulator (trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: lOOmW m 2 ) to generate a certain amount of light.
  • a solar simulator trade name: 0TENT0-SUNII: AMI.5G filter, irradiance: lOOmW m 2
  • the open circuit voltage was 1. IV.
  • an organic solar cell that generates power with a high open-circuit voltage could be realized by first forming the hole transport layer by coating. It was also confirmed that an organic solar cell that generates electric power with a higher open-circuit voltage could be realized by using an electron transport layer formed by a coating method using a dispersion liquid in which titanium oxide particles are dispersed.
  • the hole transport layer formed by the coating method is formed first among the plurality of layers forming the joined body, so that the hole among the plurality of layers constituting the joined body is formed.
  • the remaining layer excluding the transport layer is not damaged when the hole transport layer is formed, and an organic photoelectric conversion element including a bonded body in which the damage received when forming the film is suppressed can be realized. .

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Abstract

複数の活性層と該活性層間に位置する接合体とが、一対の電極間に積層されて構成される有機光電変換素子であって、 前記接合体が、正孔輸送層を含む複数の層から形成され、 前記接合体の形成において、前記正孔輸送層の形成が、最初に且つ塗布法でなされる、有機光電変換素子。

Description

明 細 書 有機光電変換素子およびその製造方法 技術分野
本発明は、 有機光電変換素子およびその製造方法に関する。 背景技術
近年、 光エネルギーを利用した有機光電変換素子 (有機太陽電池および光セン サーなど) が注目されている。 複数のセルを積層すると高い起電力を得ることが できるので、 2つ以上のセルを積層した、 タンデム構造に代表されるマルチ接合 構造の素子が期待されている。 マルチ接合構造の有機光電変換素子では、 各セル を単に積層するのではなく、 適当な接合体が各セル間に設けられる。 接合体は、 通常、 電子輸送層、 電荷再結合層および正孔輸送層などの複数の層 が積層されて構成される。 この接合体を構成する正孔輸送層に PEDOTZP S S {ポリ (3, 4 _エチレンジォキシチォフェン) (PEDOT) とポリ (4 - スチレンスルホン酸) (PS S) } を用いる例が知られている。 この正孔輸送層 は、 電子輸送層、 電荷再結合層を製膜した後に、 PEDOTZP S Sを含む塗布 液を用いて塗布法で形成されている (例えば、 Adv a n c e d Fun c t i o n a 1 Ma t e r i a l s、 2006、 Vo l . 16、 p. 1897- 19 03、 S c i e n c e、 2007、 Vo l . 317、 p. 222— 225 ) 。 発明の開示
塗布法で正孔輸送層を成膜すると、 接合体のうちで正孔輸送層よりも先に形成 されている電子輸送層や電荷再結合層が塗布液に含まれる水に溶解するなどして 、 損傷を受けているおそれがある。 本発明の目的は、 成膜する際に受ける損傷が抑制された接合体を備える有機光 電変換素子、 およびその製造方法を提供することである。 本発明は、 複数の活性層と該活性層間に位置する接合体とが、 一対の電極間に 積層されて構成される有機光電変換素子であって、
前記接合体が、 正孔輸送層を含む複数の層から形成され、
前記接合体の形成において、 前記正孔輸送層の形成が、 最初に且つ塗布法でな される、 有機光電変換素子である。 また本発明は、 前記正孔輸送層が、 p Hが 5〜 9の塗布液を用いて形成された 正孔輸送層である有機光電変換素子である。 また本発明は、 前記接合体が、 二酸化チタンから成る粒子を分散媒に分散させ た分散液を用いる塗布法により形成されて成る電子輸送層を含む、 光電変換素子 である。 また本発明は、 前記活性層が、 共役高分子化合物とフラーレン誘導体とを含む 有機光電変換素子である。 また本発明は、 一対の電極と、 該一対の電極間において複数の活性層と該活性 層間に位置する接合体とを積層して、 有機光電変換素子を製造する方法であって 正孔輸送層を含む複数の層から形成される前記接合体の形成に際し、 前記正孔 輸送層を最初に且つ塗布法で形成する、 有機光電変換素子の製造方法である。 発明を実施するための形態
以下、 本発明を詳細に説明する。 く有機光電変換素子〉
本実施の形態の有機光電変換素子は、 一対の電極間において、 少なくとも複数 の活性層と該活性層間に位置する接合体とが積層されて構成され、 前記接合体が 、 正孔輸送層を含む複数の層から構成され、 前記接合体を構成する複数の層のう ちで、 前記正孔輸送層が最初に且つ塗布法で形成されて成ることを特徴とする。 すなわち接合体の形成において、 正孔輸送層の形成が、 最初に且つ塗布法でなさ れる。 本実施の形態の有機光電変換素子はいわゆるマルチ接合構造を有する。 以下に 有機光電変換素子の素子構造の一例を示す。
( a ) 陰極 Z活性層ノ接合体/活性層 Z陽極
( b ) 陰極 Z (繰り返し単位) n /活性層 Z陽極
(記号 「 」 は、 該記号 「/」 を挟む層が隣接して積層されることを示す。 以下 同じ。 ) (b ) において、 「 (繰り返し単位) 」 は、 活性層と接合体との積層 体 (活性層/接合体) を表し、 記号 「n」 は 2以上の整数を表し、 「 (繰り返し 単位) n」 は、 n個の積層体 (活性層 Z接合体) が積層された積層体を表す。 な お陰極と活性層との間には電子輸送層が設けられる場合があり、 また活性層と陽 極との間には、 正孔輸送層が設けられる場合がある。 ( a ) は、 いわゆるタン^2、ム構造 (2個のセルが積層されたマルチ接合構造を タンデム構造という) の素子であり、 (b ) は、 (n + 1 ) 個のセルが積層され たマルチ接合構造の素子である。 接合体は、 複数の層が積層されて構成され、 少なくとも正孔輸送層を含む。 接 合体は、 例えば正孔輸送層と、 電荷再結合層と、 電子輸送層とがこの順で積層さ れて構成される。
なお接合体は、 正孔輸送層と電子輸送層のみから構成される場合もあり、 また 前述の 3層以外の層を備える場合もある。 接合体において、 正孔輸送層と電子輸 送層とのうちで、 正孔輸送層が陰極側に配置され、 電子輸送層が陽極側に配置さ れ 。 活性層は、 例えば、 電子受容性化合物を含有する第一の層と、 電子供与性化合 物を含有する第二の層とが接して積層された積層体であってもよく、 電子受容性 化合物と電子供与性化合物とを含有する単一の層であってもよい。 次に、 有機光電変換素子の動作機構を説明する。 透明又は半透明の電極から入 射した光エネルギーが電子受容性化合物及び/又は電子供与性化合物で吸収され 、 電子と正孔の結合した励起子を生成する。 生成した励起子が移動して、 電子受 容性化合物と電子供与性化合物が隣接しているへテロ接合界面に達すると、 界面 でのそれぞれの H OMOエネルギー及び L UMOエネルギーの違いにより電子と 正孔が分離し、 独立に動くことができる電荷 (電子と正孔) が発生する。 発生し た電荷は、 それぞれ電極へ移動することにより外部へ電気エネルギー (電流) と して取り出すことができる。 有機光電変換素子は、 通常、 基板上に、 一対の電極と、 活性層と、 接合体とを 、 以下に説明する順序で順次積層することで形成される。
例えば、 上記 (a).の素子は、 基板上に、 陰極、 活性層、 接合体、 活性層、 陽極を 、 この順序で順次積層することで形成することができる。 上記 (b ) の素子も上 記 (a) の素子と同様に、 基板上に、 陰極、 活性層、 接合体、 活性層、 接合体、 • · '活性層、 陽極、 をこの順序で順次積層することで形成することができる。 本発明の有機光電変換素子の製造方法は、 接合体を形成する工程において、 前 記接合体を構成する複数の層のうちで前記正孔輸送層を最初に且つ塗布法で形成 することを特徴とする。 基板は、 電極を形成し、 有機物の層を形成する際に変化 しないものであればよレ、。 基板の材料としては、 例えば、 ガラス、 プラスチック 、 高分子フィルム、 シリコン等が挙げられる。 不透明な基板の場合には、 反対の 電極 (即ち、 基板から遠い方の電極) が透明又は半透明であることが好ましい。 以下、 有機光電変換素子の各構成要素およびそれらの製法について説明する。
(正孔輸送層)
本実施の形態における正孔輸送層は、 接合体を構成する複数の層のうちで、 最 初に且つ塗布法で形成される。 従来、 正孔輸送層は、 電子輸送層、 電荷再結合層 を製膜した後に塗布法で形成されており、 正孔輸送層を成膜する際に、 先に成膜 された電子輸送層、 電荷再結合層に損傷を与えるおそれがあった。 しかしながら 、 正孔輸送層を最初に形成することで、 そもそも正孔輸送層を成膜する際に、 正 孔輸送層を除く接合体の各層に損傷を与えることがなくなるので、 接合体の損傷 が低減された有機光電変換素子を実現することができ、 ひいては光電変換効率の 高い有機光電変換素子を実現することができる。 正孔輸送層は、 高分子化合物からなることが好ましく、 導電性の高い高分子化 合物からなることがより好ましい。 導電性が高い高分子化合物の導電性は、 通常 導電率で 1 0— 5〜: 1 0 5 S / c mであり、 好ましくは 1 0—3〜: 1 0 4 S / c m である。 導電性が高い高分子化合物からなる正孔輸送層を電荷再結合層およぴ活 性層に接して設けることで、 電荷再結合層と活性層との密着性を高めるとともに 、 活性層から電荷再結合層への正孔注入効率を高めることができる。 正孔輸送層は次のような機能を発揮する層である。 正孔輸送層の機能としては 、 電荷再結合層への正孔の注入効率を高める機能、 活性層からの電子の注入を防 ぐ機能、 正孔の輸送能を高める機能、 電荷再結合層を蒸着法で作製する場合に電 荷再結合層の平坦性を高める機能、 電荷再結合層を塗布法で作製する場合に、 電 荷再結合層を成膜するための塗布液による侵食から活性層を保護する機能、 活性 層の劣化を抑制する機能等が挙げられる。 正孔輸送層を構成する材料としては、 正孔を輸送する機能を示す高分子化合物 を用いることができ、 その例としては、 チォフェンジィル基を含む高分子化合物 、 ァニリンジィル基を含む高分子化合物、 およびピロールジィル基を含む高分子 化合物等が挙げられる。
これらの高分子化合物は、 スルホン酸基等の酸基を有していてもよく、 その例と しては、 置換基としてスルホン酸基等の酸基を有するポリ (チォフェン) 、 ポリ (ァニリン) があげられる。 このポリ (チォフェン) 、 ポリ (ァニリン) は、 さ らに置換基を有していてもよく、 その例としては、 ハロゲン原子、 炭素数 1〜2 0のアルキル基、 炭素数 1〜2 0のアルコキシ基、 炭素数 6〜6 0のァリール基
Figure imgf000007_0001
(式中、 nは 1〜4の整数を、 mは 1〜6の整数を、 pは 0〜5の整数を、 それ ぞれ示す。 Xは酸素原子または直接結合を表す。 )
で表される基があげられ、 水、 アルコール溶媒への溶解性の観点からはアルコキ シ基、 式 (5) で表される基を有することが好ましい。 本発明において、 塗布液、 溶液は、 エマルシヨン (乳濁液) 、 サスペンション (懸濁液) 等の分散系も含む。 正孔輸送層を構成する材料は、 上記の高分子化合物に加えて、 バインダーとし て他の高分子化合物を含んでいてもよい。 このようなバインダ一としては例えば ポリスチレンスルホン酸、 ポリ ビエルフエノール、 ノポラック樹脂、 ポリビニル アルコールなどが挙げられる。 正孔輸送層を塗布法で成膜する際に用いられる塗布液は、 正孔輸送層となる材 料と、 溶媒とを含む。 該塗布液は、 有機光電変換素子の起電力を高める観点から は、 p Hが 5〜 9であることが好ましく、 p Hが 6〜 8であることがさらに好ま しい。 塗布液の溶媒としては、 水、 アルコール等があげられ、 アルコールの具体 例としては、 メタノール、 エタノール、 ィソプロパノール、 プタノ一ル、 ェチレ ングリコーノレ、 プロピレングリコーノレ、 ブトキシエタノール、 メ トキシブタノ一 ル等が挙げられる。 また例えば前記した溶媒を 2種類以上含む混合液を塗布液の 溶媒として用いてもよい。 本明細書中において p Hは、 p H試験紙を用いて測定される値である。 塗布液の成膜には、 スピンコート法、 キャスティング法、 マイクログラビアコ ート法、 グラビアコート法、 バーコート法、 ロールコート法、 ワイアーパーコー ト法、 ディップコート法、 スプレーコート法、 スクリーン印刷法、 フレキソ印刷 法、 オフセット印刷法、 インクジェット印刷法、 ディスペンサー印刷法、 ノズル コート法、 キヤビラリ一コート法等の塗布法を用いることができ、 これらの塗布 法のなかでもスピンコート法、 フレキソ印刷法、 インクジェット印刷法、 デイス ペンサー印刷法を用いることが好ましい。 .
(電荷再結合層)
電荷再結合層は、 必ずしも設ける必要はないが、 電子輸送層と正孔輸送層との ォーミックな接合の為に、 電子輸送層と正孔輸送層との間に設ける方が好ましい 。 電荷再結合層は、 光を透過しやすいように、 複数の微粒子が凝集した状態、 ま たは薄膜状に形成されることが好ましい。 電荷再結合層は、 通常、 金属を含む。 電荷再結合層は、 金属の酸化物、 金属の ハロゲン化物を含んでいてもよいが、 金属の重量を 1 0 0とした場合に、 金属の 酸化物の重量と金属のハロゲン化物の重量の合計が 1 0以下であることが好まし く、 実質的に金属のみからなることがより好ましい。 金属としては、 リチウム、 ベリリウム、 ナトリウム、 マグネシウム、 ァノレミニゥム、 カリウム、 カルシウム 、 スカンジウム、 チタン、 バナジウム、 クロム、 マンガン、 鉄、 コバルト、 ニッ ケル、 銅、 亜鉛、 ガリウム、 ゲノレマニウム、 ルビジウム、 ストロンチウム、 イツ トリウム、 ジルコェゥム、 ニオブ、 モリプデン、 ルテニウム、 ロジウム、 パラジ ゥム、 銀、 力ドニゥム、 インジウム、 スズ、 アンチモン、 セシウム、 バリウム、 ランタン、 ハフニウム、 タンタノレ、 タングステン、 レニウム、 オスミウム、 イリ ジゥム、 プラチナ、 金、 水銀、 タリウム、 鉛、 ビスマス、 ランタニド等が挙げら れる。 またこれら金属の合金や、 グラフアイトまたはこれらの金属とグラフアイ トとの層間化合物等を電荷再結合層に用いることもできる。 金属の中では、 アル ミニルム、 マグネシウム、 チタン、 クロム、 鉄、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 ガリウム 、 ジルコニウム、 モリブデン、 銀、 インジウム、 スズ、 金が好ましい。 電荷再結合層の成膜法としては特に制限はないが、 粉末からの真空蒸着法があ げられる。
(電子輸送層)
電子輸送層は、 フッ化リチウム等のアルカリ金属、 アルカリ土類金属のハロゲ ン化物、 および酸化物、 後述する電子受容性化合物等を含む。 また、 酸化チタン 等の無機半導体から成る粒子を用いて電子輸送層を構成してもよい。 電子輸送層の機能としては、 電荷再結合層への電子の注入効率を高める機能、 活性層からの正孔の注入を防ぐ機能、 電子の輸送能を高める機能、 活性層の劣化 を抑制する機能等を挙げることができる。 電子輸送層の成膜法としては特に制限はないが、 低分子電子輸送材料では、 粉 末からの真空蒸着法、 溶液若しくは溶融状態からの成膜による方法があげられ、 高分子電子輸送材料では溶液又は溶融状態からの成膜による方法があげられる。 溶液又は溶融状態からの成膜時には、 高分子バインダーを併用してもよい。 溶液 から電子輸送層を成膜する方法としては、 前述の溶液から正孔輸送層を成膜する 方法と同様の成膜法があげられる。 酸化チタン等の無機半導体から成る粒子を用いて電子輸送層を塗布法により形 成する場合は、 無機半導体が分散媒に分散した分散液を所定の層に塗布すること により形成される。 分散液は分散媒と無機半導体とを含み、 無機半導体は微粒子 であることが好ましく、 また二酸化チタンであることが好ましい。 無機半導体の 粒子径は 1 0 /i m以下であることが好ましく、 更に好ましくは 1 μ πι以下である 。 光電変換素子の光電変換効率を高める観点からは 1 0 0 n m以下であることが 好ましく、 5 0 n m以下であることが更に好ましい。 分散媒中への無機半導体の 分散性を高める観点からは、 粒子径は 3 0 n m以下が好ましい。 また分散媒中で の無機半導体の分散性を高めるためには、 分散液に分散剤を添加することが好ま しい。 該分散剤としては酢酸、 塩酸、 硝酸、 硫酸などがあげられ、 分散液の取り 扱いの容易さや電極の腐食防止等の観点からは、 酢酸が好ましい。 なお、 本発明 において無機半導体の粒子径が 1 0 / m以下とは、 分散液中に含まれる実質的に 全ての無機半導体粒子の粒子径が 1 0 m以下であることを表す。 分散液に含まれる分散媒としては、 水、 アルコール等があげられ、 アルコール の例としては、 メタノーノレ、 エタノール、 イソプロパノーノレ、 ブタノーノレ、 ェチ レングリコーノレ、 プロピレングリコーノレ、 ブトキシエタノーノレ、 メ トキシブタノ ール等があげられる。
本発明に用いられる分散液は、 これらの溶媒を 2種類以上含んでいてもよい。 無機半導体の電気伝導度は 0 . 0 l m S Z c m以上であることが好ましく、 1 m S / c m以上であることがより好ましい。 光電変換効率を高める観点からは 1 O m S Z c m以上が好ましい。 接合体が、 正孔輸送層と電荷再結合層と電子輸送層とからなる場合、 電子輸送 層は、 前述した分散媒を電荷再結合層上に塗布し、 さらに分散媒を除去すること によって形成される。 なお電子輸送層を陰極上に形成する場合には、 電子輸送層 は、 前述した分散媒を陰極上に塗布し、 さらに分散媒を除去することによって形 成される。 分散媒の除去は、 例えば大気中などにおいて所定の時間放置すること によって行われ、 必要に応じて加熱処理が施される。 分散液を所定の層に塗布する方法としては、 スピンコート法、 キャスティング 法、 マイクログラビアコート法、 グラビアコート法、 バーコート法、 ロールコー ト法、 ワイア一バーコート法、 ディップコート法、 スプレーコート法、 スクリー ン印刷法、 フレキソ印刷法、 オフセッ ト印刷法、 インクジェット印刷法、 デイス ペンサー印刷法、 ノズルコート法、 キヤピラリーコート法等の塗布法を用いるこ とができ、 これらの塗布法のなかでもスピンコート法、 フレキソ印刷法、 インク ジ ット印刷法、 ディスペンサー印刷法を用いることが好ましい。 電子輸送層は
、 膜厚が、 1 n m〜 1 0 0 であることが好ましく、 より好ましくは 2 n m〜 l O O O n mであり、 さらに好ましくは 5 n m〜 5 0 0 n mであり、 より好まし くは 2 0 n m〜2 0 0 n mである。
(活性層)
活性層は、 高分子化合物を含むことが好ましく、 一種類の高分子化合物を単独 で含んでいてもよく、 二種類以上の高分子化合物を含んでいてもよい。 また、 活 性層の電荷輸送性を高めるため、 活性層中に電子供与性化合物及び/又は電子受 容性ィヒ合物を混合して用いることもできる。 ヘテロ接合界面を多く含むという観 点からは、 電子受容性化合物がフラーレン誘導体であることが好ましい。 中でも 、 活性層中に共役高分子化合物とフラーレン誘導体とを含むことが好ましい。 例 えば、 共役高分子化合物とフラーレン誘導体とを含有する有機薄膜を活性層とし て用いることができる。 フラーレン誘導体及び電子供与性化合物を含有する活性 層におけるフラーレン誘導体の割合は、 電子供与性化合物 1 0 0重量部に対して 、 1 0〜1 0 0 0重量部であることが好ましく、 5 0〜5 0 0重量部であること がより好ましい。 有機光電変換素子に好適に用いられる電子受容性化合物は、 電子受容性化合物 の HOMOエネルギーが電子供与性化合物の HOMOエネルギーよりも高く、 か つ、 電子受容性化合物の L UMOエネルギーが電子供与 '14化合物の L UMOエネ ルギ一よりも高くなる。 活性層に含まれる電子供与性化合物は、 低分子化合物であっても高分子化合物 であってもよい。 低分子化合物としては、 フタロシアニン、 金属フタロシアニン 、 ポルフィリン、 金属ポルフィリン、 オリゴチォフェン、 テトラセン、 ペンタセ ン、 ルブレン等が挙げられる。 高分子化合物としては、 ポリビュル力ルバゾール 及びその誘導体、 ポリシラン及びその誘導体、 側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有 するポリシロキサン誘導体、 ポリア二リン及びその誘導体、 ポリチォフェン及び その誘導体、 ポリピロール及びその誘導体、 ポリフエ二レンビニレン及びその誘 導体、 ポリチェ二レンビニレン及ぴその誘導体、 ボリフルオレン及びその誘導体 等が挙げられる。 活性層に含まれる電子受容性化合物は、 低分子化合物であっても高分子化合物 であってもよい。 低分子化合物としては、 ォキサジァゾール誘導体、 アントラキ ノジメタン及ぴその誘導体、 ベンゾキノン及びその誘導体、 ナフトキノン及びそ の誘導体、 アントラキノン及びその誘導体、 テトラシァノアントラキノジメタン 及ぴその誘導体、 フルォレノン誘導体、 ジフヱニルジシァノエチレン及ぴその誘 導体、 ジフヱノキノン誘導体、 8—ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯 体、 ポリキノリン及ぴその誘導体、 ポリキノキサリン及ぴその誘導体、 ポリフル オレン及びその誘導体、 C 6。等のフラーレン及びその誘導体、 バソクプロイン等 のフエナントレン誘導体等が挙げられる。 高分子化合物としては、 ポリビュル力 ルバゾール及ぴその誘導体、 ポリシラン及ぴその誘導体、 側鎖又は主鎖に芳香族 アミンを有するポリシロキサン誘導体、 ポリアニリン及びその誘導体、 ポリチォ フェン及びその誘導体、 ポリピロ一ル及ぴその誘導体、 ポリフエ二レンビ-レン 及ぴその誘導体、 ポリチェ二レンビニレン及びその誘導体、 ポリフルオレン及ぴ その誘導体等が挙げられる。 これらの中でもフラーレン及ぴその誘導体が好まし い。 フラ一レン類としては、 c6。、 c7。、 カーボンナノチューブ等のフラーレン、 及びその誘導体が挙げられる。 c6。フラーレンの誘導体の例としては、 以下のも のが挙げられる。
Figure imgf000013_0001
活性層は、 膜厚が、 通常、 1 η π!〜 100 mであり、 好ましくは 2 n m〜 1 O O O nmであり、 より好ましくは 5 nm〜500 nmであり、 さらに好ましく は 20 nm〜200 nmである。 活性層の形成方法としては、 例えば溶媒と共役高分子化合物とフラーレン誘導 体とを含む組成物からの成膜による方法が挙げられる。 溶媒としては、 例えば、 トルエン、 キシレン、 メシチレン、 テトラリン、 デカリン、 ビシク口へキシル、 n—プチノレベンゼン、 s e cーブチノレべゼン、 t e r tーブチノレベンゼン等の不 飽和炭化水素系溶媒、 四塩化炭素、 クロ口ホルム、 ジクロロメタン、 ジクロロェ タン、 ク口ロブタン、 ブロモブタン、 ク口口ペンタン、 ブロモペンタン、 クロ口 へキサン、 ブロモへキサン、 クロ口シク口へキサン、 フ口モシク口へキサン等の ノ、口ゲン化飽和炭化水素系溶媒、 クロ口ベンゼン、 ジク口口ベンゼン、 トリクロ 口ベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素系溶媒、 テトラヒ ドロフラン、 テトラ ヒ ドロピラン等のエーテル類系溶媒等を挙げることができる。 成膜には、 正孔輸 送層を成膜する方法で説明した方法と同様の方法を用いることができる。
前記共役高分子化合物としては、 非置換又は置換のフルオレンジィル基、 非置 換又は置換のベンゾフルオレンジィル基、 ジベンゾフランジィル基、 非置換又は 置換のジべンゾチオフヱンジィル基、 非置換又は置換の力ルバゾールジィル基、 非置換又は置換のチォフェンジィル基、 非置換又は置換のフランジィル基、 非置 換又は置換のピロールジィル基、 非置換又は置換のベンゾチアジアゾールジィル 基、 非置換又は置換のフヱニレンビニレンジィル基、 非置換又は置換のチェ-レ ンビニレンジィル基、 及ぴ非置換又は置換のトリフエニルァミンジィル基からな る群から選ばれる一種又は二種以上を繰り返し単位とし、 該繰り返し単位同士が 直接又は連結基を介して結合した高分子化合物等があげられる。
前記共役高分子化合物において、 前記繰り返し単位同士が連結基を介して結合 している場合、 該連結基としては、 例えば、 フエ二レン、 ビフエ二レン、 ナフタ レンジィル、 アントラセンジィル等が挙げられる。
共役高分子化合物の好ましい例としてはフルオレンジィル基を有する高分子化 合物およぴチオフ ンジィル基からなる群から選ばれる一種又は二種以上を繰り 返し単位とし、 該繰り返し単位同士が直接又は連結基を介して結合した高分子化 合物等が挙げられる。 (電極;)
透明又は半透明の電極材料としては、 導電性を有する金属酸化物膜、 半透明の 金属薄膜等が挙げられる。 具体的には、 酸化インジウム、 酸化亜鉛、 酸化スズ、 インジウムスズ酸化物 (I n d i um T i n O i d e :略称 I TO) 、 イン ジゥム亜鉛酸化物 (I n d i um Z i n c Ox i d e :略称 I Z O) や、 金、 白金、 銀、 銅等が用いられ、 Ι ΤΟ、 Ι ΖΟ、 酸化スズが好ましい。 また、 電極 として、 ポリア-リン及びその誘導体、 ポリチォフェン及ぴその誘導体等の有機 の透明導電膜を用いてもよい。 また不透明の電極としては、 例えば光を透過しない程度の膜厚の金属薄膜を用 いることができ、 前述した金属おょぴその合金を用いることができる。 不透明な 電極としては、 例えば、 リチウム、 ナトリウム、 カリウム、 ルビジウム、 セシゥ ム、 マグネシウム、 カノレシゥム、 ストロンチウム、 バリウム、 ァノレミニゥム、 ス カンジゥム、 バナジウム、 亜鉛、 イットリゥム、 インジウム、 セリウム、 サマリ ゥム、 ユーロピウム、 テルビウム、 イッテルビウム、 金、 銀、 白金、 銅、 マンガ ン、 チタン、 コバルト、 ニッケル、 タングステン、 錫等の金属、 及ぴそれらのう ち 2つ以上の合金、 グラフアイト又はグラフアイト層間化合物等が用いられる。 電極の作製方法としては、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 イオンプレーティ ング法、 メツキ法等が挙げられる。 その他、 金属インクや金属ペースト、 低融点 金属等を用いて、 塗布法で金属電極を作製することもできる。 前述した (a) および (b) の素子構造において、 陰極と活性層の間、 活性層 と陰極との間、 活性層と接合体の間に、 さらに付加的な層を設けてもよい。 付カロ 的な層としては、 電子輸送層、 正孔輸送層などの電荷輸送層などを挙げることが できる。 正孔輸送層材料、 電子輸送層の材料には、 それぞれ前述の電子供与性化 合物、 電子受容性化合物を用いることができ、 その他、 フッ化リチウム等のアル カリ金属、 アルカリ土類金属のハロゲン化物および酸化物、 並びに酸化チタン等 の無機半導体の微粒子等を用いることができる。 本実施の形態の有機光電変換素子は、 透明又は半透明の電極から太陽光等の光 を照射することにより、 電極間に光起電力が発生し、 有機薄膜太陽電池として動 作させることができる。 複数の有機薄膜太陽電池を集積することにより、 有機薄 膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。 また電極間に電圧を印加した 状態で、 透明又は半透明の電極から光を照射することにより、 光電流が流れ、 有 機光センサ一として動作させることができる。 複数の有機光センサーを集積する ことにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。 実施例
以下、 本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、 本発明はこれら に限定されるものではない。 以下の実施例において、 重合体のポリスチレン換算の数平均分子量および数平 均分子量は、 GPCラボラトリー製 GPC (PL-GPC 2000) を用いて求 めた。 重合体を約 1重量%の濃度となるように o—ジクロ口ベンゼンに溶解させ て測定サンプルを調製した。 GPCの移動相として o—ジクロ口ベンゼンを用い た。 測定温度 140°Cで、 上記測定サンプルを lmL/分の流速で流した。 カラ ムとしては、 PLGEL 10 MI XED— B (PLラボラトリー製) を
3本直列で繋げたものを用いた。 合成例 1
(重合体 1の合成)
Figure imgf000017_0001
(B) アルゴン置換した 2 L四つ口フラスコに化合物 (上記式 (A) ) (7. 928g、 16 . 72mmol) 、 化合物 (上記式 B ) (13. 00g、 17. 60腿 ol) 、 メチルトリオクチルァ ンモ -ゥムクロライド (商品名 : aliquat336、 Aldrich製、 CH3N[ (CH2 ) 7 CH3 ]3 C1 、 density 0. 884g/ml, 25。し、 trademark of Henkel Corporation) (4. 979g ) 、 およびトルェン 405mlを入れ、 撹拌しながら系内を 30分間アルゴンバプリン グすることにより脱気した。 ここに、 ジクロロビス (トリフエニルホスフィン) パラジウム (I I ) (0. 02g) を加え、 105°Cに昇温、 撹拌しながら 2molZLの炭 酸ナトリウム水溶液 42. 2mlを滴下した。 滴下終了後 5時間反応させ、 フエ二ルポ ロン酸 (2. 6g) とトルエン 1. 8mlを加えて 105°Cで 16時間撹拌した。 ここにトルェ ン 700mlおよび 7. 5%ジェチルジチォカルバミン酸ナトリゥム三水和物水溶液 200m 1を加えて 85°Cで 3時間撹拌した。 反応混合物から、 水層を除去後、 60°Cのイオン 交換水 300mlで 2回、 60°Cの 3%酢酸 300mlで 1回、 さらに 60°Cのイオン交換水 300ml で 3回洗浄した。 有機層をセライ ト、 アルミナ、 シリカを充填したカラムに通し 、 熱トルエン 800mlでカラムを洗浄した。 得られた溶液を 700mlまで濃縮した後、 2Lのメタノールに注いで、 再沈殿により重合体を得た。 重合体をろ過して回収し 、 500mlのメタノール、 アセトン、 メタノールで洗浄した後、 50°Cでー晚真空乾 燥することにより、 下記式:
Figure imgf000018_0001
で表される繰返し単位を有するペンタチェエルーフルオレンコポリマー (以下、
「重合体 1」 という) 12. 21 gを得た。 重合体 1のポリスチレン換算の数 平均分子量は 5. 4 X 104、 重量平均分子量は 1. 1 X 105であった。
(組成物 1の製造)
フラーレン誘導体として 15重量部の [6, 6]—フエニル C 61一酪酸メチル エステル (PCBM) (フロンティアカーボン社製 E 100) と、 電子供与体化 合物として 5重量部の重合体 1と、 溶媒として 1000重量部の o—ジクロ口べ ンゼンとを混合した。 その後、 孔径 1. のテフロン (登録商標) フィルタ 一で濾過して組成物 1を製造した。
<実施例 1 >
(有機薄膜太陽電池の作製)
スパッタ法により陰極 (太陽電池としての陰極) として 1 50 nmの厚みで I TO膜を付けたガラス基板に、 真空蒸着機により L i Fを 4 nm蒸着した。 その 後、 前記組成物 1を、 スピンコートにより塗布し、 有機薄膜太陽電池のフロント セルの活性層 (膜厚約 100 nm) を得た。 その後、 H I L 691溶液 (P 1 e x t r o n i c s社製、 商品名 P l e x c o r e H I L691) をスピンコー トにより塗布し、 正孔輸送層 (膜厚約 50 n m) を得た。 H I L 691溶液の p Hを pH試験紙 (アドバンテック東洋株式会社製、 品名 「ユニバーサル」 、型番 「07011030」 ) で測定したところ、 pHは 7であった。 その後、 真空蒸着機によ り電荷再結合層として金を 2 nm蒸着した。 その後、 真空蒸着機により L i Fを 4 nm蒸着した。 その後、 前記組成物 1を、 スピンコートにより塗布し、 有機薄 膜太陽電池のバックセルの活性層 (膜厚約 100 nm) を得た。 その後、 H I L 691溶液 (P l e x t r o n i c s社製、 商品名 P l e x c o r e H I L 6 91) をスピンコートにより塗布し、 最後に真空蒸着機により陽極 (太陽電池と しての正極) として A 1を厚みが 100 nmとなるように蒸着した。 蒸着のとき の真空度は、 すべて 1〜9 X 10-3 P aであった。 得られた有機薄膜太陽電池の 形状は、 2 mmX 2 mmの正四角形であった。
(評価)
得られた有機薄膜太陽電池の光電変換効率をソーラシミュレーター (分光計器 製、 商品名 0TENT0-SUNII: AMI.5Gフィルター、 放射照度 lOOmWん m2)を用いて一定 の光を照射し、 発生する電圧を測定した。 開放端電圧は、 1. 4 Vであった。
<実施例 2〉
(有機薄膜太陽電池の作製)
スパッタ法により陰極として 1 50 nmの厚みで I TO膜を付けたガラス基板 に、 チタニアゾル (触媒化成工業 (株) 製 PASOL HPW- 1 0R) を水で 4倍に希釈した溶液をスピンコートにより塗布し、 大気中で 1 20°C、 10分の 条件で加熱し、 電子輸送層 (膜厚約 20nm) を得た。 その後、 前記組成物 1を 、 スピンコートにより塗布し、 有機薄膜太陽電池のフロントセルの活性層 (膜厚 約 100 nm) を得た。 その後、 H I L 691溶液 (P l e x t r o n i c s社 製、 商品名 P l e x c o r e H I L 691) をスピンコートにより塗布し、 正 孔輸送層 (膜厚約 30 n m) を得た。 H I L 691溶液の p Hを p H試験紙 (ァ ドバンテック東洋株式会社製、 品名 「ユエパーサル」 、 型番 「07011030」 ) で測 定したところ、 pHは 7であった。 その後、 真空蒸着機により電荷再結合層とし て金を 2 nm蒸着した。 その後、 チタニアゾル (触媒ィ匕成工業 (株) 製 PASO L HPW- 1 OR) を水で 4倍に希釈した溶液をスピンコートにより塗布し、 電子輸送層 (膜厚約 20n m) を得た。 加熱処理は行わなかった。 その後、 前記 組成物 1を、 スピンコートにより塗布し、 有機薄膜太陽電池のパックセルの活性 層 (膜厚約 100 n m) を得た。 その後、 H I L 691溶液 (P 1 e x t r o n i c s社製、 商品名 P 1 e x c o r e H I L 691 ) をスピンコートにより塗 布し、 最後に真空蒸着機により陽極として A 1を厚みが 1 O O nmとなるように 蒸着した。 蒸着のときの真空度は、 すべて 1〜9 X 10— 3P aであった。 得られ た有機薄膜太陽電池の形状は、 2 mmX 2 mmの正四角形であった。 (評価)
得られた有機薄膜太陽電池の光電変換効率をソーラシミュレーター (分光計器 製、 商品名 0TENT0-SUNII: AMI.5Gフィルター、 放射照度 100mW/cm2)を用いて一定 の光を照射し、 発生する電圧を測定した。 開放端電圧は、 1. 5 Vであった。 く実施例 3〉
(有機薄膜太陽電池の作製、 評価)
スパッタ法により陰極として 150 nmの厚みで I T O膜を付けたガラス基板に 、 チタニアゾル (触媒化成工業 (株) 製 PASOL HPW- 1 OR) を水で 4 倍に希釈した溶液をスピンコートにより塗布し、 大気中で 120。C、 10分の条 件で加熱し、 電子輸送層 (膜厚約 20 nm) を得た。 その後、 前記組成物 1を、 スピンコートにより塗布し、 有機薄膜太陽電池のフロントセルの活性層 (膜厚約 100 nm) を得た。 その後、 OC 1200溶液 (P 1 e x t r o n i c s社製 、 商品名 P l e x c o r e OC 1200、 シグマアルドリツチ社より購入) を スピンコートにより塗布し、 正孔輸送層 (膜厚約 50 nm) を得た。 OC 1 20 0溶液の pHを pH試験紙 (アドバンテック東洋株式会社製、 品名 「ュ-バーサ ル」 、 型番 「07011030」 ) で測定したところ、 pHは 7であった。 その後、 真空 蒸着機により電荷再結合層として金を 2 nm蒸着した。 その後、 チタニアゾル ( 触媒化成工業 (株) 製 PASO L HPW- 1 OR) を水で 4倍に希釈した溶液 をスピンコートにより塗布し、 電子輸送層 (膜厚約 20 nm) を得た。 なお、 加 熱処理は特に行わなかった。 その後、 前記組成物 1を、 スピンコートにより塗布 し、 有機薄膜太陽電池のバックセルの活性層 (膜厚約 100 nm) を得た。 OC 1200溶液 (P l e x t r o n i c s社製、 商品名 P l e x c o r e OC 1 200、 シグマアルドリッチ社より購入) をスピンコートにより塗布し、 最後に 真空蒸着機により陽極として A 1を厚みが 100 nmとなるように蒸着した。 蒸 着のときの真空度は、 すべて 1〜9 X 10 P aであった。 得られた有機薄膜太 陽電池の开状は、 2mmX 2mmの正四角形であった。
P l e x c o r e OC 1 200は下記スノレホン化ポリチォフェンの 2 % ェチ ある。
Figure imgf000021_0001
(評価)
得られた有機薄膜太陽電池の光電変換効率をソーラシミュレーター (分光計器 製、 商品名 0TENT0-SUNII: AMI.5Gフィルター、 放射照度 lOOmWん m2)を用いて一定 の光を照射し、 発生する電圧を測定した。 開放端電圧は、 1. 5 Vであった。 く比較例 >
(有機薄膜太陽電池の作製)
スパッタ法により陽極として 150 n mの厚みで I T O膜を付けたガラス基板 に、 H I L 691溶液 (P l e x t r o n i c s社製、 商品名 P l e x c o r e
H I L 691) をスピンコートにより塗布し、 正孔輸送層 (膜厚約 50 nm) を得た。 その後、 前記組成物 1を、 スピンコートにより塗布し、 有機薄膜太陽電 池の活性層 (膜厚約 100 nm) を得た。 その後、 真空蒸着機により L i Fを 4 nm蒸着した。 その後、 真空蒸着機により電荷再結合層として金を 2 nm蒸着し た。 その後、 H I L 691溶液 (P l e x t r o n i c s社製、 商品名 P 1 e x c o r e HI L 691) をスピンコートにより正孔輸送層 (膜厚約 50 nm) を塗布した。 その後、 前記組成物 1を、 スピンコートにより塗布し、 有機薄膜太 陽電池の活性層 (膜厚約 10 Onm) を得た。 その後、 真空蒸着機により L i F を 4nm蒸着し、 最後に真空蒸着機により陰極として A 1を厚みが 100 nmと なるように蒸着した。 蒸着のときの真空度は、 すべて 1〜9 X 10— 3P aであつ た。 得られた有機薄膜太陽電池の形状は、 2 mm X 2 mmの正四角形であった。
(評価)
得られた有機薄膜太陽電池の光電変換効率をソーラシミュレーター (分光計器 製、 商品名 0TENT0-SUNII: AMI.5Gフィルター、 放射照度 lOOmWん m2)を用いて一定 の光を照射し、 発生する電圧を測定した。 開放端電圧は、 1. IVであった。 一評価一
以上からわかるように、 正孔輸送層を最初に塗布で形成することで、 高い開放 端電圧で発電する有機太陽電池が実現することを確認した。 また、 酸化チタン粒 子を分散させた分散液を用いる塗布法により形成されて成る電子輸送層を用いる ことにより、 さらに高い開放端電圧で発電する有機太陽電池が実現することを確 認した。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 塗布法で形成される正孔輸送層が、 接合体を形成する複数の 層のうちで最初に形成されて成るので、 接合体を構成する複数の層のうちで正孔 輸送層を除く残余の層が正孔輸送層を成膜する際に損傷を受けることがなく、 成 膜する際に受ける損傷が抑制された接合体を備える有機光電変換素子を実現する ことができる。

Claims

請求の範囲
1. 複数の活性層と該活性層間に位置する接合体とが、 一対の電極間に積層され て構成される有機光電変換素子であって、
前記接合体が、 正孔輸送層を含む複数の層から形成され、
前記接合体の形成において、 前記正孔輸送層の形成が、 最初に且つ塗布法でな される、 有機光電変換素子。
2. 前記正孔輸送層が、 p Hが 5〜 9の塗布液を用いて形成された正孔輸送層で ある請求項 1記載の有機光電変換素子。
3. 前記接合体が、 二酸化チタンから成る粒子を分散媒に分散させた分散液を用 いる塗布法により形成されて成る電子輸送層を含む、 請求項 1または 2記載の光 電変換素子。
4. 前記活性層が、 共役高分子化合物とフラーレン誘導体とを含む請求項 1から 3のいずれか 1つに記載の有機光電変換素子。
5. 一対の電極と、 該一対の電極間において複数の活性層と該活性層間に位置す る接合体とを積層して、 有機光電変換素子を製造する方法であって、
正孔輸送層を含む複数の層から形成される前記接合体の形成に際し、 前記正孔 輸送層を最初に且つ塗布法で形成する、 有機光電変換素子の製造方法。
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