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JP2024092135A - Photoelectric conversion element, electronic apparatus, and method for manufacturing photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element, electronic apparatus, and method for manufacturing photoelectric conversion element Download PDF

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JP2024092135A
JP2024092135A JP2022207850A JP2022207850A JP2024092135A JP 2024092135 A JP2024092135 A JP 2024092135A JP 2022207850 A JP2022207850 A JP 2022207850A JP 2022207850 A JP2022207850 A JP 2022207850A JP 2024092135 A JP2024092135 A JP 2024092135A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
conductive layer
layer
conversion element
conversion layer
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Application number
JP2022207850A
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Japanese (ja)
Inventor
陽一 青木
Yoichi Aoki
伸博 渡辺
Nobuhiro Watanabe
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

To provide a photoelectric conversion element in which adjacent cells are joined in series and which has a high photoelectric conversion efficiency, and also to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion element having a high conversion efficiency.SOLUTION: A photoelectric conversion element includes a transparent support substrate, a transparent first conductive layer laminated on the support substrate, a second conductive layer, and a photoelectric conversion layer which is sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer and which contains an organic material. A part of the first conductive layer has a thicker thickness than the photoelectric conversion layer. The first conductive layer has two first compartments that are adjacent via a substrate exposed area where a part of the support substrate is exposed from the first conductive layer, and the second conductive layer has two second compartments that are adjacent with a part of the substrate exposed area sandwiched therebetween. The photoelectric conversion layer has a photoelectric conversion layer penetration part penetrating in a thickness direction, in a photoelectric conversion layer connection overlapping both one of the two adjacent first compartments and the other of the two adjacent second compartments in plan view.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光電変換素子、電子機器および光電変換素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element, an electronic device, and a method for manufacturing a photoelectric conversion element.

光電変換素子は、太陽光や屋内光を電力に変換する光電変換の機能を備えており、再生可能エネルギーを利用した発電手段として開発が進められている。有機光電変換素子は、光電変換素子の一種であり、特許文献1~2には、有機薄膜からなる光電変換層と、この光電変換層を挟む第1導電層および第2導電層を備える構成が開示されている。特許文献3には、有機金属ハライドペロブスカイトからなる光電変換層と、この光電変換層を挟む第1導電層および第2導電層を備える構成が開示されている。第1導電層は、たとえばITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電層とされている。 Photoelectric conversion elements have a photoelectric conversion function that converts sunlight and indoor light into electricity, and are being developed as a means of generating electricity using renewable energy. Organic photoelectric conversion elements are a type of photoelectric conversion element, and Patent Documents 1 and 2 disclose a configuration that includes a photoelectric conversion layer made of an organic thin film, and a first conductive layer and a second conductive layer that sandwich the photoelectric conversion layer. Patent Document 3 discloses a configuration that includes a photoelectric conversion layer made of an organometal halide perovskite, and a first conductive layer and a second conductive layer that sandwich the photoelectric conversion layer. The first conductive layer is, for example, a transparent conductive layer such as ITO (Indium Tin Oxide).

有機光電変換素子においては、第1導電層は環境負荷の低い透明電極として従来のスパッタ成膜によるITOではなく、常温・大気雰囲気下で印刷法などの塗布形成が可能な銀ナノワイヤーやPEDOT:PSSなどの有機導電膜を用いることが望ましい。しかし、これら塗布形成した第1導電層は、隣接するセルを直列に接続する多接合化にあたって第1導電層上に光電変換層を形成した後のレーザーによる除去を行うと、有機材料を含む光電変換層と同時に第1導電層も同時に除去されてしまい、これによって、第1導電層と第2導電層が電気的に接触できない課題がある。 In organic photoelectric conversion elements, it is desirable to use an organic conductive film such as silver nanowires or PEDOT:PSS, which can be applied at room temperature and in an atmospheric environment by printing methods, rather than ITO, which is a transparent electrode with low environmental impact, as the first conductive layer using conventional sputtering deposition. However, when these applied first conductive layers are removed by laser after forming a photoelectric conversion layer on the first conductive layer to create a multi-junction that connects adjacent cells in series, the first conductive layer is removed at the same time as the photoelectric conversion layer containing the organic material, which poses the problem that the first conductive layer and the second conductive layer cannot make electrical contact.

また、特許文献1には、有機薄膜からなる光電変換層と、この光電変換層を挟む第1導電層および第2導電層を備える構成が開示されている。第1導電層は、たとえばITOなどの透明導電層とされている。同文献の図4には、有機光電変換素子が開示されている。第1導電層上に光電変換層を形成した後のレーザーによる除去加工時に加工端面に突起が生じてしまい、これによって、隣接するセルを直列に接続する多接合化において、第1導電層と第2導電層の間の接続抵抗が大きくなってしまう課題がある。 Patent Document 1 also discloses a configuration including a photoelectric conversion layer made of an organic thin film, and a first conductive layer and a second conductive layer sandwiching the photoelectric conversion layer. The first conductive layer is a transparent conductive layer such as ITO. Figure 4 of the same document discloses an organic photoelectric conversion element. When the photoelectric conversion layer is formed on the first conductive layer and then removed using a laser, protrusions are generated on the processed end surface, which causes a problem that the connection resistance between the first conductive layer and the second conductive layer increases when multiple junctions are formed to connect adjacent cells in series.

特開2017-168798号公報JP 2017-168798 A 特開2011-100923号公報JP 2011-100923 A 特開2022-54424号公報JP 2022-54424 A

本発明の課題は、かかる従来技術の背景に鑑み、隣接するセルが直列接合した有機光電変換素子おいて、光電変換効率が高い光電変換素子を提供すること、また、光電変換効率が高い光電変換素子の製造方法を提供することにある。 In view of the background of the conventional technology, the object of the present invention is to provide an organic photoelectric conversion element in which adjacent cells are connected in series, which has high photoelectric conversion efficiency, and to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion element with high photoelectric conversion efficiency.

透明な支持基板と、支持基板上に積層された透明な第1導電層と、第2導電層と、前記第1導電層および前記第2導電層に挟まれた有機材料を含む光電変換層を備え、前記第1導電層の一部は、前記光電変換層よりも厚く、前記第1導電層は、前記支持基板の一部が前記第1導電層から露出した基板露出領域を介して隣り合う2つの第1区画部を有しており、前記第2導電層は、前記基板露出領域の一部を挟んで隣り合う2つの第2区画部を有しており、前記光電変換層は、平面視において前記隣り合う2つのうち一方の前記第1区画部および前記隣り合う2つのうち他方の前記第2区画部の双方と重なる光電変換層接続部に、厚さ方向に貫通する光電変換層貫通部を有する光電変換素子。 A photoelectric conversion element comprising a transparent support substrate, a transparent first conductive layer and a second conductive layer stacked on the support substrate, and a photoelectric conversion layer containing an organic material sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer, a portion of the first conductive layer being thicker than the photoelectric conversion layer, the first conductive layer having two first partitions adjacent to each other via a substrate exposed region where a portion of the support substrate is exposed from the first conductive layer, the second conductive layer having two second partitions adjacent to each other with a portion of the substrate exposed region sandwiched therebetween, and the photoelectric conversion layer having a photoelectric conversion layer penetration portion penetrating through the thickness direction at a photoelectric conversion layer connection portion that overlaps with both one of the two adjacent first partitions and the other of the two adjacent second partitions in a plan view.

本発明により、隣接するセルの接続抵抗を下げて直列接続することができ、光電変換素子の光電変換効率を高めることができる。 The present invention allows adjacent cells to be connected in series with reduced connection resistance, thereby increasing the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element.

本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子を示す要部平面図である。1 is a plan view showing a main portion of a photoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 図1のI-I線に沿う断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. 1. 図1のII-II線に沿う断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子を搭載した携帯電話のディスプレイ側の鳥観図である。1 is a bird's-eye view of the display side of a mobile phone equipped with a photoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子を搭載した携帯電話の裏面側の鳥観図である。1 is a bird's-eye view of the rear side of a mobile phone equipped with a photoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 図4および図5のI-I線に沿う断面図である。7は第1カバー、8はディスプレイ、9は電子回路基板、10は光電変換素子、11はバッテリー、第2カバー、13は外周フレーム、14は携帯電話、Hは携帯電話の厚みを示す。4 and 5. Reference numeral 7 denotes a first cover, 8 denotes a display, 9 denotes an electronic circuit board, 10 denotes a photoelectric conversion element, 11 denotes a battery, a second cover, 13 denotes an outer peripheral frame, 14 denotes a mobile phone, and H denotes the thickness of the mobile phone. 本発明の第1実施形態に基づく携帯電話に内蔵された光電変換素子の外観図である。1 is an external view of a photoelectric conversion element incorporated in a mobile phone according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子を内蔵した携帯電話の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a mobile phone incorporating a photoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子の製造方法を示す図である。2A to 2C are diagrams illustrating a method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子の製造方法(続き)を示す図である。5A to 5C are diagrams illustrating the manufacturing method (continuation) of the photoelectric conversion element based on the first embodiment of the present invention. 実施例で作製した光電変換素子の製造方法を示す図である。1A to 1C are diagrams illustrating a method for producing a photoelectric conversion element produced in an example. 実施例で作製した光電変換素子の製造方法(続き)を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the manufacturing method (continuation) of the photoelectric conversion element produced in the example.

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

[第1実施形態]
第1実施形態および図1~図9-2における符号は、これらの実施形態および図において有効であり、他の実施形態および図における符号とは独立している。ただし、第1実施形態の具体的構成と他の実施形態の具体的構成とは、相互に適宜組合せ可能である。
[First embodiment]
The reference numerals in the first embodiment and in Figures 1 to 9-2 are valid in these embodiments and figures and are independent of the reference numerals in other embodiments and figures. However, the specific configurations of the first embodiment and the specific configurations of the other embodiments can be appropriately combined with each other.

本発明において、「透明」とは、透過率が約50%以上であるものと定義する。また「透明」とは、可視光線に対して、無色透明という意味でも使用する。可視光線は波長約360nm~830nm程度、エネルギー約3.45eV~1.49eV程度に相当し、この領域で透過率が50%以上あれば透明である。 In the present invention, "transparent" is defined as having a transmittance of approximately 50% or more. "Transparent" is also used to mean colorless and transparent with respect to visible light. Visible light has a wavelength of approximately 360 nm to 830 nm and an energy of approximately 3.45 eV to 1.49 eV, and if the transmittance in this range is 50% or more, it is transparent.

図1~3は、本発明の第1実施形態に基づく光電変換素子を示している。図4~8は、本発明の第1実施形態に基づく電子機器の1例として、本発明に係る光電変換素子を搭載した携帯電話を示している。 Figures 1 to 3 show a photoelectric conversion element based on the first embodiment of the present invention. Figures 4 to 8 show a mobile phone equipped with a photoelectric conversion element according to the present invention as an example of an electronic device based on the first embodiment of the present invention.

図1は、光電変換素子の一例を示す平面図である。図2は、図1のI-I線に沿う断面図である。図3は、図1のII-II線に沿う断面図である。図4~5は、光電変換素子を内蔵した携帯電話の鳥観図である。図6は、図4および図5のI-I線に沿う断面図である。図7は、図4および図5の携帯電話に内蔵された光電変換素子の平面図である。 Figure 1 is a plan view showing an example of a photoelectric conversion element. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line I-I in Figure 1. Figure 3 is a cross-sectional view taken along line II-II in Figure 1. Figures 4 and 5 are bird's-eye views of a mobile phone incorporating a photoelectric conversion element. Figure 6 is a cross-sectional view taken along line I-I in Figures 4 and 5. Figure 7 is a plan view of the photoelectric conversion element incorporated in the mobile phone of Figures 4 and 5.

図8は、光電変換素子および携帯電話を示すブロック構成図である。なお、以降の説明において、「z方向視」は、平面視を意味し、「z方向」は支持基板1等の厚さ方向を意味する。 Figure 8 is a block diagram showing a photoelectric conversion element and a mobile phone. In the following description, "z-direction view" refers to a planar view, and "z-direction" refers to the thickness direction of the support substrate 1, etc.

図8に示すように、携帯電話14は、光電変換素子10および電力制御部等を備える。光電変換素子は、携帯電話14における電源モジュールであり、太陽光や室内光などの光を電力に変換する。 As shown in FIG. 8, the mobile phone 14 includes a photoelectric conversion element 10 and a power control unit. The photoelectric conversion element is a power supply module in the mobile phone 14, and converts light such as sunlight or indoor light into electricity.

携帯電話14は、光電変換素子10からの給電によって駆動するものである。携帯電話14の具体的な構成や機能は特に限定されず、携帯電話の機能を実現しうる様々な構成が採用され得る。一例を挙げると、携帯電話を実現する電子計算処理部、無線通信モジュールとしての携帯電話14を実現する無線通信部、携帯型電子端末機器としての携帯電話14を実現しうる入出力演算処理部、等が挙げられる。 The mobile phone 14 is driven by power supplied from the photoelectric conversion element 10. The specific configuration and functions of the mobile phone 14 are not particularly limited, and various configurations capable of realizing the functions of a mobile phone may be adopted. Examples include an electronic calculation processing unit that realizes a mobile phone, a wireless communication unit that realizes the mobile phone 14 as a wireless communication module, an input/output calculation processing unit that can realize the mobile phone 14 as a portable electronic terminal device, etc.

本発明にかかる光電変換素子は、支持基板1、第1導電層2、第2導電層4、光電変換層3、接着材5および対向基板6を備える。本実施形態においては、光電変換素子は、z方向視矩形状とされているが、これは有機太陽電池の形状の一例であり、様々な形状に設定されうる。 The photoelectric conversion element of the present invention includes a support substrate 1, a first conductive layer 2, a second conductive layer 4, a photoelectric conversion layer 3, an adhesive 5, and an opposing substrate 6. In this embodiment, the photoelectric conversion element is rectangular when viewed in the z direction, but this is one example of the shape of an organic solar cell, and it can be set to various shapes.

支持基板1は、光電変換素子の土台となるものである。支持基板1は、たとえば透明なガラスあるいはPET等の樹脂からなるフィルムから適宜選択される材質からなる、単層もしくは複数層を有する。支持基板1の厚さは、たとえば0.05mm~2.0mmである。支持基板1の形状や大きさは特に限定されず、本実施形態においては、z方向視矩形状とされている。 The support substrate 1 serves as the base of the photoelectric conversion element. The support substrate 1 has a single layer or multiple layers made of a material appropriately selected from transparent glass or a film made of a resin such as PET. The thickness of the support substrate 1 is, for example, 0.05 mm to 2.0 mm. There are no particular limitations on the shape or size of the support substrate 1, and in this embodiment, it is rectangular when viewed in the z direction.

光電変換素子モジュールには、図1から3に示すように、複数の基板露出領域が形成されている。 The photoelectric conversion element module has multiple exposed substrate areas formed therein, as shown in Figures 1 to 3.

第1導電層2は、支持基板1上に形成されている。第1導電層2は、波長400~700nmの範囲の光透過率が80%以上であることが好ましい。透明電極を構成する材料としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウム錫酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、フッ素を含む酸化錫(Fluorine-doped Tin Oxide:FTO)、アルミニウム亜鉛酸化物(Aluminium Zinc Oxide:AZO)、ガリウム亜鉛酸化物(Gallium Zinc Oxide:GZO)などの金属酸化物や、金、白金、銀、銅、錫、アルミニウム、モリブデン、チタン、タングステン、マンガン、ニッケル、コバルト等の金属およびその金属ナノ粒子および金属ナノワイヤーや、グラファイト、グラファイト層間化合物、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリンやその誘導体、ポリチオフェンやその誘導体などが挙げられる。これらを2種以上含有してもよいし、これらの材料により構成される2層以上の積層構造を有してもよい。透明電極の厚みは、5~300nmが好ましい。 The first conductive layer 2 is formed on a supporting substrate 1. It is preferable that the first conductive layer 2 has a light transmittance of 80% or more in the wavelength range of 400 to 700 nm. Examples of materials constituting the transparent electrode include metal oxides such as indium oxide, zinc oxide, tin oxide, indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), aluminum zinc oxide (AZO), and gallium zinc oxide (GZO); metals such as gold, platinum, silver, copper, tin, aluminum, molybdenum, titanium, tungsten, manganese, nickel, and cobalt, as well as metal nanoparticles and metal nanowires thereof; graphite, graphite intercalation compounds, carbon nanotubes, graphene, polyaniline and its derivatives, and polythiophene and its derivatives. Two or more of these may be contained, or a laminate structure of two or more layers composed of these materials may be used. The thickness of the transparent electrode is preferably 5 to 300 nm.

第1導電層2は、本実施形態においては銀ナノワイヤーからなることが望ましい。第1導電層2は、複数の区画部を有する。第1導電層2の形状は、様々な形状に設定されうる。第1導電層2の厚さは、たとえば100nm~300nmである。 In this embodiment, the first conductive layer 2 is preferably made of silver nanowires. The first conductive layer 2 has a plurality of partitions. The shape of the first conductive layer 2 can be set to various shapes. The thickness of the first conductive layer 2 is, for example, 100 nm to 300 nm.

複数の第1区画部は、基板露出領域を介して隣り合っている。図2における本実施形態においては、5つの第1区画部が4つの基板露出領域を介して隣り合っている。また、5つの第1区画部15は、x方向に沿って一直線上に配列されている。 The multiple first partitions are adjacent to each other via the substrate exposed regions. In the present embodiment in FIG. 2, five first partitions are adjacent to each other via four substrate exposed regions. In addition, the five first partitions 15 are arranged in a straight line along the x direction.

光電変換層3は、支持基板1および第1導電層2上に積層されており、第1導電層2と第2導電層4とに挟まれている。光電変換層3は、有機材料を含む層であり、受けた光を電力に変換する光電変換機能を発揮する。光電変換層3の具体的構成は特に限定されないが、その一例を挙げると、有機活性層と、この有機活性層に対して第1導電層2側に積層された電子輸送層と第2導電層4側に積層された正孔輸送層からなる。本実施形態においては、光電変換層3は、矩形形状とされているが、これは一例であり、光電変換層3は、様々な形状とされうる。光電変換層3の厚さは、たとえば50nm~300nmである。 The photoelectric conversion layer 3 is laminated on the support substrate 1 and the first conductive layer 2, and is sandwiched between the first conductive layer 2 and the second conductive layer 4. The photoelectric conversion layer 3 is a layer containing an organic material, and exhibits a photoelectric conversion function of converting received light into electric power. The specific configuration of the photoelectric conversion layer 3 is not particularly limited, but an example thereof is composed of an organic active layer, an electron transport layer laminated on the first conductive layer 2 side of the organic active layer, and a hole transport layer laminated on the second conductive layer 4 side. In this embodiment, the photoelectric conversion layer 3 has a rectangular shape, but this is just one example, and the photoelectric conversion layer 3 can have various shapes. The thickness of the photoelectric conversion layer 3 is, for example, 50 nm to 300 nm.

光電変換層3は、第1導電層2側から順に、電子輸送層/光電変換層/正孔輸送層と機能別に多層構造を有することが好ましい。 It is preferable that the photoelectric conversion layer 3 has a multi-layer structure with different functions, in order from the first conductive layer 2 side, an electron transport layer, a photoelectric conversion layer, and a hole transport layer.

電子輸送層を形成する材料としては、例えば、酸化亜鉛や酸化チタンなどの金属酸化物や、Poly[(9,9-bis(3’-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)―alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]:PFNやPolyethileneimine、ethoxylated:PEIEなどの電子輸送性の高い有機材料が挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。電子輸送層の厚みは、0.5~50nmが好ましい。 Materials for forming the electron transport layer include, for example, metal oxides such as zinc oxide and titanium oxide, and organic materials with high electron transport properties such as Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]: PFN and Polyethyleneimine, ethoxylated: PEIE. Two or more of these may be used. The thickness of the electron transport layer is preferably 0.5 to 50 nm.

正孔輸送層を形成する材料としては、例えば、ポリチオフェン系重合体、ポリ-p-フェニレンビニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール重合体、ポリアニリン重合体、ポリフラン重合体、ポリピリジン重合体、ポリカルバゾール重合体などの導電性高分子や、フタロシアニン誘導体(H2Pc、CuPc、ZnPcなど)、ポルフィリン誘導体、アセン系化合物(テトラセン、ペンタセンなど)などのp型半導体特性を示す低分子有機化合物、グラフェンや酸化グラフェンなどの炭素化合物、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化ジルコニウムなどの無機材料などが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。これらの中でも、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)にポリスチレンスルホン酸(PSS)が添加されたPEDOT:PSSが好ましい。正孔輸送層の厚みは、適切な正孔輸送能を有するために、0.5~50nmが好ましい。 Examples of materials for forming the hole transport layer include conductive polymers such as polythiophene polymers, poly-p-phenylene vinylene polymers, polyfluorene polymers, polypyrrole polymers, polyaniline polymers, polyfuran polymers, polypyridine polymers, and polycarbazole polymers, low molecular weight organic compounds exhibiting p-type semiconductor properties such as phthalocyanine derivatives (H2Pc, CuPc, ZnPc, etc.), porphyrin derivatives, and acene compounds (tetracene, pentacene, etc.), carbon compounds such as graphene and graphene oxide, and inorganic materials such as molybdenum oxide, tungsten oxide, nickel oxide, vanadium oxide, and zirconium oxide. Two or more of these may be used. Among these, PEDOT:PSS, in which polystyrene sulfonic acid (PSS) is added to polyethylene dioxythiophene (PEDOT), which is a polythiophene polymer, is preferred. The thickness of the hole transport layer is preferably 0.5 to 50 nm in order to have an appropriate hole transport ability.

本発明に係る有機活性層は少なくとも1種類以上の有機構造を有する材料を含む。このよう有機活性層を有する光電変換素子の例としては、有機ハライドペロブスカイトを光電変換層に有するペロブスカイト型太陽電池、有機材料色素と酸化チタン等の無機半導体から構成される光電変換層を有する色素増感太陽電池、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料で構成される光電変換層を有する有機薄膜太陽電池などが挙げられる。本発明は、光電変換層の貫通部が容易に加工できるため、有機薄膜太陽電池が特に好適である。 The organic active layer according to the present invention contains at least one material having an organic structure. Examples of photoelectric conversion elements having such an organic active layer include perovskite-type solar cells having an organic halide perovskite in the photoelectric conversion layer, dye-sensitized solar cells having a photoelectric conversion layer composed of an organic material dye and an inorganic semiconductor such as titanium oxide, and organic thin-film solar cells having a photoelectric conversion layer composed of an electron-donating organic material and an electron-accepting organic material. Organic thin-film solar cells are particularly suitable for the present invention because the penetration part of the photoelectric conversion layer can be easily processed.

有機活性層が電子供与性有機材料と電子供与性有機材料で構成される有機薄膜太陽電池の場合、電子供与性有機材料と電子受容性材料は2種以上含有してもよい。有機活性層の構造としては、例えば、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の混合物を含む層からなる構造、電子供与性有機材料からなる層と電子受容性有機材料からなる層を積層した構造、電子供与性有機材料からなる層と電子受容性有機材料からなる層の間に、これらの混合物からなる層を積層した構造などが挙げられる。これらのうち、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の混合物を含む層からなる構造が好ましい。電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率は特に限定されないが、電子供与性有機材料:電子受容性有機材料(ドナーアクセプター比)が、10:90~60:40の範囲であることが好ましい。 In the case of an organic thin-film solar cell in which the organic active layer is composed of an electron-donating organic material and an electron-accepting organic material, the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material may be two or more kinds. Examples of the structure of the organic active layer include a structure consisting of a layer containing a mixture of an electron-donating organic material and an electron-accepting organic material, a structure in which a layer consisting of an electron-donating organic material and a layer consisting of an electron-accepting organic material are laminated, and a structure in which a layer consisting of the mixture is laminated between a layer consisting of an electron-donating organic material and a layer consisting of an electron-accepting organic material. Among these, a structure consisting of a layer containing a mixture of an electron-donating organic material and an electron-accepting organic material is preferred. The content ratio of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material is not particularly limited, but it is preferable that the electron-donating organic material:electron-accepting organic material (donor-acceptor ratio) is in the range of 10:90 to 60:40.

電子供与性有機材料は、p型半導体特性を示す有機化合物であれば特に限定されない。例えば、ポリチオフェン系重合体、ベンゾチアジアゾール-チオフェン系共重合体、キノキサリン-チオフェン系共重合体、チオフェン-ベンゾジチオフェン系共重合体、ポリ-p-フェニレンビニレン系重合体、ポリ-p-フェニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリチエニレンビニレン系重合体などの共役系重合体、H2フタロシアニン、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン等のフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、トリアリールアミン誘導体、カルバゾール誘導体、オリゴチオフェン誘導体(ターチオフェン、クウォーターチオフェン、セキシチオフェン、オクチチオフェンなど)等の低分子有機化合物などが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。上記の骨格構造を有する共役系重合体の中でも、広い光吸収波長領域と深いHOMO準位を有することから高い光電変換特性が得られることから、下記一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体が好ましい。 The electron-donating organic material is not particularly limited as long as it is an organic compound that exhibits p-type semiconductor properties. For example, conjugated polymers such as polythiophene polymers, benzothiadiazole-thiophene copolymers, quinoxaline-thiophene copolymers, thiophene-benzodithiophene copolymers, poly-p-phenylenevinylene polymers, poly-p-phenylene polymers, polyfluorene polymers, polypyrrole polymers, polyaniline polymers, polyacetylene polymers, and polythienylenevinylene polymers, phthalocyanine derivatives such as H2 phthalocyanine, copper phthalocyanine, and zinc phthalocyanine, porphyrin derivatives, triarylamine derivatives, carbazole derivatives, and oligothiophene derivatives (terthiophene, quarterthiophene, sexithiophene, octithiophene, etc.), and other low molecular weight organic compounds may be used. Two or more of these may be used. Among the conjugated polymers having the above-mentioned backbone structures, conjugated polymers having a structure represented by the following general formula (1) are preferred because they have a wide light absorption wavelength range and a deep HOMO level, resulting in high photoelectric conversion characteristics.

Figure 2024092135000002
Figure 2024092135000002

上記一般式(1)中、nは1以上の整数を表す。前記一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体の数平均分子量は、30,000~60,000が好ましい。 In the above general formula (1), n represents an integer of 1 or more. The number average molecular weight of the conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) is preferably 30,000 to 60,000.

電子受容性有機材料は、n型半導体特性を示す有機物であれば特に限定されない。例えば、安定でキャリア移動度の高いn型半導体であるフラーレン誘導体が好ましく用いられる。フラーレン誘導体としては、例えば、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94を始めとする無置換のものと、有機溶剤への溶解性を高めた置換誘導体として[6,6]-Pheyl-C61―Butyric Acid Methyl Ester:60PCBM、[6,6]-Pheyl-C71―Butyric Acid Methyl Ester:70PCBMなどが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。 The electron-accepting organic material is not particularly limited as long as it is an organic material that exhibits n-type semiconductor properties. For example, fullerene derivatives, which are stable n-type semiconductors with high carrier mobility, are preferably used. Examples of fullerene derivatives include unsubstituted fullerenes such as C60, C70, C76, C78, C82, C84, C90, and C94, and substituted fullerene derivatives with improved solubility in organic solvents such as [6,6]-Pheyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester: 60PCBM and [6,6]-Pheyl-C71-Butyric Acid Methyl Ester: 70PCBM. Two or more of these may be used.

有機活性層の厚みは、電子供与性有機材料および電子受容性有機材料が光吸収によって光電変換を生じるために十分な厚さであればよく、材料によって異なるが、50nm~500nmが好ましい。 The thickness of the organic active layer should be sufficient for the electron donating organic material and the electron accepting organic material to cause photoelectric conversion by absorbing light, and although it varies depending on the material, a thickness of 50 nm to 500 nm is preferable.

第2導電層4は、光透過性を有していなくてもよく、発電量向上の観点から、特に可視光領域の光反射率が高く、正孔輸送層とオーミック接合する導電材料が好ましい。例えば、金、白金、銀、銅、鉄、亜鉛、錫、アルミニウム、インジウム、クロム、ニッケル、コバルトなどの金属およびその金属ナノ粒子および金属ナノワイヤーや、グラファイト、グラファイト層間化合物、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリンやその誘導体、ポリチオフェンやその誘導体などが好ましい。これらを2種以上用いてもよい。対向電極の厚みは、導電性があれば十分であり、特に限定されない。第2導電層4は、その大部分が光電変換層3を介して第1導電層2上に積層されている。また、第2導電層4の一部は、第1導電層2に直接接している。 The second conductive layer 4 does not need to be optically transparent, and from the viewpoint of improving the amount of power generation, a conductive material that has a high optical reflectance, particularly in the visible light region, and forms an ohmic junction with the hole transport layer is preferable. For example, metals such as gold, platinum, silver, copper, iron, zinc, tin, aluminum, indium, chromium, nickel, and cobalt, as well as metal nanoparticles and metal nanowires thereof, graphite, graphite intercalation compounds, carbon nanotubes, graphene, polyaniline and its derivatives, polythiophene and its derivatives, etc. are preferable. Two or more of these may be used. The thickness of the counter electrode is not particularly limited as long as it is conductive. Most of the second conductive layer 4 is laminated on the first conductive layer 2 via the photoelectric conversion layer 3. In addition, a part of the second conductive layer 4 is in direct contact with the first conductive layer 2.

まず、図9-1に示すように、支持基板1の片面にたとえばスピンコート法などの一般的な手法により銀ナノワイヤーを成膜することにより、第1導電層2を形成する。次いで、第1導電層2をパターニングすることにより、基板露出領域を形成し、複数の区画部が得られる。第1導電層2へのパターニング手法としては、たとえばウエットエッチングを用いた手法、UVレーザー光やGreenレーザー光やIRレーザー光等のレーザーパターニングを用いた手法が適宜採用される。本実施形態においては、レーザー光Lzとして、UVレーザー光が用いられる。 First, as shown in FIG. 9-1, a first conductive layer 2 is formed by depositing silver nanowires on one side of a support substrate 1 using a general method such as spin coating. Next, the first conductive layer 2 is patterned to form an exposed substrate region and obtain a plurality of partitions. As a patterning method for the first conductive layer 2, a method using wet etching, or a method using laser patterning such as UV laser light, Green laser light, or IR laser light is appropriately adopted. In this embodiment, UV laser light is used as the laser light Lz.

次いで、図9-1に示すように、光電変換層3を形成する。光電変換層3の形成は、たとえば、スピンコート塗布により支持基板1上および第1導電層2上に有機膜を成膜することによりなされる。次いで、光電変換層3に対して光電変換層貫通部を形成する。光電変換層貫通部の形成は、たとえばレーザーパターニングによってなされる。このレーザーパターニングに用いられるレーザー光Lzは、光電変換層貫通部を部分的に除去可能であるものが適宜選択される。本実施形態においては、レーザー光LzとしてUVレーザー光を用いたレーザーパターニングを行った場合を例に説明する。この場合、レーザー光Lzは、光電変換層3と第1導電層2の両方を除去する。このため、光電変換層3に光電変換層貫通部が形成されるとともに、第1導電層2にも第1導電層貫通部が形成される。このパターニングを経ることにより、第1導電層2および光電変換層3が得られる。また、レーザー光Lzによる光電変換層貫通部および第1導電層貫通部の形成に伴い、光電変換層3には、光電変換層貫通部を取り囲む形で突起が形成されることがある。このような突起は、均一な第2導電層4の形成を阻害し、第2導電層4と第1導電層2の間の抵抗を大きくしてしまう。また、このような突起は、例えば、接着層や保護層に微細な亀裂を生じさせ、水分の混入等によって光電変換素子を劣化させてしまうことがある。 Next, as shown in FIG. 9-1, the photoelectric conversion layer 3 is formed. The photoelectric conversion layer 3 is formed, for example, by forming an organic film on the support substrate 1 and the first conductive layer 2 by spin coating. Next, a photoelectric conversion layer penetration portion is formed in the photoelectric conversion layer 3. The photoelectric conversion layer penetration portion is formed, for example, by laser patterning. The laser light Lz used in this laser patterning is appropriately selected so that it can partially remove the photoelectric conversion layer penetration portion. In this embodiment, an example will be described in which laser patterning is performed using UV laser light as the laser light Lz. In this case, the laser light Lz removes both the photoelectric conversion layer 3 and the first conductive layer 2. Therefore, a photoelectric conversion layer penetration portion is formed in the photoelectric conversion layer 3, and a first conductive layer penetration portion is also formed in the first conductive layer 2. Through this patterning, the first conductive layer 2 and the photoelectric conversion layer 3 are obtained. In addition, as the laser light Lz forms the photoelectric conversion layer penetration portion and the first conductive layer penetration portion, protrusions may be formed in the photoelectric conversion layer 3 in a shape that surrounds the photoelectric conversion layer penetration portion. Such protrusions may hinder the formation of a uniform second conductive layer 4 and increase the resistance between the second conductive layer 4 and the first conductive layer 2. In addition, such protrusions may cause fine cracks in the adhesive layer or protective layer, for example, and may cause the photoelectric conversion element to deteriorate due to the intrusion of moisture, etc.

図9-2に示すように、光電変換層と第1導電層2の貫通部に第1導電層2と同質の材料を充填し、光電変換層3よりも厚くなるように第1導電層2を形成する。この充填する手法は特に限定されないが、精密な塗布が可能であるインクジェット法が好ましく用いられる。第1導電層2と同質の材料を充填する際に、光電変換層の貫通部を取り囲む形で形成される突起を適切に覆うことができる。この突起の覆いによって、第2導電層4が均一に成膜され、第2導電層4と第1導電層2が適切に接触し、第2導電層4と第1導電層2の間の抵抗を下げることができる。また、突起に起因する層構造の亀裂や光電変換素子の劣化を防ぐことができる。 As shown in FIG. 9-2, the penetrations between the photoelectric conversion layer and the first conductive layer 2 are filled with a material of the same quality as the first conductive layer 2, and the first conductive layer 2 is formed so as to be thicker than the photoelectric conversion layer 3. The filling method is not particularly limited, but an inkjet method that allows precise application is preferably used. When filling with a material of the same quality as the first conductive layer 2, the protrusions formed to surround the penetrations of the photoelectric conversion layer can be properly covered. By covering the protrusions, the second conductive layer 4 is formed uniformly, the second conductive layer 4 and the first conductive layer 2 are in proper contact, and the resistance between the second conductive layer 4 and the first conductive layer 2 can be reduced. In addition, cracks in the layer structure caused by the protrusions and deterioration of the photoelectric conversion element can be prevented.

次に、第2導電層4を形成する。第2導電層4の形成は、たとえば上述した金属を、たとえば電子ビーム蒸着法などの蒸着法によって支持基板1、第1導電層2および光電変換層3上に金属膜を成膜する。この際の成膜厚さは特に限定されないが、薄い方が材料使用量の観点から薄い方が好ましく、例えば10~200nmである。該金属膜には、例えばマスク層を用いたエッチングを行うことによりパターニングを施すことができる。このパターニングにより、第1導電層2上および光電変換層3上に複数の区画部を有する第2導電層4を形成する。この後は、対向基板6を接着材5で貼り合わせる。以上の工程を経ることにより、光電変換素子が得られる。 Next, the second conductive layer 4 is formed. The second conductive layer 4 is formed by depositing a metal film on the support substrate 1, the first conductive layer 2, and the photoelectric conversion layer 3 using, for example, the above-mentioned metal by a deposition method such as electron beam deposition. The thickness of the deposited film is not particularly limited, but a thinner film is preferable from the viewpoint of the amount of material used, for example, 10 to 200 nm. The metal film can be patterned by, for example, etching using a mask layer. This patterning forms the second conductive layer 4 having a plurality of partitions on the first conductive layer 2 and the photoelectric conversion layer 3. Thereafter, the opposing substrate 6 is attached with an adhesive 5. Through the above steps, a photoelectric conversion element is obtained.

このように、レーザー光Lzによる光電変換層の貫通部および第1導電層の貫通部を形成させた後に、光電変換層3より部分的に厚い第1導電層2を形成し、かつ前記突起を覆うことで、接合部の直列抵抗が小さくなり、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 In this way, after forming the through-holes in the photoelectric conversion layer and the first conductive layer using the laser light Lz, the first conductive layer 2 is formed to be partially thicker than the photoelectric conversion layer 3 and to cover the protrusions, thereby reducing the series resistance of the junction and improving the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element.

光電変換層貫通部および第1導電層貫通部は、図9-1に示すレーザー光Lzとして、たとえばUVレーザー光を用いた場合に、光電変換層貫通部および第1導電層貫通部を一括して形成される。光電変換層貫通部および第1導電層貫通部は、例えば直径が40μm程度の貫通孔によって形成される。このUVレーザー光は、例えば銀ナノワイヤーからなる第1導電層2を除去可能であるため、図9-1に示す第1導電層2のレーザーパターニングにおけるレーザー光Lzとして用いることができる。これにより、図9-1に示す有機薄膜太陽電池の製造方法において、レーザー光Lzとして、1種類のレーザー光(UVレーザー光)を用いれば済む。これは、製造方法および製造装置の簡略化に好ましく、制造時間の短縮に寄与する。 When, for example, UV laser light is used as the laser light Lz shown in FIG. 9-1, the photoelectric conversion layer penetration portion and the first conductive layer penetration portion are formed collectively. The photoelectric conversion layer penetration portion and the first conductive layer penetration portion are formed by a through hole having a diameter of, for example, about 40 μm. This UV laser light can remove the first conductive layer 2 made of, for example, silver nanowires, and can therefore be used as the laser light Lz in the laser patterning of the first conductive layer 2 shown in FIG. 9-1. As a result, in the manufacturing method of the organic thin-film solar cell shown in FIG. 9-1, it is sufficient to use one type of laser light (UV laser light) as the laser light Lz. This is favorable for simplifying the manufacturing method and manufacturing equipment, and contributes to shortening the manufacturing time.

図1および図2の例においては、支持基板1上に、第1導電層、光電変換層、第2導電層で構成される4組の区画部(セル)が形成されている。図1に示すように、隣り合う2つのセルにおいて、2つ以上の接続部位を設けることによって、セル間の直列抵抗をより低くすることができる。また、仮に1つの接続部位における導通が不適切な状態になったとしても、他方の接続部位によって、隣り合う区画部を適切に接続することができる。 In the example of Figures 1 and 2, four sets of partitions (cells) consisting of a first conductive layer, a photoelectric conversion layer, and a second conductive layer are formed on a support substrate 1. As shown in Figure 1, by providing two or more connection points between two adjacent cells, the series resistance between the cells can be reduced. Furthermore, even if the conductivity at one connection point becomes inappropriate, the adjacent partitions can be properly connected by the other connection point.

本発明に係る光電変換素子からの給電によって駆動する駆動部としては、例えば、ディスプレイやセンサ、無線通信部や入出力演算処理部などが挙げられる。 Examples of driving units that are driven by power supplied from the photoelectric conversion element of the present invention include displays, sensors, wireless communication units, and input/output calculation processing units.

また、本発明に係る光電変換素子と、光電変換素子からの給電によって駆動する駆動部とを備える電子機器には、携帯電話をはじめ、腕時計や電子計算機などが挙げられる。 In addition, electronic devices equipped with the photoelectric conversion element according to the present invention and a drive unit that is driven by power supplied from the photoelectric conversion element include mobile phones, wristwatches, electronic calculators, etc.

本発明に係る光電変換素子、電子機器および光電変換素子の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る電子機器および光電変換素子の製造方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The photoelectric conversion element, electronic device, and method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present invention are not limited to the above-described embodiments. The specific configurations of the electronic device and method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present invention can be freely designed in various ways.

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。 The present invention will be specifically explained below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.

各実施例および比較例における評価方法について説明する。まず、各実施例および比較例において作製した有機薄膜太陽電池について、疑似太陽光1SUN(1000W/m2)および昼白色LED 200Luxにおける有効発電エリアの単位面積あたりの発電効率および発電量を測定し、初期特性とした。 The evaluation method for each example and comparative example will be described below. First, for the organic thin-film solar cells produced in each example and comparative example, the power generation efficiency and power generation per unit area of the effective power generation area under simulated sunlight of 1 SUN (1000 W/m2) and a daylight white LED of 200 Lux were measured and used as the initial characteristics.

(実施例)
以下の手順により、図10-1、-2に示す構造の光電変換素子を作製した。
(Example)
A photoelectric conversion element having the structure shown in FIGS. 10-1 and 10-2 was fabricated by the following procedure.

(光電変換素子の形成)
支持基板1として透明バリアフィルム((株)麗光製、“ベレアル”(登録商標)「50M006-3HT」(商品名))を用いた。次に、前記バリアフィルムをプラズマエッチャー((株)魁半導体製、CPM-400M(商品名))で減圧下、300W、100秒でドライ洗浄および表面改質による親水化処理を行った。
(Formation of photoelectric conversion element)
A transparent barrier film (manufactured by Reiko Co., Ltd., "Belair" (registered trademark) "50M006-3HT" (product name)) was used as the support substrate 1. Next, the barrier film was dry washed and subjected to hydrophilization treatment by surface modification under reduced pressure at 300 W for 100 seconds using a plasma etcher (manufactured by Sakigake Semiconductor Co., Ltd., CPM-400M (product name)).

次に、第1導電層1をインクジェット法により形成した。第1導電層のインク調整は、銀ナノワイヤーインク(星光PMC(株)製、「T-AG134」(商品名))9mlとエタノール(和光純薬工業(株)製)0.5mlとエチレングリコール(和光純薬工業(株)製)0.5mlを混合後、ハンドシェイクによる混和を行った。調整したインクを5.0μmポールPTFEシリンジフィルタにより用いて濾過を行い、インクジェット装置(富士フイルム(株)製、「マテリアルプリンタDMP-2850」)の専用カートリッジDMC-11610に充填した。インクジェット印刷は、10pLヘッドを用いてヘッド温度:室温、ステージ温度:30℃、ヘッド射出電圧:30V、印刷ピッチ:30μm、スキャン数:1回の条件で実施した。その後、真空乾燥機((株)レイマック製 )で減圧下、100℃、2分間の加熱乾燥を行い、膜厚100nmでシート抵抗10Ω/□の第1導電層を得た。 Next, the first conductive layer 1 was formed by the inkjet method. The ink for the first conductive layer was prepared by mixing 9 ml of silver nanowire ink (manufactured by Seiko PMC Co., Ltd., "T-AG134" (product name)), 0.5 ml of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and 0.5 ml of ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and then mixing by hand shaking. The prepared ink was filtered using a 5.0 μm pole PTFE syringe filter and filled into a dedicated cartridge DMC-11610 of an inkjet device (manufactured by Fujifilm Corporation, "Material Printer DMP-2850"). Inkjet printing was performed using a 10 pL head under the following conditions: head temperature: room temperature, stage temperature: 30°C, head ejection voltage: 30 V, printing pitch: 30 μm, and number of scans: 1. After that, the film was dried by heating at 100°C for 2 minutes under reduced pressure in a vacuum dryer (manufactured by Reimac Co., Ltd.), obtaining a first conductive layer with a film thickness of 100 nm and a sheet resistance of 10 Ω/□.

次に、第1導電層の区画部を設けるため、レーザー加工機(東レエンジニアリング(株)製、「HWS-UI」)にて波長355nm、出力80mW、掃引速度600mm/sec、周波数60kHzのUVレーザーで絶縁パターンを形成した。 Next, to create partitions in the first conductive layer, an insulating pattern was formed using a UV laser with a wavelength of 355 nm, output of 80 mW, sweep speed of 600 mm/sec, and frequency of 60 kHz in a laser processing machine ("HWS-UI" manufactured by Toray Engineering Co., Ltd.).

次に、電子輸送層31をインクジェット法により形成した。酢酸亜鉛2水和物(和光純薬工業(株)製)1.75gとPEIE(80% ethoxylated solution、37wt.% in H2O)(シグマアルドリッチ製)を1-Butanol(和光純薬工業(株)製)47.5mLとエチレングリコール(和光純薬工業(株)製)2.5mlの入ったサンプル瓶の中に加えて30℃、1500rpm、60分間攪拌し、電子輸送層インクを得た。調整したインクを0.45μmポールPTFEシリンジフィルタにより濾過を行い、インクジェット装置(富士フイルム(株)製、「マテリアルプリンタDMP-2850」)の専用カートリッジDMC-11610に充填した。第1導電層を形成した基材上に、10pLヘッドを用いてヘッド温度:30℃、ステージ温度:30℃、ヘッド射出電圧:16V、印刷ピッチ:30μm、スキャン数:1回の条件でインクジェット製膜した。その後、真空乾燥機((株)レイマック製 )で減圧下、100℃、2分間の加熱乾燥を行い、さらにホットプレート上において、温度150℃で30分間加熱転化し、電子輸送層を形成した。乾燥後の電子輸送層の膜厚は、40nmであった。 Next, the electron transport layer 31 was formed by the inkjet method. 1.75 g of zinc acetate dihydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and PEIE (80% ethoxylated solution, 37 wt.% in H2O) (manufactured by Sigma-Aldrich) were added to a sample bottle containing 47.5 mL of 1-Butanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 2.5 mL of ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the mixture was stirred at 30°C, 1500 rpm, and 60 minutes to obtain an electron transport layer ink. The prepared ink was filtered with a 0.45 μm Pole PTFE syringe filter and filled into a dedicated cartridge DMC-11610 of an inkjet device (manufactured by Fujifilm Corporation, "Material Printer DMP-2850"). On the substrate on which the first conductive layer was formed, an inkjet film was formed using a 10 pL head under the following conditions: head temperature: 30°C, stage temperature: 30°C, head ejection voltage: 16V, printing pitch: 30 μm, and number of scans: 1. The film was then dried by heating at 100°C for 2 minutes under reduced pressure in a vacuum dryer (manufactured by Raymac Co., Ltd.), and further heated and converted on a hot plate at a temperature of 150°C for 30 minutes to form an electron transport layer. The film thickness of the electron transport layer after drying was 40 nm.

次に、有機活性層32をインクジェット法により形成した。前記一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体(数平均分子量:45,900、重量平均分子量:106,000、Z平均分子量:247,000)33.75mg、[6,6]-フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル(PCBM)(フロンティアカーボン社製)41.25mg、テトラリン10mlをサンプル瓶に入れ、30℃、1500rpm、60分間攪拌し、有機活性層インクを得た。電子輸送層を形成した基材上に、調整したインクを5.0μmポールPTFEシリンジフィルタにより濾過を行い、インクジェット装置(富士フイルム(株)製、「マテリアルプリンタDMP-2850」)の専用カートリッジDMCLCP-11610に充填した。第1導電層を形成した基材上に、10pLヘッドを用いてヘッド温度:40℃、ステージ温度:30℃、ヘッド射出電圧:18V、印刷ピッチ:20μm、スキャン数:1回の条件でインクジェット製膜した。その後、真空乾燥機((株)レイマック製 )で減圧下、100℃、2分間の加熱乾燥を行い、有機活性層を形成した。乾燥後の有機活性層の膜厚は、250nmであった。 Next, the organic active layer 32 was formed by the inkjet method. 33.75 mg of a conjugated polymer (number average molecular weight: 45,900, weight average molecular weight: 106,000, Z average molecular weight: 247,000) having the structure represented by the general formula (1), 41.25 mg of [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd.), and 10 ml of tetralin were placed in a sample bottle and stirred at 30°C, 1500 rpm, and 60 minutes to obtain an organic active layer ink. The ink thus prepared was filtered through a 5.0 μm Pole PTFE syringe filter onto the substrate on which the electron transport layer was formed, and then filled into a dedicated cartridge DMCLCP-11610 of an inkjet device (manufactured by Fujifilm Corporation, "Material Printer DMP-2850"). On the substrate on which the first conductive layer was formed, an inkjet film was formed using a 10 pL head under the following conditions: head temperature: 40°C, stage temperature: 30°C, head ejection voltage: 18V, printing pitch: 20μm, and number of scans: 1. After that, the organic active layer was formed by heating and drying at 100°C for 2 minutes under reduced pressure in a vacuum dryer (manufactured by Raymac Co., Ltd.). The film thickness of the organic active layer after drying was 250 nm.

次に、正孔輸送層33をインクジェット法により形成した。正孔輸送層のインク調整は、ポリエチレンジオキシチオフェン・ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS、日本アグフアマテリアルズ社製、“Orgacon IJ005”(登録商標))35mlと界面活性剤(花王(株)製、“エマルゲン”(登録商標)108(商品名))を10g/L希釈した純水15mlを混合後、ハンドシェイクによる混和を行った。調整したインクを5.0μmポールPTFEシリンジフィルタにより用いて濾過を行い、インクジェット装置(富士フイルム(株)製、「マテリアルプリンタDMP-2850」)の専用カートリッジDMC-11610に充填した。インクジェット印刷は、10pLヘッドを用いてヘッド温度:室温、ステージ温度:30℃、ヘッド射出電圧:30V、印刷ピッチ:10μm、スキャン数:1回の条件で実施した。その後、真空乾燥機((株)レイマック製 )で減圧下、100℃、2分間の加熱乾燥を行い、膜厚40nmの正孔輸送層を得た。 Next, the hole transport layer 33 was formed by the inkjet method. The ink for the hole transport layer was prepared by mixing 35 ml of polyethylenedioxythiophene polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS, Agfa Materials Japan, "Orgacon IJ005" (registered trademark)) with 15 ml of pure water in which a surfactant (Kao Corporation, "Emulgen" (registered trademark) 108 (product name)) was diluted to 10 g/L, and then mixing was performed by hand shaking. The prepared ink was filtered using a 5.0 μm Pole PTFE syringe filter and filled into a dedicated cartridge DMC-11610 of an inkjet device (FUJIFILM Corporation, "Material Printer DMP-2850"). Inkjet printing was performed using a 10 pL head under the following conditions: head temperature: room temperature, stage temperature: 30°C, head ejection voltage: 30 V, printing pitch: 10 μm, and number of scans: 1. After that, the film was dried by heating at 100°C for 2 minutes under reduced pressure using a vacuum dryer (manufactured by Reimac Co., Ltd.) to obtain a hole transport layer with a thickness of 40 nm.

次に、光電変換層貫通部を設けるため、レーザー加工機(東レエンジニアリング(株)製、「HWS-UI」)にて波長355nm、出力80mW、掃引速度600mm/sec、周波数60kHzのUVレーザーで光電変換層貫通部を形成した。この時、光電変換層の下層の透明導電膜も前記レーザー加工により同時に貫通部が形成される。 Next, to provide a penetration through the photoelectric conversion layer, a UV laser with a wavelength of 355 nm, output of 80 mW, sweep speed of 600 mm/sec, and frequency of 60 kHz was used to form a penetration through the photoelectric conversion layer in a laser processing machine ("HWS-UI" manufactured by Toray Engineering Co., Ltd.). At the same time, a penetration through the transparent conductive film below the photoelectric conversion layer was also formed by the laser processing.

次に、第1導電層1をインクジェット法により前記貫通部に追加形成した。第1導電層のインク調整は、銀ナノワイヤーインク(星光PMC(株)製、「T-AG134」(商品名))9mlとエタノール(和光純薬工業(株)製)0.5mlとエチレングリコール(和光純薬工業(株)製)0.5mlを混合後、ハンドシェイクによる混和を行った。調整したインクを5.0μmポールPTFEシリンジフィルタにより用いて濾過を行い、インクジェット装置(富士フイルム(株)製、「マテリアルプリンタDMP-2850」)の専用カートリッジDMC-11610に充填した。インクジェット印刷は、10pLヘッドを用いてヘッド温度:室温、ステージ温度:30℃、ヘッド射出電圧:30V、印刷ピッチ:30μm、スキャン数:10回の条件で実施した。その後、真空乾燥機((株)レイマック製 )で減圧下、100℃、2分間の加熱乾燥を行い、膜厚1μmでの第1導電層を得た。 Next, the first conductive layer 1 was additionally formed in the through-hole by the inkjet method. The ink for the first conductive layer was prepared by mixing 9 ml of silver nanowire ink (manufactured by Seiko PMC Co., Ltd., "T-AG134" (product name)), 0.5 ml of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and 0.5 ml of ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and then mixing by hand shaking. The prepared ink was filtered using a 5.0 μm pole PTFE syringe filter, and filled into a dedicated cartridge DMC-11610 of an inkjet device (manufactured by Fujifilm Corporation, "Material Printer DMP-2850"). Inkjet printing was performed using a 10 pL head under the following conditions: head temperature: room temperature, stage temperature: 30°C, head ejection voltage: 30 V, printing pitch: 30 μm, and number of scans: 10 times. After that, the coating was dried by heating at 100°C for 2 minutes under reduced pressure using a vacuum dryer (manufactured by Reimac Co., Ltd.) to obtain a first conductive layer with a thickness of 1 μm.

次に、第2導電層4を真空蒸着法により形成した。第1導電層と、電子輸送層/有機活性層/正孔輸送層からなる光電変換層とが形成された基材と電極用マスクを真空蒸着装置内に設置して、装置内の真空度が1×10-3Pa以下になるまで排気し、抵抗加熱法によって、厚み200nmの銀を蒸着により形成した。第1導電層と第2導電層が重なる部位が光電変換素子の有効発電エリアである。 Next, the second conductive layer 4 was formed by vacuum deposition. The substrate on which the first conductive layer and the photoelectric conversion layer consisting of the electron transport layer/organic active layer/hole transport layer were formed, and an electrode mask were placed in a vacuum deposition apparatus, and the apparatus was evacuated until the degree of vacuum inside the apparatus reached 1×10 −3 Pa or less, and silver was formed to a thickness of 200 nm by deposition using a resistance heating method. The area where the first conductive layer and the second conductive layer overlap is the effective power generation area of the photoelectric conversion element.

作製した光電変換素子について、各種光源を用いて有効発電エリアの単位面積あたりの光電変換効率および発電量を評価したところ、疑似太陽光1SUN(1000W/m2)下で光電変換効率3.5%、昼白色LED 200Lux下で7.4μW/cmであった。 The photoelectric conversion efficiency and power generation amount per unit area of the effective power generation area of the fabricated photoelectric conversion element were evaluated using various light sources. The photoelectric conversion efficiency was 3.5% under pseudo solar light of 1 SUN (1000 W/m2) and 7.4 μW/ cm2 under a daylight LED of 200 Lux.

(比較例)
前記の実施例で、第1導電層1をインクジェット法により前記貫通部に追加形成しない光電変換素子を作製した。
Comparative Example
In the above-mentioned embodiment, a photoelectric conversion element was produced in which the first conductive layer 1 was not additionally formed in the through portion by the inkjet method.

作製した光電変換素子について、各種光源を用いて有効発電エリアの単位面積あたりの光電変換効率および発電量を評価したところ、光電変換素子の導通が取れておらず疑似太陽光1SUN(1000W/m2)と昼白色LED 200Luxのいずれでも発電特性を確認できなかった。 The photoelectric conversion element thus fabricated was evaluated for its photoelectric conversion efficiency and power generation per unit area of the effective power generation area using various light sources. It was found that the photoelectric conversion element did not have electrical continuity, and power generation characteristics could not be confirmed with either simulated sunlight of 1 sun (1000 W/m2) or a daylight white LED of 200 Lux.


1 支持基板
2 第1導電層
3 光電変換層
31 電子輸送層
32 有機活性層
33 正孔輸送層
4 第2導電層
5 接着材
6 対向基材
7 第1カバー
8 ディスプレイ
9 電子回路基板
10 光電変換素子
11 バッテリー
12 第2カバー
13 外周フレーム
14 携帯電話
H 携帯電話の厚み
15 第1区画部
16 第2区画部17 光電変換層貫通部
18 光電変換層貫通部を囲む突起
19 給電によって駆動する駆動部
20 基板露出領域

Reference Signs List 1 Support substrate 2 First conductive layer 3 Photoelectric conversion layer 31 Electron transport layer 32 Organic active layer 33 Hole transport layer 4 Second conductive layer 5 Adhesive 6 Opposing substrate 7 First cover 8 Display 9 Electronic circuit board 10 Photoelectric conversion element 11 Battery 12 Second cover 13 Peripheral frame 14 Mobile phone H Thickness of mobile phone
15 First partition 16 Second partition 17 Photoelectric conversion layer penetration portion 18 Protrusion surrounding the photoelectric conversion layer penetration portion 19 Drive portion driven by power supply 20 Substrate exposed area

Claims (7)

透明な支持基板と、支持基板上に積層された透明な第1導電層と、第2導電層と、前記第1導電層および前記第2導電層に挟まれた有機材料を含む光電変換層を備え、前記第1導電層の一部は、前記光電変換層よりも厚く、前記第1導電層は、前記支持基板の一部が前記第1導電層から露出した基板露出領域を介して隣り合う2つの第1区画部を有しており、前記第2導電層は、前記基板露出領域の一部を挟んで隣り合う2つの第2区画部を有しており、前記光電変換層は、平面視において前記隣り合う2つのうち一方の前記第1区画部および前記隣り合う2つのうち他方の前記第2区画部の双方と重なる光電変換層接続部に、厚さ方向に貫通する光電変換層貫通部を有する光電変換素子。 A photoelectric conversion element comprising a transparent support substrate, a transparent first conductive layer and a second conductive layer stacked on the support substrate, and a photoelectric conversion layer containing an organic material sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer, a portion of the first conductive layer being thicker than the photoelectric conversion layer, the first conductive layer having two first partitions adjacent to each other via a substrate exposed region where a portion of the support substrate is exposed from the first conductive layer, the second conductive layer having two second partitions adjacent to each other across a portion of the substrate exposed region, and the photoelectric conversion layer having a photoelectric conversion layer penetration portion penetrating through the thickness direction at a photoelectric conversion layer connection portion that overlaps with both one of the two adjacent first partitions and the other of the two adjacent second partitions in a planar view. 前記光電変換層の活性層が電子供与性有機材料と電子受容性有機材料で構成される請求項1に記載の光電変換素子 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the active layer of the photoelectric conversion layer is composed of an electron donating organic material and an electron accepting organic material. 光電変換層は、平面視において前記光電変換層貫通部を囲む突起を有し、前記突起は、前記第1導電層に覆われている、請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion layer has a protrusion surrounding the photoelectric conversion layer penetration portion in a plan view, and the protrusion is covered by the first conductive layer. 前記光電変換層を積層する工程においては、前記光電変換層を貫通する光電変換層貫通部を形成し、前記第1導電層によって前記光電変換層貫通部を覆う、請求項1に記載の光電変換素子の製造方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein in the step of stacking the photoelectric conversion layers, a photoelectric conversion layer penetration portion is formed penetrating the photoelectric conversion layers, and the photoelectric conversion layer penetration portion is covered by the first conductive layer. 前記第1導電層を積層する工程においては、インクジェット法によって透明電極を積層させる、請求項4に記載の光電変換素子の製造方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 4, wherein in the step of laminating the first conductive layer, a transparent electrode is laminated by an inkjet method. 前記第1導電層は、銀ナノワイヤーからなる、請求項4または5のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 4 or 5, wherein the first conductive layer is made of silver nanowires. 請求項1~3に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子からの給電によって駆動する駆動部とを備える電子機器。
4. An electronic device comprising the photoelectric conversion element according to claim 1 and a drive section that is driven by power supplied from the photoelectric conversion element.
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