JP5304448B2 - Organic photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子に関する。 The present invention relates to a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element.
有機太陽電池は塗布法で形成できることから大量生産に適した太陽電池として注目され、多くの研究機関で盛んに研究がなされている。有機太陽電池は有機ドナー材料と有機アクセプター材料を混合した、所謂、バルクヘテロジャンクション構造によって、課題だった電荷分離効率を向上させている。結果としてエネルギー変換効率は5%台まで向上し、一気に実用レベルにまで発展してきた分野と言える(例えば、特許文献1参照)。 Organic solar cells are attracting attention as solar cells suitable for mass production because they can be formed by a coating method, and many research institutions are actively researching them. In organic solar cells, charge separation efficiency, which has been a problem, is improved by a so-called bulk heterojunction structure in which an organic donor material and an organic acceptor material are mixed. As a result, the energy conversion efficiency is improved to the 5% level, which can be said to be a field that has been developed to a practical level at once (for example, see Patent Document 1).
バルクヘテロジャンクション型の太陽電池では、一般的には、p型半導体とn型半導体のドメインのサイズが小さいく、pn界面の表面積が大きい方が励起子の発生サイトが多くなるため有利であると考えられるが、発生したキャリアを電極まで運ぶためには、ドメインによる電極までの導電パスが形成されている必要があり、そのためには膜厚に匹敵するくらいのドメインサイズが必要となるため両者はトレードオフの関係になっていた。また、ドメインによる導電パスを形成させる手法としては、p型半導体とn型半導体の混合溶液を塗布した後、焼成処理を行うという方法が用いられているが、この方法ではドメインの形成の仕方を制御するのが難しく、電極までつながらず、キャリアが発生しても電荷を取り出せない発電領域が出来てしまうという問題もあった。 In bulk heterojunction solar cells, it is generally considered advantageous that the domain size of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor is small and the surface area of the pn interface is large, because the number of exciton generation sites increases. However, in order to carry the generated carriers to the electrode, it is necessary to form a conductive path to the electrode by the domain, and for this purpose, a domain size comparable to the film thickness is required, and both are traded. It was an off relationship. In addition, as a method for forming a conductive path by a domain, a method of performing a baking treatment after applying a mixed solution of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor is used. In this method, a method of forming a domain is used. There is also a problem that it is difficult to control, and an electric power generation region in which electric charges cannot be taken out even if carriers are generated without being connected to an electrode is also caused.
さらには、バルクヘテロジャンクション層は、厚膜化することにより太陽光を効率良く吸収することができるが、厚膜化しすぎると発生したキャリアが電極に到達する前に失活、再結合してしまう問題がある。 Furthermore, the bulk heterojunction layer can absorb sunlight efficiently by increasing the film thickness, but if it is too thick, the generated carriers are deactivated and recombined before reaching the electrode. There is.
現在、多く用いられている半導体はn型の移動度と比較してp型の移動度が低く、電子と比べホールの取り出しが困難であるという問題があった。その解決の為、n型は焼成処理を行わないアモルファス状態でも移動度が高いのに対し、p型半導体は焼成処理をしてp型半導体の結晶性を高め移動度を向上させる必要があるが、焼成処理を行うと有機物が凝集し、ドメインサイズが肥大化するといった問題があった。 Currently used semiconductors have a problem that the p-type mobility is lower than the n-type mobility, and it is difficult to extract holes compared to electrons. In order to solve this problem, n-type has high mobility even in an amorphous state where no baking treatment is performed, whereas p-type semiconductor needs to be subjected to baking treatment to increase the crystallinity of p-type semiconductor and improve mobility. When the baking treatment is performed, organic substances are aggregated and the domain size is enlarged.
また、p型半導体にP3HT、n型半導体にCdSeナノ粒子を用いたバルクヘテロジャンクション層を有する光電変換素子を作製の報告(例えば、非特許文献1参照)があるが、n型半導体と比較したp型半導体の移動度の低さを改善することはできなかった。 In addition, there is a report of manufacturing a photoelectric conversion element having a bulk heterojunction layer using P3HT as a p-type semiconductor and CdSe nanoparticles as an n-type semiconductor (see, for example, Non-Patent Document 1). The low mobility of type semiconductors could not be improved.
本発明の課題は、高い光電変換効率を有する有機光電変換素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide an organic photoelectric conversion element that have a high photoelectric conversion efficiency.
本発明の上記課題は、以下の手段により解決することができる。 The above-described problems of the present invention can be solved by the following means .
1.第一の電極と第二の電極に挟まれたバルクヘテロジャンクション型の光電変換層を有する有機光電変換素子において、前記光電変換層がp型有機半導体被覆微粒子とn型半導体材料を含有しており、前記p型有機半導体がπ共役系ポリマー又はオリゴマーであることを特徴とする有機光電変換素子。 1. In the organic photoelectric conversion element having a bulk heterojunction type photoelectric conversion layer sandwiched between the first electrode and the second electrode, the photoelectric conversion layer contains p-type organic semiconductor- coated fine particles and an n-type semiconductor material, The organic photoelectric conversion element, wherein the p-type organic semiconductor is a π-conjugated polymer or oligomer .
2.前記π共役系ポリマー又はオリゴマーが、ポリチオフェン誘導体であることを特徴とする第1項に記載の有機光電変換素子。 2. The π-conjugated polymer or oligomer, an organic photoelectric conversion device according to paragraph 1, which is a polythiophene derivative.
3.前記p型有機半導体被覆微粒子を構成する微粒子が、金属微粒子であることを特徴とする第1項又は第2項に記載の有機光電変換素子。
3. The p-type the organic fine particles constituting the semiconductor coated particles, organic photoelectric conversion device according to
4.前記p型有機半導体被覆微粒子を構成する微粒子が、金ナノ粒子であることを特徴とする第1項〜第3項のいずれか一項に記載の有機光電変換素子。 4). The p-type organic semiconductor coated microparticles constituting the fine particles, the organic photoelectric conversion element according to any one of the items 1 to 3, wherein, characterized in that the gold nanoparticles.
本発明により、高い変換効率を達成可能で、安価な製造を可能とする有機光電変換素子を提供することができる。 The present invention can achieve a high conversion efficiency, Ru can provide an organic photoelectric conversion element that enables cheaper production.
本発明は、第一の電極と第二の電極に挟まれたバルクヘテロジャンクション型の光電変換層を有する有機光電変換素子において、該光電変換層が、少なくとも有機物半導体と結合した微粒子を含有することを特徴とする有機光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to an organic photoelectric conversion device having a bulk heterojunction photoelectric conversion layer sandwiched between a first electrode and a second electrode, wherein the photoelectric conversion layer contains at least fine particles bonded to an organic semiconductor. The present invention relates to a characteristic organic photoelectric conversion element.
すなわち、金属微粒子の末端を、チオール基などを有する有機物半導体(p型半導体もしくはn型半導体)が吸着もしくは、結合した金属微粒子を含有する、バルクヘテロジャンクション層を形成させることにより、バルクヘテロジャンクション層を厚膜化することができ、その結果、光の吸収効率が高まることを見出し、本発明に至った。 That is, the bulk heterojunction layer is formed by forming a bulk heterojunction layer containing metal fine particles adsorbed or bonded to the ends of the metal fine particles by an organic semiconductor (p-type semiconductor or n-type semiconductor) having a thiol group or the like. As a result, it was found that the light absorption efficiency was increased, and the present invention was achieved.
また、移動度の高い上記金属微粒子を内包することによりバルクヘテロジャンクション層を厚膜化した際にも、キャリアが失活することなく電極に到達することができる。特にp型半導体を内包した金属微粒子をバルクヘテロジャンクション層に用いた場合には、金属微粒子の高い移動度によりp型半導体内を通るホールの電極への伝達が達成される。さらには、p型半導体の結晶性を高めるための焼成処理を行った際にも、p型半導体は微粒子の周りに固定されているため、必要以上の肥大化が抑制されるといった利点もある。 Further, even when the bulk heterojunction layer is thickened by enclosing the metal fine particles having high mobility, the carriers can reach the electrode without being deactivated. In particular, when metal fine particles containing a p-type semiconductor are used in the bulk heterojunction layer, transmission of holes passing through the p-type semiconductor to the electrode is achieved by the high mobility of the metal fine particles. Furthermore, even when a baking treatment for increasing the crystallinity of the p-type semiconductor is performed, since the p-type semiconductor is fixed around the fine particles, there is an advantage that excessive enlargement is suppressed.
次に、本発明を実施するための最良の形態について説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
<微粒子>
微粒子としては、金属、無機酸化物、無機窒化物、ポリマー等の微粒子が用いられるが、好ましくは金属微粒子である。本発明の金属微粒子の金属としては、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、タンタル、インジウム、コバルト、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、亜鉛、等を用いることができる。特に、仕事関数が4.5eV以上の白金、金、銀、銅、コバルト、クロム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、モリブデン、タングステンが好ましい。
<Fine particles>
As the fine particles, fine particles of metals, inorganic oxides, inorganic nitrides, polymers and the like are used, and metal fine particles are preferable. As the metal of the metal fine particles of the present invention, platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, tantalum, indium, cobalt, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, Zinc or the like can be used. In particular, platinum, gold, silver, copper, cobalt, chromium, iridium, nickel, palladium, molybdenum, and tungsten having a work function of 4.5 eV or more are preferable.
このような金属微粒子の製造方法として、ガス中蒸発法、スパッタリング法、金属蒸気合成法などの物理的生成法や、コロイド法、共沈法などの、液相で金属イオンを還元して金属微粒子を生成する化学的生成法があげられるが、好ましくは、特開平11−76800号、特開平11−80647号、特開2000−239853号などに示されたコロイド法、特開2001−254185号、特開2001−53028号、特開2001−35814号、特開2001−35255号、特開2000−124157号、特開2000−123634号などに記載されたガス中蒸発法である。 Such metal fine particles can be produced by reducing metal ions in the liquid phase, such as physical generation methods such as gas evaporation, sputtering, and metal vapor synthesis, colloidal methods, and coprecipitation methods. The colloidal method described in JP-A-11-76800, JP-A-11-80647, JP-A-2000-239853, etc., JP-A-2001-254185, This is a gas evaporation method described in JP 2001-53028 A, JP 2001-35814 A, JP 2001-35255 A, JP 2000-124157 A, JP 2000-123634 A, or the like.
無機酸化物微粒子としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム等の微粒子があげられる。又、このような無機酸化物はゾルであってもよい。微粒子の大きさは任意であるが、0.1nm〜1μm好ましくは、1〜100nmである。半導体材料として良好に機能させるには、表面が平滑であることが好ましい。ここでいう微粒子の大きさとは、球状の微粒子の場合は、その直径であり、球状以外の形状の微粒子の場合は、その投影像と同面積の円像の直径である。本発明においては、半導体チャネルは金属微粒子に結合した有機半導体化合物を含むが、金属微粒子の含有量は使用する金属によっても異なるが、概ね、有機半導体化合物100質量部に対して30〜5000質量部である。 Examples of the inorganic oxide fine particles include fine particles of silicon oxide, titanium oxide, aluminum oxide and the like. Such an inorganic oxide may be a sol. The size of the fine particles is arbitrary, but is 0.1 nm to 1 μm, preferably 1 to 100 nm. In order to function well as a semiconductor material, the surface is preferably smooth. The size of the fine particles here is the diameter of spherical fine particles, and the size of a circular image having the same area as the projected image of fine particles having a shape other than spherical. In the present invention, the semiconductor channel contains an organic semiconductor compound bonded to metal fine particles, but the content of the metal fine particles varies depending on the metal used, but is generally 30 to 5000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the organic semiconductor compound. It is.
<有機半導体>
有機半導体としては公知のものを適用できるが、p型半導体として、π共役系ポリマー又はオリゴマーであることが好ましい。その中でも特にポリチオフェン誘導体であることが好ましい。又、ポリチオフェン誘導体としては、位置規則的ポリ(3−アルキルチオフェン)構造を含む誘導体(以下、単に、位置規則的ポリ(3−アルキルチオフェン)誘導体という)であることがさらに好ましい。より好ましくは、位置規則的ポリ(3−アルキルチオフェン)誘導体のアルキル基が、炭素原子数4から15のアルキル基である。n型半導体としては、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であることが好ましい。その中でもフラーレン誘導体が好ましい。微粒子としては、金属微粒子であることが好ましい。
<Organic semiconductor>
A known organic semiconductor can be used, but the p-type semiconductor is preferably a π-conjugated polymer or oligomer. Of these, polythiophene derivatives are particularly preferable. The polythiophene derivative is more preferably a derivative containing a regioregular poly (3-alkylthiophene) structure (hereinafter simply referred to as a regioregular poly (3-alkylthiophene) derivative). More preferably, the alkyl group of the regioregular poly (3-alkylthiophene) derivative is an alkyl group having 4 to 15 carbon atoms. The n-type semiconductor is preferably a perfluoro product in which a hydrogen atom of a p-type semiconductor is substituted with a fluorine atom, such as fullerene or octaazaporphyrin. Of these, fullerene derivatives are preferred. The fine particles are preferably metal fine particles.
また、微粒子と有機半導体化合物は、好ましくは、チオール基、ジチオール基、カルボキシル基、スルホン酸基、スルフィン酸基、ホスホン酸基、または燐酸基を介して結合しており、より好ましくは、チオール基を介して結合している。 The fine particles and the organic semiconductor compound are preferably bonded via a thiol group, dithiol group, carboxyl group, sulfonic acid group, sulfinic acid group, phosphonic acid group, or phosphoric acid group, more preferably a thiol group. Are connected through.
本発明の有機半導体組成物は、前記結合した微粒子と有機半導体化合物が、溶媒に分散されていることが好ましい。本発明の有機半導体組成物の分散液から有機半導体層を形成する時、分散液のキャスト過程で、微粒子が自己組織的に配列構造、好ましくは細密充填(ヘキサゴナルパッキング)構造を形成することで、結果的に有機半導体化合物が自己組織的に配列構造を形成するため、バルクヘテロジャンクション内のp/n半導体のドメインサイズを制御することが出来るだけでなく、金属微粒子を含有することによりキャリア輸送能を保ったまま厚膜化することが可能となる。本発明に用いられる有機半導体化合物は、微粒子に結合性を有する任意の結合基を分子の末端の少なくとも一箇所に有する。 In the organic semiconductor composition of the present invention, the bonded fine particles and the organic semiconductor compound are preferably dispersed in a solvent. When forming the organic semiconductor layer from the dispersion of the organic semiconductor composition of the present invention, in the casting process of the dispersion, the fine particles form a self-organized arrangement structure, preferably a finely packed (hexagonal packing) structure, As a result, since the organic semiconductor compound forms an array structure in a self-organized manner, not only the domain size of the p / n semiconductor in the bulk heterojunction can be controlled, but also the carrier transport ability can be achieved by containing metal fine particles. It is possible to increase the film thickness while maintaining it. The organic semiconductor compound used in the present invention has an arbitrary linking group having binding properties to the fine particles at at least one position of the end of the molecule.
微粒子に結合性を有する任意の置換基の例として、チオール基、ジチオール基、カルボキシル基、スルホン酸基、スルフィン酸基、ホスホン酸基、燐酸基が挙げられ、チオール基、好ましい。例えば、金、銀、白金などの金属微粒子に結合させる場合、チオール基、メチルチオ基(−SCH3)、メルカプトチオ基(−S−SH)、メチルメルカプトチオ基(−S−SCH3)、アセチルチオ基(−SAc)などを末端に有している有機半導体化合物を用いて、それらを元にしたスルフィド結合により金属微粒子表面に化学結合もしくは吸着により結合させる。 Examples of an arbitrary substituent having a binding property to the fine particles include a thiol group, a dithiol group, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a sulfinic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group, and a thiol group is preferable. For example, when binding to metal fine particles such as gold, silver, platinum, etc., a thiol group, a methylthio group (—SCH 3 ), a mercaptothio group (—S—SH), a methyl mercaptothio group (—S—SCH 3 ), acetylthio An organic semiconductor compound having a terminal group (—SAc) or the like is used and bonded to the surface of the metal fine particle by a chemical bond or adsorption by a sulfide bond based on the compound.
又、本発明に用いられる有機半導体化合物として、好ましいものの一つであるセクシチオフェンの合成法としては、Justus.Liebigs、Ann.Chem.;546;1941;180,194.(ヨードチオフェンから合成)、Mol.Cryst.Liq.Cryst.;EN;167;1989;227−232.(ジブロモビチオフェンとビチオフェンマグネシウムブロミドから合成)、J.Org.Chem.;EN;59;16;1994;4630−4636.(ターチオフェンのホモカップリングによる、タリウム触媒を用いる)、Heterocycles;EN;26;7;1987;1793−1796.(ブロモターチオフェンのNiCl2触媒によるホモカップリング)等を参照することができる。 As a method for synthesizing sexualciophene, which is one of the preferred organic semiconductor compounds used in the present invention, Just. Liebigs, Ann. Chem. 546; 1941; 180, 194. (Synthesized from iodothiophene), Mol. Cryst. Liq. Cryst. EN; 167; 1989; 227-232. (Synthesized from dibromobithiophene and bithiophene magnesium bromide); Org. Chem. EN; 59; 16; 1994; 4630-4636. (Using thallium catalyst by homocoupling of terthiophene), Heterocycles; EN; 26; 7; 1987; 1793-1796. (Homocoupling of bromoterthiophene with NiCl 2 catalyst) and the like can be referred to.
以下に本発明で使用可能なチオール基を有する有機半導体の構造と作成例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。 Although the structure and preparation example of the organic semiconductor which has a thiol group which can be used by this invention are shown below, this invention is not limited to this.
また、フラーレン誘導体末端にチオール基を導入する方法は、J.Mater.Chem.,2005,15,5158−5163とChemical&Pharmaceutical Bulletin+;English;31;2;1983;454−465を参考にして作製できる。 A method for introducing a thiol group at the end of a fullerene derivative is described in J. Am. Mater. Chem. , 2005, 15, 5158-5163 and Chemical & Pharmaceutical Bulletin +; English; 31; 2; 1983; 454-465.
(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。
(Configuration of organic photoelectric conversion element and solar cell)
Although the preferable aspect of the organic photoelectric conversion element which concerns on this invention is demonstrated, it is not limited to this. There is no restriction | limiting in particular as an organic photoelectric conversion element, 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.
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発光層/電子輸送層/中間電極/正孔輸送層/第2発光層/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。
The preferable specific example of the layer structure of an organic photoelectric conversion element is shown below.
(I) anode / power generation layer / cathode (ii) anode / hole transport layer / power generation layer / cathode (iii) anode / hole transport layer / power generation layer / electron transport layer / cathode (iv) 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 light emitting layer / electron transport layer / intermediate electrode / hole transport layer / second light emitting layer Here, 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. Alternatively, a bulk heterojunction that is mixed in one layer may be formed, but a bulk heterojunction configuration is preferable because of high photoelectric conversion efficiency. A p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material used for the power generation layer will be described later.
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。 Like the organic EL element, 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). Moreover, in order to improve the utilization efficiency of sunlight, the tandem configuration (configuration (v)) in which sunlight of different wavelengths is absorbed by each power generation layer may be employed.
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。
Instead of the sandwich structure in the organic
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の発電層14、電子輸送層18及び陰極13が順次積層されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell composed of a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element. In FIG. 1, a bulk heterojunction organic
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。
The
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(アクセプター)として機能する。
The
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。
In FIG. 1, light incident from the
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。 Although not shown in FIG. 1, other layers 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.
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、p型半導体材料単体からなるp層、およびn型半導体材料単体からなるn層で挟むことにより、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。
As a more preferable configuration, the
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、順次透明電極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、次いで対電極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。
Furthermore, it is good also as a tandem-type structure which laminated | stacked such a photoelectric conversion element for the purpose of the improvement of sunlight utilization factor (photoelectric conversion efficiency). FIG. 3 is a cross-sectional view showing a solar cell composed of an organic photoelectric conversion element including a tandem bulk heterojunction layer. In the case of the tandem configuration, the
以下に、これらの層を構成する材料について述べる。 Below, the material which comprises these layers is described.
(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。
(P-type semiconductor material)
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.
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。 Examples of the condensed polycyclic aromatic low-molecular compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumanthracene, bisanthene, zesulene, Compounds such as heptazeslen, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, circobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF ) -Perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.
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。 Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A No. 2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol127. No. 14.4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. 9, acene-based compounds substituted with a trialkylsilylethynyl group described in 2706 and the like.
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、WO2008/000664号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。 Examples of the conjugated polymer include a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, WO2008 / 000664, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer, Adv Mater, 2007 p4160, polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, etc., 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 σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane.
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。 In addition, oligomeric materials instead of polymer materials include thiophene hexamer α-sexual thiophene α, ω-dihexyl-α-sexual thiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.
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。 Among these compounds, compounds that have high solubility in organic solvents to the extent that solution processing is possible, can form a crystalline thin film after drying, and can achieve high mobility are preferable.
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。 Further, when the electron transport layer is formed on the power generation layer by coating, there is a problem that the electron transport layer solution dissolves the power generation layer. Therefore, a material that can be insolubilized after coating by a solution process may be used. .
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。 Examples of such a material include materials that can be insolubilized by polymerizing and crosslinking 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. Alternatively, a soluble substituent reacts and becomes 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.
(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。
(N-type semiconductor material)
The n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer of the present invention is not particularly limited. For example, 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.
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。 However, fullerene derivatives that can perform charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (˜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), and the like. Partially by hydrogen atom, halogen atom, substituted or unsubstituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group, cycloalkyl group, silyl group, ether group, thioether group, amino group, silyl group, etc. Examples thereof include substituted fullerene derivatives.
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。 Among them, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-nbutyl ester (PCBnB), [6,6] -phenyl C61-buty Rick acid-isobutyl ester (PCBiB), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n hexyl ester (PCBH), Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, etc., aminated fullerenes such as JP-A 2006-199674, metallocene fullerenes such as JP-A 2008-130889, and cyclics such as US Pat. No. 7,329,709. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility, such as fullerene having an ether group.
(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正孔輸送層17を、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、これらの層を有していることが好ましい。
(Hole transport layer / electron block layer)
In the organic
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、WO2006/019270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。
As a material constituting these layers, for example, as the
(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電子輸送層18を形成することで、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、これらの層を有していることが好ましい。
(Electron transport layer / hole blocking layer)
In the organic
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。 As the electron transport layer 18, octaazaporphyrin, a p-type semiconductor perfluoro product (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used. Similarly, 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. Examples of 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 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. 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.
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。
Other Layers For the purpose of improving energy conversion efficiency and device life, various intermediate layers may be included in the device. Examples of 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.
透明電極(第1電極)
本発明の透明電極は、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、好ましくは透明電極を陽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)、SnO2、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。
Transparent electrode (first electrode)
In the transparent electrode of the present invention, the cathode and the anode are not particularly limited and can be selected depending on the element structure, but preferably the transparent electrode is used as the anode. For example, when used as an anode, it is preferably an electrode that transmits light of 380 to 800 nm. As the material, for example, 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.
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。 Also, 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.
対電極(第2電極)
対電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。対電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(Al2O3)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(Al2O3)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。
Counter electrode (second electrode)
The counter electrode 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. As the conductive material of the counter electrode, a material having a small work function (4 eV or less) metal, alloy, electrically conductive compound and a mixture thereof 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. Among these, from the viewpoint of electron extraction performance and durability against oxidation, etc., 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 μm, preferably 50 to 200 nm.
対電極の導電材として金属材料を用いれば対電極側に来た光は反射されて第1電極側に反射され、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。 If a metal material is used as the conductive material of the counter electrode, the light coming to the counter electrode side is reflected and reflected to the first electrode side, and this light can be reused and is absorbed again by the photoelectric conversion layer, and more photoelectric conversion efficiency Is preferable.
また、対電極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対電極を塗布法により形成でき好ましい。
Further, the
また、対電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対電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、上記透明電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、光透過性対電極とすることができる。 Moreover, when making the counter electrode side light-transmitting, for example, after forming a conductive material suitable for the counter electrode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound in a thin film thickness of about 1 to 20 nm, By providing a film of the conductive light transmissive material mentioned in the description of the transparent electrode, a light transmissive counter electrode can be obtained.
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、前記透明電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。
Intermediate electrode Further, the material of the intermediate electrode required in the case of the tandem configuration as in (v) (or FIG. 3) is preferably a layer using a compound having both transparency and conductivity. Materials used for transparent electrodes (transparent metal oxides such as ITO, AZO, FTO and titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al and Au, or layers containing nanoparticles / nanowires, PEDOT: PSS, For example, a conductive polymer material such as polyaniline) can be used.
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。 In addition, in the hole transport layer and the electron transport layer described above, there is also a combination that works as an intermediate electrode (charge recombination layer) by appropriately combining and laminating, and with such a configuration, the process of forming one layer This is preferable because it can be omitted.
(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。
(Metal nanowires)
As the conductive fibers of the present invention, organic fibers or inorganic fibers coated with metal, conductive metal oxide nanowires, carbon fibers, carbon nanotubes, and the like can be used. Metal nanowires are preferred.
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。 In general, the metal nanowire refers to a linear structure having a metal element as a main component. In particular, the metal nanowire in the present invention means a linear structure having a diameter of nm size.
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。 The metal nanowire according to the present invention preferably has an average length of 3 μm or more in order to form a long conductive path with a single metal nanowire and to exhibit appropriate light scattering properties. 3-500 micrometers is preferable and it is especially preferable that it is 3-300 micrometers. In addition, the relative standard deviation of the length is preferably 40% or less. Moreover, it is preferable that an average diameter is small from a transparency viewpoint, On the other hand, the larger one is preferable from an electroconductive viewpoint. In this invention, 10-300 nm is preferable as an average diameter of metal nanowire, and it is more preferable that it is 30-200 nm. In addition, the relative standard deviation of the diameter is preferably 20% or less.
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。 There is no restriction | limiting in particular as 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 of metal nanowires and migration resistance), it is also preferable to include silver and at least one metal belonging to a noble metal other than silver. 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.
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。 In the present invention, the means for producing the metal nanowire is not particularly limited, and for example, known means such as a liquid phase method and a gas phase method can be used. Moreover, there is no restriction | limiting in particular in a specific manufacturing method, A well-known manufacturing method can be used. For example, as a method for producing Ag nanowires, Adv. Mater. , 2002, 14, 833-837; Chem. Mater. , 2002, 14, 4736-4745, etc. As a method for producing Co nanowires, a method for producing Au nanowires is disclosed in JP 2006-233252A, and a method for producing Cu nanowires is disclosed in JP 2002-266007 A, etc. Reference can be made to Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-149871. In particular, Adv. Mater. And Chem. Mater. The method for producing Ag nanowires reported in (1) can be easily produced in an aqueous system, and since the conductivity of silver is the highest among metals, it is preferable as the method for producing metal nanowires according to the present invention. Can be applied.
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。 In the present invention, 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. In addition, 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 | similar to an organic electric power generation layer part, since this scattering effect can be utilized more effectively, it is more preferable embodiment.
基板
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即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ことが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
Substrate When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the photoelectrically converted light, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. . As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of light weight and flexibility. There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN) modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, polyolefin resins such as cyclic olefin resin Film, vinyl resin film such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin film, polysulfone (PSF) resin film, polyether sulfone (PES) resin film, polycarbonate (PC) resin film, A polyamide resin film, a polyimide resin film, an acrylic resin film, a triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like can be given. If the resin film transmittance of 80% or more at ~800nm), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film, and biaxially stretched. More preferred are polyethylene terephthalate films and biaxially stretched polyethylene naphthalate films.
本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。 The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.
また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよいし、透明導電層を転写する反対側にはハードコート層が予め形成されていてもよい。 Further, for the purpose of suppressing the permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate, or a hard coat layer may be formed in advance on the opposite side to which the transparent conductive layer is transferred. Good.
(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。
(Optical function layer)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight. As 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. .
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。 Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, 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 interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. 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.
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。 As 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.
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。 As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.
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。 Examples of the light scattering layer 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.
製膜方法・表面処理方法
(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。
Film-forming method / Surface treatment method
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 cast method and a spin coat method). Among these, 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). Among these, 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.
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。 Although there is no restriction | limiting in the coating method used in this case, For example, a spin coat method, the casting method from a solution, a dip coat method, a blade coat method, a wire bar coat method, a gravure coat method, a spray coat method etc. are mentioned. Furthermore, 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.
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。 After coating, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture and gas, and improvement of mobility and absorption longwave due to crystallization of the semiconductor material. When 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.
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。 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 in which the mixing ratio of the electron acceptor and the electron donor is changed. You may comprise. In this case, it can be formed by using a material that can be insolubilized after coating as described above.
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。
Patterning There is no restriction | limiting in particular in the method and process of patterning the electrode, electric power generation layer, positive hole transport layer, electron transport layer, etc. which concern on this invention, A well-known method is applicable suitably.
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。 If it is a soluble material such as a bulk heterojunction layer and a transport layer, only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc., or direct patterning at the time of coating using a method such as an ink jet method or screen printing. May be.
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。 In the case of an insoluble material such as an electrode material, the electrode can be patterned by a known method such as mask vapor deposition during vacuum deposition or etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.
(光センサアレイ)
次に、以上説明したバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、前記の光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する機能を有するセンサである。
(Optical sensor array)
Next, an optical sensor array to which the bulk heterojunction type organic
図4は、光センサアレイの構成を示す図である。図4(a)は、上面図であり、図4(b)は、図4(a)のA−A’線断面図である。 FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the photosensor array. 4A is a top view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG.
図4において、光センサアレイ20は、保持部材としての基板21上に、下部電極としての透明電極22、光エネルギーを電気エネルギーに変換する発電層24及び透明電極22と対をなし、上部電極としての対電極23が順次積層されたものである。発電層24は、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なる光電変換層24bと、バッファ層24aとの2層で構成される。図4に示す例では、6個のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が形成されている。
In FIG. 4, the
これら基板21、透明電極22、光電変換層24b及び対電極23は、前述したバルクヘテロジャンクション型の光電変換素子10における透明電極12、発電層14及び対電極13と同等の構成及び役割を示すものである。
The
基板21には、例えば、ガラスが用いられ、透明電極22には、例えば、ITOが用いられ、対電極23には、例えば、アルミニウムが用いられる。そして、光電変換層24bのp型半導体材料には、例えば、前記BP−1前駆体が用いられ、n型半導体材料には、例えば、前記例示化合物が用いられる。
For example, glass is used for the
また、バッファ層24aには、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)−PSS(ポリスチレンスルホン酸)導電性高分子(スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP)が用いられる。このような光センサアレイ20は、次のようにして製作された。
The
ガラス基板上にスパッタリングによりITO膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定のパターン形状に加工した。ガラス基板の厚さは、0.7mm、ITO膜の厚さは、200nm、フォトリソグラフィ後のITO膜における測定部面積(受光面積)は、1mm×1mmであった。次に、このガラス基板21上に、スピンコート法(条件;回転数=1000rpm、フィルター径=1.2μm)によりPEDOT−PSS膜を形成した。その後、該基板を、オーブンで140℃、10分加熱し、乾燥させた。乾燥後のPEDOT−PSS膜の厚さは30nmであった。
An ITO film was formed on the glass substrate by sputtering and processed into a predetermined pattern shape by photolithography. The thickness of the glass substrate was 0.7 mm, the thickness of the ITO film was 200 nm, and the measurement area (light receiving area) of the ITO film after photolithography was 1 mm × 1 mm. Next, a PEDOT-PSS film was formed on the
次に、上記PEDOT−PSS膜の上に、P3HTとPCBMの1:1混合膜を、スピンコート法(条件;回転数=3300rpm、フィルター径=0.8μm)により形成した。P3HTとPCBMの混合膜の形成後、窒素ガス雰囲気下においてオーブンで180℃、30分加熱しアニール処理を施した。アニール処理後のバルクヘテロジャンクション層の厚さは70nmであった。 Next, a 1: 1 mixed film of P3HT and PCBM was formed on the PEDOT-PSS film by a spin coating method (conditions: rotational speed = 3300 rpm, filter diameter = 0.8 μm). After forming the mixed film of P3HT and PCBM, annealing was performed by heating in an oven at 180 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The thickness of the bulk heterojunction layer after the annealing treatment was 70 nm.
その後、所定のパターン開口を備えたメタルマスクを用い、バルクヘテロジャンクション層の上に、上部電極としてのアルミニウム層を蒸着法により形成(厚さ=10nm)した。その後、PVA(polyvinyl alcohol)をスピンコートで1μm形成し、150℃で焼成することで図略のパッシベーション層を作製した。以上により、光センサアレイ20が作製された。
Thereafter, an aluminum layer as an upper electrode was formed on the bulk heterojunction layer by a vapor deposition method (thickness = 10 nm) using a metal mask having a predetermined pattern opening. Thereafter, 1 μm of PVA (polyvinyl alcohol) was formed by spin coating and baked at 150 ° C. to prepare a passivation layer (not shown). The
作製された、2行×3列の画素を有する光センサアレイ20に対し、中央の列の2画素のみに光があたる様に光を照射し、6画素に順次陽極・陰極間に−0.5Vの電圧を印加して電流値を読み取ったところ、光のあたっている画素のみで電流が観測され、光のあたっていない画素では電流が流れなかった。したがって、前記光センサアレイ20は、光センサとして動作することを確認できた。
The manufactured
(試料1の作製)
J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No7.2172を参考に2.0nmのトリフェニルホスフィン保護金ナノ粒子のジクロロエタン溶液を得た。末端にチオール基を有するチオフェン(化合物1)のクロロホルム溶液を添加し、攪拌した後クロロホルム相をよく精製し、本発明のクロロホルム分散物である試料1を得た。TEM観察により、直径約2.0nm金微粒子が良好に分散されていることを確認した。
(Preparation of sample 1)
J. et al. Amer. Chem. Soc. , Vol127. A dichloroethane solution of 2.0 nm triphenylphosphine protected gold nanoparticles was obtained with reference to No. 7.2172. A chloroform solution of thiophene (compound 1) having a thiol group at the end was added and stirred, and then the chloroform phase was thoroughly purified to obtain Sample 1 which is the chloroform dispersion of the present invention. By TEM observation, it was confirmed that gold particles having a diameter of about 2.0 nm were well dispersed.
(試料2の作製)
有機化合物半導体を末端にチオール基を有するフラーレン誘導体(化合物2)に変更した以外は試料1と同様に組成物を作製し、クロロホルム分散物として試料2を得た。
(Preparation of sample 2)
A composition was prepared in the same manner as in Sample 1 except that the organic compound semiconductor was changed to a fullerene derivative having a thiol group at the end (Compound 2), and
(有機光電変換素子SC−101の作製)
ガラス基板上にパターン形成した透明電極を、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。
(Preparation of organic photoelectric conversion element SC-101)
The transparent electrode patterned on the glass substrate was cleaned in the order of ultrasonic cleaning with surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally UV ozone cleaning. .
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30nmの膜厚でスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。 On this transparent substrate, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated with a film thickness of 30 nm, and then dried by heating at 140 ° C. in the air for 10 minutes.
これ以降は、基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。クロロホルムにp型半導体材料として試料1を1.5質量%、n型半導体材料として試料2を1.5質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルターでろ過をかけながら500rpmで60秒、ついで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、室温で30分放置し、バルクヘテロジャンクション層を形成した。
After this, the substrate was brought into the glove box and worked under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere. A solution was prepared by dissolving 1.5% by mass of sample 1 as a p-type semiconductor material and 1.5% by mass of
次にエタノールにTi−イソプロポキシドを25mmol/lになるように溶解した液を調製し、取り出し電極部をマスキングした後に2000rpmでスピンコートした後、大気中に取り出して60分間放置してTi−イソプロポキシドを加水分解することによって、膜厚10nmのTiOx層を形成し、電子輸送層を形成した。 Next, a solution in which Ti-isopropoxide is dissolved in ethanol to a concentration of 25 mmol / l is prepared, and after the take-out electrode portion is masked and spin-coated at 2000 rpm, it is taken out into the atmosphere and left for 60 minutes to leave Ti- By hydrolyzing isopropoxide, a 10 nm thick TiOx layer was formed, and an electron transport layer was formed.
次に、上記一連の有機層を成膜した基板を大気に晒すことなく真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、Alを100nmを蒸着した。最後に120℃で30分間の加熱を行い、本発明の有機光電変換素子であるSC−101を得た。なお蒸着速度は2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the series of organic layers was formed was placed in a vacuum deposition apparatus without being exposed to the atmosphere. Shadow mask of 2mm width sets the device so as to be perpendicular to the transparent electrode, after the vacuum deposition machine was reduced until below 10 -3 Pa, it was deposited 100nm of Al. Finally, heating was performed at 120 ° C. for 30 minutes to obtain SC-101 which is an organic photoelectric conversion element of the present invention. The vapor deposition rate was 2 nm / second, and the size was 2 mm square.
得られた有機光電変換素子であるSC−101は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に大気下に取り出した。 The obtained organic photoelectric conversion element SC-101 was sealed in the atmosphere after sealing with an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere. I took it out.
(有機光電変換素子SC−102の作製)
有機光電変換素子SC−101の作製において、クロロホルムにp型半導体として試料1を1.5質量%、n型半導体としてPCBMを1.5質量%を溶解した液を用いてバルクヘテロジャンクション層を形成した以外は同様にして、有機光電変換素子SC−102を得た。
(Preparation of organic photoelectric conversion element SC-102)
In production of the organic photoelectric conversion element SC-101, a bulk heterojunction layer was formed using a solution in which 1.5% by mass of Sample 1 as a p-type semiconductor and 1.5% by mass of PCBM as an n-type semiconductor were dissolved in chloroform. Except that, an organic photoelectric conversion element SC-102 was obtained in the same manner.
(有機光電変換素子SC−103の作製)
有機光電変換素子SC−101の作製において、クロロホルムにp型半導体としてP3HTを1.5質量%、n型半導体として試料2を1.5質量%を溶解した液を用いてバルクヘテロジャンクション層を形成した以外は同様にして、有機光電変換素子SC−103を得た。
(Preparation of organic photoelectric conversion element SC-103)
In production of the organic photoelectric conversion element SC-101, a bulk heterojunction layer was formed using a solution in which 1.5% by mass of P3HT as a p-type semiconductor and 1.5% by mass of a
(有機光電変換素子SC−104の作製)
有機光電変換素子SC−101の作製において、クロロホルムにp型半導体としてP3HTを1.5質量%、n型半導体としてPCBMを1.5質量%を溶解した液を用いてバルクヘテロジャンクション層を形成した以外は同様にして、有機光電変換素子SC−104を得た。
(Preparation of organic photoelectric conversion element SC-104)
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-101, a bulk heterojunction layer was formed using a solution obtained by dissolving 1.5% by mass of P3HT as a p-type semiconductor and 1.5% by mass of PCBM as an n-type semiconductor in chloroform. In the same manner, an organic photoelectric conversion element SC-104 was obtained.
(変換効率の評価)
上記作製した光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cm2の強度の光を照射し、有効面積を4.0mm2にしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(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、平均値を求めた。またJsc、Voc、FFから式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。結果を表1に示す。
(Evaluation of conversion efficiency)
Photoelectric conversion elements prepared above, was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 4.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc ( The four light-receiving portions formed on the same element were measured for mA / cm 2 ), open-circuit voltage Voc (V), and fill factor (fill factor) FF, and the average value was obtained. Further, energy conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1. The results are shown in Table 1.
式1 Jsc(mA/cm2)×Voc(V)×FF=η(%) Formula 1 Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF = η (%)
表1に示すように、本発明のSC−101、102及び103は比較例であるSC−104に比較して変換効率が優れていることが解る。 As shown in Table 1, it can be seen that SC-101, 102 and 103 of the present invention are superior in conversion efficiency compared to SC-104 which is a comparative example.
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
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
20 光センサアレイ
21 基板
22 透明電極
23 対電極
24 発電層
24a バッファ層
24b 光電変換層
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