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JP5561721B2 - Manufacturing method of organic thin film solar cell and transfer sheet used therefor - Google Patents

Manufacturing method of organic thin film solar cell and transfer sheet used therefor Download PDF

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JP5561721B2 JP2010013360A JP2010013360A JP5561721B2 JP 5561721 B2 JP5561721 B2 JP 5561721B2 JP 2010013360 A JP2010013360 A JP 2010013360A JP 2010013360 A JP2010013360 A JP 2010013360A JP 5561721 B2 JP5561721 B2 JP 5561721B2
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Description

本願発明は、有機薄膜太陽電池の変換効率向上などに適用できる発明である。   The present invention is an invention that can be applied to improve the conversion efficiency of organic thin-film solar cells.

従来、有機薄膜太陽電池は、2次元的な平面の接合では接合面積が不足し、光電変換効率が低いことが知られている。そこで、有機薄膜太陽電池の変換効率を向上させる発明として、非特許文献1や非特許文献2のようにドナーとアクセプターの混合物の相分離によるバルクヘテロ接合構造を形成し、ドナーとアクセプターの接合界面を増やす工夫により有機薄膜太陽電池の光発生電荷を増加させる試みがなされている。   Conventionally, organic thin-film solar cells are known to have a low photoelectric conversion efficiency due to a lack of a bonding area in a two-dimensional planar bonding. Therefore, as an invention for improving the conversion efficiency of an organic thin film solar cell, a bulk heterojunction structure is formed by phase separation of a mixture of a donor and an acceptor as in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, and a junction interface between a donor and an acceptor is formed. Attempts have been made to increase the photogenerated charge of organic thin-film solar cells by increasing the device.

C.J.Brabecら、Advanced Functional Materials,第11巻、15頁C.J.Brabec et al., Advanced Functional Materials, Vol. 11, p. 15. J.Xue,S.Uchida,B.P.Land,S.R.Forrest,Appl.Phys.Lett.,85, p.5757(2004)J.Xue, S.Uchida, B.P.Land, S.R.Forrest, Appl.Phys.Lett., 85, p.5757 (2004)

しかし、ドナーとアクセプターの混合物の相分離によるバルクヘテロ接合構造ではドナーとアクセプターの分布が不均一であり、その不均一の度合いは太陽電池の面積が大きくなればなるほど大きくなる傾向にあった。このため、製品のロットごとのバラツキが大きく、また太陽電池の面積が大きくなればなるほど、高い変換効率を達成することができない問題があった。   However, in the bulk heterojunction structure by the phase separation of the mixture of donor and acceptor, the distribution of donor and acceptor is non-uniform, and the degree of non-uniformity tends to increase as the area of the solar cell increases. For this reason, there has been a problem that high conversion efficiency cannot be achieved as the variation among product lots increases and the area of the solar cell increases.

本発明は、離型性を有する基体シート上にドナーまたはアクセプターの層を形成し、ナノインプリント加工して該ドナーまたはアクセプターの層を貫通するナノスケール幅の微細な溝またはナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成し、該微細な溝または島状構造の凹部にもう片方のドナーまたはアクセプターの層を充填し、その上から電極を形成した後、前記各層を太陽電池の基材に転写し、転写後の最表面にもう片方の電極を形成することを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法である。
The present invention forms a donor or acceptor layer on a substrate sheet having releasability, and nanoimprints the nanoscale-width fine groove or nanoscale-sized island structure penetrating the donor or acceptor layer. Are formed, and after filling the other groove of the fine groove or island-like structure with the other donor or acceptor layer and forming an electrode thereon, the layers are transferred to the substrate of the solar cell, The other electrode is formed on the outermost surface after transfer . A method for producing an organic thin-film solar cell.

また本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法は、離型性を有する基体シート上にドナーまたはアクセプターの層を形成し、ナノインプリント加工して該ドナーまたはアクセプターの層を貫通するナノスケール幅の微細な溝またはナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成し、該微細な溝または島状構造の凹部にもう片方のドナーまたはアクセプターの層を充填し、その上から電極を形成した後、前記各層を太陽電池の基材に転写し、転写後の最表面にもう片方の電極を形成することを特徴とする。したがって、ドナーまたはアクセプターの層を貫通する高い変換効率を達成する有機薄膜太陽電池を製造できる効果がある。   The organic thin-film solar cell production method of the present invention is a method for forming a donor or acceptor layer on a substrate sheet having releasability and performing nanoimprint processing to penetrate the donor or acceptor layer with a fine nanoscale width. After forming grooves or nano-sized island-shaped depressions, filling the fine grooves or island-shaped depressions with the other donor or acceptor layer, forming electrodes from above, and then forming each layer It transfers to the base material of a solar cell, and the other electrode is formed in the outermost surface after transfer. Therefore, there is an effect that an organic thin-film solar cell that achieves high conversion efficiency penetrating the donor or acceptor layer can be produced.

本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法の一実施例を示す模式断面図であり、(a)は、インプリント型を用いてナノインプリント加工することによりドナーまたはアクセプターの層にナノスケール幅の微細な溝を形成する工程を示し、(b)は、該微細な溝にもう片方のドナーまたはアクセプターの層を充填する工程を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic cross section which shows one Example of the manufacturing method of the organic thin film solar cell of this invention, (a) is a nanoimprint process using an imprint type | mold, and a nanoscale width | variety is finely formed in the layer of a donor or an acceptor. A step of forming a groove is shown, and (b) shows a step of filling the fine groove with the other donor or acceptor layer. 本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法の一実施例を示す模式断面図であり、(a)は、離型性を有する基体シート上にドナーまたはアクセプターの層を形成する工程を示し、(b)は、該ドナーまたはアクセプターの層をナノインプリント加工をする工程を示し、(c)は、該ドナーまたはアクセプターの層を貫通するナノスケール幅の微細な溝が形成された工程を示し、(d)は、該微細な溝または島状構造の凹部にもう片方のドナーまたはアクセプターの層を充填した工程を示し、(e)は、その上から電極を形成した後、前記各層を太陽電池の基材に転写し離型性を有する基体シートを剥離する工程を示し、(f)は、転写後の最表面にもう片方の電極を形成した工程を示す。It is a schematic cross section which shows one Example of the manufacturing method of the organic thin-film solar cell of this invention, (a) shows the process of forming the layer of a donor or an acceptor on the base sheet which has mold release property, (b ) Shows a step of nanoimprinting the donor or acceptor layer, (c) shows a step in which a fine groove having a nanoscale width penetrating the donor or acceptor layer is formed, and (d) Shows a step of filling the other groove of the fine groove or island-like structure with the other donor or acceptor layer, and (e), after forming an electrode from the upper layer, each layer is formed on the substrate of the solar cell. (F) shows the process of forming the other electrode on the outermost surface after the transfer. 本発明の有機薄膜太陽電池の製造に用いるインプリント型母材の製造方法の一実施例を示す模式断面図であり、(a)は、インプリント型母材の基材上に電離放射線可溶化層を形成する工程を示し、(b)は、該電離放射線可溶化層の上に島状構造の金属膜を形成する工程を示し、(c)は、該金属膜をマスクとして電離放射線を照射し、該電離放射線可溶化層の一部を可溶化する工程を示し、(d)は、該可溶化した電離放射線可溶化層の一部を剥離除去することにより、ナノスケール幅の溝の凹部を形成した工程を示す。It is a schematic cross section which shows one Example of the manufacturing method of the imprint type | mold base material used for manufacture of the organic thin film solar cell of this invention, (a) is ionizing radiation solubilization on the base material of an imprint type | mold base material (B) shows a step of forming an island-shaped metal film on the ionizing radiation solubilized layer, and (c) shows irradiation with ionizing radiation using the metal film as a mask. And a step of solubilizing a part of the ionizing radiation-solubilized layer, (d) is a step of removing a part of the solubilized ionizing radiation-solubilized layer, thereby removing a recess of a nanoscale width groove. The process which formed was shown.

本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法によって形成される有機薄膜太陽電池5は、インプリント型30を用いてナノインプリント加工することにより、ドナーまたはアクセプターの層7の表面に多数の島状構造9とそれを取り囲むナノスケール幅の微細な溝1を形成し(図1(a)参照)、該微細な溝1にもう片方のドナーまたはアクセプターの層8を充填することで製造される(図1(b)参照)。そして、ドナーまたはアクセプターの層7および8の他方の表面には光発生電荷を採りだして電流にするための電極20、21が形成される。   The organic thin film solar cell 5 formed by the method of manufacturing an organic thin film solar cell of the present invention is subjected to nanoimprint processing using an imprint mold 30 so that a large number of island-like structures 9 are formed on the surface of the donor or acceptor layer 7. A fine groove 1 having a nanoscale width surrounding the fine groove 1 is formed (see FIG. 1A), and the fine groove 1 is filled with the other donor or acceptor layer 8 (see FIG. 1). b)). Electrodes 20 and 21 are formed on the other surfaces of the donor or acceptor layers 7 and 8 for taking out photogenerated charges and turning them into currents.

ドナーの層7または8の材質としては、架橋型ポリチオフェン、ポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)やフタロシアニン誘導体などが挙げられ、アクセプターの層7または8の材質としては、PCBMやPCPDTBTなどのフラーレン誘導体や酸化亜鉛などが挙げられるが、これらに限定されない。   Examples of the material of the donor layer 7 or 8 include cross-linked polythiophene, poly-3-hexylthiophene (P3HT), and a phthalocyanine derivative. Examples of the material of the acceptor layer 7 or 8 include fullerene derivatives such as PCBM and PCPDTBT, and oxidation. Although zinc etc. are mentioned, it is not limited to these.

ドナーまたはアクセプターの層7の形成方法は、スピンコートなどの各種コート法、グラビア印刷などの各種印刷法などが挙げられ、電極20が形成された太陽電池の基材14の上に形成される。ドナーまたはアクセプターの層7の厚みは50〜150nm程度が好ましい。厚みが厚いほど光発生電荷が生じる界面を大きくできるが100nm以上になると光発生電荷が電極に到達する前に消失してしまう割合が高くなり、150nm以上ではかえって変換効率が低下するからである。   Examples of the method for forming the donor or acceptor layer 7 include various coating methods such as spin coating, various printing methods such as gravure printing, and the like, which are formed on the substrate 14 of the solar cell on which the electrode 20 is formed. The thickness of the donor or acceptor layer 7 is preferably about 50 to 150 nm. The thicker the thickness, the larger the interface where the photogenerated charges are generated. However, when the thickness is 100 nm or more, the rate at which the photogenerated charges disappear before reaching the electrode increases, and when the thickness is 150 nm or more, the conversion efficiency decreases.

ナノスケールの幅の微細な溝1および該微細な溝1に囲まれた多数の島状構造9を形成する方法は、所望する微細な溝1および多数の島状構造9の形状を反転した形状のインプリント型30を作成し、それをドナーまたはアクセプターの層7の上にセットし、常温または熱を加えながら一定の圧力で押圧する、所謂常温ナノインプリント法または熱ナノインプリント法により形成する。あるいはドナーまたはアクセプターの層7を紫外線硬化型にできるのであれば、やや弱めの圧力で押圧して紫外線照射することにより硬化させて所定の形状にする、所謂UVナノインプリント法により形成してもよい。   The method of forming the fine grooves 1 having a nanoscale width and a large number of island structures 9 surrounded by the fine grooves 1 is obtained by reversing the shapes of the desired fine grooves 1 and the large number of island structures 9. The imprint mold 30 is prepared, set on the donor or acceptor layer 7, and formed by a so-called room-temperature nanoimprint method or thermal nanoimprint method that is pressed at a constant pressure while applying room temperature or heat. Alternatively, if the donor or acceptor layer 7 can be made into an ultraviolet curable type, it may be formed by a so-called UV nanoimprint method in which the donor or acceptor layer 7 is hardened by being pressed with a slightly weak pressure and irradiated with ultraviolet rays to have a predetermined shape.

微細な溝1はその幅が1〜50nm程度にし、該微細な溝1に囲まれた多数の島状構造9のドナーまたはアクセプターの層7の一個あたりの平均面積は10〜500nm程度になるのが好ましく、その中でも島状構造9の総面積と微細な溝1の総断面積とが同程度、すなわち微細な溝1の幅が5〜30nm、島状構造9の平均面積が100〜300nmになるようにするのが最も好ましい。 The fine grooves 1 have a width of about 1 to 50 nm, and the average area of each of the donor or acceptor layers 7 of a large number of island-like structures 9 surrounded by the fine grooves 1 is about 10 to 500 nm 2. Among them, the total area of the island-like structure 9 and the total cross-sectional area of the fine groove 1 are approximately the same, that is, the width of the fine groove 1 is 5 to 30 nm, and the average area of the island-like structure 9 is 100 to 300 nm. 2 is most preferable.

微細な溝1の幅を1nm未満にするにはインプリント型30の凸部38の幅を1nm未満にする必要がありインプリント型30の強度・耐性が不足する問題が発生し、微細な溝1の幅を50nmよりも大きくしようとすると、光発生電荷が生じる界面が少なくなり、また光発生電荷が消失してしまう割合が高くなる。また、島状構造9の一個あたりの平均面積を10nm未満にするには次に述べるインプリント型母材31の島状構造の凸部のサイズを10nm未満にする必要がありインプリント型母材31の強度・耐性が不足する問題が発生し、500nmを超えると光発生電荷が生じる界面が少なくなり、また光発生電荷が消失してしまう割合が高くなる。 In order to make the width of the fine groove 1 less than 1 nm, it is necessary to make the width of the convex portion 38 of the imprint mold 30 less than 1 nm, which causes a problem that the strength and durability of the imprint mold 30 are insufficient. If the width of 1 is made larger than 50 nm, the number of interfaces where photogenerated charges are generated decreases, and the rate at which photogenerated charges disappear is increased. Further, it is necessary to the size of the convex portion of the island-like structure of the imprint mold base material 31 to be described below to the average area per one of the island structure 9 below 10 nm 2 to less than 10 nm 2 imprint type There arises a problem that the strength and resistance of the base material 31 are insufficient, and when the thickness exceeds 500 nm 2 , the interface where the photogenerated charges are generated decreases, and the rate at which the photogenerated charges disappear is increased.

所望する微細な溝1および多数の島状構造9の形状を反転した形状のインプリント型母材31を作成する方法としては、まずインプリント型母材の基材32を用意して、該インプリント型母材の基材32上に電離放射線可溶化層35を形成し(図3(a)参照)、該電離放射線可溶化層35の上に多数の島状構造9の金属膜3を形成し(図3(b)参照)、該金属膜3をマスクとして電離放射線33を照射して電離放射線可溶化層35の一部を可溶化し(図3(c)参照)、該可溶化した電離放射線可溶化層35の一部を剥離除去することにより、ナノスケール幅の溝の凹部37を形成する(図3(d)参照)方法が挙げられる。得られたインプリント型母材31に対してニッケル電鋳などの方法により、インプリント型母材31の形状を反転した凸部38のあるインプリント型30が得られる。   As a method for producing an imprint base material 31 having a shape obtained by inverting the shapes of desired fine grooves 1 and a large number of island-like structures 9, first, an imprint base material 32 is prepared. An ionizing radiation solubilized layer 35 is formed on the substrate 32 of the printed mold base (see FIG. 3A), and a number of island-shaped metal films 3 are formed on the ionizing radiation solubilized layer 35. (See FIG. 3 (b)), the ionizing radiation 33 is irradiated with the metal film 3 as a mask to solubilize a part of the ionizing radiation solubilized layer 35 (see FIG. 3 (c)) and solubilized. A method of forming a concave portion 37 of a groove having a nanoscale width by peeling and removing a part of the ionizing radiation solubilized layer 35 (see FIG. 3D) can be mentioned. The imprint mold 30 having the convex portions 38 obtained by inverting the shape of the imprint mold base material 31 is obtained by a method such as nickel electroforming with respect to the obtained imprint mold base material 31.

あるいは、電離放射線可溶化層35の代わりに電離放射線硬化層を形成し、電離放射線33を照射して電離放射線硬化層の一部を硬化し、該硬化した箇所以外の未硬化の電離放射線硬化層を剥離除去することにより、ナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成する方法などが挙げられる。なお、この場合はニッケル電鋳などの方法を2回繰り返すか、インプリント型母材31自体をそのままインプリント型30として使用するとよい。   Alternatively, an ionizing radiation cured layer is formed instead of the ionizing radiation solubilized layer 35, and the ionizing radiation cured layer is cured by irradiating the ionizing radiation 33, and the uncured ionizing radiation cured layer other than the cured portion is cured. The method of forming the recessed part of an island-like structure of nanoscale size by peeling and removing is mentioned. In this case, a method such as nickel electroforming may be repeated twice, or the imprint mold base material 31 itself may be used as it is as the imprint mold 30.

あるいは、電離放射線可溶化層35の代わりに被エッチング層を形成し、島状構造の金属膜をマスクとして後述する異方性エッチングなどをすることにより、ナノスケール幅の溝の凹部を形成する方法などが挙げられる。なおインプリント型母材の基材32自体が、電離放射線可溶化、電離放射線硬化あるいは被エッチングの特性を持っている場合は、電離放射線可溶化層35等を省略してインプリント型母材の基材32に直接島状構造の金属膜3を形成して加工してもよい   Alternatively, a method of forming a recess of a nanoscale width groove by forming a layer to be etched instead of the ionizing radiation solubilizing layer 35 and performing anisotropic etching described later using a metal film having an island-like structure as a mask Etc. If the base material 32 of the imprint base material itself has ionizing radiation solubilization, ionizing radiation curing or etching characteristics, the ionizing radiation solubilization layer 35 and the like are omitted, and The metal film 3 having an island-like structure may be directly formed on the base material 32 and processed.

島状構造の金属膜3は、スズ、インジウム、ビスマス、鉛およびそれらの合金などからなる層が挙げられ、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などで形成するとよい。厚みは5〜60nm程度で形成し、光線透過率を測定すれば7%〜20%程度の値を示す厚みにすることが好ましい。上記の金属材料および適切な形成手段で、上記の光線透過率を示す値で島状構造の金属膜3を形成し、該島状構造の金属膜3をマスクとして電離放射線可溶化層、電離放射線硬化層、被エッチング層などをパターン化すれば、前述のナノスケールの幅の微細な溝の凹部またはナノスケールサイズの島状構造の凹部が形成される。なお、マスクの機能を果たした島状構造の金属膜3は剥離やエッチング後もそのまま残存させてもよいし、剥離やエッチングで消失させるよう設定してもよい。   The island-shaped metal film 3 includes a layer made of tin, indium, bismuth, lead, and alloys thereof, and may be formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, or the like. The thickness is preferably about 5 to 60 nm, and if the light transmittance is measured, the thickness is preferably about 7% to 20%. The island-shaped metal film 3 is formed with the above metal material and an appropriate forming means with the value indicating the light transmittance, and the island-shaped metal film 3 is used as a mask to ionize radiation-solubilizing layer and ionizing radiation. If the hardened layer, the layer to be etched, etc. are patterned, the above-described fine groove recesses having a nanoscale width or nanoscale island-shaped recesses are formed. The island-shaped metal film 3 having the function of a mask may be left as it is after peeling or etching, or may be set to disappear by peeling or etching.

電離放射線可溶化層35としては、アクリル系、ピリミジン系、ノボラック系などのレジストが挙げられる。電離放射線可溶化層35の形成方法としてはグラビア印刷などの汎用印刷方式や、ディピング、コーター、塗装が挙げられ、厚みとしては0.02〜2μm程度が好ましい。電離放射線可溶化層35の剥離はトルエンなどの有機溶剤が挙げられる。   Examples of the ionizing radiation solubilizing layer 35 include acrylic, pyrimidine, and novolak resists. Examples of the method for forming the ionizing radiation solubilizing layer 35 include general-purpose printing methods such as gravure printing, dipping, coater, and coating. The thickness is preferably about 0.02 to 2 μm. For the peeling of the ionizing radiation solubilized layer 35, an organic solvent such as toluene is used.

電離放射線硬化層としては、カリックスアレーンなどのレジストが挙げられる。電離放射線硬化層の形成方法や厚みは電離放射線可溶化層35と同様の方法で構わない。未硬化の電離放射線硬化層の剥離はトルエンなどの有機溶剤が挙げられる。電離放射線の例としては、可視光線、紫外線、赤外線、電子線、X線、ガンマ線などが挙げられる。   Examples of the ionizing radiation-cured layer include resists such as calixarene. The formation method and thickness of the ionizing radiation cured layer may be the same method as the ionizing radiation solubilized layer 35. For removing the uncured ionizing radiation-cured layer, an organic solvent such as toluene can be used. Examples of ionizing radiation include visible light, ultraviolet light, infrared light, electron beam, X-ray, and gamma ray.

被エッチング層としては、アクリル系、ビニル系、ポリエステル系、ポリアミド系、ウレタン系などのポリマーが挙げられる。被エッチング層の形成方法や厚みは電離放射線可溶化層35と同様の方法で構わない。エッチングは、島状構造の金属膜3よりも被エッチング層の方がエッチングされやすい方式であればよく、とくに異方性エッチング方式が好ましい、異方性エッチングとは、膜面方向の方位に対してはエッチングが抑制される性質のエッチングのことであり、これにより細く深い(高アスペクト比の)微細な溝1を掘ることができるからである。具体的には、酸素、アルゴン、フッ素系ガスなどのプラズマを用いたドライエッチング方式などが挙げられる。   Examples of the layer to be etched include acrylic, vinyl, polyester, polyamide, and urethane polymers. The formation method and thickness of the layer to be etched may be the same as that of the ionizing radiation solubilized layer 35. Etching may be a method in which the etched layer is more easily etched than the metal film 3 having an island-like structure, and an anisotropic etching method is particularly preferable. Anisotropic etching refers to the orientation in the film surface direction. This is because the etching has such a property that the etching is suppressed, and this makes it possible to dig a thin and deep (high aspect ratio) fine groove 1. Specifically, a dry etching method using plasma of oxygen, argon, fluorine gas or the like can be used.

上記作成されたインプリント型30を用いてナノインプリント加工することにより、ドナーまたはアクセプターの層7の表面に多数の島状構造9とそれを取り囲むナノスケール幅の微細な溝1が形成され、次いで該微細な溝1にもう片方のドナーまたはアクセプターの層8が充填される。もう片方のドナーまたはアクセプターの層8の材質は前述で挙げたドナーまたはアクセプターの層7の材質など同様で構わない。ただ、当然ながら前述の層7がドナーならば、微細な溝1に充填するのはアクセプターの層8であり、前述の層7がアクセプターならば、微細な溝1に充填するのはドナーの層8となる。   By nanoimprinting using the imprint mold 30 created as described above, a large number of island-like structures 9 and nanoscale-width fine grooves 1 surrounding the island-like structure 9 are formed on the surface of the donor or acceptor layer 7, and The fine groove 1 is filled with the other donor or acceptor layer 8. The material of the other donor or acceptor layer 8 may be the same as the material of the donor or acceptor layer 7 mentioned above. However, of course, if the aforementioned layer 7 is a donor, it is the acceptor layer 8 that fills the fine groove 1, and if the aforementioned layer 7 is an acceptor, the fine groove 1 is filled by the donor layer. 8

微細な溝1に対してもう片方のドナーまたはアクセプターの層8を充填する方式としては、スピンコートなどの各種コート法、グラビア印刷などの各種印刷法などのほか、蒸着やスパッタリングなどの方式が挙げられる。もう片方のドナーまたはアクセプターの層8の充填は微細な溝1を丁度埋め尽くす程度にするのが最もよく、一部は多数の島状構造9の部分まで被覆してしまっても良い。ただ、該島状構造9の部分の被覆してしまった厚みが数十nmを超えると変換効率が低下することがある。   As a method for filling the fine groove 1 with the other donor or acceptor layer 8, various coating methods such as spin coating, various printing methods such as gravure printing, and other methods such as vapor deposition and sputtering are listed. It is done. The filling of the other donor or acceptor layer 8 is most preferably just to fill the fine groove 1, and a part may be covered up to a number of island-like structures 9. However, when the thickness of the island-like structure 9 covered exceeds several tens of nm, the conversion efficiency may be lowered.

そして、ドナーまたはアクセプターの層7の下部には電極20が、もう片方のドナーまたはアクセプターの層8上には電極21が形成される。電極20および電極21の材質は、太陽光が入射してくる側の電極はインジウムスズ酸化物、酸化亜鉛、あるいは銀ナノワイヤやカーボンナノチュ―ブを含ませた透明導電膜で形成し、その対極の電極はアルミニウム、金、銀、銅などの材質で形成するとよい。また、電極20とドナーとの間にはポリスチレンスルホン酸をドーパントに用いたポリ3, 4―エチレンジオキシチオフェン(PEDOT/PSS)、電極21とアクセプターの層8との間には酸化チタンなどのバッファー層を設けてもよく、これらの層の追加により変換効率がさらに向上する。   An electrode 20 is formed below the donor or acceptor layer 7 and an electrode 21 is formed on the other donor or acceptor layer 8. The electrode 20 and the electrode 21 are made of indium tin oxide, zinc oxide, or a transparent conductive film containing silver nanowires or carbon nanotubes on the side on which sunlight is incident. These electrodes may be formed of a material such as aluminum, gold, silver, or copper. Further, between the electrode 20 and the donor, poly 3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT / PSS) using polystyrene sulfonic acid as a dopant, and between the electrode 21 and the acceptor layer 8 such as titanium oxide A buffer layer may be provided, and the conversion efficiency is further improved by adding these layers.

なお、前記微細な溝1はドナーまたはアクセプターの層7を完全に貫通させてもよいし、層の途中までであっても構わない。ただし、前述の構成で完全に貫通させようとすると、ナノインプリント加工の際にインプリント型30の凸部38を、ドナーまたはアクセプターの層7だけでなく電極20の一部までくいこむようにしなければならず、電極20が傷む問題がある。したがってドナーまたはアクセプターの層7を完全に貫通する微細な溝1を形成する場合には、離型性を有する基体シート12上にドナーまたはアクセプターの層7を形成し(図2(a)参照)、該ドナーまたはアクセプターの層7をナノインプリント加工し(図2(b)参照)、該ドナーまたはアクセプターの層7を貫通するナノスケール幅の微細な溝を形成し(図2(c)参照)、該微細な溝または島状構造の凹部にもう片方のドナーまたはアクセプターの層8を充填し(図2(d)参照)、その上から電極21を形成した後、前記各層を太陽電池の基材14に転写し離型性を有する基体シート12を剥離した後(図2(e)参照)、転写後の最表面にもう片方の電極20を形成する(図2(f)参照)方法によって形成するのが好ましい。   The fine groove 1 may completely penetrate the donor or acceptor layer 7 or may be up to the middle of the layer. However, if it is attempted to penetrate completely with the above-described configuration, the convex portion 38 of the imprint mold 30 must be inserted not only into the donor or acceptor layer 7 but also into a part of the electrode 20 during the nanoimprint processing. Therefore, there is a problem that the electrode 20 is damaged. Accordingly, when forming the fine groove 1 completely penetrating the donor or acceptor layer 7, the donor or acceptor layer 7 is formed on the substrate sheet 12 having releasability (see FIG. 2A). Nanoimprinting the donor or acceptor layer 7 (see FIG. 2 (b)), forming nanoscale-width fine grooves that penetrate the donor or acceptor layer 7 (see FIG. 2 (c)), After filling the other groove or island-shaped concave portion with the other donor or acceptor layer 8 (see FIG. 2 (d)) and forming the electrode 21 thereon, each of the layers is formed into a solar cell substrate. 14 is peeled off (see FIG. 2 (e)), and the other electrode 20 is formed on the outermost surface after the transfer (see FIG. 2 (f)). Prefer to do .

この方法では、インプリント型30の凸部38がドナーまたはアクセプターの層7だけでなく離型性を有する基体シート12の一部までくいこんでも、そのときには電極20は形成されておらず、転写した後に電極20を形成するので電極20が傷む問題は発生しない。そしてこのようにして得られた構造は理想的な直立超格子構造に近く、高い変換効率を呈することができる。なお、離型性を有する基体シート12としては、ポリエステルフィルム上に離型性および熱成形性を有するフッ素アクリル系の樹脂をコートしたものや、フッ素アクリル系の共押出しフィルムなどが挙げられる。   In this method, even if the convex portion 38 of the imprint mold 30 is inserted not only into the donor or acceptor layer 7 but also to a part of the substrate sheet 12 having releasability, the electrode 20 is not formed at that time, Then, since the electrode 20 is formed, the problem that the electrode 20 is damaged does not occur. The structure thus obtained is close to an ideal upright superlattice structure and can exhibit high conversion efficiency. Examples of the base sheet 12 having releasability include a polyester film coated with a fluoroacrylic resin having releasability and thermoformability, and a fluoroacrylic coextruded film.

インプリント型母材の基材として厚さ25μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用意し、該インプリント型母材の基材上に2,4-ジクロロピリミジン誘導体を主成分とする電離放射線可溶化層をグラビア印刷法により0.2μmの厚みで形成し、該電離放射線可溶化層の上に真空蒸着法を用いてスズからなる厚み10nmの多数の島状の金属膜を形成した。次いで、該金属膜をマスクとして電子線を照射して電離放射線可溶化層の一部を可溶化し、トルエンを主成分とする有機溶剤でもって該可溶化した箇所を剥離除去した。   A polyethylene terephthalate film having a thickness of 25 μm is prepared as a base material for an imprint base material, and an ionizing radiation solubilized layer mainly composed of a 2,4-dichloropyrimidine derivative is gravured on the base material for the imprint base material. A thickness of 0.2 μm was formed by a printing method, and a large number of island-like metal films made of tin and having a thickness of 10 nm were formed on the ionizing radiation solubilized layer by a vacuum deposition method. Next, an electron beam was irradiated using the metal film as a mask to solubilize a part of the ionizing radiation solubilized layer, and the solubilized portion was peeled and removed with an organic solvent containing toluene as a main component.

上記得られたインプリント型母材には幅20nm程度の微細な溝の凹部が形成され、凸部は平均面積が300nm程度の多数の島状構造となっていた、次いで該インプリント型母材に対して全面に銅を真空蒸着し、次いでニッケル電鋳により、前記インプリント型母材の形状を反転した平均面積が300nm程度の多数の島状構造の凹部とそれを取り囲む幅20nm程度で高さが150nm程度の凸部とがあるシート状のインプリント型が得られた。 The imprint base material thus obtained was formed with concave portions of fine grooves with a width of about 20 nm, and the convex portions had a large number of island structures with an average area of about 300 nm 2. Copper is vacuum-deposited on the entire surface of the material, and then by nickel electroforming, a large number of island-shaped concave portions having an average area of about 300 nm 2 and a width of about 20 nm surrounding it are obtained by reversing the shape of the imprint base material. Thus, a sheet-like imprint mold having a convex portion with a height of about 150 nm was obtained.

一方、離型性を有する基体シートとして表面にフッ素アクリル系の樹脂を1μm程度の厚みでグラビア印刷された厚さ100μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用い、その印刷表面にドナー層としてポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)をコーターで100nmの厚みで形成した。次いで、該ドナー層に前記シート状のインプリント型を載置し、80℃に加熱しながら2気圧の圧力で押圧し、シート状のインプリント型を積層した。放置冷却後、シート状のインプリント型を剥離したところ、ドナー層を貫通し、フッ素アクリル系の樹脂層まで達する幅20nm程度の多数の微細な溝が形成されていた。   On the other hand, a polyethylene terephthalate film having a thickness of about 100 μm obtained by gravure printing on the surface with a fluoroacrylic resin having a thickness of about 1 μm is used as a substrate sheet having releasability. ) With a coater to a thickness of 100 nm. Next, the sheet-like imprint mold was placed on the donor layer and pressed at a pressure of 2 atm while being heated to 80 ° C. to laminate the sheet-like imprint mold. When the sheet-like imprint mold was peeled off after being allowed to cool, a large number of fine grooves having a width of about 20 nm reaching the fluoroacrylic resin layer through the donor layer were formed.

次いで、該形成された多数の微細な溝にアクセプター層としてフラーレン60を真空蒸着法で充填した。次いでアクセプター層の上にバッファー層として酸化チタンからなる膜をスパッタリング法で200nmの厚みで形成し、その上に電極としてアルミニウム膜を真空蒸着法で800nmの厚みで形成し、その上に塩化ビニル系の接着層をグラビア印刷で全面に形成し、アクリル板に載置し、熱と圧力を加えて前記各層をアクリル板状に転写させた。   Next, fullerene 60 was filled as an acceptor layer into the formed many fine grooves by a vacuum deposition method. Next, a film made of titanium oxide as a buffer layer is formed on the acceptor layer with a thickness of 200 nm by sputtering, and an aluminum film is formed as an electrode with a thickness of 800 nm on the acceptor layer by vacuum evaporation, on which a vinyl chloride system is formed. The adhesive layer was formed on the entire surface by gravure printing, placed on an acrylic plate, and heat and pressure were applied to transfer each layer into an acrylic plate shape.

次いで、前記離型性を有する基体シートを剥離除去し、露出した最表面にPEDOT/PSSの水分散液をコーターで形成し、乾燥後、その上に透明電極としてインジウムスズ酸化物膜をスパッタリング法で200nmの厚みで形成し、有機薄膜太陽電池を得た。この有機薄膜太陽電池の断面は、ドナー層とアクセプター層が両電極を完全に貫通した直立超格子構造でほぼ理想に近いナノ構造になっており、従来の不均一なバルクへテロジャンクション接合構造と異なり、変換効率も格段に向上していた。また、大面積にしてもこの構造はほぼ維持されていた。   Next, the substrate sheet having releasability is peeled and removed, an aqueous dispersion of PEDOT / PSS is formed on the exposed outermost surface with a coater, and after drying, an indium tin oxide film is sputtered thereon as a transparent electrode With a thickness of 200 nm, an organic thin film solar cell was obtained. The cross section of this organic thin-film solar cell is an almost super-ideal nanostructure with an upright superlattice structure in which the donor layer and the acceptor layer completely penetrate both electrodes, and the conventional non-uniform bulk heterojunction junction structure Unlikely, the conversion efficiency was also greatly improved. In addition, this structure was almost maintained even in a large area.

インプリント型母材の基材として厚さ25μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用意し、該インプリント型母材の基材上にクロルメチル化カリックスアレーンを主成分とする電離放射線硬化層をグラビア印刷法により0.2μmの厚みで形成し、該電離放射線硬化層の上に真空蒸着法を用いてインジウムからなる厚み5nmの多数の島状の金属膜を形成した。次いで、該金属膜をマスクとして電子線を照射して電離放射線硬化層の一部を硬化させ、トルエンを主成分とする有機溶剤でもって未効果の箇所を剥離除去した。   A polyethylene terephthalate film having a thickness of 25 μm is prepared as a base material for an imprint base material, and an ionizing radiation cured layer mainly composed of chloromethylated calixarene is formed on the base material of the imprint base material by a gravure printing method. A plurality of island-shaped metal films made of indium and having a thickness of 5 nm were formed on the ionizing radiation-cured layer using a vacuum deposition method. Next, an electron beam was irradiated using the metal film as a mask to cure a part of the ionizing radiation-cured layer, and an ineffective portion was peeled and removed with an organic solvent containing toluene as a main component.

上記得られたインプリント型母材には幅30nm程度の微細な溝の凹部が形成され、凸部は平均面積が200nm程度の多数の島状構造となっていた、次いで該インプリント型母材に対して全面に銅を真空蒸着し、次いでニッケル電鋳により、前記インプリント型母材の形状を反転した平均面積が200nm程度の多数の島状構造の凹部とそれを取り囲む幅30nm程度で高さが170nm程度の凸部とがあるシート状のインプリント型が得られた。 The imprint base material obtained above was formed with concave portions of fine grooves with a width of about 30 nm, and the convex portions had a large number of island structures with an average area of about 200 nm 2. the copper was vacuum-deposited on the entire surface against the timber, followed by nickel electroforming, the recess and the width 30nm approximately surrounding the said imprint basic material a number of islands average area of about 200 nm 2 of the shape obtained by inverting the Thus, a sheet-like imprint mold having a convex portion with a height of about 170 nm was obtained.

一方、離型性を有する基体シートとして厚さ100μmのフッ素アクリル系フィルムを用い、その表面にアクセプター層としてC70フェニルブチル酸メチルエステル(PC70BM)を含む塗布膜をコーターで100nmの厚みで形成した。次いで、該アクセプター層に前記シート状のインプリント型を載置し、50℃に加熱しながら5気圧の圧力で押圧し、シート状のインプリント型を積層した。放置冷却後、シート状のインプリント型を剥離したところ、アクセプター層を貫通し、フッ素アクリル系フィルムまで達する幅40nm程度の多数の微細な溝が形成されていた。   On the other hand, a fluoroacrylic film having a thickness of 100 μm was used as a substrate sheet having releasability, and a coating film containing C70 phenylbutyric acid methyl ester (PC70BM) as an acceptor layer was formed on the surface thereof with a coater to a thickness of 100 nm. Next, the sheet-like imprint mold was placed on the acceptor layer and pressed at a pressure of 5 atm while being heated to 50 ° C. to laminate the sheet-like imprint mold. When the sheet-like imprint mold was peeled off after standing cooling, a large number of fine grooves having a width of about 40 nm that penetrated through the acceptor layer and reached the fluoroacrylic film were formed.

次いで、該形成された多数の微細な溝にドナー層として亜鉛ドープフタロシアニンをジブチルエーテルに溶解した塗布液で充填し、乾燥した。その上に透明電極として銀ナノワイヤを含有した透明導電インキをグラビア印刷で500nmの厚みで形成し、その上に塩化ビニル系の接着層をグラビア印刷で全面に形成し、アクリル板に載置し、熱と圧力を加えて前記各層をアクリル板状に転写させた。   Next, the formed fine grooves were filled with a coating solution in which zinc-doped phthalocyanine was dissolved in dibutyl ether as a donor layer and dried. A transparent conductive ink containing silver nanowires as a transparent electrode is formed thereon with a thickness of 500 nm by gravure printing, and a vinyl chloride adhesive layer is formed on the entire surface by gravure printing thereon and placed on an acrylic plate, The layers were transferred to an acrylic plate by applying heat and pressure.

次いで、前記離型性を有する基体シートを剥離除去し、露出した最表面にバッファー層として酸化チタンからなる膜をスパッタリング法で500nmの厚みで形成し、その上に電極としてアルミニウム膜を真空蒸着法で800nmの厚みで形成して、有機薄膜太陽電池を得た。この有機薄膜太陽電池の断面は、ドナー層とアクセプター層が両電極を完全に貫通した直立超格子構造でほぼ理想に近いナノ構造になっており、従来の不均一なバルクへテロジャンクション接合構造と異なり、変換効率も格段に向上していた。また、大面積にしてもこの構造はほぼ維持されていた。   Next, the substrate sheet having releasability is peeled and removed, a film made of titanium oxide is formed as a buffer layer on the exposed outermost surface with a thickness of 500 nm by a sputtering method, and an aluminum film as an electrode is vacuum-deposited thereon. The organic thin film solar cell was obtained with a thickness of 800 nm. The cross section of this organic thin-film solar cell is an almost super-ideal nanostructure with an upright superlattice structure in which the donor layer and the acceptor layer completely penetrate both electrodes, and the conventional non-uniform bulk heterojunction junction structure Unlikely, the conversion efficiency was also greatly improved. In addition, this structure was almost maintained even in a large area.

インプリント型母材の基材として厚さ25μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用意し、該インプリント型母材の基材上に塩化ビニル酢酸ビニル共重合樹脂を主成分とする被エッチング層をグラビア印刷法により0.1μmの厚みで形成し、該被エッチング層の上に真空蒸着法を用いてスズからなる厚み60nmの多数の島状の金属膜を形成した。次いで、該金属膜をマスクとしてアルゴンプラズマによる反応性エッチングを施した。   A 25 μm-thick polyethylene terephthalate film is prepared as a base material for an imprint base material, and an etching target layer mainly composed of a vinyl chloride vinyl acetate copolymer resin is formed on the base material for the imprint base material. Then, a large number of island-like metal films made of tin and having a thickness of 60 nm were formed on the layer to be etched using a vacuum deposition method. Next, reactive etching using argon plasma was performed using the metal film as a mask.

上記得られたインプリント型母材には幅7nm程度の微細な溝の凹部が形成され、凸部は平均面積が500nm程度の多数の島状構造となっていた、次いで該インプリント型母材に対して全面に銅を真空蒸着し、次いでニッケル電鋳により、前記インプリント型母材の形状を反転した平均面積が500nm程度の多数の島状構造の凹部とそれを取り囲む幅7nm程度で高さが80nm程度の凸部とがあるシート状のインプリント型が得られた。 The imprint base material thus obtained was formed with concave portions of fine grooves having a width of about 7 nm, and the convex portions had a large number of island structures with an average area of about 500 nm 2. Copper is vacuum-deposited on the entire surface of the material, then nickel electroforming is used to invert the shape of the imprint base material, and an average area of about 500 nm 2 and a plurality of island-shaped recesses and a width of about 7 nm surrounding it. Thus, a sheet-like imprint mold having a convex portion having a height of about 80 nm was obtained.

一方、アクリル板に、透明電極としてインジウムスズ酸化物膜をスパッタリング法で200nmの厚みで形成し、その上にPEDOT/PSSの水分散液をコーターで形成し、乾燥後、その上にドナー層として亜鉛ドープフタロシアニンをジブチルエーテルに溶解した塗布液で充填し、乾燥した。次いで、該ドナー層に前記シート状のインプリント型を載置し、60℃に加熱しながら3気圧の圧力で押圧し、シート状のインプリント型を積層した。放置冷却後、シート状のインプリント型を剥離したところ、ドナー層には、深さが60nm程度で幅8nm程度の多数の微細な溝が形成されていた。   On the other hand, an indium tin oxide film having a thickness of 200 nm is formed as a transparent electrode on an acrylic plate by sputtering, and an aqueous dispersion of PEDOT / PSS is formed thereon with a coater. After drying, a donor layer is formed thereon. Zinc-doped phthalocyanine was filled with a coating solution dissolved in dibutyl ether and dried. Next, the sheet-like imprint mold was placed on the donor layer and pressed at a pressure of 3 atm while being heated to 60 ° C. to laminate the sheet-like imprint mold. When the sheet-shaped imprint mold was peeled off after standing cooling, a large number of fine grooves having a depth of about 60 nm and a width of about 8 nm were formed in the donor layer.

次いで、該形成された多数の微細な溝にアクセプター層としてフラーレン60を真空蒸着法で充填した。次いでアクセプター層の上にバッファー層として酸化チタンからなる膜をスパッタリング法で200nmの厚みで形成し、その上に電極としてアルミニウム膜を真空蒸着法で800nmの厚みで形成し、有機薄膜太陽電池を得た。この有機薄膜太陽電池の断面は、ドナー層とアクセプター層とが混じった部分が60nmのPIN構造になっており、従来のものより変換効率が格段に向上していた。また、大面積にしてもこの構造はほぼ維持されていた。   Next, fullerene 60 was filled as an acceptor layer into the formed many fine grooves by a vacuum deposition method. Next, a film made of titanium oxide as a buffer layer is formed on the acceptor layer with a thickness of 200 nm by a sputtering method, and an aluminum film is formed thereon as an electrode with a thickness of 800 nm by a vacuum evaporation method to obtain an organic thin film solar cell. It was. In the cross section of this organic thin film solar cell, the portion where the donor layer and the acceptor layer are mixed has a PIN structure of 60 nm, and the conversion efficiency is significantly improved compared to the conventional one. In addition, this structure was almost maintained even in a large area.

1 微細な溝
3 金属膜
5 有機薄膜太陽電池
7 ドナーまたはアクセプターの層
8 もう片方のドナーまたはアクセプターの層
9 多数の島状構造
12 離型性を有する基体シート
14 太陽電池の基材
20、21 電極
30 インプリント型
31 インプリント型母材
32 インプリント型母材の基材
33 電離放射線
35 電離放射線可溶化層
37 ナノスケール幅の溝の凹部
38 インプリント型の凸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine groove | channel 3 Metal film 5 Organic thin film solar cell 7 Donor or acceptor layer 8 The other donor or acceptor layer 9 Numerous island structure 12 Base sheet having releasability 14 Solar cell base material 20, 21 Electrode 30 Imprint type 31 Imprint type base material 32 Base material of imprint type base material 33 Ionizing radiation 35 Ionizing radiation solubilized layer 37 Concave portion of nanoscale width groove 38 Imprint type convex portion

Claims (2)

離型性を有する基体シート上にドナーまたはアクセプターの層を形成し、ナノインプリント加工して該ドナーまたはアクセプターの層を貫通するナノスケール幅の微細な溝またはナノスケールサイズの島状構造の凹部を形成し、該微細な溝または島状構造の凹部にもう片方のドナーまたはアクセプターの層を充填し、その上から電極を形成した後、前記各層を太陽電池の基材に転写し、転写後の最表面にもう片方の電極を形成する有機薄膜太陽電池の製造方法。   A donor or acceptor layer is formed on a releasable substrate sheet, and nanoimprint processing is performed to form a nanoscale-width fine groove or a nanoscale-sized island-shaped recess that penetrates the donor or acceptor layer. Then, after filling the other groove of the fine groove or the island structure with the other donor or acceptor layer and forming an electrode from the upper layer, the layer is transferred to the substrate of the solar cell, and after the transfer, A method for producing an organic thin-film solar cell, wherein the other electrode is formed on the surface. 離型性を有する基体シート上にドナーまたはアクセプターの層が形成され、ナノインプリント加工して該ドナーまたはアクセプターの層を貫通するナノスケール幅の微細な溝またはナノスケールサイズの島状構造の凹部が形成され、該微細な溝または島状構造の凹部にもう片方のドナーまたはアクセプターの層が充填され、その上から電極が形成されている転写シート。 A layer of the donor or acceptor is formed on a substrate sheet having releasing property, recess nanoimprint processed into an island-like structure of the donor or nanoscale fine grooves or nanoscale size width through the layer of acceptor form A transfer sheet in which the minute groove or the recess of the island structure is filled with the other donor or acceptor layer, and an electrode is formed thereon .
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