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JP4430333B2 - Organic solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP4430333B2 - Organic solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機太陽電池とその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、有機/有機へテロ接合による内部電界を利用した太陽電池とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の有機半導体を用いた太陽電池は、多様性があること、毒性が低いこと、加工性・生産性が高く、大量生産によるコストダウンが可能であること、可とう性を有するためフレキシブル化が容易であることなどの優れた特長を有するが、エネルギー変換効率が低く、実用レベルに達していないという問題点がある。
【0003】
例えば、無金属フタロシアニンとアルミニウムの接触を利用したいわゆるショットキー障壁型の素子が報告されている(R.O.Loutfy et al., J. Chem. Phys. Vol. 71, p1211(非特許文献1))。しかし、電極のアルミニウムが空気中の酸素により酸化されるために、光強度を増すと変換効率が低下したり、時間と共に素子が劣化していくという問題点がある。
【0004】
また、アルミニウムの代わりに有機N型半導体であるペリレン誘導体をフタロシアニンと接合させた積層型PNヘテロ接合太陽電池(C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. Vol. 45, p1144(非特許文献2))が報告されている。この太陽電池は、擬似太陽光下で1%の変換効率を示し、実用化の可能性を示したが、接合面積が小さく、電荷分離する領域が狭いために、効率よく電荷分離が起こらず、外部回路に電流が流れにくくなるという問題点がある。したがって、変換効率はさらに10倍程度の向上が要求される。
【0005】
また、導電性高分子であるポリフェニレンビニレンの誘導体のポリ[(2-メトキシ-5-(2'-エチルヘキシロキシ)1-4-フェニレンビニレン]とフラーレンの混合膜を用いた太陽電池など、これらの混合膜を使ったバルクへテロ接合型太陽電池も提案されている (米国特許第5,331,183号明細書(特許文献1))。この太陽電池は、一方の有機材料を他方の有機材料中に分散させているため、接合面積が広く、電荷分離する領域も広くなっている。しかし、有機材料分子間の距離が大きいために、電荷分離されたキャリアの移動が困難であり、電極に辿り着く前に失活してしまう確率が高く、実用化のレベルに達していない。
【0006】
【特許文献1】
米国特許第5,331,183号明細書
【非特許文献1】
R.O.Loutfy et al., J. Chem. Phys. Vol. 71, p1211
【非特許文献2】
C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. Vol. 45, p1144
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高光電変換効率を有する太陽電池とその容易なプロセスでの製造方法を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
かくして本発明によれば、第1の有機材料と第2の有機材料が接することにより形成されたヘテロ接合面を含む機能層が、第1電極と第2電極の間に狭持され、第1の有機材料が微粒子融着積層構造を有し、第2の有機材料がその微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在し、第1の有機材料が、導電性高分子材料であり、かつ第2の有機材料の融点よりも高い融点を有することを特徴とする有機太陽電池が提供される。
【0009】
また、本発明によれば、(a)第1電極の上に、微粒子からなる第1の有機材料の微粒子積層構造を形成する工程、(b)前記微粒子積層構造を互いに融着させて微粒子融着積層構造を形成する工程、(c)前記微粒子融着積層構造の第1の有機材料と、その表面および/または空隙中に第2の有機材料が存在するように、第2の有機材料とを処理して、ヘテロ結合面を有する機能層を形成する工程、および(d)前記機能層上に第2電極を形成する工程を含み、前記工程(a)で用いる第1の有機材料が、導電性高分子材料であり、かつ第2の有機材料の融点よりも高い融点を有し、前記工程(b)において、加熱により微粒子を融着させる温度が、微粒子のガラス転移点以上でかつ融点以下であり、前記工程(c)において、前記微粒子融着積層構造上に第2の有機材料を積層し、第1の有機材料の融点より低く、かつ第2の有機材料の融点よりも高い温度で加熱することを特徴とする有機太陽電池の製造方法が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の有機太陽電池の層構成を示す模式断面図である。図1(a)は、その実施形態1であり、基板101a、第1電極102a、微粒子融着積層構造の第1の有機材料103a、その一部が微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在する第2の有機材料104a、第2電極105aが順次積層された構造を有する。ここで、光を基板側から照射する場合、前記基板101aおよび前記第1電極102aは光透過性の材料で形成される。一方、光を基板と反対側から照射する場合、前記第2電極105aは光透過性の材料で形成される。ここで、「光透過性」とは、有機太陽電池において使用される所定波長領域、例えば可視領域の光を高効率で透過する性質を意味する。
【0011】
本発明は、第1の有機材料と第2の有機材料が接することにより形成されたヘテロ接合面を含む機能層が、第1電極と第2電極の間に狭持され、第1の有機材料が、微粒子融着積層構造を有し、第2の有機材料がその微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在することを特徴とする構造を有する。
【0012】
<微粒子融着積層構造について>
本発明における「微粒子融着積層構造」とは、微粒子間が結合し、三次元的にネットワークを形成している構造を意味する。すなわち、その構造は、熱や光によって微粒子間の界面の一部がなくなった状態であり、微粒子間をキャリアが移動する際の抵抗値が低く、異種の有機材料の界面で電荷分離されたキャリアが容易に移動できるので、生成したキャリアが電極に到達する確率が高くなる。
【0013】
図2(a)は微粒子が融着構造をなす前の状態である有機太陽電池における微粒子集合体の構造を示す模式図、図2(b)は本発明の有機太陽電池における微粒子融着積層構造を示す模式図である。図2(a)及び図2(b)は、微粒子集合体の構造および微粒子融着積層構造のそれぞれにおいて、微粒子が直線的に並んでいる場合の一列を切り出して表示したものである。図中、203は微粒子融着積層構造を示す。
【0014】
図2(a)の微粒子の構造の場合、粒子と隣の粒子との境界には不連続な界面が存在する。該界面が存在する場合、一つの粒子内に存在する電子やホールなどのキャリアは、前記界面に存在するトラップ準位や空間的な間隙などにより移動が妨げられる。
【0015】
これに対し、図2(b)の本発明による微粒子融着積層構造の場合、微粒子の形状を残しつつ、微粒子間が結合している。すなわち、粒界がなく、微粒子間の結合部分が連続している。例えば、結晶同士であれば、結合部分で結晶の周期性が連続している状態であり、非晶質の場合でも、原子同士の結合のネットワークが、結合部分においても連続であることを意味する。また高分子の場合であれば、分子鎖が結合部分をまたいで存在している状態を意味する。また、上記のように粒子間が結合した状態でありながら、しかも粒子間には空隙部を有している状態である。
【0016】
したがって、図2(b)の本発明による微粒子融着積層構造の場合、図2(a)の微粒子集合体の構造の場合と比較して、一つの粒子内に存在する電子やホールなどのキャリアは、隣接する粒子にスムーズに移動することが可能である。
【0017】
微粒子融着積層構造の第1の有機材料103aを形成する微粒子の平均粒子径は、10nm〜1μm程度であり、20nm〜500nmが好ましい。前記微粒子の粒度分布は、特に限定されず、均一であってもランダムであってもよい。ただし、微粒子の融着工程の温度制御が容易なことから、粒子は球状でかつ均一な粒径を有していることがより好ましい。
【0018】
前記微粒子融着積層構造の充填構造は、微粒子の形状およびその粒度分布により変化させることができる。充填構造を変化させることにより、電荷分離の範囲、微粒子融着積層構造の体積とその空隙に存在する前記第2の有機材料の体積割合を変させることができる。一般的に均一な粒径の微粒子を溶媒中で沈殿させると規則充填する。規則充填は粒子集合体のどこでも同じ配列構造をしているため、その最小単位であるユニットセルを考えればよい。均一な粒径の球形粒子が規則充填構造をとると、広い範囲の空間率を連続的に表現できるが、現実的にこのような配列構造が存在するとは考えにくい。ランダム配列は方向性、周期性がなく、粒子配列が場所によりすべて異なる。
【0019】
本発明の場合、規則充填を示していなくてもネットワークを形成することができる。ここで機能層に対する微粒子融着積層構造の体積割合は、微粒子のネットワークの形成を形成する上で50%以上が好ましい。また第2の有機材料104aを微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在させるとき、微粒子融着積層構造の割合が高すぎると第2の有機材料を存在させ難くなるために80%以下であることが好ましい。製造の容易さと、電荷分離する領域を考えると、機能層に対する微粒子融着積層構造の割合は60%以上70%以下が最も好ましい。
【0020】
微粒子融着積層構造を形成する第1の有機材料に、第2の有機材料を表面および/または空隙中に存在させるためには、第2の有機材料を有機溶媒に溶解または分散し、その溶液または分散液を微粒子融着積層構造に塗布した後、機能層を加温することが好ましい。
【0021】
前記微粒子融着積層構造を形成する第1の有機材料と、その表面および/または空隙中に存在する第2の有機材料とから構成される機能層の膜厚は、10nm〜50μm程度であり、50nm〜2000nm程度が好ましい。膜厚が薄すぎると電気的短絡を起こし光電変換特性を示し難くなり、厚すぎると光透過率の低下および膜の電気抵抗が高くなり光電流は減少する。
【0022】
<機能層の有機材料について>
有機材料は、微粒子融着積層構造の第1の有機材料103a表面および/または空隙中に存在する第2の有機材料104aの一方が、電子受容性有機材料であり、他方が電子供与性有機材料である。
【0023】
電子受容性有機材料は、電荷キャリアが電子である共役系の広がったπ電子化合物あでり、空気中で安定なN型半導体特性を示す。電子受容性有機材料を第1の有機材料に用いる場合、分散させて沈殿させる溶媒に対して不溶又は難溶であるものが好ましい。
【0024】
例えば、電子受容性有機材料としては、ピリジンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、キノリンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ベンゾフェナンスロリン類およびその誘導体によるラダーポリマー、シアノポリフェニレンビニレンなどの高分子材料;フッ素化無金属フタロシアニン、フッ素化金属フタロシアニン類およびその誘導体、ペリレンおよびその誘導体、ナフタレン誘導体、バソキュプロインおよびその誘導体などの低分子材料が挙げられる。
【0025】
電子供与性有機材料は、電荷キャリアが正孔である共役系の広がったπ電子化合物であり、空気中で安定なP型半導体特性を示す。電子供与性有機材料を第1の有機材料に用いる場合、分散させる溶媒に不溶又は難溶であるものが好ましい。
【0026】
電子供与性有機材料としては、例えば、チオフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、フェニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、チエニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ビニルカルバゾールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、イソチアナフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマーなどの高分子材料;無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ペンタセンなどのアセン類およびその誘導体、ポルフィリン、テトラメチルポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、モノアゾテトラベンズポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、トリアゾテトラベンズポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、オクタアルキルチオポルフィラジン、オクタアルキルアミノポルフィラジン、ヘミポルフィラジン、クロロフィルなどの無金属ポルフィリンや金属ポルフィリンおよびその誘導体、シアニン色素、メロシア、ベンゾキノン、ナフトキノンなどのキノン系色素などの低分子材料が挙げられる。
【0027】
金属フタロシアニンや金属ポルフィリンの中心金属としては、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、アルミニウム、珪素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、スズ、白金、鉛などの金属、金属酸化物、金属ハロゲン化物が用いられる。
【0028】
上記の電子供与性有機材料のなかでも、例えば、ポリチオフェンのような導電性高分子材料は、懸濁重合法などの固有の高分子の微粒子製造技術を用いて容易に製造ができるので好ましい。
【0029】
微粒子融着積層構造は、微粒子積層構造に加熱、電子線照射などのエネルギーを付与し、隣接する微粒子同士を互いに融着させることにより形成することができる。
【0030】
第1の有機材料に導電性高分子材料を用いて、微粒子を積層後、微粒子間を融着するために加熱する場合、その温度は、ガラス転移点以上でかつ融点以下が好ましい。ガラス転移点未満では、微粒子間がほとんど融着を起こさず、微粒子間の電荷移動が円滑に行われないので好ましくない。一方、融点を超える温度で加熱すると、微粒子積層構造によって形成された空隙部がすべて消滅してしまうので好ましくはない。電荷移動が円滑に行われかつ電荷分離面積を大きくするためには、上記の温度領域での加熱が好ましい。
第1の有機材料が、ポリフェニレンビニレンであり、第2の有機材料が、ポリ(キノキサリン-5,8-ジイル)であるのが特に好ましい。
【0031】
<基板について>
前記基板101aの具体的な材料としては、アルミニウム、ステンレスなどの金属や、合金類、ポリカーボネート、ポリエステルなどのプラスチックなどが使用できる。また、透過性の物質として、ガラス、透明プラスチックなどが使用できる。
【0032】
<電極について>
機能層を狭持する第1電極102aおよび第2電極105aのいずれか一方は透明電極が用いられる。
これらの電極は、導電性、光の透過率など所定の特性を保持しておれば特に限定されず、金属、酸化物、高分子など公知の材料が使用できる。一般には電極の厚さは、20nm〜1μm程度が好ましい。
【0033】
電子受容性有機材料とオーミックな接触を形成し、かつ照射光を透過させるためには、仕事関数の小さな電極材料を用いることが好ましい。また、電子供与性有機材料とオーミックな接触を形成するためには、仕事関数の大きな電極材料を用いるのが好ましい。
【0034】
仕事関数の大きな電極材料としては、スズドープされた酸化インジウム(ITO)、金、白金などの金属が挙げられ、透明な電極材料としては、フッ素がドープされた酸化スズなどが挙げられる。また、仕事関数の小さな電極材料としてはアルミニウム、インジウムなどが挙げられる。
【0035】
電極は、公知の方法により、所定の形状に加工することができる。また、2つの電極で構成される場合、それらの電極と機能層との関係は、図1(a)に示すように異種の有機材料が二つの電極に別々に接していてもよく、図1(b)に示すように微粒子融着積層構造を形成する第1の有機材料と、表面および/または空隙中に存在する第2の有機材料の両方が、両方の電極に接していてもよい。上記機能層および電極作製において、光酸化を防ぐために、真空中および窒素などの不活性ガス中で行うのが好ましい。なお、図1(b)中の図番101b〜105bは、図1(a)の図番101a〜105aに対応する。
【0036】
また、微粒子融着積層構造を形成する第1の有機材料は、第2の有機材料より融点が高いのが好ましい。すなわち微粒子融着積層構造103aを形成する第1の有機材料よりも融点の低い有機材料を第2の有機材料として用い、微粒子融着積層構造上に第2の有機材料を積層し、減圧下で、微粒子融着積層構造に用いた第1の有機材料の融点より低く、第2の有機材料の融点よりも高い温度で加熱する。このように微粒子融着積層構造はその微粒子ネットワークの構造を保ちつつ、充填したい第2の有機材料のみが溶融し、前記微粒子融着積層構造103aの表面および/または空隙中に存在することになる。
【0037】
第1の有機材料の融点が第2の有機材料の融点より高い場合、微粒子融着積層構造を形成した後、微粒子融着積層構造を壊すことなしに、融解した第2の有機材料を表面および/または空隙中に存在することが可能となる。このように微粒子融着積層構造を形成後、その融点の温度差を利用して容易にその表面および/または空隙中に他方の有機材料を存在させることができる。
【0038】
<電子輸送層および正孔輸送層について>
また、陽極とする第1または第2電極と機能層との間に正孔輸送層303、および/または陰極とする第2または第1電極と機能層との間に電子輸送層306を有してもよい(実施例2、図3参照)。
電子輸送層や正孔輸送層の導入によって、機能層の界面で電荷分離されたキャリアが円滑に電極に輸送される。
【0039】
電子輸送層の成形材料としては、2,4,7-トリニトロフルオレノン、2,4,5,7-テトラニトロフルオレノン、テトラシアニキノジメタンなどの電子受容性物質やこれら電子受容性物質を高分子化したものが挙げられる。
【0040】
正孔輸送層の成形材料としては、オキサジアゾール誘導体、ピラゾリン誘導体、トリフェニルアミン、ベンジルアニリンなどの芳香族第三級ジアミノ化合物、1,2,4-トリアジン誘導体、ヒドラゾン誘導体、キナゾリン誘導体、ベンゾフラン誘導体、α-スチルベン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、またはこれらの化合物からなる基を主鎖もしくは側鎖に有する重合体などが挙げられる。
【0041】
正孔輸送層または電子輸送層は、蒸着法、スピンコート法、スプレー法、スクリーン印刷法、インクジェットプリント法などの公知の方法により形成できる。
【0042】
電子輸送層の厚さは、機能層を概ね被覆する厚さ以上であれば、特に限定されないが、厚すぎると電子の輸送効率が悪くなるので、数nm〜1μm程度、好ましくは10nm〜500nm程度である。
【0043】
正孔輸送層の厚さは、第1電極302を概ね被覆する厚さ以上であれば、特に限定されないが、厚すぎると正孔の輸送効率が悪くなるので、数nm〜1μm程度、好ましくは10nm〜500nm程度である。
【0044】
本発明の太陽電池の製造方法について説明する。
本発明の有機太陽電池の製造方法は、(a)第1電極の上に、第1の有機材料の微粒子積層構造を形成する工程、(b)前記微粒子積層構造を互いに融着させて微粒子融着積層構造を形成する工程、(c)前記微粒子融着積層構造の第1の有機材料と、その表面および/または空隙中に第2の有機材料が存在するように、第2の有機材料とを処理して、ヘテロ合面を有する機能層を形成する工程、および(d)前記機能層上に第2電極を形成する工程を含むことを特徴とする。
【0045】
従来法で形成されたITOの第1電極上に、溶媒中に分散した第1の有機材料の微粒子を沈殿または塗布し、蒸発方法で溶媒を取り除いて微粒子積層構造を形成した後、熱等を用いて融着を行い微粒子融着積層構造形成する。その後、微粒子融着積層構造を第2の有機材料に浸漬し、溶媒を蒸発させて、第1の有機材料の微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在する機能層を作製する。その後、第2電極を真空蒸着法で形成する。
【0046】
この製造方法によって、微粒子の状態を保ちつつ、微粒子間の界面がなくなるようなネットワークを形成することができる。
熱を用いて微粒子を融着させてもよい。微粒子には有機材料を用いており、低温で微粒子間を融着することができるため、微粒子融着積層構造を容易に作製することができる。前記微粒子融着積層構造103aに用いる第1の有機材料よりも融点の低い有機材料を前記第2の有機材料として用い、前記微粒子融着積層構造103aに用いた前記第1の有機材料の融点より低く、前記第2の有機材料の融点より高い温度で加熱する。
また、すべての工程を一度も大気中にさらすことなく行うことが好ましい。
【0047】
本発明の別の製造方法として下記の方法により、有機太陽電池を製造してもよい。その製造方法は、特定の性質を持つ溶媒中に分散した微粒子を沈殿させることによって微粒子積層構造を形成する方法である。
【0048】
微粒子を分散させる特定の性質を持つ溶媒は、揮発性で、微粒子を構成する第1の有機材料が不溶で、比重が微粒子の比重よりも小さいものが用いられる。
【0049】
まず、前記第1の有機材料によって構成される微粒子を、前記第2の有機材料を溶解させた溶液中に分散させる。前記微粒子が沈殿後、前記第2の有機材料を溶解させた溶媒を揮発させる。この工程の導入によって、微粒子の密度が高い状態で積層した構造を容易に作製することができる。
【0050】
溶媒中に分散した第1の有機材料の微粒子を基板に塗布し、溶媒を揮発させて、微粒子積層構造を形成してもよい。この製造方法では、溶媒中に微粒子の分散した溶液を塗布し、溶媒を乾燥させて前記微粒子が積層された構造を形成した後、加熱などの方法で微粒子が積層された構造にエネルギーを与えて微粒子融着積層構造103aを形成する方法を用いてもよい。この工程の導入によって容易に微粒子の積層した構造を作製することができる。
【0051】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
前記微粒子融着積層構造103aを構成する材料として、電子供与性材料であるポリ(フェニレンビニレン)(PPV)、前記微粒子融着積層構造103aの空隙部に充填する前記第2の有機材料104aとしては、電子受容性材料であるポリ(キノキサリン-5,8-ジイル)(P(5,8-Qx))を用いる場合を例により具体的に説明する。
【0052】
まず、PPVの微粒子をトルエン溶液中に分散させた。前記微粒子の直径はおよそ50nmであった。また、分散溶液の濃度はおよそ2wt%であった。次いでこの分散溶液を、スプレー塗布方法により、石英基板101aに形成されたITO電極102a上に、均一塗布した。前記微粒子が重力の作用によって基板上に沈殿した後、トルエンが揮発するまでおよそ5分待った。揮発後、微粒子が積層し終えた前記基板をホットプレート上で、150℃の温度で3分加熱した。この工程によってPPVの微粒子融着積層構造103aが形成できた。前記微粒子融着積層構造103aの膜厚はおよそ700nmであった。また、微粒子融着積層構造103aと微粒子間にできた空隙部との比率はおよそ7:3であった。
【0053】
PPVの前記微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在するように、P(5,8-Qx)を存在させた。具体的には、P(5,8-Qx)をトルエン中に溶解して、濃度がおよそ2wt%の溶液を調整した。この溶液を、ITO石英基板上に形成したPPVの前記微粒子融着積層構造103aをキャスティング法によって浸漬した。この溶液が、前記微粒子融着積層構造103aの空隙部に十分浸透した後、トルエンを揮発させた。機能層の膜厚はおよそ1000nmであった。
前記の如く機能層成形後、真空蒸着法により第2電極105aを作製した。以上の工程で本発明による太陽電池が作製できた。
このようにして得られた有機太陽電池は、従来品と比べて高い光電変換効率を示した。
【0054】
(実施例2)
図3は、本発明の第2実施例としての有機太陽電池を説明するための模式断面図である。図3に示すように、基板301、第1電極302、正孔輸送層303、微粒子融着積層構造の第1の有機材料304と微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在する第2の有機材料305とからなる機能層、電子輸送306および第2電極307が順次積層された構造を有する。ここで、前記正孔輸送層303は機能層の電子供与性有機材料と接している。また、前記電子輸送層306は機能層の電子受容性有機材料と接している。
【0055】
以下に第2実施例の製造工程の具体的な方法を示す。第1電極302の形成までは、実施例1と同様にして行なった。
次に、ポリ(3,4−エチレンダイオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォネート)(PEDOT:PSS)のような導電性高分子材料を用いて、スピンコート法で膜厚100nmの正孔輸送層303を形成した。次に機能層を実施例1と同様にして形成した。
【0056】
機能層形成後、バソキュプロイン(電子受容性有機材料)を用いて、電子輸送層306を真空蒸着法で形成した。この時電子輸送層の膜厚は100nmであった。次に実施例1と同様にして、膜厚200nmの第2電極307を形成した。以上の工程で本発明の第2実施例の太陽電池が作製できた。
このようにして得られた有機太陽電池は、図2(a)で示した微粒子集合体の構造を有する有機太陽電池と比べて高い光電変換効率を示した。
【0057】
【発明の効果】
本発明の有機太陽電池によれば、電荷分離の面積が大きく、機能層の微粒子間の粒界がなくなり連続であるため、従来のバクヘテロ接合型太陽電池に比べキャリアの移動が円滑に行われる。このため、高い光電変換効率を得ることができる。
また、本発明の有機太陽電池の製造方法は、容易なプロセスによって微粒子の積層した構造を形成することができ、かつ高温プロセスを必要としない。
さらに、電子輸送層および/または正孔輸送層を導入することによって、機能層と電極のキャリアの移動が容易になり、さらなる光電変換効率の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の有機太陽電池の層構成を示す模式断面図である(実施例1)。
【図2】 機太陽電池における微粒子集合体の構造を示す比較模式図(a)および本発明の有機太陽電池における微粒子融着積層構造を示す模式図(b)である。
【図3】本発明の有機太陽電池の層構成を示す模式断面図である(実施例2)。
【符号の説明】
101a、101b、301 基板(石英基板)
102a、102b、302 第1電極(ITO電極)
103a、103b、203、304 微粒子融着積層構造の第1の有機材料104a、104b、305 微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在する第2の有機材料
105a、105b、307 第2電極
303 正孔輸送層
306 電子輸送層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic solar cell and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a solar cell using an internal electric field by an organic / organic heterojunction and a method for manufacturing the solar cell.
[0002]
[Prior art]
Conventional solar cells using organic semiconductors are versatile, have low toxicity, have high processability and productivity, can be reduced in cost by mass production, and are flexible because of their flexibility. Although it has excellent features such as being easy, there is a problem that the energy conversion efficiency is low and the practical level is not reached.
[0003]
For example, a so-called Schottky barrier type element utilizing contact between metal-free phthalocyanine and aluminum has been reported (ROLoutfy et al., J. Chem. Phys. Vol. 71, p1211 (Non-patent Document 1)). However, since the aluminum of the electrode is oxidized by oxygen in the air, there is a problem that when the light intensity is increased, the conversion efficiency is lowered or the element is deteriorated with time.
[0004]
In addition, a stacked PN heterojunction solar cell (CW Tang, Appl. Phys. Lett. Vol. 45, p1144 (non-patent document 2)) in which a perylene derivative, which is an organic N-type semiconductor, is bonded to phthalocyanine instead of aluminum. It has been reported. This solar cell showed a conversion efficiency of 1% under simulated sunlight and showed the possibility of practical use. However, since the junction area is small and the region for charge separation is narrow, charge separation does not occur efficiently, There is a problem that it becomes difficult for current to flow to the external circuit. Therefore, the conversion efficiency is required to be further improved by about 10 times.
[0005]
In addition, solar cells using a mixed film of poly [(2-methoxy-5- (2'-ethylhexyloxy) 1-4-phenylenevinylene], a fullerene derivative of polyphenylene vinylene, which is a conductive polymer, etc. A bulk heterojunction solar cell using a mixed film of US Pat. No. 5,331,183 (Patent Document 1) is also proposed, which uses one organic material as another organic material. Since it is dispersed in the material, the junction area is wide and the area for charge separation is also wide, but the distance between the organic material molecules is large, and it is difficult to move the charge-separated carriers. There is a high probability that it will be deactivated before it reaches, and it has not reached the level of practical use.
[0006]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,331,183
[Non-Patent Document 1]
ROLoutfy et al., J. Chem. Phys. Vol. 71, p1211
[Non-Patent Document 2]
CW Tang, Appl. Phys. Lett. Vol. 45, p1144
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is made | formed in view of said problem, and makes it a subject to provide the manufacturing method by the solar cell which has high photoelectric conversion efficiency, and its easy process.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Thus, according to the present invention, the functional layer including the heterojunction surface formed by contacting the first organic material and the second organic material is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the first Organic material has a fine particle fusion laminated structure, and the second organic material exists on the surface and / or void of the fine particle fusion laminated structure The first organic material is a conductive polymer material and has a melting point higher than that of the second organic material. An organic solar cell is provided.
[0009]
According to the present invention, (a) on the first electrode, Consisting of fine particles A step of forming a fine particle laminate structure of a first organic material, (b) a step of fusing the fine particle laminate structure to form a fine particle fusion laminate structure, and (c) a first of the fine particle fusion laminate structure. Treating the organic material with the second organic material such that the second organic material is present in the surface and / or voids thereof to form a functional layer having a heterobonded surface; and (d) Forming a second electrode on the functional layer; And the first organic material used in the step (a) is a conductive polymer material and has a melting point higher than the melting point of the second organic material. In the step (b), fine particles are formed by heating. The temperature at which the particles are fused is not lower than the glass transition point of the fine particles and not higher than the melting point, and in the step (c), a second organic material is laminated on the fine particle fused laminated structure, Heating at a temperature lower than the melting point and higher than the melting point of the second organic material An organic solar cell manufacturing method is provided.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of the organic solar cell of the present invention. FIG. 1A shows the first embodiment, in which a substrate 101a, a first electrode 102a, a first organic material 103a having a fine particle fusion laminated structure, a part of which is a surface of a fine particle fusion laminated structure and / or a void. The second organic material 104a and the second electrode 105a existing therein are sequentially stacked. Here, when light is irradiated from the substrate side, the substrate 101a and the first electrode 102a are formed of a light-transmitting material. On the other hand, when the light is irradiated from the side opposite to the substrate, the second electrode 105a is formed of a light transmissive material. Here, “light-transmitting” means a property of transmitting light in a predetermined wavelength region, for example, a visible region, used in an organic solar cell with high efficiency.
[0011]
In the present invention, a functional layer including a heterojunction surface formed by contacting a first organic material and a second organic material is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the first organic material Has a fine particle fusion laminated structure, and the second organic material is present on the surface and / or voids of the fine particle fusion laminated structure.
[0012]
<About the fine particle fusion lamination structure>
The “fine particle fusion laminated structure” in the present invention means a structure in which fine particles are bonded to form a three-dimensional network. That is, the structure is a state in which a part of the interface between the fine particles is lost due to heat and light, the resistance value when the carrier moves between the fine particles is low, and the charge separated at the interface of different organic materials Since it can move easily, the probability that the generated carriers will reach the electrode increases.
[0013]
Figure 2 (a) This is the state before the fine particles have a fused structure. FIG. 2 (b) is a schematic diagram showing the fine particle fusion laminated structure in the organic solar cell of the present invention, and FIG. 2 (b) is a schematic diagram showing the structure of the fine particle aggregate in the organic solar cell. 2 (a) and 2 (b) , Fine In each of the particle aggregate structure and the fine particle fusion laminated structure, one row is cut out and displayed when fine particles are linearly arranged. In the figure, reference numeral 203 denotes a fine particle fusion laminated structure.
[0014]
Fig. 2 (a) Fine In the case of a particle structure, there is a discontinuous interface at the boundary between a particle and an adjacent particle. When the interface exists, carriers such as electrons and holes existing in one particle are prevented from moving due to trap levels and spatial gaps existing in the interface.
[0015]
On the other hand, in the case of the fine particle fusion laminated structure according to the present invention shown in FIG. 2B, the fine particles are bonded while the shape of the fine particles remains. That is, there is no grain boundary, and the bonding portion between the fine particles is continuous. For example, in the case of crystals, it means that the periodicity of the crystal is continuous at the bonding portion, and even in the case of amorphous, it means that the network of bonds between atoms is also continuous in the bonding portion. . In the case of a polymer, it means a state in which the molecular chain exists across the binding moiety. In addition, while the particles are bonded as described above, there are also voids between the particles.
[0016]
Therefore, in the case of the fine particle fusion laminated structure of the present invention shown in FIG. Fine Compared to the structure of a particle assembly, carriers such as electrons and holes existing in one particle can move smoothly to adjacent particles.
[0017]
The average particle diameter of the fine particles forming the first organic material 103a having the fine particle fusion laminated structure is about 10 nm to 1 μm, and preferably 20 nm to 500 nm. The particle size distribution of the fine particles is not particularly limited, and may be uniform or random. However, it is more preferable that the particles have a spherical and uniform particle size because temperature control in the fusion process of the fine particles is easy.
[0018]
The filling structure of the fine particle fusion laminated structure can be changed by the shape of the fine particles and the particle size distribution thereof. By changing the filling structure, it is possible to change the range of charge separation, the volume of the fine particle fusion laminated structure, and the volume ratio of the second organic material present in the voids. In general, when fine particles having a uniform particle size are precipitated in a solvent, they are regularly packed. Since regular packing has the same arrangement structure everywhere in the particle assembly, the unit cell that is the smallest unit may be considered. When spherical particles having a uniform particle diameter have a regular packing structure, a wide range of space ratios can be expressed continuously, but it is difficult to think that such an array structure actually exists. Random arrangement has no directionality and periodicity, and the particle arrangement varies depending on the location.
[0019]
In the case of the present invention, a network can be formed even if regular packing is not shown. Here, the volume ratio of the fine particle fusion laminated structure to the functional layer is preferably 50% or more in forming the fine particle network. Further, when the second organic material 104a is present on the surface and / or voids of the fine particle fusion laminated structure, if the proportion of the fine particle fusion laminated structure is too high, the second organic material becomes difficult to exist, and therefore 80% The following is preferable. Considering the ease of manufacture and the region where charge separation is performed, the ratio of the fine-particle fusion laminated structure to the functional layer is most preferably 60% or more and 70% or less.
[0020]
In order to allow the second organic material to be present in the surface and / or void in the first organic material forming the fine particle fusion laminated structure, the second organic material is dissolved or dispersed in an organic solvent, and the solution Alternatively, it is preferable that the functional layer is heated after the dispersion is applied to the fine particle fusion laminated structure.
[0021]
The film thickness of the functional layer composed of the first organic material forming the fine particle fusion laminated structure and the second organic material present in the surface and / or voids is about 10 nm to 50 μm, About 50 nm to 2000 nm is preferable. If the film thickness is too thin, an electrical short circuit is caused and it becomes difficult to show photoelectric conversion characteristics.
[0022]
<About organic materials for functional layers>
In the organic material, one of the surface of the first organic material 103a and / or the second organic material 104a existing in the voids of the fine particle fusion laminated structure is an electron-accepting organic material, and the other is an electron-donating organic material. It is.
[0023]
An electron-accepting organic material is a conjugated electron-spread π-electron compound in which charge carriers are electrons, and exhibits an N-type semiconductor characteristic stable in air. When the electron-accepting organic material is used for the first organic material, it is preferably insoluble or hardly soluble in the solvent to be dispersed and precipitated.
[0024]
For example, examples of the electron-accepting organic material include oligomers and polymers having pyridine and its derivatives as a skeleton, oligomers and polymers having quinoline and its derivatives as a skeleton, ladder polymers using benzophenanthrolines and derivatives thereof, and cyanopolyphenylene vinylene. And low molecular weight materials such as fluorinated metal-free phthalocyanines, fluorinated metal phthalocyanines and derivatives thereof, perylene and derivatives thereof, naphthalene derivatives, bathocuproine and derivatives thereof.
[0025]
The electron-donating organic material is a conjugated electron-spread π-electron compound in which charge carriers are holes, and exhibits stable P-type semiconductor characteristics in air. When the electron donating organic material is used for the first organic material, it is preferably insoluble or hardly soluble in the solvent to be dispersed.
[0026]
Examples of the electron-donating organic material include oligomers and polymers having thiophene and its derivatives as a skeleton, oligomers and polymers having phenylene vinylene and its derivatives as a skeleton, oligomers and polymers having thienylene vinylene and its derivatives as a skeleton, vinyl Oligomers and polymers having carbazole and its derivatives in the backbone, oligomers and polymers having pyrrole and its derivatives in the backbone, oligomers and polymers having acetylene and its derivatives in the backbone, oligomers and polymers having isothiaphene and its derivatives in the backbone, Polymer materials such as oligomers and polymers having heptadiene and its derivatives in the skeleton; metal-free phthalocyanines, metal phthalocyanines and their derivatives, diamines, phenyldiamines and the like Derivatives, acenes such as pentacene and derivatives thereof, porphyrin, tetramethylporphyrin, tetraphenylporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, monoazotetrabenzporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, triazotetrabenzporphyrin, octaethylporphyrin, octaalkylthioporphyrin Examples include low-molecular materials such as metal-free porphyrins such as azine, octaalkylaminoporphyrazine, hemiporphyrazine, chlorophyll, metalloporphyrins and derivatives thereof, cyanine dyes, quinone dyes such as merocyanine, benzoquinone, and naphthoquinone.
[0027]
As the central metal of metal phthalocyanine and metal porphyrin, magnesium, zinc, copper, silver, aluminum, silicon, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, tin, platinum, lead and other metals, metal oxides, Metal halides are used.
[0028]
Among the above electron-donating organic materials, for example, a conductive polymer material such as polythiophene is preferable because it can be easily produced using a unique polymer fine particle production technique such as a suspension polymerization method.
[0029]
The fine particle fusion laminated structure can be formed by applying energy such as heating and electron beam irradiation to the fine particle laminated structure and fusing adjacent fine particles together.
[0030]
When a conductive polymer material is used as the first organic material and the fine particles are stacked and then heated to fuse the fine particles, the temperature is preferably higher than the glass transition point and lower than the melting point. If the temperature is less than the glass transition point, it is not preferable because the fine particles hardly fusing and the charge transfer between the fine particles is not smoothly performed. On the other hand, heating at a temperature exceeding the melting point is not preferable because all voids formed by the fine particle laminated structure disappear. In order to perform charge transfer smoothly and increase the charge separation area, heating in the above temperature range is preferable.
It is particularly preferred that the first organic material is polyphenylene vinylene and the second organic material is poly (quinoxaline-5,8-diyl).
[0031]
<About the board>
Specific materials for the substrate 101a include metals such as aluminum and stainless steel, alloys, plastics such as polycarbonate and polyester, and the like. Moreover, glass, a transparent plastic, etc. can be used as a permeable substance.
[0032]
<About electrodes>
A transparent electrode is used as one of the first electrode 102a and the second electrode 105a that sandwich the functional layer.
These electrodes are not particularly limited as long as they have predetermined characteristics such as conductivity and light transmittance, and known materials such as metals, oxides, and polymers can be used. In general, the thickness of the electrode is preferably about 20 nm to 1 μm.
[0033]
In order to form ohmic contact with the electron-accepting organic material and transmit the irradiation light, it is preferable to use an electrode material having a small work function. In order to form ohmic contact with the electron donating organic material, it is preferable to use an electrode material having a high work function.
[0034]
Examples of the electrode material having a large work function include tin-doped indium oxide (ITO), gold, and platinum, and examples of the transparent electrode material include fluorine-doped tin oxide. Examples of the electrode material having a small work function include aluminum and indium.
[0035]
The electrode can be processed into a predetermined shape by a known method. In the case of two electrodes, the relationship between the electrodes and the functional layer may be that different organic materials may be in contact with the two electrodes separately as shown in FIG. As shown in (b), both of the first organic material forming the fine particle fusion laminated structure and the second organic material existing on the surface and / or in the void may be in contact with both electrodes. In order to prevent photooxidation, the functional layer and the electrode are preferably produced in a vacuum and in an inert gas such as nitrogen. Note that the figure numbers 101b to 105b in FIG. 1B correspond to the figure numbers 101a to 105a in FIG.
[0036]
Moreover, it is preferable that the first organic material forming the fine particle fusion laminated structure has a higher melting point than the second organic material. That is, an organic material having a melting point lower than that of the first organic material forming the fine particle fusion laminated structure 103a is used as the second organic material, and the second organic material is laminated on the fine particle fusion laminated structure, Then, heating is performed at a temperature lower than the melting point of the first organic material used in the fine particle fusion laminated structure and higher than the melting point of the second organic material. In this way, the fine particle fusion laminated structure maintains the fine particle network structure, and only the second organic material to be filled melts and exists on the surface and / or voids of the fine particle fusion laminated structure 103a. .
[0037]
When the melting point of the first organic material is higher than the melting point of the second organic material, after forming the fine particle fusion laminated structure, the molten second organic material is applied to the surface and without breaking the fine particle fusion laminated structure. / Or can be present in the voids. Thus, after forming the fine particle fusion laminated structure, the other organic material can be easily present on the surface and / or voids by utilizing the temperature difference between the melting points.
[0038]
<About electron transport layer and hole transport layer>
Further, a hole transport layer 303 is provided between the first or second electrode serving as the anode and the functional layer, and / or an electron transport layer 306 is disposed between the second or first electrode serving as the cathode and the functional layer. (See Example 2 and FIG. 3).
By introducing the electron transport layer or the hole transport layer, carriers separated by charge at the interface of the functional layer are smoothly transported to the electrode.
[0039]
As the molding material for the electron transport layer, electron accepting substances such as 2,4,7-trinitrofluorenone, 2,4,5,7-tetranitrofluorenone, tetracyaniniquinodimethane, and these electron accepting substances are used. There are molecularized ones.
[0040]
Molding materials for the hole transport layer include oxadiazole derivatives, pyrazoline derivatives, aromatic tertiary diamino compounds such as triphenylamine and benzylaniline, 1,2,4-triazine derivatives, hydrazone derivatives, quinazoline derivatives, benzofurans. Derivatives, α-stilbene derivatives, triphenylmethane derivatives, or polymers having a group consisting of these compounds in the main chain or side chain.
[0041]
The hole transport layer or the electron transport layer can be formed by a known method such as an evaporation method, a spin coating method, a spray method, a screen printing method, or an ink jet printing method.
[0042]
The thickness of the electron transport layer is not particularly limited as long as it is greater than or equal to the thickness that covers the functional layer. However, if it is too thick, the electron transport efficiency deteriorates, so that it is several nm to 1 μm, preferably about 10 nm to 500 nm. It is.
[0043]
The thickness of the hole transport layer is not particularly limited as long as it is greater than or equal to the thickness that substantially covers the first electrode 302, but if it is too thick, the hole transport efficiency deteriorates. It is about 10 nm to 500 nm.
[0044]
The manufacturing method of the solar cell of this invention is demonstrated.
The method for producing an organic solar cell of the present invention includes (a) a step of forming a fine particle laminated structure of a first organic material on a first electrode, and (b) fusing the fine particle laminated structure to each other. (C) a first organic material having the fine particle fusion laminated structure, and a second organic material so that the second organic material is present on the surface and / or voids thereof. Processing and hetero Contact A step of forming a functional layer having a mating surface; and (d) a step of forming a second electrode on the functional layer.
[0045]
After the first organic material fine particles dispersed in the solvent are deposited or coated on the first electrode of ITO formed by the conventional method, the solvent is removed by an evaporation method to form a fine particle laminated structure, and then heat or the like is applied. A fine particle fusion laminated structure is formed by fusing. Thereafter, the fine particle fusion laminated structure is immersed in the second organic material, and the solvent is evaporated to produce a functional layer existing on the surface and / or void of the fine particle fusion laminated structure of the first organic material. Thereafter, the second electrode is formed by a vacuum deposition method.
[0046]
By this manufacturing method, it is possible to form a network in which the interface between the fine particles is eliminated while maintaining the state of the fine particles.
The fine particles may be fused using heat. Since an organic material is used for the fine particles and the fine particles can be fused at a low temperature, a fine-particle fused laminated structure can be easily produced. An organic material having a lower melting point than the first organic material used for the fine particle fusion laminated structure 103a is used as the second organic material, and the melting point of the first organic material used for the fine particle fusion laminated structure 103a is larger. Heating at a temperature lower and higher than the melting point of the second organic material.
Moreover, it is preferable to carry out all the steps without exposing them to the atmosphere.
[0047]
As another production method of the present invention, an organic solar cell may be produced by the following method. The manufacturing method is a method of forming a fine particle laminated structure by precipitating fine particles dispersed in a solvent having specific properties.
[0048]
As the solvent having specific properties for dispersing the fine particles, a volatile solvent in which the first organic material constituting the fine particles is insoluble and the specific gravity is smaller than the specific gravity of the fine particles is used.
[0049]
First, fine particles composed of the first organic material are dispersed in a solution in which the second organic material is dissolved. After the fine particles are precipitated, the solvent in which the second organic material is dissolved is volatilized. By introducing this step, it is possible to easily produce a structure in which the fine particles have a high density.
[0050]
A fine particle stacked structure may be formed by applying fine particles of the first organic material dispersed in a solvent to the substrate and volatilizing the solvent. In this manufacturing method, after applying a solution in which fine particles are dispersed in a solvent and drying the solvent to form a structure in which the fine particles are laminated, energy is applied to the structure in which the fine particles are laminated by a method such as heating. A method of forming the fine particle fusion laminated structure 103a may be used. By introducing this step, a structure in which fine particles are laminated can be easily produced.
[0051]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
Examples of the material constituting the fine particle fusion laminated structure 103a include poly (phenylene vinylene) (PPV) which is an electron donating material, and the second organic material 104a filled in the void portion of the fine particle fusion laminated structure 103a. The case of using poly (quinoxaline-5,8-diyl) (P (5,8-Qx)), which is an electron-accepting material, will be described specifically by way of example.
[0052]
First, fine particles of PPV were dispersed in a toluene solution. The diameter of the fine particles was approximately 50 nm. Further, the concentration of the dispersion solution was about 2 wt%. Next, this dispersion solution was uniformly coated on the ITO electrode 102a formed on the quartz substrate 101a by a spray coating method. After the fine particles settled on the substrate by the action of gravity, the process waited for about 5 minutes until toluene was volatilized. After volatilization, the substrate on which the fine particles had been laminated was heated on a hot plate at a temperature of 150 ° C. for 3 minutes. By this step, the PPV fine particle fusion laminated structure 103a was formed. The film thickness of the fine particle fusion laminated structure 103a was about 700 nm. In addition, the ratio of the fine particle fusion layered structure 103a to the gap formed between the fine particles was approximately 7: 3.
[0053]
P (5,8-Qx) was present so as to be present in the surface and / or voids of the fine particle fusion laminated structure of PPV. Specifically, P (5,8-Qx) was dissolved in toluene to prepare a solution having a concentration of about 2 wt%. This solution was immersed in the PPV fine particle fusion laminated structure 103a formed on the ITO quartz substrate by a casting method. After this solution sufficiently permeated the voids of the fine particle fusion laminated structure 103a, toluene was volatilized. The film thickness of the functional layer was approximately 1000 nm.
After forming the functional layer as described above, the second electrode 105a was produced by vacuum deposition. The solar cell by this invention was able to be produced according to the above process.
Thus, the obtained organic solar cell showed high photoelectric conversion efficiency compared with the conventional product.
[0054]
(Example 2)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining an organic solar cell as a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the substrate 301, the first electrode 302, the hole transport layer 303, the first organic material 304 having the fine particle fusion laminated structure, and the surface and / or the void existing on the surface of the fine particle fusion laminated structure. A functional layer made of two organic materials 305, an electron transport 306, and a second electrode 307 are sequentially stacked. Here, the hole transport layer 303 is in contact with the electron donating organic material of the functional layer. The electron transport layer 306 is in contact with the electron-accepting organic material of the functional layer.
[0055]
The concrete method of the manufacturing process of 2nd Example is shown below. The first electrode 302 was formed in the same manner as in Example 1.
Next, using a conductive polymer material such as poly (3,4-ethylenedioxythiophene: polystyrenesulfonate) (PEDOT: PSS), a hole transport layer 303 having a thickness of 100 nm is formed by spin coating. did. Next, a functional layer was formed in the same manner as in Example 1.
[0056]
After the functional layer was formed, the electron transport layer 306 was formed by vacuum deposition using bathocuproine (electron-accepting organic material). At this time, the thickness of the electron transport layer was 100 nm. Next, in the same manner as in Example 1, a second electrode 307 having a thickness of 200 nm was formed. Through the above steps, the solar cell of the second embodiment of the present invention was produced.
The organic solar cell thus obtained is Organic solar cell having the structure of the fine particle aggregate shown in FIG. High photoelectric conversion efficiency was shown.
[0057]
【The invention's effect】
According to the organic solar cell of the present invention, since the area of charge separation is large and the grain boundary between the fine particles of the functional layer is eliminated, it is continuous. Le Carriers move more smoothly than quasi-junction solar cells. For this reason, high photoelectric conversion efficiency can be obtained.
In addition, the organic solar cell manufacturing method of the present invention can form a structure in which fine particles are laminated by an easy process, and does not require a high temperature process.
Furthermore, by introducing an electron transport layer and / or a hole transport layer, the carrier between the functional layer and the electrode can be easily moved, and the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a layer configuration of an organic solar cell of the present invention (Example 1).
[Figure 2] Yes The structure of fine particle aggregate in solar cell Comparison It is a schematic diagram (a) and the schematic diagram (b) which shows the fine particle fusion | melting laminated structure in the organic solar cell of this invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of an organic solar cell of the present invention (Example 2).
[Explanation of symbols]
101a, 101b, 301 substrate (quartz substrate)
102a, 102b, 302 First electrode (ITO electrode)
103a, 103b, 203, 304 First organic material 104a, 104b, 305 of fine particle fusion laminated structure Second organic material present in surface and / or void of fine particle fusion laminated structure
105a, 105b, 307 Second electrode
303 hole transport layer
306 Electron transport layer

Claims (7)

第1の有機材料と第2の有機材料が接することにより形成されたヘテロ接合面を含む機能層が、第1電極と第2電極の間に狭持され、第1の有機材料が微粒子融着積層構造を有し、第2の有機材料がその微粒子融着積層構造の表面および/または空隙中に存在し、
第1の有機材料が、導電性高分子材料であり、かつ第2の有機材料の融点よりも高い融点を有することを特徴とする有機太陽電池。
A functional layer including a heterojunction surface formed by contacting the first organic material and the second organic material is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the first organic material is fused by fine particles. Having a laminated structure, wherein the second organic material is present on the surface and / or voids of the fine particle fused laminated structure ;
An organic solar cell , wherein the first organic material is a conductive polymer material and has a melting point higher than that of the second organic material .
第1の有機材料が、平均粒子径20〜500nmの微粒子である請求項1に記載の有機太陽電池。  The organic solar cell according to claim 1, wherein the first organic material is fine particles having an average particle diameter of 20 to 500 nm. 第1の有機材料が、ポリフェニレンビニレンからなる微粒子であり、第2の有機材料が、ポリ(キノキサリン-5,8-ジイル)である請求項1または2に記載の有機太陽電池。The organic solar cell according to claim 1 or 2 , wherein the first organic material is fine particles made of polyphenylene vinylene, and the second organic material is poly (quinoxaline-5,8-diyl). 陽極とする第1または第2電極と機能層との間に正孔輸送層、および/または陰極とする第2または第1電極と機能層との間に電子輸送層を有する請求項1〜のいずれかに1つに記載の有機太陽電池。A hole transport layer between the first or second electrode and the functional layer to the anode, and / or claim 1-3 having an electron-transporting layer between the second or first electrode and the functional layer of the cathode The organic solar cell according to any one of the above. 前記機能層に対する微粒子融着積層構造の体積割合が、50%以上80%以下である請求項1〜4のいずれか1つに記載の有機太陽電池。The organic solar cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a volume ratio of the fine particle fusion laminated structure to the functional layer is 50% or more and 80% or less. (a)第1電極の上に、微粒子からなる第1の有機材料の微粒子積層構造を形成する工程、
(b)前記微粒子積層構造を互いに融着させて微粒子融着積層構造を形成する工程、
(c)前記微粒子融着積層構造の第1の有機材料と、その表面および/または空隙中に第2の有機材料が存在するように、第2の有機材料とを処理して、ヘテロ結合面を有する機能層を形成する工程、および
(d)前記機能層上に第2電極を形成する工程
含み、
前記工程(a)で用いる第1の有機材料が、導電性高分子材料であり、かつ第2の有機材料の融点よりも高い融点を有し、
前記工程(b)において、加熱により微粒子を融着させる温度が、微粒子のガラス転移点以上でかつ融点以下であり、
前記工程(c)において、前記微粒子融着積層構造上に第2の有機材料を積層し、第1の有機材料の融点より低く、かつ第2の有機材料の融点よりも高い温度で加熱することを特徴とする有機太陽電池の製造方法。
(A) forming a fine particle laminated structure of a first organic material made of fine particles on the first electrode;
(B) forming the fine particle fusion laminated structure by fusing the fine particle laminated structure to each other;
(C) treating the first organic material having the fine particle fusion laminated structure and the second organic material so that the second organic material is present on the surface and / or in the voids, thereby obtaining a hetero-bonding surface; And (d) forming a second electrode on the functional layer ,
The first organic material used in the step (a) is a conductive polymer material and has a melting point higher than that of the second organic material;
In the step (b), the temperature at which the fine particles are fused by heating is not less than the glass transition point of the fine particles and not more than the melting point,
In the step (c), a second organic material is laminated on the fine particle fusion laminated structure and heated at a temperature lower than the melting point of the first organic material and higher than the melting point of the second organic material. The manufacturing method of the organic solar cell characterized by these.
工程(a)において、溶媒中に分散した第1の有機材料の微粒子を第1電極に塗布し、溶媒を揮発させることにより微粒子積層構造を形成する請求項に記載の有機太陽電池の製造方法。
6または7に従属
The method for producing an organic solar cell according to claim 6 , wherein in step (a), fine particles of a first organic material dispersed in a solvent are applied to the first electrode, and the solvent is volatilized to form a fine particle laminated structure. .
Depends on 6 or 7
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