JP5265076B2 - 光起電性構成部材とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、改良された頂部電極を有する有機構成部材とその製法に関するものである。

典型的な下記の如き電池構造を有する光起電性素子は知られており、特許文献１にある例を示す。
基板の上に正電極（典型的にはＩＴＯ、即ち酸化インジウム錫）を設ける。その上に必要により中間層として、例えば、陰イオンとしてＰＳＳ含有のＰＥＤＯＴからなるホール導電層が設けられる。その隣接層は吸収剤、即ち光起電性活性材料であり、通常は有機半導体（例えば、共役ポリマーとフラーレンとの混合物）である。これに陰極、即ちカソード（例えば、Ｃａ／ＡｇまたはＬｉＦ／Ａｌ）が続く。従来カソード材料として用いられてきたのは、非貴金属であって、例えばカルシウム、バリウム、フッ化リチウム、もしくは類似の材料であり、それらの材料は仕事関数が低かった。これらの電極は蒸着もしくはスパッタリングにより調製される。しかし、これらのカソード材料の感受性から、最良の結果を得るには、これらから成る層は、真空中にて調製されねばならない。

カソードとして真空を適用した頂部電極を用いるのが通常望ましくないのには、幾つかの理由がある。一つには、真空中にて実施される真空蒸着工程は、費用が高いことである。他の理由は、生産技術の観点からすると、遅く、また保守費用が高いことである。
第２００２Ｐ１４４８５ＤＥ号明細書

従って本発明の目的は、底部電極、機能層及び頂部電極を付した基板を少なくとも含み、真空下での製造工程を要しないで製造されうる、有機光起電性構成部材を用いることができるようにすることである。

本発明は、主に有機材料からなる頂部電極を有する光起電性構成部材を目指したものである。更に本発明は光起電性構成部材の製造方法を目指したものであって、この製造方法は、基板に底部導電性機能層（電極）、その上に半導体光起電性活性機能層、そして最後に頂部有機導電性機能層が半導体光活性機能層上に設けられている。

「光起電性構成部材」なる語は、半導体光活性機能層と有機もしくは無機材料からなる底部電極；半導体光起電性活性機能層；および主に有機材料からなる頂部導電性機能層（電極）を有する任意の構成部材を意味する。

一実施形態において、頂部電極は半透明材料と基板からなる。かくして光子は半透明な頂部電極を通過して半導体光起電性活性機能層に達するので、それ以上の透明性の必要はない。この場合、その導電性と透明性の故に基板および／または底部電極として主に用いられてきた高価な材料であるＩＴＯは、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕや他の金属シートやフォイルなどのより安価な材料に置き換えられ得る。

また一実施形態において、逆の構造がなされる。即ち、非貴金属よりなる既知の頂部カソード電極を有機導電性材料（本ケースにおいては、半透明ではなく不透明）に置き換えることにより、電流方向を反転させる。従ってここでは、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）層が底部電極および／または基板である場合には、頂部電極は正極であって、負極は基板
上にある。

また一実施形態においては、有機光起電性素子は、次に記載の有機材料で構成されている。
ＩＴＯからなる基板に設けられるのは半導体層であって、例えば、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ（ポリ（３−ヘキシルチオフェン）：〔６，６〕−フェニルＣ₆₁ ブチル酸メチルエステル）（poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl C₆₁ butyric acid methyl ester ）混合物（低バンドギャップ）である。該半導体層は光起電性活性機能層を形成する。この層に続いて、例えばＰＥＤＯＴからなる有機導電性機能層が置かれる。

ここで「有機材料」および／または「機能性ポリマー」なる語は、あらゆる類の有機、金属有機、および／または無機合成材料を包含しており、英語で例えば「プラスチックス(plastics)」なる用語の意味するものである。これは通常のダイオードに用いられる半導体（ゲルマニウム、珪素）および典型的な金属性導電体を除くあらゆる類の材料を含む。従って、教義的な意味合いで言うと、有機材料は炭素含有材料として制限されるものではなく、むしろ例えばシリコーンまで拡大して用いることまで考えられる。更に、前記用語は、分子サイズに関して何らの制限もされるべきではない。特に、ポリマー材料および／またはオリゴマー材料に関して制限されず、「低分子類」の使用もまた全く可能なことである。

方法に関する一実施形態において、有機電子光起電性活性素子は、次の製造工程によって生産され得る。
先ず、例えばＩＴＯ基板などの半透明基板に、半導体有機材料を塗布する。前記塗布は、印刷、スピン塗布などの大量生産に適する技術によって行うことが好ましい。好ましくは導電性有機材料よりなる頂部電極層もまた、半導体機能層に印刷技術を用いて設けることが好ましい。

一実施例において、頂部電極層の製造に引き続いて、抵抗損失を減少させるために例えば銀導電性ペーストなどからなるリーケージ・コネクタを印刷する。あるいは、例えばカーボン製のスクリーン印刷ペーストも使用可能である。しかしながら、スパッタリングや蒸着などのような低価格のメタライゼーションによって導電路を製造することもまた、考えられる。

ここで「有機電子光起電性活性構成部材」なる語は、例えば太陽電池、光検知器やその他の光起電性活性機能層をその基本的な素子として有するあらゆる電子的モジュールを意味する。

本発明は、以下に有機光起電性活性素子の概略を例示する図を参考にしつつ、より詳細に記述される。
例えば薄い箔もしくは薄い（極めて薄い）ガラスからなる基板１に対して、ＩＴＯからなる半透明な、もしくはアルミニウム、クロム、モリブデン、銅および／または亜鉛などの金属からなる不透明な底部電極２を設ける。この底部電極２に対して、光起電力活性であり、有機あるいは金属、もしくはハイブリッド材料であって、好ましくは溶媒での処理性が良好な半導体層３を設ける。この層の次には、半透明もしくは完全吸収性になされている頂部導電性機能層もしくは頂部電極４が設けられている。

適当なる光活性層は公知であり、なかんずく、米国特許第５，４５４，８８０号や米国特許第５，３３３，１８３号で知られており、前記光活性層は一種以上の半導体合成材料を包含する。即ち、前記光活性層は、モノマー、オリゴマーおよび／またはポリマーなる
形で存在してもよいし、同様に、無機粒子および／またはナノ粒子として存在してもよい。近似の、もしくは異なる電子親和力および／または近似のもしくは異なるバンドギャップを有する２種もしくはそれより多くの共役有機合成材料、無機粒子、および／またはナノ粒子の混合物であってもよい。

有機分子、オリゴマーや分子の混合物の薄膜も例えば、熱蒸着もしくは化学蒸着（ＣＶＤ）／物理蒸着などによって、製造できる。
共役ポリマーや共役ポリマーを含有する混合物の薄膜は、スピン塗布によって製造できるし、他にもスクリーン印刷、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、凸版印刷もしくは平版印刷（もしくは他の／同等の溶剤付設工程）などの一般的な印刷方法によっても製造できる。ポリマーが用いられる場合には、これらの層は可撓性の基板上に付設することも可能である。

典型的な半導体共役ポリマーの例としては、ポリアセチレン（ＰＡ）およびその誘導体、ポリイソチアナフテン（ＰＩＴＮ）およびその誘導体、ポリチオフェン（ＰＴ）およびその誘導体、ポリピロール（ＰＰｒ）およびその誘導体、ポリ（２，５−チエニレン ビニレン）（ＰＴＶ）およびその誘導体、ポリフルオレン（ＰＦ）およびその誘導体、ポリ（ｐ−フェニレン）（ＰＰＰ）およびその誘導体、ポリ（フェニレン ビニレン）（ＰＰＶ）およびその誘導体、並びに、ポリキノリンおよびその誘導体、ポリカルバゾールおよびその誘導体、および半導体性ポリアニリン（ロイコエメラルジンおよび／またはロイコエメラルジン塩基）が挙げられる。

ドナー／アクセプター混合物中のアクセプターの例としては、ポリ（シアノフェニレンビニレン）、Ｃ６０やその機能を生かした誘導体（例えばＰＣＢＭやＰＣＢＲ）などのフラーレン類、有機分子、有機金属分子もしくは無機のナノ粒子（例えば、ＣｄＴｅ，ＣｄＳｅ，ＣｄＳ、ＣＩＳなど）が挙げられるが、これらに限られるわけではない。

更に、用いられている太陽電池ではいずれも、ドナーがアクセプター（例えば、ＰＴ／Ｃ６０もしくはＰＰＶ／Ｃ６０）と空間的に離間された２つの分離した層として構成できる。

本発明は、改良された頂部電極を含む有機構成部材とその製造方法に関する。前記頂部電極は有機材料からなり、好ましくは、ただしこれに限定されるものではないが、印刷手法により付設される。前記有機材料はある場合には、上層の電極を半透明ならしめ、これによって、底部電極としてはＩＴＯに代わって安価な非透明電極が用いられる。また他の場合には、頂部電極が非透明で光を通さず、底部電極は半透明でＩＴＯにてできているので、頂部電極が従って正極となって、逆の構造で電流の流れが逆の光起電性構成部材を形成できる。

本発明の有機光起電性活性素子例の概略図。

Claims (11)

1. 基板と、
   底部電極と、
   有機材料よりなる光起電性活性層と、
   主に有機材料からなる頂部電極とを備え、
   前記底部電極は前記基板と前記光起電性活性層との間にあって第１の仕事関数を有し、
   前記光起電性活性層は前記底部電極と前記頂部電極との間にあり、
   前記頂部電極は不透明であり、かつ第１の仕事関数より高い第２の仕事関数を有することにより、前記底部電極はカソードとして作用し、前記頂部電極はアノードとして作用する、光起電性構成部材。
2. リーケージ・コネクタが、前記構成部材が使用される際の抵抗損失を減少させるように前記頂部電極上に設けられている、請求項１に記載の構成部材。
3. 前記リーケージ・コネクタが銀導電性ペーストよりなる、請求項２に記載の構成部材。
4. 前記リーケージ・コネクタが前記頂部電極上に印刷される、請求項２に記載の構成部材。
5. 前記頂部電極はＰＥＤＯＴからなる、請求項１に記載の構成部材。
6. 光起電性構成部材の製造方法であって、
   基板に対して、第１の仕事関数を有する底部電極を設け、
   その上に、有機材料からなる半導体光起電性活性機能層を設け、
   さらに前記半導体光活性機能層上に主に有機材料からなる頂部電極を設ける、光起電性構成部材の製造方法であって、
   前記頂部電極は不透明であり、かつ第１の仕事関数より高い第２の仕事関数を有することにより、前記底部電極はカソードとして作用し、前記頂部電極はアノードとして作用する光起電性構成部材の製造方法。
7. 前記頂部電極は印刷技術により付設される、請求項６に記載の光起電性構成部材の製造方法。
8. 前記頂部電極はＰＥＤＯＴからなる、請求項６に記載の製造方法。
9. リーケージ・コネクタが、前記構成部材が使用される際の抵抗損失を減少させるように前記頂部電極上に設けられている、請求項６に記載の製造方法。
10. 前記リーケージ・コネクタが銀導電性ペーストよりなる、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記リーケージ・コネクタが前記頂部電極上に印刷される、請求項９に記載の製造方法。

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