WO2011004698A1 - ガスバリアフィルムとその製造方法、これを用いた光電変換素子 - Google Patents

ガスバリアフィルムとその製造方法、これを用いた光電変換素子 Download PDF

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gas barrier
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barrier film
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平林 和彦
河村 朋紀
井 宏元
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コニカミノルタホールディングス株式会社
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Definitions

  • the present invention mainly relates to a transparent gas barrier film used for a display material such as a package such as an electronic device, or a plastic substrate such as an organic EL element, a solar cell, or a liquid crystal, and a resin substrate for various devices using the gas barrier film, and various devices.
  • a transparent gas barrier film used for a display material such as a package such as an electronic device, or a plastic substrate such as an organic EL element, a solar cell, or a liquid crystal
  • a resin substrate for various devices using the gas barrier film, and various devices.
  • a gas barrier film in which a metal oxide thin film such as aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide or the like is formed on the surface of a plastic substrate or film is used for packaging of goods and foods that require blocking of various gases such as water vapor and oxygen. It is widely used in packaging applications to prevent the alteration of industrial products and pharmaceuticals. In addition to packaging applications, it is used in liquid crystal display elements, solar cells, organic electroluminescence (EL) substrates, and the like.
  • EL organic electroluminescence
  • Aluminum foil is widely used as a packaging material in such fields, but disposal after use has become a problem, and it is basically opaque and the contents can be confirmed from the outside. In addition, the solar cell material requires transparency and cannot be applied.
  • transparent substrates which are being applied to liquid crystal display elements, organic EL elements, etc.
  • transparent substrates which are being applied to liquid crystal display elements, organic EL elements, etc.
  • film base materials such as transparent plastics have begun to be used instead of glass substrates that are heavy, easy to break and difficult to increase in area. Yes.
  • film substrates such as transparent plastics have a problem that the gas barrier property is inferior to glass.
  • a base material with poor gas barrier properties is used as a material for a solar cell
  • water vapor or air penetrates and the organic film deteriorates, which becomes a factor that impairs photoelectric conversion efficiency or durability.
  • a polymer substrate is used as a substrate for an electronic device, oxygen permeates the polymer substrate and permeates and diffuses into the electronic device, which deteriorates the device or is required in the electronic device This causes a problem that the degree of vacuum cannot be maintained.
  • Gas barrier films used for packaging materials and liquid crystal display elements include those obtained by vapor-depositing silicon oxide on a plastic film (for example, see Patent Document 1) and those obtained by vapor-depositing aluminum oxide (for example, see Patent Document 2). ing.
  • a method of forming a gas barrier layer by applying a polysilazane compound coating solution instead of the vapor deposition method is also known (for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 3 since it is a plasma discharge treatment under vacuum, the concentration of active species is low and it is insufficient as a gas barrier layer, and a barrier property higher than 1 ⁇ 10 ⁇ 2 g / (m 2 ⁇ 24 h) is required. Yes.
  • Patent Documents 4 and 5 Plasma discharge treatment of silicon compounds such as polysilazane at atmospheric pressure is known from Patent Documents 4 and 5, for example.
  • Patent Document 4 an oxygen plasma discharge treatment is performed on a polysilazane coating film under atmospheric pressure.
  • the output is low and it is insufficient as a gas barrier layer.
  • Patent Document 6 A technique for forming a silicon oxide film on a substrate by supplying a silazane compound and oxygen as a gas with two-frequency atmospheric pressure plasma is known (Patent Document 6). It is an idea to grow organic silazane compounds and leave some carbon atoms to give flexibility and improve scratch resistance.
  • gas barrier properties are not so high because carbon atoms remain in the silicon oxide film, and Gas barrier properties were not sufficient due to film defects caused by particles generated by collision and reaction of the silazane compound in the plasma space.
  • smoothness is also inferior compared with application
  • Patent Document 7 As a technique using a barrier film as a light emitting element, for example, a technique described in Patent Document 7 is known. In this case, the crack resistance when the barrier film was bent was not sufficient.
  • the water vapor transmission rate (WVTR) is about 0.1 to 10 g / (m 2 ⁇ 24 h).
  • WVTR water vapor transmission rate
  • a glassy film is formed by applying polysilazane under steam or heating after coating.
  • SiO2 was cracked or the film quality was poor, a dense SiO 2 film could not be formed.
  • oxygen plasma is performed under vacuum, but the present situation is that a dense film having a low oxygen concentration is not formed.
  • oxygen plasma was also performed in a state where the gas concentration was high under atmospheric pressure, but sufficient plasma discharge could not be obtained and a dense film could not be formed.
  • SiO 2 film on the substrate surface by supplying tetraethoxysilane as a raw material of SiO 2 and oxygen gas under atmospheric pressure or vacuum.
  • particles generated by molecular collisions in the plasma space may accumulate on the film forming surface of the substrate, which may become defects and gas barrier properties may be significantly reduced.
  • an object of the present invention is to be able to produce a film that can achieve extremely high barrier performance in the form of a roll, and to apply the film to a device that requires gas barrier properties such as a solar cell substrate. There is.
  • a gas barrier film having a smooth layer and a gas barrier layer containing at least one layer of silicon and oxygen on a substrate, wherein the surface side of the gas barrier layer is oxygen (O) and the substrate side of the gas barrier layer.
  • a gas barrier film wherein the composition ratio O / Si of silicon (Si) is large, and the composition ratio O / Si of oxygen (O) and silicon (Si) on the substrate side is 1.90 or more.
  • a photoelectric conversion element comprising two electrodes and a power generation layer formed between the electrodes on the gas barrier film described in any one of 1 to 7 above.
  • a film capable of achieving extremely high barrier performance can be produced in the form of a roll, which is useful as a substrate for solar cells.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell composed of an organic photoelectric conversion element including a photoelectric conversion layer having a three-layer structure of pin. It is sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with a tandem-type bulk heterojunction layer.
  • a silicon compound for example, a polysilazane film is formed by coating, and plasma discharge treatment with oxygen is performed under atmospheric pressure, whereby the silicon compound film is formed into a dense silicon oxide film.
  • a gas barrier layer (film) having a high gas barrier property can be obtained.
  • polysilazane Since polysilazane has a dense film when it does not have an organic group, it is preferable that the polysilazane compound does not have an organic group, and a film with less catalyst becomes a dense film. In the oxygen plasma treatment, the higher the frequency and the higher the supplied power are preferred, and a dense silicon oxide film having a high gas barrier property is formed.
  • a gas barrier film having a higher gas barrier property is obtained by using a polymer before oxygen plasma treatment.
  • the temperature of the substrate or the application surface is lowered by the heat of vaporization and the reaction of polysilazane is promoted by condensation of moisture. Reaction promotion by heating is also preferable, but the gas barrier properties are lowered when the coating is dried for a long time under high humidity or directly in contact with water. Therefore, a silicon oxide film with high gas barrier properties can be formed by reducing the humidity.
  • a silicon oxide film formed by applying a polysilazane film by coating and subjecting it to an oxygen plasma discharge treatment has a different composition ratio of oxygen and silicon from the surface layer to the internal region. It is assumed that the silicon oxide film is formed by the steps of supplying the raw material by forming the precursor film and further forming the silicon oxide by plasma CVD with oxygen. At the same time, the film containing silicon oxide is formed.
  • the composition ratio (O / Si) of oxygen and silicon in the depth direction of the film is viewed, the composition ratio on the surface layer side is large, and oxygen (O) and silicon (Si) on the substrate side
  • a silicon oxide film having a high gas barrier property can be obtained when the composition ratio O / Si is 1.90 or more. The reason is unknown, but it is presumed that the surface layer should have a dense film with a predetermined thickness and that the base material side should also have a predetermined composition ratio.
  • the surface layer side of the gas barrier layer containing silicon oxide refers to a portion from the sputtering speed in the XPS composition analysis described later to a depth of 2 nm from the surface.
  • the base material side refers to a portion from the boundary between the base material and the silicon oxide film to a thickness corresponding to 30% of the thickness of the silicon oxide film (barrier layer) measured by electron microscope (TEM) observation.
  • the gas barrier layer in the present invention contains silicon and oxygen, and the composition ratio O / Si of oxygen (O) and silicon (Si) is larger on the surface layer side of the gas barrier layer than on the base material side of the gas barrier layer. To do.
  • the film thickness of the gas barrier layer can be measured by observation with an electron microscope (TEM).
  • the O / Si ratio was determined by etching the barrier film obtained as described above from the surface to the depth direction using a sputtering method, and using an XPS surface analyzer, the outermost surface was set to 0 nm and 0.5 nm. Sputtering is performed at a rate of / min, and the atomic composition ratio is measured with a portion from the outermost surface to a depth of 2 nm as the surface layer side, and an average value is obtained. In addition, an average value is taken for the measurement of the composition ratio from the boundary between the base material and the gas barrier layer (silicon oxide film) to the thickness corresponding to 30% of the gas barrier layer, and the composition ratio on the base material side is taken.
  • each gas barrier layer has the O / Si ratio, and the gas barrier layer and the lower gas barrier layer on which the gas barrier layer is laminated.
  • the region from the boundary to 30% of the film thickness of the gas barrier layer is similarly defined as the substrate side.
  • the boundary of each gas barrier film can be understood from tomographic photographs taken with an electron microscope (TEM).
  • the XPS surface analyzer is not particularly limited, and any model can be used, but ESCALAB-200R manufactured by VG Scientific Fix Co. was used. Mg is used for the X-ray anode, and measurement is performed at an output of 600 W (acceleration voltage: 15 kV, emission current: 40 mA).
  • the thickness of the formed gas barrier layer is preferably 30 nm or more and 2000 nm or less.
  • the thickness is 30 nm or more, the deterioration of the barrier property is reduced due to foreign matters and protrusions on the surface of the base material, and when it is 2000 nm or less, cracks are less likely to occur, and since it is not too thick, production costs and productivity problems are reduced. This is advantageous.
  • More preferable thickness is 40 nm or more and 500 nm or less, and further preferably 40 nm or more and 200 nm or less.
  • the composition ratio O / Si of oxygen and silicon is closer to 2.0, the composition becomes closer to a dense SiO 2 composition and the gas barrier property is increased.
  • the gas barrier property is higher when the side closer to the substrate is closer to 2.0 and the surface layer side is larger than the substrate side.
  • the composition ratio on the surface layer side is preferably 1.95 or more and 2.30 or less, more preferably 2.00 or more and 2.25 or less.
  • composition ratio of oxygen and silicon is significantly lower than 2.00, the oxidation reaction of the silicon compound is insufficient, and high gas barrier properties may not be obtained.
  • it exceeds 2.3 water molecules taken into the gas barrier layer exist excessively, or the rate at which some of the silicon-oxygen bonds are replaced by silicon-hydroxyl groups is too high. descend.
  • the composition ratio is an average value measured by an XPS surface analyzer, and the average value is a numerical value obtained by, for example, sputtering at a rate of 0.5 nm / min and dividing the composition ratio every 0.5 nm by the number of measurements.
  • the temperature and humidity until the solvent volatilizes is preferably 5 ° C. or higher and 40 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or higher and 30 ° C. or lower.
  • the relative humidity is 10 ° C. or higher and 30 ° C. or lower, the relative humidity is preferably 20% or higher and 75% or lower.
  • the drying temperature may be any number of degrees Celsius as long as the solvent volatilizes, but is preferably 40 ° C. or more and 200 ° C. or less, more preferably 50 ° C. or more and 150 ° C. or less.
  • the humidity until the plasma discharge treatment after drying is preferably low, and is 0% to 70%, preferably 0% to 55%, more preferably 0% to 45%.
  • the focus is on the dew point, it is preferably 3 ° C. or higher and 18 ° C. or lower.
  • the surface is not condensed at all during the drying or when the surface is too condensed, it is not preferable, and a state where the surface is slightly condensed is preferable.
  • ⁇ Method for forming gas barrier layer> As a method for forming a gas barrier layer of the present invention, after applying a coating solution containing at least one silicon compound on a substrate, the silicon compound layer formed by coating is subjected to plasma discharge under atmospheric pressure or pressure near atmospheric pressure. A method of forming a gas barrier layer containing silicon oxide by treatment is mentioned.
  • any appropriate method can be adopted as a coating method.
  • a spin coating method a roll coating method, a flow coating method, an ink jet method, a spray coating method, a printing method, a dip coating method, a casting film forming method, a bar coating method, and a gravure printing method.
  • the coating thickness can be appropriately set according to the purpose.
  • the coating thickness can be set so that the thickness after drying is preferably about 1 nm to 100 ⁇ m, more preferably about 1 nm to 10 ⁇ m, and most preferably about 2 nm to 2 ⁇ m.
  • the annealing temperature is preferably 60 ° C. to 200 ° C., more preferably 70 ° C. to 160 ° C.
  • the annealing time is preferably about 30 seconds to 24 hours, more preferably about 1 minute to 2 hours.
  • the annealing may be performed at a constant temperature, the temperature may be changed stepwise, or the temperature may be continuously changed (temperature increase and / or temperature decrease).
  • it is preferable to adjust the humidity in order to stabilize the reaction and is usually 30% RH to 90% RH, more preferably 40% RH to 80% RH.
  • the supply of a silicon compound for forming a gas barrier layer containing silicon oxide forms a smoother gas barrier layer that is more uniform when applied to the surface of the film substrate than that supplied as a gas as in CVD. be able to. It is well known that in the case of a CVD method or the like, a foreign material called unnecessary particles is generated in the gas phase simultaneously with the step of depositing the source material having increased reactivity in the gas phase on the substrate surface. However, in the present invention, the generation of these particles can be suppressed by making the raw silicon compound not exist in the plasma reaction space.
  • Preferred silicon compounds that can be used in the present invention include perhydropolysilazane, silsesquioxane, tetramethylsilane, trimethylmethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, trimethylethoxysilane, and dimethyldiethoxysilane.
  • silicon compounds that are solid at room temperature are preferable, and perhydropolysilazane, silsesquioxane, and the like are more preferably used.
  • an amine or metal catalyst may be added.
  • a solvent that does not easily contain moisture such as xylene, dibutyl ether, solvesso, turpentine, and the like.
  • silsesquioxane Mayaterials manufactured by Q8 series of Octakis (tetramethylammonium) pentacyclo-octasiloxane-octakis (yloxide) hydrate; Octa (tetramethylammonium) silsesquioxane, Octakis (dimethylsiloxy) octasilsesquioxane, Octa [[3 - [(3-ethyl- 3-oxetanyl) methoxy] propyl] dimethylsiloxy] octasilsesquioxane; Octaallyloxetanes sesquioxane, Octa [(3-Propylglycidylether) Di ethylsiloxy] Silsesquioxane; Octakis [[3- (2,3-epoxypropoxy) propyl] dimethylsiloxy] octasilsesquioxane, Octakis [[[
  • the gas barrier layer of the present invention may be a single layer or a plurality of similar layers, and the plurality of layers can further improve the gas barrier property.
  • the water vapor transmission rate obtained by the gas barrier film according to the present invention is less than 1 ⁇ 10 ⁇ 3 g / (m 2 ⁇ 24 h), more preferably less than 1 ⁇ 10 ⁇ 5 g / (m 2 ⁇ 24 h). is there.
  • the barrier layer of the present invention is preferably formed on a smoother surface, and a film having a smooth layer will be described below.
  • the film support having a smooth layer is not particularly limited as long as it is formed of an organic material capable of holding a gas barrier layer having a barrier property described later.
  • a heat-resistant transparent film product name: Sila-DEC, manufactured by Chisso Corporation
  • polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC) and the like are preferably used, and optical transparency, heat resistance, inorganic layer,
  • a heat-resistant transparent film having a basic skeleton of silsesquioxane having an organic-inorganic hybrid structure can be preferably used.
  • the thickness of the support is preferably about 5 to 500 ⁇ m, more preferably 25 to 250 ⁇ m.
  • the resin film support according to the present invention is preferably transparent. Since the support is transparent and the layer formed on the support is also transparent, it becomes possible to make a transparent gas barrier film, so it is possible to make a transparent substrate such as a photoelectric conversion element (solar cell). Because it becomes.
  • the resin film support using the above-described resins or the like may be an unstretched film or a stretched film.
  • the resin film support used in the present invention can be produced by a conventionally known general method.
  • an unstretched support that is substantially amorphous and not oriented can be produced by melting a resin as a material with an extruder, extruding it with an annular die or a T-die, and quenching.
  • the unstretched support is uniaxially stretched, tenter-type sequential biaxial stretching, tenter-type simultaneous biaxial stretching, tubular-type simultaneous biaxial stretching, and other known methods, such as the flow (vertical axis) direction of the support, or
  • a stretched support can be produced by stretching in the direction perpendicular to the flow direction of the support (horizontal axis).
  • the draw ratio in this case can be appropriately selected according to the resin as the raw material of the support, but is preferably 2 to 10 times in the vertical axis direction and the horizontal axis direction.
  • a corona discharge treatment may be performed before forming the gas barrier layer.
  • an anchor coat agent layer may be formed on the surface of the support according to the present invention for the purpose of improving the adhesion with the gas barrier layer.
  • the anchor coating agent used in this anchor coating agent layer include polyester resins, isocyanate resins, urethane resins, acrylic resins, ethylene vinyl alcohol resins, vinyl modified resins, epoxy resins, modified styrene resins, modified silicon resins, and alkyl titanates. Can be used alone or in combination. Conventionally known additives can be added to these anchor coating agents.
  • the above-mentioned anchor coating agent is coated on the support by a known method such as roll coating, gravure coating, knife coating, dip coating, spray coating, etc., and anchor coating is performed by drying and removing the solvent, diluent, etc. be able to.
  • the application amount of the anchor coating agent is preferably about 0.1 to 5 g / m 2 (dry state).
  • the film support surface according to the present invention has a smooth layer.
  • the smooth layer on the film support flattens the rough surface of the transparent resin film support on which protrusions and the like exist, or unevenness and pinholes generated in the transparent inorganic compound layer due to the protrusions on the transparent resin film support.
  • Such a smooth layer is basically formed by curing a photosensitive resin.
  • the photosensitive resin of the smooth layer for example, a resin composition containing an acrylate compound having a radical reactive unsaturated compound, a resin composition containing an acrylate compound and a mercapto compound having a thiol group, epoxy acrylate, urethane acrylate,
  • a resin composition in which a polyfunctional acrylate monomer such as polyester acrylate, polyether acrylate, polyethylene glycol acrylate, or glycerol methacrylate is dissolved. It is also possible to use an arbitrary mixture of the above resin compositions, and any photosensitive resin containing a reactive monomer having one or more photopolymerizable unsaturated bonds in the molecule can be used. There are no particular restrictions.
  • composition of the photosensitive resin may contain a photopolymerization initiator.
  • the method for forming the smooth layer is not particularly limited, but is preferably formed by a spin coating method, a spray method, a blade coating method, a wet coating method such as a dip method, or a dry coating method such as a vapor deposition method.
  • additives such as an antioxidant, an ultraviolet absorber, and a plasticizer can be added to the above-described photosensitive resin as necessary.
  • an appropriate resin or additive may be used for improving the film formability and preventing the generation of pinholes in the film.
  • the smoothness of the smooth layer is a value expressed by surface roughness, and the maximum cross-sectional height Rt (p) is preferably 10 nm or more and 30 nm or less.
  • the coating property is impaired when the coating means comes into contact with the surface of the smooth layer by a coating method such as a wire bar or a wireless bar in the step of coating a silicon compound described later. There is a case.
  • a coating method such as a wire bar or a wireless bar in the step of coating a silicon compound described later.
  • a coating method such as a wire bar or a wireless bar in the step of coating a silicon compound described later.
  • the surface roughness is calculated from an uneven cross-sectional curve continuously measured by an AFM (Atomic Force Microscope) with a detector having a stylus having a minimum tip radius, and the measurement direction is several tens by the stylus having a minimum tip radius. It is the roughness related to the amplitude of fine irregularities measured in a section of ⁇ m many times.
  • AFM Anamic Force Microscope
  • One preferred embodiment includes reactive silica particles (hereinafter also simply referred to as “reactive silica particles”) in which a photosensitive group having photopolymerization reactivity is introduced on the surface of the photosensitive resin.
  • the photopolymerizable photosensitive group include polymerizable unsaturated groups represented by a (meth) acryloyloxy group.
  • the photosensitive resin contains a photopolymerizable photosensitive group introduced on the surface of the reactive silica particles and a compound capable of photopolymerization, for example, an unsaturated organic compound having a polymerizable unsaturated group. It may be.
  • a photosensitive resin what adjusted solid content by mixing a general-purpose dilution solvent suitably with such a reactive silica particle or the unsaturated organic compound which has a polymerizable unsaturated group can be used.
  • the average particle diameter of the reactive silica particles is preferably 0.001 to 0.1 ⁇ m.
  • the average particle size in such a range, the antiglare property and the resolution, which are the effects of the present invention, can be obtained by using in combination with a matting agent composed of inorganic particles having an average particle size of 1 to 10 ⁇ m described later. It becomes easy to form a smooth layer having both optical properties satisfying a good balance and hard coat properties. From the viewpoint of making it easier to obtain such effects, it is more preferable to use an average particle diameter of 0.001 to 0.01 ⁇ m.
  • the smooth layer used in the present invention preferably contains 20% or more and 60% or less of the inorganic particles as described above as a mass ratio. Addition of 20% or more improves adhesion with the gas barrier layer. On the other hand, if it exceeds 60%, the film may be bent or cracked when heat-treated, or optical properties such as transparency and refractive index of the gas barrier film may be affected.
  • a polymerizable unsaturated group-modified hydrolyzable silane is chemically bonded to a silica particle by generating a silyloxy group by a hydrolysis reaction of a hydrolyzable silyl group.
  • hydrolyzable silyl groups include carboxylylate silyl groups such as alkoxylyl groups and acetoxysilyl groups, halogenated silyl groups such as chlorosilyl groups, aminosilyl groups, oxime silyl groups, and hydridosilyl groups.
  • Examples of the polymerizable unsaturated group include acryloyloxy group, methacryloyloxy group, vinyl group, propenyl group, butadienyl group, styryl group, ethynyl group, cinnamoyl group, malate group, and acrylamide group.
  • the thickness of the smooth layer in the present invention is 1 to 10 ⁇ m, preferably 2 to 7 ⁇ m.
  • the thickness of the smooth layer in the present invention is 1 to 10 ⁇ m, preferably 2 to 7 ⁇ m.
  • the support according to the present invention can be provided with a bleed-out prevention layer.
  • the bleed-out prevention layer is used for the purpose of suppressing the phenomenon that, when a film having a smooth layer is heated, unreacted oligomers are transferred from the film support to the surface and contaminate the contact surface.
  • the bleed-out prevention layer may basically have the same configuration as the smooth layer as long as it has this function.
  • Examples of the unsaturated organic compound having a polymerizable unsaturated group that can be included in the bleed-out prevention layer include a polyunsaturated organic compound having two or more polymerizable unsaturated groups in the molecule, or in the molecule And monounsaturated organic compounds having one polymerizable unsaturated group.
  • Matting agents may be added as other additives.
  • the matting agent inorganic particles having an average particle diameter of about 0.1 to 5 ⁇ m are preferable.
  • inorganic particles one or more of silica, alumina, talc, clay, calcium carbonate, magnesium carbonate, barium sulfate, aluminum hydroxide, titanium dioxide, zirconium oxide and the like can be used in combination. .
  • the matting agent composed of inorganic particles is 2 parts by mass or more, preferably 4 parts by mass or more, more preferably 6 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, preferably 100 parts by mass of the solid content of the bleed-out prevention layer. It is desirable that they are mixed in a proportion of 18 parts by mass or less, more preferably 16 parts by mass or less.
  • the bleed-out prevention layer may contain a thermoplastic resin, a thermosetting resin, an ionizing radiation curable resin, a photopolymerization initiator, etc. as other components of the hard coat agent and the mat agent.
  • the bleed-out prevention layer as described above is formulated as a coating solution with a hard coating agent, a matting agent, and other components as necessary, and appropriately prepared as a dilution solvent to support the coating solution. It can form by apply
  • irradiating with ionizing radiation ultraviolet rays in a wavelength region of 100 to 400 nm, preferably 200 to 400 nm, emitted from an ultrahigh pressure mercury lamp, a high pressure mercury lamp, a low pressure mercury lamp, a carbon arc, a metal halide lamp, or the like are irradiated or scanned.
  • the irradiation can be performed by irradiating an electron beam having a wavelength region of 100 nm or less emitted from a type or curtain type electron beam accelerator.
  • the thickness of the bleed-out preventing layer is 1 to 10 ⁇ m, preferably 2 to 7 ⁇ m. By making it 1 ⁇ m or more, it becomes easy to make the heat resistance as a film sufficient, and by making it 10 ⁇ m or less, it becomes easy to adjust the balance of the optical properties of the smooth film, and the smooth layer is one of the transparent polymer films. When it is provided on this surface, curling of the barrier film can be easily suppressed.
  • the plasma discharge treatment used for the silicon compound layer formed by applying a silicon compound such as a polysilazane compound does not supply the raw material in the case of the plasma CVD method, and easily becomes a plasma state with an oxidizing gas.
  • Plasma discharge treatment is performed while supplying a discharge gas.
  • oxygen is a typical example.
  • nitrogen gas and / or 18th group atom of the periodic table specifically, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, etc. are used. Among these, nitrogen, helium, and argon are preferably used, and nitrogen is particularly preferable because of its low cost.
  • the gas barrier film of the present invention is formed by applying a sputtering method, an ion assist method, a plasma CVD method described later, a plasma CVD method under atmospheric pressure or a pressure near atmospheric pressure after forming a silicon compound layer.
  • the method using atmospheric pressure plasma CVD is preferable because it does not require a decompression chamber or the like and can form a film at high speed and has high productivity.
  • a film having a high barrier property can be formed.
  • fine particles called particles are generated in the film forming process, and defects attached to or on the gas barrier layer are removed. There are defects that are likely to occur.
  • the barrier film of the present invention can suppress gas permeation from the defective part due to the presence of the layer having the silicon compound described above, and can realize higher gas barrier properties. is there.
  • the thickness of the layer having these silicon compounds in the present invention is appropriately selected depending on the type and configuration of the material used, and is preferably selected, but is preferably in the range of 30 to 2000 nm. This is because when the thickness of the layer having a silicon compound is smaller than the above range, a uniform film cannot be obtained, and it is difficult to improve the gas barrier property. In addition, when the thickness of the layer having a silicon compound is thicker than the above range, it is difficult to maintain the flexibility of the gas barrier film. This is because cracks may occur.
  • the thickness is less than this, there are many film defects and sufficient moisture resistance cannot be obtained.
  • the larger the thickness the higher the moisture resistance theoretically.
  • the internal stress becomes unnecessarily large, and it is easy to break, and a preferable moisture resistance cannot be obtained.
  • the layer containing the silicon compound is preferably transparent. It is because it becomes possible to make a gas barrier film transparent by being transparent, and it can also be used for uses, such as transparent substrates, such as a photoelectric conversion element.
  • the light transmittance of the gas barrier film for example, when the wavelength of the test light is 550 nm, the transmittance is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.
  • the plasma discharge treatment is preferably performed under atmospheric pressure or a pressure in the vicinity thereof, and the atmospheric pressure or the pressure in the vicinity thereof is about 20 kPa to 110 kPa, and the good effects described in the present invention are obtained. Therefore, 93 kPa to 104 kPa is preferable.
  • the discharge conditions in the present invention it is preferable to use a so-called two-frequency method in which the first high-frequency electric field and the second high-frequency electric field are superimposed on the discharge space.
  • the relationship between the first high-frequency electric field strength V1, the second high-frequency electric field strength V2, and the discharge starting electric field strength IV is as follows: V1 ⁇ IV> V2 or V1> IV ⁇ V2
  • the output density of the second high-frequency electric field is It is preferably 1 W / cm 2 or more.
  • High frequency means that has a frequency of at least 40 kHz.
  • the superposed high-frequency electric field is both a sine wave
  • the frequency ⁇ 1 of the first high-frequency electric field and the frequency ⁇ 2 of the second high-frequency electric field higher than the frequency ⁇ 1 are superimposed, and the waveform is a sine of the frequency ⁇ 1.
  • a sawtooth waveform in which a sine wave having a higher frequency ⁇ 2 is superimposed on the wave is obtained.
  • the strength of the electric field at which discharge starts is the lowest electric field intensity that can cause discharge in the discharge space (such as electrode configuration) and reaction conditions (such as gas conditions) used in the actual thin film formation method.
  • the discharge start electric field strength varies somewhat depending on the type of gas supplied to the discharge space, the dielectric type of the electrode, or the distance between the electrodes, but is controlled by the discharge start electric field strength of the discharge gas in the same discharge space.
  • the present invention is not limited to this, and both pulse waves, one of them may be continuous, and the other may be pulse waves. Further, it may have a third electric field.
  • a first high-frequency electric field having a frequency ⁇ 1 and an electric field strength V1 is applied to the first electrode constituting the counter electrode. It is to use an atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus in which a power source is connected and a second power source is connected to the second electrode to apply a second high-frequency electric field having a frequency ⁇ 2 and an electric field strength V2.
  • the above atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus includes gas supply means for supplying a discharge gas and a reactive gas between the counter electrodes. Furthermore, it is preferable to have an electrode temperature control means for controlling the temperature of the electrode.
  • the first filter facilitates the passage of the first high-frequency electric field current from the first power source to the first electrode, grounds the second high-frequency electric field current, and the second filter from the second power source to the first power source. It makes it difficult to pass the current of the high frequency electric field.
  • the second filter makes it easy to pass the current of the second high-frequency electric field from the second power source to the second electrode, grounds the current of the first high-frequency electric field, and the second power from the first power source.
  • a power supply having a function of making it difficult to pass the current of the first high-frequency electric field to the power supply is used.
  • being difficult to pass means that it preferably passes only 20% or less of the current, more preferably 10% or less.
  • being easy to pass means preferably passing 80% or more of the current, more preferably 90% or more.
  • the first power source of the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus of the present invention has a capability of applying a higher frequency electric field strength than the second power source.
  • the high frequency electric field strength (applied electric field strength) and the discharge starting electric field strength referred to in the present invention are those measured by the following method.
  • Measuring method of high-frequency electric field strengths V1 and V2 (unit: kV / mm): A high-frequency voltage probe (P6015A) is installed in each electrode section, and the output signal of the high-frequency voltage probe is connected to an oscilloscope (Tektronix, TDS3012B), and the electric field strength is measured.
  • Measuring method of electric discharge starting electric field intensity IV (unit: kV / mm): A discharge gas is supplied between the electrodes, the electric field strength between the electrodes is increased, and the electric field strength at which discharge starts is defined as a discharge starting electric field strength IV.
  • the measuring instrument is the same as the high frequency electric field strength measurement.
  • a discharge gas having a high discharge starting electric field strength such as nitrogen gas
  • a discharge gas having a high discharge starting electric field strength such as nitrogen gas
  • the discharge start electric field strength IV (1/2 Vp-p) is about 3.7 kV / mm. Therefore, in the above relationship, the first high frequency electric field strength is By applying V1 ⁇ 3.7 kV / mm, the nitrogen gas can be excited to be in a plasma state.
  • the frequency of the first power source is preferably 200 kHz or less.
  • the electric field waveform may be a continuous wave or a pulse wave.
  • the lower limit is preferably about 40 kHz.
  • the frequency of the second power source is preferably 800 kHz or more.
  • the upper limit is preferably about 200 MHz.
  • the application of a high frequency electric field from such two power sources is necessary to start the discharge of a discharge gas having a high discharge start electric field strength by the first high frequency electric field, and the high frequency of the second high frequency electric field. It is an important point of the present invention that the plasma density can be increased by the high power density.
  • the first filter facilitates passage of the current of the first high-frequency electric field from the first power source to the first electrode, and grounds the current of the second high-frequency electric field.
  • the second filter makes it easy to pass the current of the second high-frequency electric field from the second power source to the second electrode, grounds the current of the first high-frequency electric field, and the second power from the first power source. It can be used without the first high frequency electric field to the power supply.
  • a capacitor of several tens of pF to tens of thousands of pF or a coil of about several ⁇ H can be used depending on the frequency of the second power source.
  • a coil of 10 ⁇ H or more is used according to the frequency of the first power supply, and it can be used as a filter by grounding through these coils or capacitors.
  • the first power source is preferably 1W / cm 2 or more, 2W / cm 2 or more is more preferable, 5W / cm 2 or more is more preferable.
  • the second power source is preferably 1 W / cm 2 or more, more preferably 5 W / cm 2 or more, and even more preferably 11 W / cm 2 or more.
  • nitrogen gas and / or 18th group atom of the periodic table specifically helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, etc. are used.
  • nitrogen, helium, and argon are preferably used, and nitrogen is particularly preferable because of its low cost.
  • the reactive gas is not limited as long as the silicon compound can be changed to silicon oxide, but oxygen and water are preferable.
  • atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus for example, atmospheric pressure plasma discharge treatment described in JP-A-2004-68143, 2003-49272, International Patent No. 02/48428, etc. A device can be mentioned.
  • Shinko Electric SPG50-4500 (frequency 50 kHz), Hayden Laboratory PHF-6k (100 kHz), Pearl Industry CF-2000-200k (200 kHz), CF-2000- 400k (400kHz), CF-2000-800k (800kHz), CF-2000-2M (2MHz), CF-2000-13M (13.56MHz), CF-2000-27M (27MHz), CF-2000-150M (150MHz) ) And the like, and any of them can be preferably used.
  • the coating film such as a polysilazane compound forming the silicon compound layer may be modified by irradiation with vacuum ultraviolet light (VUV light) to form an inorganic compound layer (gas barrier layer). This will be described in detail below.
  • VUV light vacuum ultraviolet light
  • the gas barrier layer of the present invention is preferably formed by applying a polysilazane-containing solution onto a substrate and drying, and then forming a modified film by a method of irradiating the coating film containing polysilazane with vacuum ultraviolet rays.
  • VUV light vacuum ultraviolet ray
  • the molecular bond of polysilazane can be broken, and even a small amount of oxygen in the film or atmosphere can be efficiently converted into ozone or active oxygen. Ceramicization (silica modification) is promoted, and the resulting ceramic film becomes denser.
  • VUV light irradiation is effective at any time point after the coating film is formed.
  • the vacuum ultraviolet ray in the present invention is a vacuum ultraviolet ray (VUV light) of 100 to 200 nm.
  • VUV light vacuum ultraviolet ray
  • the irradiation intensity and / or the irradiation time are set within a range in which the substrate carrying the irradiated coating film is not damaged.
  • the distance between the substrate and the lamp is set so that the strength of the substrate surface is 10 to 300 mW / cm 2 , and preferably 0.1 seconds to 10 minutes.
  • a commercially available lamp for example, manufactured by USHIO INC.
  • Can be used as the vacuum ultraviolet irradiation apparatus a commercially available lamp (for example, manufactured by USHIO INC.) Can be used.
  • VUV light irradiation can be adapted to both batch processing and continuous processing, and can be appropriately selected depending on the shape of the substrate to be coated.
  • a substrate having a polysilazane coating film on the surface can be processed in a vacuum ultraviolet ray baking furnace equipped with a vacuum ultraviolet ray generation source.
  • the vacuum ultraviolet baking furnace itself is generally known, and for example, Ushio Electric Co., Ltd. can be used.
  • Ushio Electric Co., Ltd. can be used.
  • vacuum ultraviolet rays are continuously irradiated in the drying zone equipped with the vacuum ultraviolet ray generation source as described above while being conveyed. Can be made into ceramics.
  • the vacuum ultraviolet light is larger than the interatomic bonding force of most substances, it can be preferably used because the bonding of atoms can be cut directly by the action of only photons called photon processes. By using this action, the reforming process can be efficiently performed at a low temperature without requiring hydrolysis.
  • a rare gas excimer lamp is preferably used.
  • Excimer lamps can be lit with low power input because of their high light generation efficiency.
  • light having a long wavelength which causes a temperature increase due to light, is not emitted, and energy is irradiated at a single wavelength in the ultraviolet region. Therefore, the surface temperature of the object to be fired is suppressed from increasing. For this reason, it is suitable for flexible film materials such as PET that are easily affected by heat.
  • the irradiation intensity (High irradiation intensity treatment and maximum irradiation intensity) If the irradiation intensity is high, the probability that the photons and chemical bonds in the polysilazane collide increases, and the modification reaction can be shortened. Further, since the number of photons penetrating to the inside increases, the modified film thickness can be increased and / or the film quality can be improved (densification). However, if the irradiation time is too long, the flatness may be deteriorated and other materials of the barrier film may be damaged. Generally, the reaction progress is considered by the integrated light quantity expressed by the product of irradiation intensity and irradiation time. However, in the case of materials having the same composition but different structures, such as silicon oxide, the irradiation intensity The absolute value of may be important.
  • a modification treatment that gives a maximum irradiation intensity of at least 100 to 200 mW / cm 2 in VUV irradiation. If it is below this strength, the reforming efficiency will deteriorate rapidly, and it will take time to process, and if the irradiation intensity is higher than this, the increase in gas barrier performance will slow down, but not only damage to the substrate, The damage to the lamp and other members of the lamp unit also increases, and the lamp itself deteriorates faster.
  • the irradiation time in the high illuminance process is preferably 0.1 second to 3 minutes from the viewpoint of substrate damage and film defect generation and from the viewpoint of reducing variation in gas barrier performance. More preferably, it is 0.5 second to 1 minute.
  • the oxygen concentration at the time of VUV light irradiation is preferably 500 ppm to 10,000 ppm (1%). More preferably, it is 1000 ppm to 5000 ppm.
  • the oxygen concentration is higher than the above concentration range, a gas barrier film containing excessive oxygen is formed, and the special gas barrier property is deteriorated.
  • the oxygen source for supplying the oxygen required for the reforming reaction was sufficiently in the polysilazane-containing coating without introducing oxygen at the time of irradiation.
  • the VUV light When the VUV light is irradiated, it is preferable to perform the modification treatment in a state where the VUV light efficiently reaches the coating film in a state where the oxygen concentration is as low as possible.
  • the gas barrier film of the present invention can be used as various sealing materials and films.
  • the gas barrier film of the present invention can be particularly useful for a photoelectric conversion element. Since the gas barrier film of the present invention is transparent when used for a photoelectric conversion element, it can be configured to receive sunlight from this side using this gas barrier film as a support. That is, on this gas barrier film, for example, a transparent conductive thin film such as ITO can be provided as a transparent electrode to constitute a resin support for a photoelectric conversion element. Then, the ITO transparent conductive film provided on the support is used as an electrode, a semiconductor layer is provided thereon, and an electrode made of a metal film is further formed to form a photoelectric conversion element.
  • a transparent conductive thin film such as ITO can be provided as a transparent electrode to constitute a resin support for a photoelectric conversion element.
  • Another sealing material may be stacked on top of this (although it may be the same), the gas barrier film support and the surroundings are adhered, and the photoelectric conversion element can be sealed by enclosing the element.
  • the influence on the photoelectric conversion element by gas such as can be sealed.
  • the resin support for a photoelectric conversion element can be obtained by forming a transparent conductive film on the gas barrier layer made of ceramic containing silicon and oxygen of the gas barrier film thus formed.
  • the transparent conductive film can be formed by using a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like, or by a coating method such as a sol-gel method using a metal alkoxide such as indium or tin.
  • the film thickness of the transparent conductive film is preferably a transparent conductive film in the range of 0.1 nm to 1000 nm.
  • One feature of the present invention is that a gas barrier film having the ceramic layer is used as a substrate.
  • a transparent conductive film is further formed on the ceramic layer, and the layer constituting the organic photoelectric conversion element and the layer serving as the cathode are laminated thereon using the transparent conductive film as an anode. Furthermore, another gas barrier film can be used as a sealing film to be sealed by overlapping.
  • a gas barrier film having a ceramic layer having the dense structure according to the present invention can be used as another sealing material (sealing film) used.
  • a known gas barrier film used for packaging materials such as a plastic film deposited with silicon oxide or aluminum oxide, a dense ceramic layer, and a flexible impact relaxation polymer layer are alternately laminated.
  • a gas barrier film having the structure described above can be used as the sealing film.
  • a resin-laminated (polymer film) metal foil cannot be used as a gas barrier film on the light extraction side, but it is a low-cost and further low moisture-permeable sealing material and does not intend to extract light (with transparency). When not required), it is preferable as a sealing film.
  • the metal foil refers to a metal foil or film formed by rolling or the like, unlike a metal thin film formed by sputtering or vapor deposition, or a conductive film formed from a fluid electrode material such as a conductive paste. .
  • metal foil there is no limitation in particular in the kind of metal, for example, copper (Cu) foil, aluminum (Al) foil, gold (Au) foil, brass foil, nickel (Ni) foil, titanium (Ti) foil, copper alloy Examples thereof include foil, stainless steel foil, tin (Sn) foil, and high nickel alloy foil.
  • a particularly preferred metal foil is an Al foil.
  • the thickness of the metal foil is preferably 6 to 50 ⁇ m. If it is less than 6 ⁇ m, depending on the material used for the metal foil, pinholes may be vacant during use, and the required gas barrier properties (moisture permeability, oxygen permeability) may not be obtained. If it exceeds 50 ⁇ m, the cost may increase depending on the material used for the metal foil, and the merit of the film may be reduced because the organic photoelectric conversion element becomes thick.
  • polyethylene resin Polypropylene resin, polyethylene terephthalate resin, polyamide resin, ethylene-vinyl alcohol copolymer resin, ethylene-vinyl acetate copolymer resin, acrylonitrile-butadiene copolymer resin, cellophane resin, vinylon resin, vinylidene chloride Based resins and the like.
  • Resins such as polypropylene resins and nylon resins may be stretched and further coated with a vinylidene chloride resin.
  • a polyethylene resin having a low density or a high density can be used.
  • a method for sealing the two films for example, a method of laminating a commonly used impulse sealer heat-fusible resin layer, fusing with an impulse sealer, and sealing is preferable.
  • the film thickness exceeds 300 ⁇ m, the handling of the film during the sealing operation deteriorates and it becomes difficult to heat-seal with an impulse sealer or the like, so the film thickness is 300 ⁇ m or less. desirable.
  • the inert gas a rare gas such as He and Ar is preferably used in addition to N 2 , but a rare gas in which He and Ar are mixed is also preferable, and the ratio of the inert gas in the gas is 90 to 99.99. It is preferably 9% by volume. Preservability is improved by sealing in an environment purged with an inert gas.
  • a ceramic layer is formed on the metal foil instead of the laminated resin film surface, The ceramic layer surface is preferably bonded to the cathode of the organic photoelectric conversion element.
  • conduction may occur partially.
  • a resin film that can be fused with a commonly used impulse sealer for example, ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), polypropylene (PP) film, polyethylene (
  • EVA ethylene vinyl acetate copolymer
  • PP polypropylene
  • PE heat-fusible film
  • the dry laminating method is excellent in terms of workability.
  • This method generally uses a curable adhesive layer of about 1.0 to 2.5 ⁇ m.
  • the amount of adhesive is preferably adjusted to 3 to 5 ⁇ m in dry film thickness. It is preferable.
  • Hot melt lamination is a method in which a hot melt adhesive is melted and an adhesive layer is applied to a support, and the thickness of the adhesive layer can be generally set in a wide range of 1 to 50 ⁇ m.
  • Commonly used base resins for hot melt adhesives include EVA, EEA, polyethylene, butyl rubber, etc., rosin, xylene resin, terpene resin, styrene resin, etc. as tackifiers, wax etc. It is added as an agent.
  • the extrusion laminating method is a method in which a resin melted at a high temperature is coated on a support with a die, and the thickness of the resin layer can generally be set in a wide range of 10 to 50 ⁇ m.
  • LDPE low density polyethylene
  • EVA EVA
  • PP polypropylene
  • each layer (component layer) of the organic photoelectric conversion element material constituting the organic photoelectric conversion element will be described.
  • a power generation layer (a layer in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are mixed, a bulk heterojunction layer, or an i layer) sandwiched between the anode and the cathode is at least one layer. Any element that generates current when irradiated with light may be used.
  • anode / power generation layer / cathode ii) anode / hole transport layer / power generation layer / cathode
  • anode / hole transport layer / power generation layer / electron transport layer / cathode iii) anode / hole transport layer / power generation layer / electron transport layer / cathode
  • anode / hole transport layer / P-type semiconductor layer / power generation layer / n-type semiconductor layer / electron transport layer / cathode v) anode / hole transport layer / first power generation layer / electron transport layer / intermediate electrode / hole transport layer / second power generation layer
  • the power generation layer needs to contain a p-type semiconductor material capable of transporting holes and an n-type semiconductor material capable of transporting electrons, which are substantially two layers and heterojunction.
  • a bulk heterojunction in a mixed state in one layer may be formed, but a bulk heterojunction configuration is preferable because of higher photoelectric conversion efficiency.
  • a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material used for the power generation layer will be described later.
  • the efficiency of taking out holes and electrons to the anode / cathode can be increased by sandwiching the power generation layer between the hole transport layer and the electron transport layer. Therefore, the structure having them ((ii), ( iii)) is preferred. Further, in order to improve the rectification of holes and electrons (selection of carrier extraction), the power generation layer itself is sandwiched between layers of a p-type semiconductor material and a single n-type semiconductor material as shown in (iv). It may be a configuration (also referred to as a pin configuration).
  • a hole transport layer 14 and an electron transport layer 16 are respectively formed on a pair of comb-like electrodes.
  • the back contact type organic photoelectric conversion element can be configured such that the photoelectric conversion unit 15 is disposed thereon.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell composed of a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element.
  • a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element 10 includes an anode 12, a hole transport layer 17, a power generation layer 14 including a bulk heterojunction layer, an electron transport layer 18, and a cathode 13 in this order on one surface of a substrate 11. Are stacked.
  • the substrate 11 is a member that holds the anode 12, the power generation layer 14, and the cathode 13 that are sequentially stacked. In the present embodiment, since light that is photoelectrically converted enters from the substrate 11 side, the substrate 11 can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, with respect to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. It is a transparent member.
  • the substrate 11 for example, a glass substrate or a resin substrate is used.
  • the substrate 11 is not essential.
  • the bulk heterojunction organic photoelectric conversion element 10 may be configured by forming the anode 12 and the cathode 13 on both surfaces of the power generation layer 14.
  • the power generation layer 14 is a layer that converts light energy into electric energy, and includes a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed.
  • the p-type semiconductor material functions relatively as an electron donor (donor)
  • the n-type semiconductor material functions relatively as an electron acceptor (acceptor).
  • FIG. 1 light incident from the anode 12 through the substrate 11 is absorbed by the electron acceptor or electron donor in the bulk heterojunction layer of the power generation layer 14, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. A pair of holes and electrons (charge separation state) is formed.
  • the generated electric charge is caused by an internal electric field, for example, when the work function of the anode 12 and the cathode 13 is different, the electrons pass between the electron acceptors and the holes are electron donors due to the potential difference between the anode 12 and the cathode 13.
  • the photocurrent is detected by passing through different electrodes to different electrodes.
  • the transport direction of electrons and holes can be controlled by applying a potential between the anode 12 and the cathode 13.
  • a hole blocking layer such as a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, or a smoothing layer may be included.
  • the power generation layer 14 has a so-called pin three-layer configuration (FIG. 2).
  • a normal bulk heterojunction layer is a single i layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor layer are mixed (14i), a p-layer (14p) made of a single p-type semiconductor material, and a single n-type semiconductor material.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a solar cell composed of an organic photoelectric conversion element including a tandem bulk heterojunction layer.
  • the anode 12 and the first power generation layer 14 ′ are sequentially stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second power generation layer 16, and then the cathode 13 are stacked.
  • a tandem configuration can be obtained.
  • the second power generation layer 16 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first power generation layer 14 ′ or may be a layer that absorbs a different spectrum, but is preferably a layer that absorbs a different spectrum. Further, both the first power generation layer 14 'and the second power generation layer 16 may have the above-described three-layer structure of pin.
  • Examples of the p-type semiconductor material used for the power generation layer (bulk heterojunction layer) of the present invention include various condensed polycyclic aromatic low molecular compounds and conjugated polymers / oligomers.
  • condensed polycyclic aromatic low-molecular compound examples include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumanthracene, bisanthene, zeslen, Compounds such as heptazeslen, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF ) -Perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.
  • TTF tetra
  • Examples of the derivative having the above condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A.
  • conjugated polymer for example, a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and its oligomer, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, a polythiophene-thienothiophene copolymer described in WO2008000664, a polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO2008000664, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer described in Adv Mater, 2007p4160, Nature Mat. vol.
  • P3HT poly-3-hexylthiophene
  • polypyrrole and its oligomer polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as ⁇ -conjugated polymers such as polysilane and polygermane.
  • oligomeric materials not polymer materials, include thiophene hexamer ⁇ -seccithiophene ⁇ , ⁇ -dihexyl- ⁇ -sexualthiophene, ⁇ , ⁇ -dihexyl- ⁇ -kinkethiophene, ⁇ , ⁇ -bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) - ⁇ -sexithiophene can be preferably used.
  • a material that can be insolubilized after coating by a solution process may be used.
  • materials that can be insolubilized by polymerizing the coating film after coating such as polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225.
  • the soluble substituent reacts to become insoluble (pigmented) by applying energy such as heat, as described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16834. Materials etc. can be mentioned.
  • the n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer of the present invention is not particularly limited.
  • a perfluoro compound perfluoropentacene or the like in which a hydrogen atom of a p-type semiconductor such as fullerene or octaazaporphyrin is substituted with a fluorine atom.
  • Perfluorophthalocyanine naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide and other aromatic carboxylic acid anhydrides and imidized compounds thereof as a skeleton Etc.
  • fullerene derivatives that can perform charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (up to 50 fs) and efficiently are preferable.
  • Fullerene derivatives include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotubes, multi-walled nanotubes, single-walled nanotubes, nanohorns (conical), etc.
  • PCBM [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester
  • PCBnB [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n-butyl ester
  • PCBiB [6,6] -phenyl C61-buty Rick acid-isobutyl ester
  • PCBH [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n-hexyl ester
  • fullerene derivative having a substituent and having improved solubility such as fullerene having an ether group.
  • the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention has a hole transport layer 17 in the middle of the bulk heterojunction layer and the anode, so that charges generated in the bulk heterojunction layer can be taken out more efficiently. Preferably it is.
  • the hole transport layer 17 PEDOT such as Stark Vitec Co., Ltd., trade name BaytronP, polyaniline and its doped material, cyan compounds described in WO2006019270, etc. Can be used.
  • the hole transport layer having a LUMO level shallower than the LUMO level of the n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer has a rectifying effect that prevents electrons generated in the bulk heterojunction layer from flowing to the anode side. It has an electronic block function.
  • Such a hole transport layer is also called an electron block layer, and it is preferable to use a hole transport layer having such a function.
  • triarylamine compounds described in JP-A-5-271166 metal oxides such as molybdenum oxide, nickel oxide, and tungsten oxide can be used.
  • a layer made of a single p-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used.
  • the means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming the coating film in the lower layer before forming the bulk heterojunction layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.
  • the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention has an electron transport layer 18 in the middle of the bulk heterojunction layer and the cathode, since charges generated in the bulk heterojunction layer can be taken out more efficiently. It is preferable.
  • octaazaporphyrin a p-type semiconductor perfluoro product (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used.
  • a p-type semiconductor material used for a bulk heterojunction layer is used.
  • the electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level is given a hole blocking function having a rectifying effect so that holes generated in the bulk heterojunction layer do not flow to the cathode side.
  • Such an electron transport layer is also called a hole blocking layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function.
  • Such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide.
  • n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide.
  • N-type inorganic oxides such as zinc oxide and gallium oxide, and alkali metal compounds such as lithium fluoride, sodium fluoride, and cesium fluoride can be used.
  • a layer made of a single n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used.
  • ⁇ Other layers> For the purpose of improving energy conversion efficiency and improving the lifetime of the element, a structure having various intermediate layers in the element may be employed.
  • the intermediate layer include a hole block layer, an electron block layer, a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer.
  • the cathode and the anode are not particularly limited and can be selected depending on the element structure, but preferably used as an anode (transparent electrode).
  • an anode transparent electrode
  • the cathode and the anode are not particularly limited and can be selected depending on the element structure, but preferably used as an anode (transparent electrode).
  • transparent electrode when used as an anode, it is preferably a transparent electrode that transmits light of 380 to 800 nm.
  • transparent conductive metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 and ZnO
  • metal thin films such as gold, silver and platinum, metal nanowires, and carbon nanotubes can be used.
  • a conductive material selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene and polynaphthalene.
  • a functional polymer can also be used.
  • a plurality of these conductive compounds can be combined to form a transparent electrode.
  • the cathode may be a single layer of a conductive material, but in addition to a conductive material, a resin that holds these may be used in combination.
  • a conductive material for the cathode a material having a work function (4 eV or less) metal, alloy, electrically conductive compound, and a mixture thereof as an electrode material is used.
  • Specific examples of such electrode materials include sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Mixtures, indium, lithium / aluminum mixtures, rare earth metals and the like.
  • a mixture of these metals and a second metal which is a stable metal having a larger work function value than this for example, a magnesium / silver mixture, magnesium / Aluminum mixtures, magnesium / indium mixtures, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixtures, lithium / aluminum mixtures, aluminum and the like are preferred.
  • the counter electrode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering.
  • the film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 ⁇ m, preferably 50 to 200 nm.
  • the light coming to the cathode side is reflected and reflected to the anode side, and this light can be reused and is absorbed again by the photoelectric conversion layer, which further improves the photoelectric conversion efficiency and is preferable.
  • the cathode 13 may be a metal (for example, gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, etc.), carbon nanoparticle, nanowire, nanostructure, or nanowire dispersion. If so, a transparent and highly conductive cathode can be formed by a coating method, which is preferable.
  • a metal for example, gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, etc.
  • the cathode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the cathode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound is made thin with a film thickness of about 1 to 20 nm, and then the anode By providing a film of the conductive light-transmitting material mentioned in the description, a light-transmitting cathode can be obtained.
  • a conductive material suitable for the cathode such as aluminum and aluminum alloy
  • silver and silver compound is made thin with a film thickness of about 1 to 20 nm
  • the material of the intermediate electrode (charge recombination layer 15) required in the case of the tandem configuration as in (v) (or FIG. 3) is a layer using a compound having both transparency and conductivity.
  • the material used for the anode ITO, AZO, FTO, transparent metal oxide such as titanium oxide, Ag, Al, Au, etc., a very thin metal layer or a layer containing nanoparticles / nanowires, PEDOT: PSS, conductive polymer materials such as polyaniline, etc.
  • conductive fiber of the present invention an organic fiber or inorganic fiber coated with a metal, a conductive metal oxide fiber, a metal nanowire, a carbon fiber, a carbon nanotube, or the like can be used, and a metal nanowire is preferable.
  • a metal nanowire means a linear structure having a metal element as a main component.
  • the metal nanowire in the present invention means a linear structure having a diameter of nm size.
  • the metal nanowire according to the present invention preferably has an average length of 3 ⁇ m or more in order to form a long conductive path with a single metal nanowire and to exhibit appropriate light scattering properties.
  • the thickness is preferably 3 to 500 ⁇ m, particularly preferably 3 to 300 ⁇ m.
  • the relative standard deviation of the length is preferably 40% or less.
  • an average diameter is small from a transparency viewpoint, On the other hand, the larger one is preferable from an electroconductive viewpoint.
  • the average diameter of the metal nanowire is preferably 10 to 300 nm, and more preferably 30 to 200 nm.
  • the relative standard deviation of the diameter is preferably 20% or less.
  • a metal composition of the metal nanowire which concerns on this invention, although it can comprise from the 1 type or several metal of a noble metal element and a base metal element, noble metals (for example, gold, platinum, silver, palladium, rhodium, (Iridium, ruthenium, osmium, etc.) and at least one metal belonging to the group consisting of iron, cobalt, copper, and tin is preferable, and at least silver is more preferable from the viewpoint of conductivity. In order to achieve both conductivity and stability (sulfurization and oxidation resistance and migration resistance of metal nanowires), it is also preferable that silver and at least one metal belonging to a noble metal other than silver are included. When the metal nanowire according to the present invention includes two or more kinds of metal elements, for example, the metal composition may be different between the inside and the surface of the metal nanowire, or the entire metal nanowire has the same metal composition. May be.
  • the means for producing the metal nanowire there are no particular limitations on the means for producing the metal nanowire, and for example, known means such as a liquid phase method and a gas phase method can be used. Moreover, there is no restriction
  • the metal nanowires come into contact with each other to form a three-dimensional conductive network, exhibiting high conductivity, and allowing light to pass through the window of the conductive network where no metal nanowire exists.
  • the power generation from the organic power generation layer can be efficiently performed by the scattering effect of the metal nanowires. If a metal nanowire is installed in the 1st electrode at the side close
  • the organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight.
  • the optical functional layer for example, a light condensing layer such as an antireflection film or a microlens array, or a light diffusion layer that can scatter light reflected by the cathode and enter the power generation layer again may be provided. .
  • the antireflection layer can be provided as the antireflection layer.
  • the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ⁇ 1.63 because the transmittance can be improved by reducing the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer.
  • the method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin.
  • the easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.
  • the condensing layer for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.
  • quadrangular pyramids having a side of 30 ⁇ m and an apex angle of 90 degrees are arranged two-dimensionally on the light extraction side of the substrate.
  • One side is preferably 10 to 100 ⁇ m. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate
  • the light scattering layer examples include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.
  • Examples of a method for forming a bulk heterojunction layer in which an electron acceptor and an electron donor are mixed, and a transport layer / electrode include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method).
  • examples of the method for forming the bulk heterojunction layer include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method).
  • the coating method is preferable in order to increase the area of the interface where charges and electrons are separated from each other as described above and to produce a device having high photoelectric conversion efficiency.
  • the coating method is also excellent in production speed.
  • the coating method used at this time is not limited, and examples thereof include spin coating, casting from a solution, dip coating, blade coating, wire bar coating, gravure coating, and spray coating.
  • patterning can also be performed by a printing method such as an ink jet method, a screen printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, an offset printing method, or a flexographic printing method.
  • annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the bulk heterojunction layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the carrier mobility of the bulk heterojunction layer is improved and high efficiency can be obtained.
  • the power generation layer (bulk heterojunction layer) 14 may be composed of a single layer in which an electron acceptor and an electron donor are uniformly mixed, but a plurality of layers with different mixing ratios of the electron acceptor and the electron donor. You may comprise. In this case, it can be formed by using a material that can be insolubilized after coating as described above.
  • the method and process for patterning the electrode, the power generation layer, the hole transport layer, the electron transport layer, and the like according to the present invention are not particularly limited, and known methods can be appropriately applied.
  • the electrode can be patterned by a known method such as mask vapor deposition during vacuum deposition or etching or lift-off.
  • the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.
  • Example 1 As a thermoplastic resin support, a 125 ⁇ m-thick polyester film (Tetron O3, manufactured by Teijin DuPont Films Co., Ltd.) that was easily bonded on both sides was annealed at 170 ° C. for 30 minutes.
  • Tetron O3 Teijin DuPont Films Co., Ltd.
  • the barrier film was produced by sticking an adhesive protective film after forming the bleed-out prevention layer on one side and the smooth layer on the opposite side by the following forming method while transporting the support at a speed of 30 m / min. Thus, a roll-shaped barrier film was obtained.
  • a UV curing organic / inorganic hybrid hard coating material OPSTAR Z7535 manufactured by JSR Corporation was applied to one side of the support, and the coating was applied with a wire bar so that the film thickness after drying was 4 ⁇ m, followed by curing conditions: 1.0 J / cm 2 under air, a high pressure mercury lamp used, drying conditions; 80 ° C., subjected to cure for 3 minutes to form a bleedout-preventing layer.
  • the maximum cross-sectional height Rt (p) at this time was 16 nm.
  • the surface roughness is calculated from an uneven cross-sectional curve continuously measured with an AFM (Atomic Force Microscope) and a detector having a stylus with a minimum tip radius, and the measurement direction is 30 ⁇ m with a stylus with a minimum tip radius. This is the average roughness for the amplitude of fine irregularities, measured many times in the section.
  • AFM Anatomic Force Microscope
  • ⁇ Silicon compound layer coating solution 20% by weight dibutyl ether solution of perhydroxypolysilazane (PHPS) (Aquamica NAX120-20 manufactured by AZ Electronic Materials Co., Ltd.) It was coated with a wireless bar, and was left for 1 minute in the coating humidity environment shown in Table 1 immediately after coating, and then dried at the time and temperature shown in Table 1. The coating thickness after drying was adjusted by diluting the count of the wireless bar and the perhydroxypolysilazane solution with dibutyl ether so as to have the values shown in Table 1.
  • PHPS perhydroxypolysilazane
  • Plasma discharge treatment was performed under the following conditions to form a gas barrier layer.
  • the support holding temperature during film formation was 120 ° C.
  • Processing is performed using a roll electrode type discharge treatment device.
  • a plurality of rod-shaped electrodes opposed to the roll electrode were installed in the width direction of the roll-shaped film support, and raw materials and electric power were supplied to each electrode portion, and the coated surface was plasma-treated as follows.
  • the dielectric body was coated with 1 mm of a single-walled ceramic sprayed one with both opposing electrodes.
  • the electrode gap after coating was set to 1 mm.
  • the metal base material coated with a dielectric has a stainless steel jacket specification having a cooling function by cooling water, and was performed while controlling the electrode temperature by cooling water during discharge.
  • a high frequency power source 80 kHz
  • a high frequency power source 13.56 MHz
  • Discharge gas N 2 gas Reaction gas: Oxygen gas (percentage of total gas is shown in Table 1) Low frequency side power supply power: 80 kHz, 3 W / cm 2 High frequency side power supply power: 13.56 MHz is 11 W / cm 2 The conveyance speed was adjusted so that the passage time under the electrodes shown in Table 1 was reached. In addition, the sample was stored in an atmosphere of 23 ° C. and 20% RH for about 1 to 5 hours after coating and drying.
  • the coating film thickness in Table 1 was measured from a cross-sectional photograph of TEM.
  • the composition ratio O / Si ratio of oxygen (O) and silicon (Si) is determined by etching the barrier film obtained as described above from the surface in the depth direction using a sputtering method, and using an XPS surface analyzer. The outermost surface was set to 0 nm, and the atomic composition ratio was measured by sputtering at a rate of 0.5 nm / min.
  • Table 1 the O / Si composition ratio within 2 nm on the surface layer side and the O / Si composition ratio from the boundary with the base material to the point corresponding to 30% of the thickness of the barrier layer are shown as average values.
  • the XPS surface analyzer is not particularly limited, and any model can be used.
  • ESCALAB-200R manufactured by VG Scientific, Inc. was used.
  • Mg was used for the X-ray anode, and measurement was performed at an output of 600 W (acceleration voltage: 15 kV, emission current: 40 mA).
  • the gas barrier films of Samples 5 to 17 were changed by changing the humidity environment after drying the perhydroxypolysilazane layer, the drying (heating) temperature, the coating thickness, the oxygen concentration of the plasma discharge treatment, and the passage time under the electrode. was created respectively.
  • Example 1 Comparative Example 1 (Sample 1) In Example 1 (Sample 5), polysilazane was applied and dried, and then a sample was prepared without plasma discharge treatment.
  • Example 2 In Example 1 (Sample 5), instead of using atmospheric pressure plasma discharge treatment, a vacuum plasma apparatus PE-5000 (manufactured by Tepla AG) was used, oxygen gas 1000 ml / min, pressure 40 Pa, temperature 50 ° C., output 4200 W. The sample was prepared for 10 minutes.
  • PE-5000 manufactured by Tepla AG
  • Example 3 Comparative Example 3 (Sample 3)
  • Example 1 instead of using atmospheric pressure plasma discharge treatment, under vacuum (using the vacuum plasma apparatus of Comparative Example 2), argon gas was used instead of nitrogen gas, and further mixed with oxygen gas And discharged.
  • Argon: oxygen 1: 1 was performed under the conditions of 80 sccm (standard cc minute) and a glow current of 80 mA. Details were performed under the conditions shown in Table 1 of JP-A No. 2000-246830 (Patent Document 3).
  • Example 4 Comparative Example 4 (Sample 4)
  • Example 1 Example 5
  • plasma discharge treatment was performed at 30 kHz under atmospheric pressure. Details are in accordance with Example 11 of JP2007-237588 (Patent Document 4). That is, oxygen gas was flowed at 10 L / min at normal pressure, and plasma irradiation was performed at an output of 30 kHz.
  • Example H-1 Comparative Example 5 (Sample H-1) In Example 1 (Sample 5), polysilazane was applied and dried, followed by heat treatment at 100 ° C. for 2 hours.
  • Example 5 Preparation of Samples V-1, V-2, and V-3
  • the polysilazane film thickness was changed (shown in the table), and after coating and drying, a reforming apparatus using the following excimer lamp A surface treatment was performed to prepare a sample (denoted as VUV in the table).
  • ⁇ Formation of transparent conductive film> As the plasma discharge apparatus, a parallel plate type electrode was used, the transparent film was placed between the electrodes, and a mixed gas was introduced to form a thin film.
  • a ground (ground) electrode a 200 mm ⁇ 200 mm ⁇ 2 mm stainless steel plate is coated with a high-density, high-adhesion alumina sprayed film, and then a solution obtained by diluting tetramethoxysilane with ethyl acetate is applied and dried.
  • the electrode was cured by ultraviolet irradiation and sealed, and the dielectric surface thus coated was polished, smoothed, and processed to have a Rmax of 5 ⁇ m.
  • an electrode obtained by coating a dielectric on a hollow square pure titanium pipe under the same conditions as the ground electrode was used. A plurality of application electrodes were prepared and provided to face the ground electrode to form a discharge space.
  • a power source used for plasma generation a high frequency power source CF-5000-13M manufactured by Pearl Industry Co., Ltd. was used, and 5 W / cm 2 of power was supplied at a frequency of 13.56 MHz.
  • a gas mixture having the following composition is allowed to flow between the electrodes to form a plasma state, and the gas barrier film with the above comparison and preparation conditions changed is subjected to an atmospheric pressure plasma treatment.
  • a tin-doped indium oxide (ITO) film is 150 nm on the gas barrier layer.
  • a barrier film sample No. 1 with a transparent conductive film was formed. 1 to 17, H-1, and V-1 to V-3 were obtained (described in Table 1).
  • Discharge gas Helium 98.5% by volume Reactive gas 1: 0.25% by volume of oxygen
  • Reactive gas 2 Indium acetylacetonate 1.2% by volume
  • Reactive gas 3 Dibutyltin diacetate 0.05% by volume
  • An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film prepared in advance from a barrier film sample that was bent 100 times at an angle of 180 degrees and a barrier film sample that was not bent so as to have a radius of curvature of 10 mm
  • Each of the barrier film samples 1 to 17, H-1, and V-1 to V-3 deposited with a thickness of 150 nm is patterned to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and wet etching.
  • the patterned first electrode (anode) is cleaned in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally UV ozone cleaning. It was.
  • Baytron P4083 manufactured by Starck Vitec, which is a conductive polymer, was applied and dried to a film thickness of 30 nm, and then heat treated at 150 ° C. for 30 minutes to form a hole transport layer. .
  • each barrier film substrate was brought into a nitrogen chamber and produced in a nitrogen atmosphere.
  • the substrate was heat-treated at 150 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere.
  • P3HT manufactured by Prectronics: regioregular poly-3-hexylthiophene
  • PCBM manufactured by Frontier Carbon: 6,6-phenyl-C61-butyric acid methyl ester
  • a liquid mixed at 1: 0.8 was prepared so that the film thickness was 100 nm while being filtered through a filter, and the film was allowed to stand at room temperature and dried.
  • a heat treatment was performed at 150 ° C. for 15 minutes to form a photoelectric conversion layer.
  • the substrate on which the series of functional layers is formed is moved into a vacuum deposition apparatus chamber, the inside of the vacuum deposition apparatus is depressurized to 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or less, and then fluorinated at a deposition rate of 0.01 nm / second.
  • a second electrode was formed.
  • the obtained organic photoelectric conversion element was moved to a nitrogen chamber, sealed using the following sealing film and UV curable resin, and the organic photoelectric conversion element sample No. 2 having a light receiving portion of 2 ⁇ 2 mm size. 1 to 17, H-1, and V-1 to V-3 were produced.
  • an epoxy-based photo-curing adhesive is used as a sealing material with the gas barrier layer side of the same two gas barrier films used for the substrate facing inside. It apply
  • the organic photoelectric conversion element sample No. 1 to 17, H-1, and V-1 to V-3 were obtained.
  • the barrier film sample No. 1 was repeatedly bent 100 times at an angle of 180 degrees so as to have a radius of curvature of 10 mm.
  • a vacuum evaporation system (JEOL's vacuum evaporation system JEE-400) on the ceramic layer surfaces 1 to 17, H-1, and V-1 to V-3, the barrier film sample before applying the transparent conductive film is evaporated.
  • Masking was performed except for the desired portion (9 locations of 12 mm ⁇ 12 mm), and metallic calcium was deposited.
  • the mask was removed in a vacuum state, and aluminum was deposited from another metal deposition source on the entire surface of one side of the sheet.
  • the vacuum state is released, and immediately facing the aluminum sealing side through a UV-curable resin for sealing (made by Nagase ChemteX) on quartz glass with a thickness of 0.2 mm in a dry nitrogen gas atmosphere
  • the cell for evaluation was produced by irradiating with ultraviolet rays.
  • a water vapor barrier property evaluation cell was similarly prepared for the barrier film which was not subjected to the bending treatment.
  • the obtained sample with both surfaces sealed is stored under high temperature and high humidity of 60 ° C. and 90% RH, and the amount of moisture permeated into the cell from the corrosion amount of metallic calcium based on the method described in JP-A-2005-283561. Was calculated.
  • the barrier film sample instead of the barrier film sample as a comparative sample, a sample in which metallic calcium was deposited using a quartz glass plate having a thickness of 0.2 mm, The same 60 ° C., 90% RH high temperature and high humidity storage was performed, and it was confirmed that no metallic calcium corrosion occurred even after 1000 hours.
  • Evaluation was made by taking the ratio of conversion efficiency / initial conversion efficiency after the acceleration test.
  • the photoelectric conversion element it evaluated by using the barrier film which performed the bending process.
  • a sample having a larger composition ratio O / Si of oxygen and silicon on the surface layer side than the base material side is excellent also in the evaluation of water vapor transmission rate, and the conversion efficiency deterioration of the photoelectric conversion element using this is improved.
  • Example 2 Sample No. 1 prepared in Example 1 was used. As in 5, the perhydropolysilazane solution was again applied to the barrier film sample prepared by performing the atmospheric pressure plasma treatment so as to have the same film thickness, dried, and the atmospheric pressure plasma treatment was repeated again to form the gas barrier film.
  • the prepared sample is designated as Sample No. No. 5-2 was prepared by repeating the solution coating and the atmospheric pressure plasma discharge treatment three times to obtain a gas barrier film. 5-3. When evaluated in the same manner as in Example 1, the conversion efficiency is improved as apparent from Table 2.
  • Example 3 At the time of creation of the gas barrier film, in the atmospheric pressure plasma treatment, the frequency and output density of the first and second electric fields were changed as shown in Table 3, and the atmospheric pressure plasma treatment was performed to produce a gas barrier film sample.
  • the coating thickness is 100 nm
  • the oxygen concentration is 0%
  • the passage time under the electrode is 6 seconds. Same as 5.
  • the plasma treatment under a high-frequency electric field has a low water vapor transmission rate and makes dark spots less likely to occur.
  • Sample No. No. 26 (comparative) was not coated with perhydroxypolysilazane, and sample No. 2004-84027. In the same manner as in No. 26, hexamethyldisilazane was bubbled with argon gas and supplied to form a silicon compound film.
  • the gas barrier film sample no. 18 to 26 and photoelectric conversion elements produced therefrom were evaluated in the same manner as in Example 1.
  • Example 4 Sample No. 2 prepared in Example 3 was used. A sample subjected to atmospheric pressure plasma treatment in the same manner as in No. 23 was again coated and dried with perhydropolysilazane to have the same film thickness, and the atmospheric pressure plasma treatment was repeated twice. No. 23-2, repeated 3 times, no. 23-3. When evaluated in the same manner as in Example 1, it is clear from Table 4 that the laminated layers have a lower water vapor transmission rate and better conversion efficiency.

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Abstract

 本発明は、きわめて高いバリア性能を達成できるガスバリアフィルムをロール状の形態で製造し得ることにあり、また該フィルムを太陽電池用基材等のガスバリア性を必要とする素子等に応用することにある。本発明のガスバリアフィルムは、基材上に、平滑層及び少なくとも1層の珪素および酸素を含有するガスバリア層を有するガスバリアフィルムであり、該ガスバリア層の基材側より、該ガスバリア層の表層側の方が酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが大きく、且つ、基材側の酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが1.90以上であることを特徴とする。

Description

ガスバリアフィルムとその製造方法、これを用いた光電変換素子
 本発明は、主に電子デバイス等のパッケージ、または有機EL素子や太陽電池、液晶等のプラスチック基板といったディスプレイ材料に用いられる透明ガスバリアフィルムおよびガスバリアフィルムを用いた各種デバイス用樹脂基材、および各種デバイスに関する。
 従来から、プラスチック基板やフィルムの表面に酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素等の金属酸化物の薄膜を形成したガスバリアフィルムは、水蒸気や酸素等の各種ガスの遮断を必要とする物品の包装、食品や工業用品及び医薬品等の変質を防止するための包装用途に広く用いられている。また、包装用途以外にも液晶表示素子、太陽電池、有機エレクトロルミネッセンス(EL)基板等で使用されている。
 この様な分野での包装材料としてアルミ箔等が広く用いられているが、使用後の廃棄処理が問題となっているほか、基本的には不透明であり、外から内容物を確認することができないという課題を抱えており、更に、太陽電池用材料では透明性が求められており、適用することができない。
 特に、液晶表示素子、有機EL素子などへの応用が進んでいる透明基材には、近年、軽量化、大型化という要求に加え、ロールツウロールでの生産が可能であること、長期信頼性や形状の自由度が高いこと、曲面表示が可能であること等の高度な要求が加わり、重くて割れやすく大面積化が困難なガラス基板に代わって透明プラスチック等のフィルム基材が採用され始めている。
 しかしながら、透明プラスチック等のフィルム基材はガラスに対しガスバリア性が劣るという問題がある。例えば、太陽電池用の材料として用いた場合、ガスバリア性が劣る基材を用いると、水蒸気や空気が浸透して有機膜が劣化し、光電変換効率あるいは耐久性等を損なう要因となる。また、電子デバイス用基板として高分子基板を用いた場合には、酸素が高分子基板を透過して電子デバイス内に浸透、拡散し、デバイスを劣化させてしまうことや、電子デバイス内で求められる真空度を維持できないといった問題を引き起こす。
 この様な問題を解決するためにフィルム基板上に金属酸化物薄膜を形成してガスバリアフィルム基材とすることが知られている。包装材や液晶表示素子に使用されるガスバリアフィルムとしてはプラスチックフィルム上に酸化珪素を蒸着したもの(例えば、特許文献1参照)や酸化アルミニウムを蒸着したもの(例えば、特許文献2参照)が知られている。
 蒸着法の代わりにポリシラザン化合物の塗布液を塗布し、ガスバリア層を形成する方法も知られている(例えば、特許文献3)。しかしながら真空下でのプラズマ放電処理であることから、活性種濃度が低く、ガスバリア層としては不十分であり、1×10-2g/(m・24h)より更に高いバリア性が求められている。
 大気圧におけるポリシラザン等の珪素化合物のプラズマ放電処理については、例えば、特許文献4,5等に知られている。特に特許文献4にはポリシラザン塗布膜を大気圧下において酸素プラズマ放電処理を行っている。しかしながら、出力が低く、ガスバリア層としては不十分である。
 さらなるガスバリア性の改善のための技術として、上記ポリシラザン層と、プラズマ化学蒸着法を併用した技術も知られている(例えば、特許文献5参照)。しかしながら、この技術においても上述のガスバリア性目標を達成するにいたっていなかった。
 二周波の大気圧プラズマでシラザン化合物と酸素をガスとして供給し、基材上に酸化珪素膜を形成する技術が知られている(特許文献6)。有機のシラザン化合物を成長させ炭素原子をある程度残すことにより柔軟性を持たせて耐傷性を良くする思想であるが、酸化珪素膜中に炭素原子が残ることでガスバリア性はあまり高くならず、またプラズマ空間中でシラザン化合物が衝突して反応することで発生するパーティクルによる膜欠陥もありガスバリア性が十分ではなかった。また、原料をガス化して供給する場合、塗布に比べ平滑性も劣り、曲げに対する応力集中でクラックが発生することでバリア性が劣ることがある。
 バリアフィルムを発光素子に用いた技術としては、例えば、特許文献7に記載の技術が知られている。この場合、バリアフィルムを屈曲させたときのクラック耐性が充分ではなかった。
 珪素化合物、特にポリシラザン化合物を塗布してガスバリア性を得ることは以前から知られているが、そのレベルは水蒸気透過率(WVTR)で0.1~10g/(m・24h)程度である。多くは塗布後にポリシラザンを水蒸気下、あるいは加熱することでガラス質の膜を形成させていた。しかし、亀裂が入ったり、膜質が悪いため緻密なSiOの成膜ができていなかった。そこで上述するように真空下で酸素プラズマが行われていたが、酸素濃度が低く緻密な膜が形成されていないのが現状である。また、大気圧下でガス濃度が高い状態で酸素プラズマを行うことも行われていたが、十分なプラズマ放電を得ることが出来ず、緻密な膜が形成できなかった。
 また、大気圧や真空下でSiOの原料となるテトラエトキシシランと酸素ガスを供給して基材表面にSiO膜を形成することが行われているが、成膜に非常に時間がかかり、かつプラズマ空間において分子の衝突により生成したパーティクルが基材の成膜表面に堆積し、そこが欠陥となりガスバリア性が著しく低下することがあった。
特開平2-251429号公報 特開平6-124785号公報 特開2000-246830号公報 特開2007-237588号公報 特開平8-281861号公報 特開2004-84027号公報 特開2002-222691号公報
 従って本発明の目的は、きわめて高いバリア性能を達成できるフィルムをロール状の形態で製造し得ることにあり、また該フィルムを太陽電池用基材等のガスバリア性を必要とする素子等に応用することにある。
 本発明の上記課題は以下の手段により達成される。
 1.基材上に、平滑層及び少なくとも1層の珪素および酸素を含有するガスバリア層を有するガスバリアフィルムであり、該ガスバリア層の基材側より、該ガスバリア層の表層側の方が酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが大きく、且つ、基材側の酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが1.90以上であることを特徴とするガスバリアフィルム。
 2.前記ガスバリア層の、表層側の組成比O/Siが、1.95以上2.30以下であることを特徴とする前記1に記載のガスバリアフィルム。
 3.前記ガスバリア層の、表層側の組成比O/Siが、2.00以上2.30以下であることを特徴とする前記1または2に記載のガスバリアフィルム。
 4.前記ガスバリア層が、珪素化合物を塗布することにより形成されることを特徴とする前記1~3のいずれか1項に記載のガスバリアフィルム。
 5.前記ガスバリア層が、珪素化合物を基材上に塗布し、大気圧または大気圧近傍の圧力下において、プラズマ放電処理されることで形成されることを特徴とする前記4に記載のガスバリアフィルム。
 6.前記プラズマ放電処理が、2種以上の高周波電界の下で行われることを特徴とする前記5に記載のガスバリアフィルム。
 7.前記ガスバリア層が、珪素化合物を基材上に塗布し、真空紫外光を照射されることで形成されることを特徴とする前記4に記載のガスバリアフィルム。
 8.前記1~5のいずれか1項に記載のガスバリアフィルムを製造するガスバリアフィルムの製造方法であって、基材上に、珪素化合物を塗布し、大気圧または大気圧近傍の圧力下において、プラズマ放電処理してガスバリア層を形成することを特徴とするガスバリアフィルムの製造方法。
 9.前記プラズマ放電処理が、2種以上の高周波電界の下で行われることを特徴とする前記8に記載のガスバリアフィルムの製造方法。
 10.前記1~7のいずれか1項に記載のガスバリアフィルム上に、二つの電極および該電極間に形成された発電層を有することを特徴とする光電変換素子。
 本発明により、きわめて高いバリア性能を達成できるフィルムをロール状の形態で製造することができ、太陽電池用基材として有用である。
バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。 p-i-nの三層構成の光電変換層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。 タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。
 以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
 本発明では、緻密な酸化珪素膜形成の前駆体として例えば、珪素化合物、例えばポリシラザン膜を塗布により形成し、大気圧下で酸素によるプラズマ放電処理を行うことによって、珪素化合物膜を緻密な酸化珪素膜として、高いガスバリア性をもつガスバリア層(膜)を得ることができる。
 ポリシラザンは有機基を持たないほうが緻密な膜となるので、ポリシラザン化合物は有機基を有しないほうが好ましく、また、触媒も少ない方が緻密な膜となる。また、酸素プラズマ処理においても周波数が高いほど、また、供給電力が高いほうが好ましく、ガスバリア性の高い緻密な酸化珪素膜を形成する。また、例えばポリシラザンはオリゴマーであることから酸素プラズマ処理前により高分子とするほうがよりガスバリア性の高いガスバリア膜となる。特に塗布直後の溶剤が揮発してゆく時に、気化熱で基材や塗布面の温度低下が起こり、水分の結露によってポリシラザンの反応を促進することが好ましい。また加熱による反応促進も好ましいが、塗布乾燥後に長時間高湿下、または水に直接接触させるとガスバリア性が低下する。そのため、低湿にすることでガスバリア性が高い酸化珪素膜を形成できる。
 また、ポリシラザン膜を塗布により形成して、これに酸素プラズマ放電処理を行うことによって形成した酸化珪素膜は、表層から内部領域までの酸素と珪素の組成比が異なることがわかった。前駆体膜の形成により原料供給を行い、更に酸素によるプラズマCVDによって酸化珪素を形成するというステップにより酸化珪素膜を形成するためと推定しているが、同時に、形成される酸化珪素を含有する膜については、膜の深さ方向の酸素と珪素の組成比(O/Si)を見たとき、表層側の組成比を大きく構成する、また、基材側の酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが1.90以上であることで高いガスバリア性を有する酸化珪素膜が得られることが分かった。理由は不明であるが、表層に所定の厚みの緻密な膜をもち、また、基材側も所定の組成比を有する方がよいものと推定している。
 本発明において、酸化珪素を含有するガスバリア層の表層側とは、後述するXPSの組成分析におけるスパッタ速度から、表面から2nmまでの深さまでの部位をいうものとする。
 また、基材側とは、電子顕微鏡(TEM)観察により膜厚を測定し、基材と酸化珪素膜との境界から酸化珪素膜(バリア層)の厚み30%にあたるところまでを指す。
 本発明を更に詳しく説明する。
 〈ガスバリア層(ガスバリア性を有する層)〉
 本発明におけるガスバリア層は、珪素および酸素を含有し、ガスバリア層の基材側よりガスバリア層の表層側の方が酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが大きいことを特徴とする。ガスバリア層の膜厚は、電子顕微鏡(TEM)観察により測定することができる。
 O/Si比は、上記のようにして得られたバリアフィルムを、スパッタ法を用いて表面から深さ方向へエッチングを行い、XPS表面分析装置を用いて、最表面を0nmとして、0.5nm/minの速度でスパッタし、最表面から2nmまでの深さまでの部位を表層側として原子組成比を測定し平均値をとる。また、基材とガスバリア層(酸化珪素膜)との境界からガスバリア層の厚み30%にあたるところまでの組成比の測定について平均値をとり基材側の組成比とする。
 また、ガスバリア層を複数層積層した場合、各ガスバリア層についてその表層側がそれぞれ前記O/Si比であって、該ガスバリア層と、該ガスバリア層がその上に積層されている下層のガスバリア層との境界から該ガスバリア層の膜厚の30%のところまでを同様に基材側と定義する。積層膜の場合にも電子顕微鏡(TEM)による断層写真により各ガスバリア膜の境界はわかる。
 XPS表面分析装置としては、特に限定なく、いかなる機種も使用することができるが、VGサイエンティフィックス社製ESCALAB-200Rを用いた。X線アノードにはMgを用い、出力600W(加速電圧15kV、エミッション電流40mA)で測定する。
 形成されるガスバリア層の厚みは、30nm以上2000nm以下が好ましい。30nm以上とすることにより基材表面の異物や突起によりバリア性の劣化減少し、2000nm以下とすることにより亀裂が入りにくくなることと、厚膜すぎないことから製造コストや生産性の支障が低減し有利となる。より好ましい厚みは40nm以上500nm以下、更に好ましくは40nm以上200nm以下である。
 酸素と珪素の組成比O/Siは、2.0に近いほど緻密なSiOの組成に近くなりガスバリア性が高くなる。しかし、本発明では基材に近い側が2.0に近く、表層側の方が基材側より大きい方がガスバリア性は高い。表層側の組成比は1.95以上2.30以下が好ましく、より好ましくは2.00以上2.25以下である。
 また酸素と珪素の組成比が2.00を大きく下回る場合には、珪素化合物の酸化反応が不十分であり、高いガスバリア性を得られなくなることがある。逆に2.3を超えるとガスバリア層に取り込まれた水分子が過剰に存在するか、珪素-酸素結合の一部が珪素-水酸基に置き変わる率が高すぎるため、この場合もガスバリア性がやや低下する。
 なお、組成比はXPS表面分析装置によって測定した平均値であり、平均値とは例えば0.5nm/minの速度でスパッタし、0.5nm毎の組成比を測定回数で除した数値である。
 珪素化合物を溶剤希釈し塗布してガスバリア層を形成する場合、溶剤が揮発するまでの温湿度は、5℃以上40℃以下が好ましく、10℃以上30℃以下がより好ましい。相対湿度は10℃以上30℃以下の場合、20%以上75%以下が好ましい。乾燥温度は、溶剤が揮発すれば何度℃でも構わないが、好ましくは40℃以上200℃以下、より好ましくは50℃以上150℃以下である。乾燥後プラズマ放電処理するまでの湿度は低い方が好ましく、0%以上70%以下、好ましくは0%以上55%以下、より好ましくは0%以上45%以下である。とくに露点に着目すると、3℃以上18℃以下が好ましい。乾燥途中で表面が全く結露しない時や、結露しすぎる時も好ましくなく、わずかに表面が結露する状態が好ましい。
 〈ガスバリア層の形成方法〉
 本発明のガスバリア層の形成方法としては、基材上に少なくとも1層の珪素化合物を含有する塗布液を塗布後、塗布形成した珪素化合物層を、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてプラズマ放電処理することにより、珪素酸化物を含有するガスバリア層とする方法が挙げられる。
 塗布方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。具体例としては、スピンコート法、ロールコート法、フローコート法、インクジェット法、スプレーコート法、プリント法、ディップコート法、流延成膜法、バーコート法、グラビア印刷法等が挙げられる。
 塗布厚みは、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、塗布厚みは、乾燥後の厚みが好ましくは1nm~100μm程度、さらに好ましくは1nm~10μm程度、最も好ましくは2nm~2μm程度となるように設定され得る。
 次に、塗布された膜をアニールする態様が好ましい。アニール温度は、好ましくは60℃~200℃、さらに好ましくは70℃~160℃である。アニール時間は、好ましくは30秒~24時間程度、さらに好ましくは1分~2時間程度である。このような範囲でアニールを行うことにより、ポリシラザンの一部が反応して分子が固定化され、良好な特性を有するバリアフィルムが得られる。具体的には、下記のようなメカニズムで分子が固定化されると推察される。なお、アニールは、一定温度で行ってもよく、段階的に温度を変化させてもよく、連続的に温度を変化(昇温および/または降温)させてもよい。アニールの際には、反応を安定化するために湿度を調節することが好ましく、通常30%RHから90%RH、より好ましくは40%RHから80%RHである。
 珪素酸化物を含有するガスバリア層を形成するための珪素化合物の供給は、CVDのようにガスとして供給されるよりも、フィルム基材表面に塗布したほうがより均一で、平滑なガスバリア層を形成することができる。CVD法などの場合は気相で反応性が増した原料物質が基材表面に堆積する工程と同時に、気相中で不必要なパーティクルとよばれる異物が生成することは、よく知られているが、本発明においては、原料珪素化合物をプラズマ反応空間に存在させないことで、これらパーティクルの発生を抑制することが可能になる。
 本発明で用いることのできる珪素化合物としては、好ましいものとして、パーヒドロポリシラザン、シルセスキオキサン、テトラメチルシラン、トリメチルメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、ヘキサメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシラザン、1,1-ジメチル-1-シラシクロブタン、トリメチルビニルシラン、メトキシジメチルビニルシラン、トリメトキシビニルシラン、エチルトリメトキシシラン、ジメチルジビニルシラン、ジメチルエトキシエチニルシラン、ジアセトキシジメチルシラン、ジメトキシメチル-3,3,3-トリフルオロプロピルシラン、3,3,3-トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、アリールトリメトキシシラン、エトキシジメチルビニルシラン、アリールアミノトリメトキシシラン、N-メチル-N-トリメチルシリルアセトアミド、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、メチルトリビニルシラン、ジアセトキシメチルビニルシラン、メチルトリアセトキシシラン、アリールオキシジメチルビニルシラン、ジエチルビニルシラン、ブチルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルジメチルエトキシシラン、テトラビニルシラン、トリアセトキシビニルシラン、テトラアセトキシシラン、3-トリフルオロアセトキシプロピルトリメトキシシラン、ジアリールジメトキシシラン、ブチルジメトキシビニルシラン、トリメチル-3-ビニルチオプロピルシラン、フェニルトリメチルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン、フェニルトリメトキシシラン、3-アクリロキシプロピルジメトキシメチルシラン、3-アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ジメチルイソペンチロキシビニルシラン、2-アリールオキシエチルチオメトキシトリメチルシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-アリールアミノプロピルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロデシルトリメトキシシラン、ジメチルエチキシフェニルシラン、ベンゾイロキシトリメチルシラン、3-メタクリロキシプロピルジメトキシメチルシラン、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、ジメチルエトキシ-3-グリシドキシプロピルシラン、ジブトキシジメチルシラン、3-ブチルアミノプロピルトリメチルシラン、3-ジメチルアミノプロピルジエトキシメチルシラン、2-(2-アミノエチルチオエチル)トリエトキシシラン、ビス(ブチルアミノ)ジメチルシラン、ジビニルメチルフェニルシラン、ジアセトキシメチルフェニルシラン、ジメチル-p-トリルビニルシラン、p-スチリルトリメトキシシラン、ジエチルメチルフェニルシラン、ベンジルジメチルエトキシシラン、ジエトキシメチルフェニルシラン、デシルメチルジメトキシシラン、ジエトキシ-3-グリシドキシプロピルメチルシラン、オクチロキシトリメチルシラン、フェニルトリビニルシラン、テトラアリールオキシシラン、ドデシルトリメチルシラン、ジアリールメチルフェニルシラン、ジフェニルメチルビニルシラン、ジフェニルエトキシメチルシラン、ジアセトキシジフェニルシラン、ジベンジルジメチルシラン、ジアリールジフェニルシラン、オクタデシルトリメチルシラン、メチルオクタデシルジメチルシラン、ドコシルメチルジメチルシラン、1,3-ジビニル-1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン、1,3-ジビニル-1,1,3,3-テトラメチルジシラザン、1,4-ビス(ジメチルビニルシリル)ベンゼン、1,3-ビス(3-アセトキシプロピル)テトラメチルジシロキサン、1,3,5-トリメチル-1,3,5-トリビニルシクロトリシロキサン、1,3,5-トリス(3,3,3-トリフルオロプロピル)-1,3,5-トリメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、1,3,5,7-テトラエトキシ-1,3,5,7-テトラメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン等を挙げることができる。
 なかでも常温で固体である珪素化合物が好ましく、パーヒドロポリシラザン、シルセスキオキサンなどがより好ましく用いられる。酸化珪素化合物への転化を促進するために、アミンや金属の触媒を添加することもできる。
 具体的には、AZエレクトロニックマテリアルズ(株)製 アクアミカ NAX120-20、NN110、NN310、NN320、NL110A、NL120A、NL150A、NP110、NP140、SP140などが挙げられる。これらを塗布する場合、塗布液と水分が反応するのを抑制するため、溶媒としてキシレン、ジブチルエーテル、ソルベッソ、ターペン等、水分を含有しにくいものを用いることが好ましい。
 シルセスキオキサンとしては、Mayaterials社製Q8シリーズのOctakis(tetramethylammonium)pentacyclo-octasiloxane-octakis(yloxide)hydrate;Octa(tetramethylammonium)silsesquioxane、Octakis(dimethylsiloxy)octasilsesquioxane、Octa[[3-[(3-ethyl-3-oxetanyl)methoxy]propyl]dimethylsiloxy]octasilsesquioxane;Octaallyloxetane silsesquioxane、Octa[(3-Propylglycidylether)Dimethylsiloxy]Silsesquioxane;Octakis[[3-(2,3-epoxypropoxy)propyl]dimethylsiloxy]octasilsesquioxane、Octakis[[2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl]dimethylsiloxy]octasilsesquioxane、Octakis[2-(vinyl)dimethylsiloxy]silsesquioxane;Octakis(dimethylvinylsiloxy)octasilsesquioxane、Octakis[(3-hydroxypropyl)dimethylsiloxy]octasilsesquioxane、Octa[(methacryloylpropyl)dimethylsilyloxy]silsesquioxane Octakis[(3-methacryloxypropyl)dimethylsiloxy]octasilsesquioxane、また下記構造式の化合物が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 本発明のガスバリア層は、単層でも、複数の同様な層を積層してもよく、複数の層で、さらにガスバリア性を向上させることも出来る。
 本発明に係るガスバリアフィルムによって得られる水蒸気透過率は、1×10-3g/(m・24h)未満であり、さらに好ましくは、1×10-5g/(m・24h)未満である。
 本発明のバリア層はより平滑な面に形成されることが好ましく、以下に平滑層を有するフィルムについて説明する。
 〈フィルム支持体〉
 平滑層を有するフィルム支持体は、後述のバリア性を有するガスバリア層を保持することができる有機材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。
 例えばアクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ナイロン(Ny)、芳香族ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等の各樹脂フィルム、有機無機ハイブリッド構造を有するシルセスキオキサンを基本骨格とした耐熱透明フィルム(製品名Sila-DEC、チッソ株式会社製)、更には前記樹脂を2層以上積層して成る樹脂フィルム等を挙げることができる。コストや入手の容易性の点では、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)などが好ましく用いられ、また、光学的透明性、耐熱性、無機層、ガスバリア層との密着性の点においては、有機無機ハイブリッド構造を有するシルセスキオキサンを基本骨格とした耐熱透明フィルムが好ましく用いることができる。支持体の厚みは5~500μm程度が好ましく、更に好ましくは25~250μmである。
 また、本発明に係る樹脂フィルム支持体は透明であることが好ましい。支持体が透明であり、支持体上に形成する層も透明であることにより、透明なガスバリアフィルムとすることが可能となるため、光電変換素子(太陽電池)等の透明基板とすることも可能となるからである。
 また、上記に挙げた樹脂等を用いた樹脂フィルム支持体は、未延伸フィルムでもよく、延伸フィルムでもよい。
 本発明に用いられる樹脂フィルム支持体は、従来公知の一般的な方法により製造することが可能である。例えば、材料となる樹脂を押し出し機により溶融し、環状ダイやTダイにより押し出して急冷することにより、実質的に無定形で配向していない未延伸の支持体を製造することができる。また、未延伸の支持体を一軸延伸、テンター式逐次二軸延伸、テンター式同時二軸延伸、チューブラー式同時二軸延伸などの公知の方法により、支持体の流れ(縦軸)方向、または支持体の流れ方向と直角(横軸)方向に延伸することにより延伸支持体を製造することができる。この場合の延伸倍率は、支持体の原料となる樹脂に合わせて適宜選択することできるが、縦軸方向および横軸方向にそれぞれ2~10倍が好ましい。
 また、本発明に係る樹脂フィルム支持体においては、ガスバリア層を形成する前にコロナ放電処理を行ってもよい。
 さらに、本発明に係る支持体表面には、ガスバリア層との密着性の向上を目的としてアンカーコート剤層を形成してもよい。このアンカーコート剤層に用いられるアンカーコート剤としては、ポリエステル樹脂、イソシアネート樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、ビニル変性樹脂、エポキシ樹脂、変性スチレン樹脂、変性シリコン樹脂、およびアルキルチタネート等を、1または2種以上併せて使用することができる。これらのアンカーコート剤には、従来公知の添加剤を加えることもできる。そして、上記のアンカーコート剤は、ロールコート、グラビアコート、ナイフコート、ディップコート、スプレーコート等の公知の方法により支持体上にコーティングし、溶剤、希釈剤等を乾燥除去することによりアンカーコーティングすることができる。上記のアンカーコート剤の塗布量としては、0.1~5g/m(乾燥状態)程度が好ましい。
 〈平滑層〉
 本発明に係るフィルム支持体表面は平滑層を有する。フィルム支持体上の平滑層は、突起等が存在する透明樹脂フィルム支持体の粗面を平坦化し、あるいは、透明樹脂フィルム支持体に存在する突起により透明無機化合物層に生じた凹凸やピンホールを埋めて平坦化するために設けられる。このような平滑層は、基本的には感光性樹脂を硬化させて形成される。
 平滑層を有することで、ピンホールや凹凸等がないため、ガスバリア層にクラックが生じにくく、前記の水蒸気透過率が得られる。
 平滑層の感光性樹脂としては、例えば、ラジカル反応性不飽和化合物を有するアクリレート化合物を含有する樹脂組成物、アクリレート化合物とチオール基を有するメルカプト化合物を含有する樹脂組成物、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、ポリエチレングリコールアクリレート、グリセロールメタクリレート等の多官能アクリレートモノマーを溶解させた樹脂組成物等が挙げられる。また、上記のような樹脂組成物の任意の混合物を使用することも可能であり、光重合性不飽和結合を分子内に1個以上有する反応性のモノマーを含有している感光性樹脂であれば特に制限はない。
 感光性樹脂の組成物は光重合開始剤を含有してもよい。
 平滑層の形成方法は特に制限はないが、スピンコーティング法、スプレー法、ブレードコーティング法、ディップ法等のウエットコーティング法、あるいは、蒸着法等のドライコーティング法により形成することが好ましい。
 平滑層の形成では、上述の感光性樹脂に、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤等の添加剤を加えることができる。また、平滑層の積層位置に関係なく、いずれの平滑層においても、成膜性向上および膜のピンホール発生防止等のために適切な樹脂や添加剤を使用してもよい。
 平滑層の平滑性は、表面粗さで表現される値で、最大断面高さRt(p)が、10nm以上、30nm以下であることが好ましい。この範囲よりも値が小さい場合には、後述の珪素化合物を塗布する段階で、ワイヤーバー、ワイヤレスバーなどの塗布方式で、平滑層表面に塗工手段が接触する場合に、塗布性が損なわれる場合がある。また、この範囲よりも大きい場合には、珪素化合物を塗布した後の、凹凸を平滑化することが難しくなる場合がある。
 表面粗さは、AFM(原子間力顕微鏡)で、極小の先端半径の触針を持つ検出器で連続測定した凹凸の断面曲線から算出され、極小の先端半径の触針により測定方向が数十μmの区間内を多数回測定し、微細な凹凸の振幅に関する粗さである。
 〈平滑層への添加剤〉
 好ましい態様の一つは、前述の感光性樹脂中に表面に光重合反応性を有する感光性基が導入された反応性シリカ粒子(以下、単に「反応性シリカ粒子」ともいう)を含むものである。ここで光重合性を有する感光性基としては、(メタ)アクリロイルオキシ基に代表される重合性不飽和基などを挙げることができる。また感光性樹脂は、この反応性シリカ粒子の表面に導入された光重合反応性を有する感光性基と光重合反応可能な化合物、例えば、重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物を含むものであってもよい。また感光性樹脂としては、このような反応性シリカ粒子や重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物に適宜汎用の希釈溶剤を混合することによって固形分を調整したものを用いることができる。
 ここで反応性シリカ粒子の平均粒子径としては、0.001~0.1μmの平均粒子径であることが好ましい。平均粒子径をこのような範囲にすることにより、後述する平均粒子径1~10μmの無機粒子からなるマット剤と組合せて用いることによって、本発明の効果である防眩性と解像性とをバランス良く満たす光学特性と、ハードコート性とを兼ね備えた平滑層を形成し易くなる。尚、このような効果をより得易くする観点からは、更に平均粒子径として0.001~0.01μmのものを用いることがより好ましい。本発明に用いられる平滑層中には、上述の様な無機粒子を質量比として20%以上60%以下含有することが好ましい。20%以上添加することで、ガスバリア層との密着性が向上する。また60%を超えると、フィルムを湾曲させたり、加熱処理を行った場合にクラックが生じたり、ガスバリアフィルムの透明性や屈折率などの光学的物性に影響を及ぼすことがある。
 本発明では、重合性不飽和基修飾加水分解性シランが、加水分解性シリル基の加水分解反応によって、シリカ粒子との間に、シリルオキシ基を生成して化学的に結合しているようなものを、反応性シリカ粒子として用いることができる。
 加水分解性シリル基としては、例えば、アルコキシリル基、アセトキシシリル基等のカルボキシリレートシリル基、クロルシリル基等のハロゲン化シリル基、アミノシリル基、オキシムシリル基、ヒドリドシリル基等が挙げられる。
 重合性不飽和基としては、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基、ビニル基、プロペニル基、ブタジエニル基、スチリル基、エチニイル基、シンナモイル基、マレート基、アクリルアミド基等が挙げられる。
 本発明における平滑層の厚みとしては、1~10μm、好ましくは2~7μmであることが望ましい。1μm以上にすることにより、平滑層を有するフィルムとしての平滑性を十分なものにし易くなり、10μm以下にすることにより、平滑フィルムの光学特性のバランスを調整し易くなると共に、平滑層を透明高分子フィルムの一方の面にのみ設けた場合における平滑フィルムのカールを抑え易くすることができるようになる。
 また、本発明に係る支持体にはブリードアウト防止層を設けることができる。
 〈ブリードアウト防止層〉
 ブリードアウト防止層は、平滑層を有するフィルムを加熱した際に、フィルム支持体中から未反応のオリゴマーなどが表面へ移行して、接触する面を汚染してしまう現象を抑制する目的で、平滑層を有する基材の反対面に設けられる。ブリードアウト防止層は、この機能を有していれば、基本的に平滑層と同じ構成をとっても構わない。
 ブリードアウト防止層に含ませることが可能な、重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物としては、分子中に2個以上の重合性不飽和基を有する多価不飽和有機化合物、あるいは分子中に1個の重合性不飽和基を有する単価不飽和有機化合物等を挙げることができる。
 その他の添加剤として、マット剤を含有しても良い。マット剤としては、平均粒子径が0.1~5μm程度の無機粒子が好ましい。
 このような無機粒子としては、シリカ、アルミナ、タルク、クレイ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化ジルコニウム等の1種又は2種以上を併せて使用することができる。
 ここで無機粒子からなるマット剤は、ブリードアウト防止層の固形分100質量部に対して2質量部以上、好ましくは4質量部以上、より好ましくは6質量部以上、20質量部以下、好ましくは18質量部以下、より好ましくは16質量部以下の割合で混合されていることが望ましい。
 またブリードアウト防止層には、ハードコート剤及びマット剤の他の成分として熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、電離放射線硬化性樹脂、光重合開始剤等を含有させてもよい。
 以上のようなブリードアウト防止層は、ハードコート剤、マット剤、および必要に応じて他の成分を配合して、適宜必要に応じて用いる希釈溶剤によって塗布液として調製し、当該塗布液を支持体フィルム表面に従来公知の塗布方法によって塗布した後、電離放射線を照射して硬化させることにより形成することができる。尚、電離放射線を照射する方法としては、超高圧水銀灯、高圧水銀灯、低圧水銀灯、カーボンアーク、メタルハライドランプなどから発せられる100~400nm、好ましくは200~400nmの波長領域の紫外線を照射する、又は走査型やカーテン型の電子線加速器から発せられる100nm以下の波長領域の電子線を照射することにより行うことができる。
 ブリードアウト防止層の厚みとしては、1~10μm、好ましくは2~7μmであることが望ましい。1μm以上にすることにより、フィルムとしての耐熱性を十分なものにし易くなり、10μm以下にすることにより、平滑フィルムの光学特性のバランスを調整し易くなると共に、平滑層を透明高分子フィルムの一方の面に設けた場合におけるバリアフィルムのカールを抑え易くすることができるようになる。
 〈プラズマ放電処理〉
 本発明において、ポリシラザン化合物等の珪素化合物を塗布し形成された珪素化合物層に対し用いられるプラズマ放電処理は、プラズマCVD法における場合の原材料の供給を行わず、酸化性ガスとプラズマ状態になりやすい放電ガスを供給しながら、プラズマ放電処理を行うものである。
 酸化性ガスとしては、酸素がその代表例である。放電ガスとしては、窒素ガスおよび/または周期表の第18属原子、具体的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等が用いられる。これらの中でも窒素、ヘリウム、アルゴンが好ましく用いられ、特に窒素がコストも安く好ましい。
 本発明のガスバリアフィルムは、珪素化合物層形成後に、さらにスパッタリング法、イオンアシスト法、後述するプラズマCVD法、大気圧または大気圧近傍の圧力下でのプラズマCVD法等を適用して形成されたものであることが好ましく、特に大気圧プラズマCVDによる方法は、減圧チャンバー等が不要で、高速製膜ができ生産性の高い製膜方法であり好ましい。上記珪素化合物から形成された層を大気圧プラズマCVD処理することで、ガスバリア性の高い酸化珪素を含有する層を形成することが可能となる。
 通常のスパッタリング法、イオンアシスト法、プラズマCVD法では、バリア性の高い膜を形成できる反面、製膜工程において、パーティクルと呼ばれる微粒子状の異物が発生し、ガスバリア層中あるいは表面に付着した欠陥を生じやすい欠陥がある。
 本発明のバリアフィルムは、例えこの様な欠陥が生じても、前述の珪素化合物を有する層の存在により、欠陥部からのガス透過を抑制することができ、より高いガスバリア性を実現できるものである。
 本発明におけるこれらの珪素化合物を有する層の厚さは、用いられる材料の種類、構成により最適条件が異なり、適宜選択されるが、30~2000nmの範囲内であることが好ましい。珪素化合物を有する層の厚さが、上記の範囲より薄い場合には、均一な膜が得られず、ガスに対するバリア性の向上を得られにくいからである。また、珪素化合物を有する層の厚さが上記の範囲より厚い場合には、ガスバリアフィルムにフレキシビリティを保持させることが困難であり、成膜後に折り曲げ、引っ張り等の外的要因により、ガスバリアフィルムに亀裂が生じる等のおそれがあるからである。
 厚みがこれ以下であると膜欠陥が多く、充分な防湿性が得られない。また、厚みが大きい方が理論的には防湿性は高いが、余り大きいと内部応力が不必要に大きくなり、割れやすく好ましい防湿性が得られない。
 また、本発明においては、上記珪素化合物を有する層が、透明であることが好ましい。透明であることにより、ガスバリアフィルムを透明なものとすることが可能となり、光電変換素子等の透明基板等の用途にも使用することが可能となるからである。ガスバリアフィルムの光透過率としては、例えば試験光の波長を550nmとしたとき透過率が80%以上のものが好ましく、90%以上が更に好ましい。
 次に大気圧または大気圧近傍の圧力下におけるプラズマ放電処理について説明する。
 本発明において、プラズマ放電処理は、大気圧もしくはその近傍の圧力下で行われることが好ましく、大気圧もしくはその近傍の圧力とは20kPa~110kPa程度であり、本発明に記載の良好な効果を得るためには、93kPa~104kPaが好ましい。
 本発明における放電条件についても、放電空間に、前記第1の高周波電界と第2の高周波電界とを重畳させる所謂二周波方式を用いることが好ましく、前記第1の高周波電界の周波数ω1より前記第2の高周波電界の周波数ω2が高く、且つ、前記第1の高周波電界の強さV1、前記第2の高周波電界の強さV2および放電開始電界の強さIVとの関係が、
V1≧IV>V2 または V1>IV≧V2
を満たし、前記第2の高周波電界の出力密度が、
1W/cm以上であることが好ましい。
 高周波とは、少なくとも40kHzの周波数を有するものを言う。
 重畳する高周波電界が、ともにサイン波である場合、第1の高周波電界の周波数ω1と該周波数ω1より高い第2の高周波電界の周波数ω2とを重ね合わせた成分となり、その波形は周波数ω1のサイン波上に、それより高い周波数ω2のサイン波が重なった鋸歯状の波形となる。
 本発明において、放電開始電界の強さとは、実際の薄膜形成方法に使用される放電空間(電極の構成など)および反応条件(ガス条件など)において放電を起こすことの出来る最低電界強度のことを指す。放電開始電界強度は、放電空間に供給されるガス種や電極の誘電体種または電極間距離などによって多少変動するが、同じ放電空間においては、放電ガスの放電開始電界強度に支配される。
 上記でサイン波等の連続波の重畳について説明したが、これに限られるものではなく、両方パルス波であっても、一方が連続波でもう一方がパルス波であってもかまわない。また、更に第3の電界を有していてもよい。
 上記本発明の高周波電界を、同一放電空間に印加する具体的な方法としては、対向電極を構成する第1電極に周波数ω1であって電界強度V1である第1の高周波電界を印加する第1電源を接続し、第2電極に周波数ω2であって電界強度V2である第2の高周波電界を印加する第2電源を接続した大気圧プラズマ放電処理装置を用いることである。
 上記の大気圧プラズマ放電処理装置には、対向電極間に、放電ガスと反応性ガスとを供給するガス供給手段を備える。更に、電極の温度を制御する電極温度制御手段を有することが好ましい。
 また、第1電極、第1電源またはそれらの間の何れかには第1フィルタを、また第2電極、第2電源またはそれらの間の何れかには第2フィルタを接続することが好ましく、第1フィルタは第1電源から第1電極への第1の高周波電界の電流を通過しやすくし、第2の高周波電界の電流をアースして、第2電源から第1電源への第2の高周波電界の電流を通過しにくくする。また、第2フィルタはその逆で、第2電源から第2電極への第2の高周波電界の電流を通過しやすくし、第1の高周波電界の電流をアースして、第1電源から第2電源への第1の高周波電界の電流を通過しにくくする機能が備わっているものを使用する。ここで、通過しにくいとは、好ましくは、電流の20%以下、より好ましくは10%以下しか通さないことをいう。逆に通過しやすいとは、好ましくは電流の80%以上、より好ましくは90%以上を通すことをいう。
 さらに、本発明の大気圧プラズマ放電処理装置の第1電源は、第2電源より高い高周波電界強度を印加出来る能力を有していることが好ましい。
 ここで、本発明でいう高周波電界強度(印加電界強度)と放電開始電界強度は、下記の方法で測定されたものをいう。
高周波電界強度V1及びV2(単位:kV/mm)の測定方法:
 各電極部に高周波電圧プローブ(P6015A)を設置し、該高周波電圧プローブの出力信号をオシロスコープ(Tektronix社製、TDS3012B)に接続し、電界強度を測定する。
放電開始電界強度IV(単位:kV/mm)の測定方法:
 電極間に放電ガスを供給し、この電極間の電界強度を増大させていき、放電が始まる電界強度を放電開始電界強度IVと定義する。測定器は上記高周波電界強度測定と同じである。
 本発明で規定する放電条件をとることにより、例え窒素ガスのように放電開始電界強度が高い放電ガスでも、放電を開始し、高密度で安定なプラズマ状態を維持出来、高性能な薄膜形成を行うことが出来るのである。
 上記の測定により放電ガスを窒素ガスとした場合、その放電開始電界強度IV(1/2Vp-p)は3.7kV/mm程度であり、従って、上記の関係において、第1の高周波電界強度を、V1≧3.7kV/mmとして印加することによって窒素ガスを励起し、プラズマ状態にすることが出来る。
 ここで、第1電源の周波数としては、200kHz以下が好ましく用いることが出来る。またこの電界波形としては、連続波でもパルス波でもよい。下限は40kHz程度が望ましい。
 一方、第2電源の周波数としては、800kHz以上が好ましく用いられる。この第2電源の周波数が高い程、プラズマ密度が高くなり、緻密で良質な薄膜が得られる。上限は200MHz程度が望ましい。
 このような2つの電源から高周波電界を印加することは、第1の高周波電界によって高い放電開始電界強度を有する放電ガスの放電を開始するのに必要であり、また第2の高周波電界の高い周波数および高い出力密度によりプラズマ密度を高くできることが本発明の重要な点である。
 また、第1の高周波電界の出力密度を高くすることで、放電の均一性を維持したまま、第2の高周波電界の出力密度を向上させることができる。これにより、更なる均一高密度プラズマが生成できる。
 本発明に用いられる大気圧プラズマ放電処理装置において、前記第1フィルタは、第1電源から第1電極への第1の高周波電界の電流を通過しやすくし、第2の高周波電界の電流をアースして、第2電源から第1電源への第2の高周波電界の電流を通過しにくくする。また、第2フィルタはその逆で、第2電源から第2電極への第2の高周波電界の電流を通過しやすくし、第1の高周波電界の電流をアースして、第1電源から第2電源への第1の高周波電界なく使用出来る。
 例えば、第1フィルタとしては、第2電源の周波数に応じて数10pF~数万pFのコンデンサ、もしくは数μH程度のコイルを用いることが出来る。第2フィルタとしては、第1電源の周波数に応じて10μH以上のコイルを用い、これらのコイルまたはコンデンサを介してアース接地することでフィルタとして使用出来る。
 供給電力は高いほど良く、第1電源は1W/cm以上が好ましく、2W/cm以上がより好ましく、5W/cm以上が更に好ましい。第2電源は、1W/cm以上が好ましく、5W/cm以上がより好ましく、11W/cm以上が更に好ましい。
 また、放電ガスとしては、窒素ガスおよび/または周期表の第18属原子、具体的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等が用いられる。これらの中でも窒素、ヘリウム、アルゴンが好ましく用いられ、特に窒素がコストも安く好ましい。反応性ガスとしては珪素化合物を珪素酸化物にできれば限定はないが、酸素、水が好ましい。
 本発明に適用できる大気圧プラズマ放電処理装置としては、例えば、特開2004-68143号公報、同2003-49272号公報、国際特許第02/48428号パンフレット等に記載されている大気圧プラズマ放電処理装置を挙げることができる。
 また、大気圧プラズマ放電処理装置に設置する電源としては、神鋼電機 SPG50-4500(周波数50kHz)、ハイデン研究所 PHF-6k(100kHz)、パール工業 CF-2000-200k(200kHz)、CF-2000-400k(400kHz)、CF-2000-800k(800kHz)、CF-2000-2M(2MHz)、CF-2000-13M(13.56MHz)、CF-2000-27M(27MHz)、CF-2000-150M(150MHz)等の市販のものが挙げられ、いずれも好ましく使用できる。
 前記珪素化合物層を形成するポリシラザン化合物等の塗膜は、真空紫外光(VUV光)の照射により改質して無機化合物層(ガスバリア層)としてもよい。以下詳しく説明する。
 (真空紫外線(VUV光)処理)
 本発明のガスバリア層は、ポリシラザン含有溶液を基材上に塗布、乾燥した後、ポリシラザンを含む塗膜に真空紫外線を照射する方法で改質膜を形成することが好ましい。この真空紫外線(VUV光)照射により、ポリシラザンの分子結合を切断し、また膜内若しくは雰囲気内に微量に存在する酸素でも効率的にオゾン若しくは活性酸素に変換する事が可能であり、塗膜のセラミックス化(シリカ改質)が促進され、また得られるセラミックス膜が一層緻密になる。VUV光照射は、塗膜形成後であればいずれの時点で実施しても有効である。
 本発明における真空紫外線とは、具体的には100~200nmの真空紫外線(VUV光)が用いられる。真空紫外線の照射は、照射される塗膜を担持している基材がダメージを受けない範囲で照射強度及び/又は照射時間を設定する。基材としてプラスチックフィルムを用いた場合を例にとると、基材表面の強度が10~300mW/cmになるように基材-ランプ間距離を設定し、0.1秒~10分間、好ましくは0.5秒~3分の照射を行うことができる。真空紫外線照射装置は、市販のランプ(例えば、ウシオ電機製)を使用することが可能である。
 VUV光照射はバッチ処理にも連続処理にも適合可能であり、被塗布基材の形状によって適宜選定することができる。例えば、バッチ処理の場合には、ポリシラザン塗膜を表面に有する基材を、真空紫外線発生源を具備した真空紫外線焼成炉で処理することができる。真空紫外線焼成炉自体は一般に知られており、例えば、ウシオ電機(株)製を使用することができる。また、ポリシラザン塗膜を表面に有する基材が長尺フィルム状である場合には、これを搬送させながら上記のような真空紫外線発生源を具備した乾燥ゾーンで連続的に真空紫外線を照射することによりセラミックス化することができる。
 該真空紫外光はほとんどの物質の原子間結合力より大きいため、原子の結合を光量子プロセスと呼ばれる光子のみによる作用により、直接切断することが可能であるため好ましく用いる事ができる。この作用を用いる事により、加水分解を必要とせず低温でかつ効率的に改質処理が可能となる。
 これに必要な真空紫外光源としては、希ガスエキシマランプが好ましく用いられる。
 エキシマランプは光の発生効率が高いため低い電力の投入で点灯させることが可能である。また、光による温度上昇の要因となる波長の長い光は発せず、紫外線領域で、単波長でエネルギーを照射するため、解射対象物の表面温度の上昇が抑えられる特徴を持っている。このため、熱の影響を受けやすいとされるPETなどのフレシキブルフィルム材料に適している。
 (真空紫外線の照射強度)
 (高照射強度処理と最大照射強度)
 照射強度が高ければ、光子とポリシラザン内の化学結合が衝突する確率が増え、改質反応を短時間化することができる。また、内部まで侵入する光子の数も増加するため改質膜厚も増加及び/または膜質の良化(高密度化)が可能である。但し、照射時間を長くしすぎると平面性の劣化やバリア性フィルムの他の材料にダメージを与える場合がある。一般的には、照射強度と照射時間の積で表される積算光量で反応進行具合を考えるが、酸化シリコンの様に組成は同一でも、様々な構造形態をとる材料に於いては、照射強度の絶対値が重要になる場合もある。
 従って、VUV照射において、少なくとも100~200mW/cmの最大照射強度を与える改質処理を行うことが好ましい。この強度以下だと急激に改質効率が劣化し、処理に時間を要する事になり、照射強度をこれより高くすると、ガスバリア性能の上昇は鈍化する一方で、基材へのダメージばかりでなく、ランプやランプユニットのその他の部材へのダメージも大きくなり、ランプ自体の劣化を早める事になってしまう。
 (VUV光の照射時間)
 照射時間は、任意に設定可能であるが、基材ダメージや膜欠陥生成の観点およびガスバリア性能のバラつき低減の観点から高照度工程での照射時間は0.1秒~3分間が好ましい。より好ましくは0.5秒~1分である。
 (VUV光照射時の酸素濃度)
 VUV光照射時の酸素濃度は500ppm~10000ppm(1%)とすることが好ましい。より好ましくは、1000ppm~5000ppmである。前記の濃度範囲より酸素濃度が高いと、酸素過多のガスバリア膜となり、特ガスバリア性が劣化する。
 また、照射時に敢えて酸素を導入しなくとも改質反応に要する酸素を供給する酸素源は十分にポリシラザン含有塗膜中にある事が分かった。
 むしろ、酸素ガスが多く(数%レベル)含まれる雰囲気でVUV光を照射した場合、改質後のガスバリア膜が酸素過多の構造となり、ガスバリア性が劣化してしまう。
 VUV光照射時には、できるだけ酸素濃度の低い状態で、VUV光が効率良く塗膜まで到達する状態で改質処理することが好ましい。
 本発明のガスバリアフィルムは、種々の封止用材料、フィルムとして用いることができる。
 本発明のガスバリアフィルムは、光電変換素子に特に有用に用いることができる。光電変換素子に用いる際に、本発明のガスバリアフィルムは透明であるため、このガスバリアフィルムを支持体として用いてこの側から太陽光の受光を行うように構成できる。即ち、このガスバリアフィルム上に、例えば、ITO等の透明導電性薄膜を透明電極として設け、光電変換素子用樹脂支持体を構成することができる。そして、支持体上に設けられたITO透明導電膜を電極としてこの上に半導体層を設け、更に金属膜からなる電極を形成して光電変換素子を形成することができる。この上に別の封止材料を(同じでもよいが)重ねて前記ガスバリアフィルム支持体と周囲を接着、素子を封じ込めることで光電変換素子を封止することができ、これにより外気の湿気や酸素等のガスによる光電変換素子への影響を封じることが出来る。
 光電変換素子用樹脂支持体はこの様にして形成されたガスバリアフィルムの珪素および酸素を含有するセラミックからなるガスバリア層上に、透明導電性膜を形成することによって得られる。
 透明導電膜の形成は、真空蒸着法やスパッタリング法等を用いることにより、また、インジウム、スズ等の金属アルコキシド等を用いたゾルゲル法等塗布法によっても製造できる。
 透明導電膜の膜厚としては、0.1nm~1000nmの範囲の透明導電膜が好ましい。
 次いでこれらガスバリアフィルム、またこれに透明導電膜が形成された有機光電変換素子用樹脂支持体を用いた有機光電変換素子について説明する。
 〔封止フィルムとその製造方法〕
 本発明は、前記セラミック層を有するガスバリアフィルムを基板として用いることが特徴の一つである。
 前記セラミック層を有するガスバリアフィルムにおいてセラミック層上に、更に透明導電膜を形成し、これを陽極としてこの上に、有機光電変換素子を構成する層、陰極となる層とを積層し、この上に更にもう一つのガスバリアフィルムを封止フィルムとして、重ね接着することで封止することができる。
 用いられるもう一つの封止材料(封止フィルム)としては、本発明に係わる前記緻密な構造を有するセラミック層を有するガスバリアフィルムを用いることができる。また、例えば、包装材等に使用される公知のガスバリアフィルム、例えばプラスチックフィルム上に酸化ケイ素や、酸化アルミニウムを蒸着したもの、緻密なセラミック層と、柔軟性を有する衝撃緩和ポリマー層を交互に積層した構成のガスバリアフィルム等を封止フィルムとして用いることが出来る。また特に、樹脂ラミネート(ポリマー膜)された金属箔は、光取りだし側のガスバリアフィルムとして用いることはできないが、低コストで更に透湿性の低い封止材料であり光取り出しを意図しない(透明性を要求されない)場合封止フィルムとして好ましい。
 本発明において金属箔とはスパッタや蒸着等で形成された金属薄膜や、導電性ペースト等の流動性電極材料から形成された導電膜と異なり、圧延等で形成された金属の箔またはフィルムを指す。
 金属箔としては、金属の種類に特に限定はなく、例えば銅(Cu)箔、アルミニウム(Al)箔、金(Au)箔、黄銅箔、ニッケル(Ni)箔、チタン(Ti)箔、銅合金箔、ステンレス箔、スズ(Sn)箔、高ニッケル合金箔等が挙げられる。これらの各種の金属箔の中で特に好ましい金属箔としてはAl箔が挙げられる。
 金属箔の厚さは6~50μmが好ましい。6μm未満の場合は、金属箔に用いる材料によっては使用時にピンホールが空き、必要とするガスバリア性(透湿度、酸素透過率)が得られなくなる場合がある。50μmを越えた場合は、金属箔に用いる材料によってはコストが高くなったり、有機光電変換素子が厚くなりフィルムのメリットが少なくなる場合がある。
 樹脂フィルム(ポリマー膜)がラミネートされた金属箔において樹脂フィルムとしては、機能性包装材料の新展開(株式会社 東レリサーチセンター)に記載の各種材料を使用することが可能であり、例えばポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリアミド系樹脂、エチレン-ビニルアルコール共重合体系樹脂、エチレン-酢酸ビニル共重合体系樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン共重合体系樹脂、セロハン系樹脂、ビニロン系樹脂、塩化ビニリデン系樹脂等が挙げられる。ポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂等の樹脂は、延伸されていてもよく、さらに塩化ビニリデン系樹脂をコートされていてもよい。また、ポリエチレン系樹脂は、低密度あるいは高密度のものも用いることができる。
 後述するが、2つのフィルムの封止方法としては、例えば、一般に使用されるインパルスシーラー熱融着性の樹脂層をラミネートして、インパルスシーラーで融着させ、封止する方法が好ましく、この場合、ガスバリアフィルム同士の封止は、フィルム膜厚が300μmを超えると封止作業時のフィルムの取り扱い性が悪化するのとインパルスシーラー等による熱融着が困難となるため膜厚としては300μm以下が望ましい。
 〔有機光電変換素子の封止〕
 本発明では、本発明に係わる前記セラミック層を有する樹脂フィルム(ガスバリアフィルム)上に透明導電膜を形成し、作製した有機光電変換素子用樹脂支持体上に、有機光電変換素子各層を形成した後、上記封止フィルムを用いて、不活性ガスによりパージされた環境下で、上記封止フィルムで陰極面を覆うようにして、有機光電変換素子を封止することができる。
 不活性ガスとしては、Nの他、He、Ar等の希ガスが好ましく用いられるが、HeとArを混合した希ガスも好ましく、気体中に占める不活性ガスの割合は、90~99.9体積%であることが好ましい。不活性ガスによりパージされた環境下で封止することにより、保存性が改良される。
 また、前記の樹脂フィルム(ポリマー膜)がラミネートされた金属箔を用いて、有機光電変換素子を封止するにあたっては、ラミネートされた樹脂フィルム面ではなく、金属箔上にセラミック層を形成し、このセラミック層面を有機光電変換素子の陰極に貼り合わせることが好ましい。封止フィルムのポリマー膜面を有機光電変換素子の陰極に貼り合わせると、部分的に導通が発生することがある。
 封止フィルムを有機光電変換素子の陰極に貼り合わせる封止方法としては、一般に使用されるインパルスシーラーで融着可能な樹脂フィルム、例えばエチレン酢酸ビニルコポリマー(EVA)やポリプロピレン(PP)フィルム、ポリエチレン(PE)フィルム等の熱融着性フィルムを積層して、インパルスシーラーで融着させ封止する方法がある。
 接着方法としてはドライラミネート方式が作業性の面で優れている。この方法は一般には1.0~2.5μm程度の硬化性の接着剤層を使用する。ただし接着剤の塗設量が多すぎる場合には、トンネル、浸み出し、縮緬皺等が発生することがあるため、好ましくは接着剤量を乾燥膜厚で3~5μmになるように調節することが好ましい。
 ホットメルトラミネーションとはホットメルト接着剤を溶融し支持体に接着層を塗設する方法であるが、接着剤層の厚さは一般に1~50μmと広い範囲で設定可能な方法である。一般に使用されるホットメルト接着剤のベースレジンとしては、EVA、EEA、ポリエチレン、ブチルラバー等が使用され、ロジン、キシレン樹脂、テルペン系樹脂、スチレン系樹脂等が粘着付与剤として、ワックス等が可塑剤として添加される。
 エクストルージョンラミネート法とは高温で溶融した樹脂をダイスにより支持体上に塗設する方法であり、樹脂層の厚さは一般に10~50μmと広い範囲で設定可能である。
 エクストルージョンラミネートに使用される樹脂としては一般に、LDPE、EVA、PP等が使用される。
 次いで、有機光電変換素子を構成する有機光電変換素子材料各層(構成層)について説明する。
 (有機光電変換素子および太陽電池の構成)
 本発明に係る有機光電変換素子の好ましい態様を説明するが、これに限定されるものではない。有機光電変換素子としては特に制限がなく、陽極と陰極と、両者に挟まれた発電層(p型半導体とn型半導体が混合された層、バルクヘテロジャンクション層、i層とも言う)が少なくとも1層以上あり、光を照射すると電流を発生する素子であればよい。
 有機光電変換素子の層構成の好ましい具体例を以下に示す。
(i)陽極/発電層/陰極
(ii)陽極/正孔輸送層/発電層/陰極
(iii)陽極/正孔輸送層/発電層/電子輸送層/陰極
(iv)陽極/正孔輸送層/p型半導体層/発電層/n型半導体層/電子輸送層/陰極
(v)陽極/正孔輸送層/第1発電層/電子輸送層/中間電極/正孔輸送層/第2発電層/電子輸送層/陰極
 ここで、発電層は、正孔を輸送できるp型半導体材料と電子を輸送できるn型半導体材料を含有していることが必要であり、これらは実質2層でヘテロジャンクションを形成していても良いし、1層の内部で混合された状態となっているバルクヘテロジャンクションを形成しても良いが、バルクヘテロジャンクション構成のほうが、光電変換効率が高いため好ましい。発電層に用いられるp型半導体材料、n型半導体材料については後述する。
 有機EL素子同様、発電層を正孔輸送層、電子輸送層で挟み込むことで、正孔及び電子の陽極・陰極への取り出し効率を高めることができるため、それらを有する構成((ii)、(iii))の方が好ましい。また、発電層自体も正孔と電子の整流性(キャリア取り出しの選択性)を高めるため、(iv)のようにp型半導体材料とn型半導体材料単体からなる層で発電層を挟み込むような構成(p-i-n構成ともいう)であっても良い。
 また、太陽光の利用効率を高めるため、異なる波長の太陽光をそれぞれの発電層で吸収するような、タンデム構成((v)の構成)であっても良い。
 太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、図1に示す有機光電変換素子10におけるサンドイッチ構造に替わって、一対の櫛歯状電極上にそれぞれ正孔輸送層14、電子輸送層16を形成し、その上に光電変換部15を配置するといった、バックコンタクト型の有機光電変換素子が構成とすることもできる。
 さらに、詳細な本発明に係る有機光電変換素子の好ましい態様を下記に説明する。
 図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、陽極12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層からなる発電層14、電子輸送層18及び陰極13が順次積層されている。
 基板11は、順次積層された陽極12、発電層14及び陰極13を保持する部材である。本実施形態では、基板11側から光電変換される光が入射するので、基板11は、この光電変換される光を透過させることが可能な、すなわち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材である。基板11は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板11は、必須ではなく、例えば、発電層14の両面に陽極12及び陰極13を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10が構成されてもよい。
 発電層14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。
 図1において、基板11を介して陽極12から入射された光は、発電層14のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。発生した電荷は、内部電界、例えば、陽極12と陰極13の仕事関数が異なる場合では陽極12と陰極13との電位差によって、電子は、電子受容体間を通り、また正孔は、電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。例えば、陽極12の仕事関数が陰極13の仕事関数よりも大きい場合では、電子は、陽極12へ、正孔は、陰極13へ輸送される。なお、仕事関数の大小が逆転すれば電子と正孔は、これとは逆方向に輸送される。また、陽極12と陰極13との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。
 なお図1には記載していないが、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、あるいは平滑化層等の他の層を有していてもよい。
 さらに好ましい構成としては、前記発電層14が、いわゆるp-i-nの三層構成となっている構成(図2)である。通常のバルクヘテロジャンクション層は、p型半導体材料とn型半導体層が混合した、i層単体であるが(14i)、p型半導体材料単体からなるp層(14p)、およびn型半導体材料単体からなるn層(14n)で挟むことにより、正孔及び電子の整流性がより高くなり、電荷分離した正孔・電子の再結合等によるロスが低減され、一層高い光電変換効率を得ることができる。
 さらに、太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。図3は、タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。タンデム型構成の場合、基板11上に、順次陽極12、第1の発電層14′を積層した後、電荷再結合層15を積層した後、第2の発電層16、次いで陰極13を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第2の発電層16は、第1の発電層14′の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。また第1の発電層14′、第2の発電層16がともに前述のp-i-nの三層構成であってもよい。
 以下に、これらの層を構成する材料について述べる。
 〔有機光電変換素子材料〕
 〈p型半導体材料〉
 本発明の発電層(バルクヘテロジャンクション層)に用いられるp型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマー・オリゴマーが挙げられる。
 縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)-テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)-過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。
 また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004-107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。
 共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3-ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン-チエノチオフェン共重合体、WO2008000664に記載のポリチオフェン-ジケトピロロピロール共重合体、Adv Mater,2007p4160に記載のポリチオフェン-チアゾロチアゾール共重合体,Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。
 また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα-セクシチオフェンα,ω-ジヘキシル-α-セクシチオフェン、α,ω-ジヘキシル-α-キンケチオフェン、α,ω-ビス(3-ブトキシプロピル)-α-セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。
 これらの化合物の中でも、溶液プロセスが可能な程度に有機溶剤への溶解性が高く、かつ乾燥後は結晶性薄膜を形成し、高い移動度を達成することが可能な化合物が好ましい。
 また、発電層上に電子輸送層を塗布で製膜する場合、電子輸送層溶液が発電層を溶かしてしまうという課題があるため、溶液プロセスで塗布した後に不溶化できるような材料を用いても良い。このような材料としては、Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェンのような、塗布後に塗布膜を重合架橋して不溶化できる材料、または米国特許出願公開第2003/136964号、および特開2008-16834号等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって可溶性置換基が反応して不溶化する(顔料化する)材料などを挙げることができる。
 〈n型半導体材料〉
 本発明のバルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料としては、特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、p型半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
 しかし、各種のp型半導体材料と高速(~50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができる、フラーレン誘導体が好ましい。フラーレン誘導体としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等、およびこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。
 中でも[6,6]-フェニルC61-ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)、[6,6]-フェニルC61-ブチリックアシッド-nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]-フェニルC61-ブチリックアシッド-イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]-フェニルC61-ブチリックアシッド-nヘキシルエステル(PCBH)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116等に記載のbis-PCBM、特開2006-199674号公報等のアミノ化フラーレン、特開2008-130889号公報等のメタロセン化フラーレン、米国特許第7329709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン等のような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。
 〈正孔輸送層・電子ブロック層〉
 本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陽極との中間には、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、正孔輸送層17を有していることが好ましい。
 これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層17としては、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、WO2006019270号等に記載のシアン化合物、などを用いることができる。なお、バルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した電子を陽極側には流さないような整流効果を有する、電子ブロック機能が付与される。このような正孔輸送層は、電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、特開平5-271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。バルクヘテロジャンクション層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。
 〈電子輸送層・正孔ブロック層〉
 本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陰極との中間には、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、電子輸送層18を有していることが好ましい。
 また電子輸送層18としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様に、バルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用するほうが好ましい。
 このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。
 〈その他の層〉
 エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層などを挙げることができる。
 〈陽極(第1電極)〉
 本発明の第1電極は、陰極、陽極は特に限定せず、素子構成により選択することができるが、好ましくは陽極(透明電極)として用いることである。例えば、陽極として用いる場合、好ましくは380~800nmの光を透過する透明電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ用いることができる。
 またポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせて透明電極とすることもできる。
 〈陰極(第2電極)〉
 陰極は導電材単独層であっても良いが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用しても良い。陰極の導電材としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム-カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子の取り出し性能及び酸化等に対する耐久性の点から、これら金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。対電極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm~5μm、好ましくは50~200nmの範囲で選ばれる。
 陰極の導電材として金属材料を用いれば陰極側に来た光は反射されて陽極側に反射され、この光が再利用可能となり、光電変換層で再度吸収され、より光電変換効率が向上し好ましい。
 また、陰極13は、金属(例えば金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等)、炭素からなるナノ粒子、ナノワイヤ、ナノ構造体であってもよく、ナノワイヤの分散物であれば、透明で導電性の高い陰極を塗布法により形成でき好ましい。
 また、陰極側を光透過性とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等の陰極に適した導電性材料を薄く1~20nm程度の膜厚で作製した後、上記陽極の説明で挙げた導電性光透過性材料の膜を設けることで、光透過性陰極とすることができる。
 〈中間電極〉
 また、前記(v)(または図3)のようなタンデム構成の場合に必要となる中間電極(電荷再結合層15)の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、前記陽極で用いたような材料(ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
 なお前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると1層形成する工程を省くことができ好ましい。
 〈金属ナノワイヤ〉
 本発明の導電性繊維としては、金属でコーティングした有機繊維や無機繊維、導電性金属酸化物繊維、金属ナノワイヤ、炭素繊維、カーボンナノチューブ等を用いることができるが、金属ナノワイヤが好ましい。
 一般に、金属ナノワイヤとは、金属元素を主要な構成要素とする線状構造体のことをいう。特に、本発明における金属ナノワイヤとはnmサイズの直径を有する線状構造体を意味する。
 本発明に係る金属ナノワイヤとしては、1つの金属ナノワイヤで長い導電パスを形成するために、また、適度な光散乱性を発現するために、平均長さが3μm以上であることが好ましく、さらには3~500μmが好ましく、特に3~300μmであることが好ましい。併せて、長さの相対標準偏差は40%以下であることが好ましい。また、平均直径は、透明性の観点からは小さいことが好ましく、一方で、導電性の観点からは大きい方が好ましい。本発明においては、金属ナノワイヤの平均直径として10~300nmが好ましく、30~200nmであることがより好ましい。併せて、直径の相対標準偏差は20%以下であることが好ましい。
 本発明に係る金属ナノワイヤの金属組成としては特に制限はなく、貴金属元素や卑金属元素の1種または複数の金属から構成することができるが、貴金属(例えば、金、白金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム等)及び鉄、コバルト、銅、錫からなる群に属する少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、導電性の観点から少なくとも銀を含むことがより好ましい。また、導電性と安定性(金属ナノワイヤの硫化や酸化耐性及びマイグレーション耐性)を両立するために、銀と、銀を除く貴金属に属する少なくとも1種の金属を含むことも好ましい。本発明に係る金属ナノワイヤが2種類以上の金属元素を含む場合には、例えば、金属ナノワイヤの表面と内部で金属組成が異なっていてもよいし、金属ナノワイヤ全体が同一の金属組成を有していてもよい。
 本発明において金属ナノワイヤの製造手段には特に制限はなく、例えば、液相法や気相法等の公知の手段を用いることができる。また、具体的な製造方法にも特に制限はなく、公知の製造方法を用いることができる。例えば、Agナノワイヤの製造方法としては、Adv.Mater.,2002,14,833~837;Chem.Mater.,2002,14,4736~4745等、Auナノワイヤの製造方法としては特開2006-233252号公報等、Cuナノワイヤの製造方法としては特開2002-266007号公報等、Coナノワイヤの製造方法としては特開2004-149871号公報等を参考にすることができる。特に、上述した、Adv.Mater.及びChem.Mater.で報告されたAgナノワイヤの製造方法は、水系で簡便にAgナノワイヤを製造することができ、また銀の導電率は金属中で最大であることから、本発明に係る金属ナノワイヤの製造方法として好ましく適用することができる。
 本発明においては、金属ナノワイヤが互いに接触し合うことにより3次元的な導電ネットワークを形成し、高い導電性を発現するとともに、金属ナノワイヤが存在しない導電ネットワークの窓部を光が透過することが可能となり、さらに、金属ナノワイヤの散乱効果によって、有機発電層部からの発電を効率的に行うことが可能となる。第1電極において金属ナノワイヤを有機発電層部に近い側に設置すれば、この散乱効果がより有効に利用できるのでより好ましい実施形態である。
 〈光学機能層〉
 本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していて良い。光学機能層としては、たとえば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層などを設けても良い。
 反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57~1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。
 集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。
 マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10~100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。
 また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物などのナノ粒子・ナノワイヤ等を無色透明なポリマーに分散した層などを挙げることができる。
 (各種の層の形成方法)
 電子受容体と電子供与体とが混合されたバルクヘテロジャンクション層、および輸送層・電極の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、バルクヘテロジャンクション層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
 この際に使用する塗布方法に制限は無いが、例えば、スピンコート法、溶液からのキャスト法、ディップコート法、ブレードコート法、ワイヤバーコート法、グラビアコート法、スプレーコート法等が挙げられる。さらには、インクジェット法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法等の印刷法でパターニングすることもできる。
 塗布後は残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、バルクヘテロジャンクション層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、バルクヘテロジャンクション層のキャリア移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。
 発電層(バルクヘテロジャンクション層)14は、電子受容体と電子供与体とが均一に混在された単一層で構成してもよいが、電子受容体と電子供与体との混合比を変えた複数層で構成してもよい。この場合、前述したような塗布後に不溶化できるような材料を用いることで形成することが可能となる。
 (パターニング)
 本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
 バルクヘテロジャンクション層、輸送層等の可溶性の材料であれば、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取っても良いし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしても良い。
 電極材料などの不溶性の材料の場合は、電極を真空堆積時にマスク蒸着を行ったり、エッチング又はリフトオフ等の公知の方法によってパターニングすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成しても良い。
 以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
 実施例1
 (支持体)
 熱可塑性樹脂支持体として、両面に易接着加工された125μm厚みの、ポリエステルフィルム(帝人デュポンフィルム株式会社製、テトロンO3)の基板を、170℃で30分アニール加熱処理したものを用いた。
 (平滑層およびブリードアウト防止層を有するフィルムの作製)
 バリアフィルムの作製は、上記支持体を30m/分の速度で搬送しながら、以下の形成方法により、片面にブリードアウト防止層、反対面に平滑層を形成後に、粘着性保護フィルムを貼合して、ロール状のバリアフィルムを得た。
 (ブリードアウト防止層の形成)
 上記支持体の片面に、JSR株式会社製 UV硬化型有機/無機ハイブリッドハードコート材 OPSTAR Z7535を塗布、乾燥後の膜厚が4μmになるようにワイヤーバーで塗布した後、硬化条件;1.0J/cm空気下、高圧水銀ランプ使用、乾燥条件;80℃、3分で硬化を行い、ブリードアウト防止層を形成した。
 (平滑層の形成)
 続けて上記支持体の反対面に、JSR株式会社製 UV硬化型有機/無機ハイブリッドハードコート材 OPSTAR Z7501を塗布、乾燥後の膜厚が4μmになるようにワイヤーバーで塗布した後、乾燥条件;80℃、3分で乾燥後、空気雰囲気下、高圧水銀ランプ使用、硬化条件;1.0J/cm硬化を行い、平滑層を形成した。
 このときの最大断面高さRt(p)は16nmであった。
 表面粗さは、AFM(原子間力顕微鏡)で、極小の先端半径の触針を持つ検出器で連続測定した凹凸の断面曲線から算出され、極小の先端半径の触針により測定方向が30μmの区間内を多数回測定し、微細な凹凸の振幅に関する平均の粗さである。
 (バリアフィルムの作製)
 (バリア層の形成)
 次に、上記平滑層、ブリードアウト防止層を設けた試料上に珪素化合物層を以下に示す条件で、形成した。
 〈珪素化合物層塗布液〉
 パーヒドロキシポリシラザン(PHPS)の20質量%ジブチルエーテル溶液
(AZエレクトロニックマテリアルズ(株)製 アクアミカ NAX120-20)
 ワイヤレスバーにて塗布し、塗布直後表1に示す塗布湿度環境下に1分放置後、表1に示す時間と温度で乾燥した。乾燥後の塗布膜厚は表1に記載の値になるようにワイヤレスバーの番手とパーヒドロキシポリシラザン溶液をジブチルエーテルで希釈することで調整した。
 〈プラズマ放電処理〉
 下記の条件でプラズマ放電処理を行い、ガスバリア層を形成した。
 また製膜時の支持体保持温度は、120℃とした。
 ロール電極型放電処理装置を用いて処理を実施。ロール電極に対向する棒状電極複数個をロール状フィルム支持体の幅手方向に設置し、各電極部に原料及び電力を投入し以下のように、塗工面をプラズマ処理した。
 ここで誘電体は対向する電極共に、セラミック溶射加工のものに片肉で1mm被覆した。また、被覆後の電極間隙は、1mmに設定した。また誘電体を被覆した金属母材は、冷却水による冷却機能を有するステンレス製ジャケット仕様であり、放電中は冷却水による電極温度コントロールを行いながら実施した。ここで使用する電源は、応用電機製高周波電源(80kHz)、パール工業製高周波電源(13.56MHz)を使用した。
放電ガス:Nガス
反応ガス:酸素ガス(全ガスに対する百分率を表1に示す)
低周波側電源電力:80kHzを3W/cm
高周波側電源電力:13.56MHzを11W/cm
 表1に示す電極下通過時間になるよう搬送速度を調整した。また、塗布乾燥後プラズマ処理までの間は、試料を23℃20%RH雰囲気下で約1~5時間保管した。
 なお、表1中の塗布膜厚は、TEMの断面写真より測定した。
 酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Si比は、上記のようにして得られたバリアフィルムを、スパッタ法を用いて表面から深さ方向へエッチングを行い、XPS表面分析装置を用いて、最表面を0nmとして、0.5nm/minの速度でスパッタし原子組成比を測定した。表1中に表層側2nm以内のO/Si組成比、また基材との境界からバリア層の厚み30%にあたるところまでのO/Si組成比についてそれぞれ平均値で示した。
 XPS表面分析装置としては、特に限定なく、いかなる機種も使用することができるが、本実施例においてはVGサイエンティフィックス社製ESCALAB-200Rを用いた。X線アノードにはMgを用い、出力600W(加速電圧15kV、エミッション電流40mA)で測定した。
 以上で、パーヒドロキシポリシラザン層塗布後の湿度環境、乾燥(加熱)温度、また、塗布膜厚、更に、プラズマ放電処理の酸素濃度、また、電極下通過時間を変えて試料5~17のガスバリアフィルムをそれぞれ作成した。
 また、比較試料を作製した。
 比較例1(試料1)
 実施例1(試料5)において、ポリシラザンを塗布乾燥したのち、プラズマ放電処理せず試料作製した。
 比較例2(試料2)
 実施例1(試料5)において、大気圧プラズマ放電処理を用いる代わりに、真空プラズマ装置PE-5000(Tepla AG社製)を使用し、酸素ガス1000ml/min、圧力40Pa、温度50℃、出力4200W、時間10minで行い試料作製した。
 比較例3(試料3)
 実施例1(試料5)において、大気圧プラズマ放電処理を用いる代わりに、真空下(比較例2の真空プラズマ装置を用いた)で、また窒素ガスの代わりにアルゴンガスにし、さらに酸素ガスと混合し放電処理した。アルゴン:酸素=1:1で80sccm(standard cc minute)、グロー電流80mAの条件で行った。詳細は特開2000-246830号(特許文献3)の表1条件で行った。
 比較例4(試料4)
 実施例1(試料5)において、ポリシラザンを塗布乾燥したのち、大気圧下で、30kHzでプラズマ放電処理をした。詳細は特開2007-237588号(特許文献4)の実施例11に従った。即ち、常圧で、酸素ガスを10L/minで流し、出力30kHzでプラズマ照射した。
 比較例5(試料H-1)
 実施例1(試料5)において、ポリシラザンを塗布乾燥したのち、100℃で2時間加熱処理した。
 試料V-1,V-2,V-3の作成
 実施例1(試料5)において、ポリシラザンの膜厚を変えて(表記載)塗布し乾燥したのち、下記エキシマランプを用いた改質処理装置により表面処理を行い試料作製した(表中VUVと表記)。
 (改質処理装置)
 株式会社 エム・ディ・コム製エキシマ照射装置MODEL:MECL-M-1-200、波長 172nm、ランプ封入ガス Xe
 稼動ステージ上に固定した試料を以下の条件で改質処理を行った。
 (改質処理条件)
 エキシマ光強度    130mW/cm(172nm)
 試料と光源の距離   1mm
 ステージ加熱温度   70℃
 照射装置内の酸素濃度 0.5%
 エキシマ照射時間   3秒
 試料1~4、H-1またV-1~V-3についても、XPS表面分析装置を用いて、表層側(最表面(0nm)から2nm以内)のO/Si組成比、また基材との境界からバリア層の厚み30%にあたるところまでのO/Si組成比を測定し表1中に示した。
 《光電変換素子の作製》
 あらかじめ、半径10mmの曲率になるように、180度の角度で50回屈曲を繰り返したバリアフィルム試料と屈曲を行わなかった試料を、作成した各試料について準備し、それぞれ、下記の透明導電膜の形成を行った。
 〈透明導電膜の形成〉
 プラズマ放電装置としては、電極が平行平板型のものを用い、この電極間に上記透明フィルムを載置し、且つ、混合ガスを導入して薄膜形成を行った。
 なお、アース(接地)電極としては、200mm×200mm×2mmのステンレス板に高密度、高密着性のアルミナ溶射膜を被覆し、その後、テトラメトキシシランを酢酸エチルで希釈した溶液を塗布乾燥後、紫外線照射により硬化させ封孔処理を行い、このようにして被覆した誘電体表面を研磨し、平滑にして、Rmax;5μmとなるように加工した電極を用いた。また、印加電極としては、中空の角型の純チタンパイプに対し、アース電極と同様の条件にて誘電体を被覆した電極を用いた。印加電極は複数作製し、アース電極に対向して設け放電空間を形成した。
 また、プラズマ発生に用いる電源としては、パール工業(株)製高周波電源CF-5000-13Mを用い、周波数13.56MHzで、5W/cmの電力を供給した。
 電極間に以下の組成の混合ガスを流し、プラズマ状態とし、上記の比較および作成条件を変化させたガスバリアフィルムを大気圧プラズマ処理し、ガスバリア層上に、錫ドープ酸化インジウム(ITO)膜を150nmの厚さで成膜し、透明導電膜付のバリアフィルム試料No.1~17、H-1、V-1~V-3を得た(表1記載)。
放電ガス:ヘリウム 98.5体積%
反応性ガス1:酸素 0.25体積%
反応性ガス2:インジウムアセチルアセトナート 1.2体積%
反応性ガス3:ジブチル錫ジアセテート 0.05体積%
 〈有機光電変換素子の作成〉
 あらかじめ、半径10mmの曲率になるように、180度の角度で100回屈曲を繰り返したバリアフィルム試料と、屈曲を行わなかったバリアフィルム試料から作成した、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を150nm堆積した(シート抵抗10Ω/□)バリアフィルム試料1~17、H-1、V-1~V-3にそれぞれ、通常のフォトリソグラフィ技術と湿式エッチングとを用いて2mm幅にパターニングし第1の電極を形成した。パターン形成した第1の電極(陽極)を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。
 この透明基板上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック社製)を膜厚が30nmになるように塗布乾燥した後、150℃で30分間熱処理させ正孔輸送層を製膜した。
 これ以降は、各バリアフィルム基板を窒素チャンバー中に持ち込み、窒素雰囲気下で作製した。
 まず、窒素雰囲気下で上記基板を150℃で10分間加熱処理した。次に、クロロベンゼンにP3HT(プレクトロニクス社製:レジオレギュラーポリ-3-ヘキシルチオフェン)とPCBM(フロンティアカーボン社製:6,6-フェニル-C61-ブチリックアシッドメチルエステル)を3.0質量%になるように1:0.8で混合した液を調製し、フィルタでろ過しながら膜厚が100nmになるように塗布を行い、室温で放置して乾燥させた。続けて、150℃で15分間加熱処理を行い、光電変換層を製膜した。
 次に、上記一連の機能層を製膜した基板を真空蒸着装置チャンバー内に移動し、1×10-4Pa以下まで真空蒸着装置内を減圧した後、蒸着速度0.01nm/秒でフッ化リチウムを0.6nm積層し、更に続けて、2mm幅のシャドウマスクを通して(受光部が2×2mmに成るように直行させて蒸着)、蒸着速度0.2nm/秒でAlメタルを100nm積層することで第2の電極を形成した。得られた有機光電変換素子を窒素チャンバーに移動し、以下の、封止用フィルムとUV硬化樹脂を用いて封止を行って、受光部が2×2mmサイズの有機光電変換素子試料No.1~17、H-1、V-1~V-3を作製した。
 〈有機光電変換素子の封止〉
 窒素ガス(不活性ガス)によりパージされた環境下で、基板に用いたものと同じ2枚のガスバリアフィルムのガスバリア層を設けた面を内側にして、シール材としてエポキシ系光硬化型接着剤をガスバリア層に塗布し、上記有機光電変換素子をガスバリアフィルム間に挟み込んで密着させた後、片側の基板側からUV光を照射して硬化させた。こうして両面封止済みの有機光電変換素子試料No.1~17、H-1、V-1~V-3が得られた。
 (評価)
 〈バリアフィルムの評価〉
 (水蒸気透過率の評価)
 以下の測定方法により評価した。
 装置
蒸着装置:日本電子(株)製真空蒸着装置JEE-400
恒温恒湿度オーブン:Yamato Humidic ChamberIG47M
レーザー顕微鏡:KEYENCE VK-8500
原子間力顕微鏡(AFM):Digital Instrments社製DI3100。
 原材料
水分と反応して腐食する金属:カルシウム(粒状)
水蒸気不透過性の金属:アルミニウム(φ3~5mm、粒状)
 (水蒸気バリア性評価用セルの作製)
 あらかじめ、半径10mmの曲率になるように、180度の角度で100回屈曲を繰り返したバリアフィルム試料No.1~17、H-1、V-1~V-3のセラミック層面に、真空蒸着装置(日本電子製真空蒸着装置 JEE-400)を用い、透明導電膜を付ける前のバリアフィルム試料の蒸着させたい部分(12mm×12mmを9箇所)以外をマスクし、金属カルシウムを蒸着させた。その後、真空状態のままマスクを取り去り、シート片側全面にアルミニウムをもう一つの金属蒸着源から蒸着させた。アルミニウム封止後、真空状態を解除し、速やかに乾燥窒素ガス雰囲気下で、厚さ0.2mmの石英ガラスに封止用紫外線硬化樹脂(ナガセケムテックス製)を介してアルミニウム封止側と対面させ、紫外線を照射することで、評価用セルを作製した。また、屈曲前後のガスバリア性の変化を確認するために、上記屈曲の処理を行わなかったバリアフィルムについても同様に、水蒸気バリア性評価用セルを作製した。
 得られた両面を封止した試料を60℃、90%RHの高温高湿下で保存し、特開2005-283561号記載の方法に基づき、金属カルシウムの腐蝕量からセル内に透過した水分量を計算した。
 なお、バリアフィルム面から以外の水蒸気の透過が無いことを確認するために、比較試料としてバリアフィルム試料の代わりに、厚さ0.2mmの石英ガラス板を用いて金属カルシウムを蒸着した試料を、同様な60℃、90%RHの高温高湿下保存を行い、1000時間経過後でも金属カルシウム腐蝕が発生しないことを確認した。
 以下の5段階で評価した。
 5: 1×10-5g/(m・24h)未満
 4: 1×10-5g/(m・24h)以上、1×10-4g/(m・24h)未満
 3: 1×10-4g/(m・24h)以上、1×10-3g/(m・24h)未満
 2: 1×10-3g/(m・24h)以上、1×10-2g/(m・24h)未満
 1: 1×10-2g/(m・24h)以上。
 〈有機光電変換素子耐久性の評価〉
 《エネルギー変換効率の評価》
 上記作製した光電変換素子試料1~17、H-1、V-1~V-3について、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cmの強度の光を照射し、有効面積を4.0mmにしたマスクを受光部に重ね、IV特性を評価することで、短絡電流密度Jsc(mA/cm)、開放電圧Voc(V)及びフィルファクターFF(%)を、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、下記式1に従って求めたエネルギー変換効率PCE(%)の4点平均値を見積もった。
(式1)PCE(%)=〔Jsc(mA/cm)×Voc(V)×FF(%)〕/100mW/cm
 初期電池特性としての変換効率を測定し、性能の経時的低下の度合いを温度60℃、湿度90%RH環境で1000時間保存した加速試験後の変換効率残存率により評価した。
 加速試験後の変換効率/初期変換効率
の比をとることで評価した。なお、光電変換素子については、上記屈曲の処理を行ったバリアフィルムを用いたもので評価した。
 5:90%以上
 4:70%以上、90%未満
 3:40%以上、70%未満
 2:20%以上、40%未満
 1:20%未満
 表1に結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 基材側より表層側の酸素と珪素の組成比O/Siが大きい試料が水蒸気透過率の評価においても優れ、また、これを用いた光電変換素子の変換効率劣化が向上している。
 実施例2
 実施例1で作製した試料No.5と同様に、大気圧プラズマ処理を行って作成したバリアフィルム試料に、再度パーヒドロポリシラザン溶液を同様の膜厚となるよう塗布し、乾燥して、更に大気圧プラズマ処理を再度繰返しガスバリアフィルムを作成したものを試料No.5-2、また、溶液塗布、大気圧プラズマ放電処理を、3回繰り返しガスバリアフィルムを作成したものをNo.5-3とした。実施例1と同様に評価したところ、表2から明らかなように変換効率が向上している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 実施例3
 ガスバリアフィルムの作成時大気圧プラズマ処理において、第1および第2電界の周波数と出力密度を表3に示すように変えて、大気圧プラズマ処理を行ってガスバリアフィルム試料を作成した。塗布膜厚は100nmになるようにし、酸素濃度は0%、電極下通過時間は6秒となるようにし、それ以外の塗布乾燥条件は試料No.5と同様にした。
 表3から明らかなように高周波電界下でプラズマ処理することで水蒸気透過率が低く、ダークスポットが発生しにくくなる。
 なお、試料No.26(比較)はパーヒドロキシポリシラザンを塗布せず、特開2004-84027号の試料No.26と同様にヘキサメチルジシラザンをアルゴンガスでバブリングさせて供給し、珪素化合物膜を形成させた。
 以上で作成したガスバリアフィルム試料No.18~26、およびこれから作成した光電変換素子について実施例1と同様に評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 実施例4
 実施例3で作製した試料No.23と同様に大気圧プラズマ処理を行った試料を、再度パーヒドロポリシラザンを同様の膜厚となるよう塗布・乾燥し、大気圧プラズマ処理を繰返し、2回繰り返したものを試料No.23-2、3回繰り返したものをNo.23-3とした。実施例1と同様に評価したところ、表4から明らかなように積層したものはより水蒸気透過率が低く、変換効率が良いことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 10 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子
 11 基板
 12 陽極
 13 陰極
 14 発電層(バルクヘテロジャンクション層)
 14p p層
 14i i層
 14n n層
 14′ 第1の発電層
 15 電荷再結合層
 16 第2の発電層
 17 正孔輸送層
 18 電子輸送層

Claims (10)

  1.  基材上に、平滑層及び少なくとも1層の珪素および酸素を含有するガスバリア層を有するガスバリアフィルムであり、該ガスバリア層の基材側より、該ガスバリア層の表層側の方が酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが大きく、且つ、基材側の酸素(O)と珪素(Si)の組成比O/Siが1.90以上であることを特徴とするガスバリアフィルム。
  2.  前記ガスバリア層の、表層側の組成比O/Siが、1.95以上2.30以下であることを特徴とする請求項1に記載のガスバリアフィルム。
  3.  前記ガスバリア層の、表層側の組成比O/Siが、2.00以上2.30以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のガスバリアフィルム。
  4.  前記ガスバリア層が、珪素化合物を塗布することにより形成されることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のガスバリアフィルム。
  5.  前記ガスバリア層が、珪素化合物を基材上に塗布し、大気圧または大気圧近傍の圧力下において、プラズマ放電処理されることで形成されることを特徴とする請求項4に記載のガスバリアフィルム。
  6.  前記プラズマ放電処理が、2種以上の高周波電界の下で行われることを特徴とする請求項5に記載のガスバリアフィルム。
  7.  前記ガスバリア層が、珪素化合物を基材上に塗布し、真空紫外光を照射されることで形成されることを特徴とする請求項4に記載のガスバリアフィルム。
  8.  請求項1~5のいずれか1項に記載のガスバリアフィルムを製造するガスバリアフィルムの製造方法であって、基材上に、珪素化合物を塗布し、大気圧または大気圧近傍の圧力下において、プラズマ放電処理してガスバリア層を形成することを特徴とするガスバリアフィルムの製造方法。
  9.  前記プラズマ放電処理が、2種以上の高周波電界の下で行われることを特徴とする請求項8に記載のガスバリアフィルムの製造方法。
  10.  請求項1~7のいずれか1項に記載のガスバリアフィルム上に、二つの電極および該電極間に形成された発電層を有することを特徴とする光電変換素子。
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