JP5745294B2 - Organic thin film solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、有機薄膜太陽電池に関し、詳細には、バルクヘテロ型有機薄膜太陽電池の性能を向上させた有機薄膜太陽電池に関する。 The present invention relates to an organic thin film solar cell, and more particularly to an organic thin film solar cell with improved performance of a bulk hetero type organic thin film solar cell.
導電性ポリマーやフラーレンなどを組み合わせた有機薄膜半導体を用いる有機薄膜太陽電池は、従来の太陽電池に比べて安価で製法が簡便であり、軽量、フレキシブルといった特徴を備えることから、種々の用途への展開が期待されている。
有機薄膜太陽電池の発電メカニズム(光電変換プロセス)は以下の通りである。まず有機分子が光エネルギーを吸収して励起子(励起電子とホールが対を形成したもの)を生じる。この励起子は対を形成したまま拡散移動し、pn接合界面に到達して電荷分離する。そしてこれにより生じた電子とホールが各電極界面に移動し、電流の取り出しが可能となる。
上述の有機薄膜太陽電池の中でも、特にバルクへテロ構造を有する有機薄膜太陽電池は、高効率な変換効率を示すことから種々検討されている。
Organic thin-film solar cells using organic thin-film semiconductors combined with conductive polymers and fullerenes are cheaper and easier to manufacture than conventional solar cells, and have features such as light weight and flexibility. Development is expected.
The power generation mechanism (photoelectric conversion process) of the organic thin film solar cell is as follows. First, organic molecules absorb light energy to generate excitons (a pair of excited electrons and holes). This exciton diffuses and moves while forming a pair, reaches the pn junction interface, and separates charges. Then, electrons and holes generated thereby move to each electrode interface, and current can be taken out.
Among the organic thin-film solar cells described above, various organic thin-film solar cells having a bulk heterostructure have been studied because they exhibit high conversion efficiency.
さて、太陽電池の光電変換効率は、光吸収効率、励起子拡散効率、電荷移動効率、電荷注入効率の積で表される。光電変換効率を向上させる一つの方法として、電極と有機薄膜半導体層との間にバッファ層を設けることにより、電荷注入効率向上させ、逆移動の電荷注入を抑制する試みがなされている。
このうち、透明電極と光電変換層との間に形成される陽極側のバッファ層としては、代表的なものとして例えばポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT/PSS)が用いられている。こうした陽極バッファ層は、製造コストの安価な溶液塗布法にて形成可能である。
一方、金属電極と光電変換層との間に形成される陰極側のバッファ層としては、例えばフッ化リチウム(LiF)、酸化モリブデン(MoO3)、酸化バナジウム(V2O5)な
どの金属酸化物が用いられている。
Now, the photoelectric conversion efficiency of a solar cell is represented by the product of light absorption efficiency, exciton diffusion efficiency, charge transfer efficiency, and charge injection efficiency. As one method for improving the photoelectric conversion efficiency, an attempt has been made to improve the charge injection efficiency by suppressing a reverse charge injection by providing a buffer layer between the electrode and the organic thin film semiconductor layer.
Among these, as a typical buffer layer on the anode side formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, for example, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (styrenesulfonate) (PEDOT / PSS) is used. Such an anode buffer layer can be formed by a solution coating method having a low manufacturing cost.
On the other hand, as the buffer layer on the cathode side formed between the metal electrode and the photoelectric conversion layer, for example, metal oxide such as lithium fluoride (LiF), molybdenum oxide (MoO 3 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), etc. Things are used.
上述の陰極バッファ層は、陽極バッファ層で適用可能な溶液塗布法による層形成はできず、通常、真空蒸着法にて形成されるため、生産コストが高くなってしまうという欠点がある。しかしながら、溶液塗布法で作製可能な陰極バッファ層に関する報告は殆どなされておらず、また、ターフェニル誘導体を塗布法にて形成した陰極バッファ層を用いた有機薄膜太陽電池が提案されているものの(特許文献1)、十分な光電変換効率は達成されていないという問題があった。 The above-described cathode buffer layer cannot be formed by a solution coating method applicable to the anode buffer layer, and is usually formed by a vacuum vapor deposition method, and thus has a drawback that the production cost is increased. However, there are few reports on a cathode buffer layer that can be produced by a solution coating method, and organic thin-film solar cells using a cathode buffer layer formed by coating a terphenyl derivative have been proposed ( Patent Document 1) has a problem that sufficient photoelectric conversion efficiency has not been achieved.
本発明者らは、陰極側のバッファ材料として、アミノ官能基またはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物を用いることにより、溶液塗布法で簡便に陰極バッファ層を製膜でき、また光電変換効率が高い新たなタイプの有機薄膜太陽電池が得られることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors can easily form a cathode buffer layer by a solution coating method by using a polymer compound having an amino functional group or an imino functional group at the end as a buffer material on the cathode side, and also provide photoelectric conversion efficiency. The present inventors have found that a new type of organic thin-film solar cell having a high value can be obtained.
即ち、本発明は、第1観点として、透明基板上の透明電極と、金属電極と、これら両電極の間に介在する光電変換層と、該光電変換層と金属電極との間で金属電極と接触するように形成された陰極バッファ層とを備えてなる有機薄膜太陽電池において、前記陰極バッファ層はアミノ官能基またはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物からなることを特徴とする有機薄膜太陽電池に関する。
第2観点として、前記高分子化合物が、ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量が1,000乃至2,000,000である高分岐ポリマーであることを特徴とする、第1観点に記載の有機薄膜太陽電池に関する。
第3観点として、前記高分子化合物が、分子内に2個以上のラジカル重合性二重結合を有するモノマーAを、該モノマーAに対して5モル%乃至200モル%のアミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bの存在下で重合させることにより得られる高分岐ポリマーである、第1観点又は第2観点に記載の有機薄膜太陽電池に関する。
第4観点として、前記アミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bが、ヘテロ環アミン構造を有する重合開始剤である、第3観点に記載の有機薄膜太陽電池に関する。
第5観点として、前記アミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bが、式[1]で表される官能基を有する重合開始剤である、第3観点又は第4観点に記載の有機薄膜太陽電池に関する。
第6観点として、前記アミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bが、式[2]で表される重合開始剤である、第3観点乃至第5観点のうち何れか一項に記載の有機薄膜太陽電池に関する。
第7観点として、A)透明電極が基板表面上に形成された透明基板を準備する段階と、B)その上又は上方に光電変換層を形成する段階と、C)該光電変換層の上又は上方に陰極バッファ層を形成する段階と、D)さらにその上に金属電極を積層する段階とを有してなる有機薄膜太陽電池の製造方法。
就中、本発明の最も好適な態様は、透明基板上の透明電極と、金属電極と、これら両電極の間に介在する光電変換層と、該光電変換層と金属電極との間で金属電極と接触するように形成された陰極バッファ層とを備えてなる有機薄膜太陽電池において、
前記陰極バッファ層はアミノ官能基またはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物からなり、
前記高分子化合物が、分子内に2個以上のラジカル重合性二重結合を有するモノマーAとして芳香族ビニル系炭化水素を、該モノマーAに対して5モル%乃至200モル%のアミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bの存在下で重合させることにより得られる高分岐ポリマーであることを特徴とする有機薄膜太陽電池並びにその製造方法に関するものである。
That is, as a first aspect, the present invention provides a transparent electrode on a transparent substrate, a metal electrode, a photoelectric conversion layer interposed between both electrodes, a metal electrode between the photoelectric conversion layer and the metal electrode, An organic thin film solar cell comprising a cathode buffer layer formed so as to be in contact with the cathode, wherein the cathode buffer layer is made of a polymer compound having an amino functional group or an imino functional group at its terminal. It relates to batteries.
As a second aspect, the polymer compound is a hyperbranched polymer having a weight average molecular weight of 1,000 to 2,000,000 measured in terms of polystyrene by gel permeation chromatography, The present invention relates to an organic thin film solar cell described in the viewpoint.
As a third aspect, the polymer compound comprises a monomer A having two or more radically polymerizable double bonds in the molecule, 5 mol% to 200 mol% of amino functional group or imino functional with respect to the monomer A. It is related with the organic thin-film solar cell as described in a 1st viewpoint or a 2nd viewpoint which is a hyperbranched polymer obtained by making it superpose | polymerize in presence of the polymerization initiator B which has group.
As a 4th viewpoint, the polymerization initiator B which has the said amino functional group or imino functional group is related with the organic thin-film solar cell as described in a 3rd viewpoint which is a polymerization initiator which has a heterocyclic amine structure.
As a 5th viewpoint, the polymerization initiator B which has the said amino functional group or an imino functional group is a polymerization initiator which has a functional group represented by Formula [1], The organic as described in a 3rd viewpoint or a 4th viewpoint The present invention relates to a thin film solar cell.
As a sixth aspect, the polymerization initiator B having the amino functional group or imino functional group is a polymerization initiator represented by the formula [2], and is described in any one of the third to fifth aspects. The present invention relates to an organic thin film solar cell.
As a seventh aspect, A) a step of preparing a transparent substrate on which the transparent electrode is formed on the substrate surface, B) a step of forming a photoelectric conversion layer on or above it, and C) on the photoelectric conversion layer or A method for producing an organic thin-film solar cell, comprising: forming a cathode buffer layer above; and D) further laminating a metal electrode thereon.
Among these, the most preferred embodiment of the present invention is a transparent electrode on a transparent substrate, a metal electrode, a photoelectric conversion layer interposed between both electrodes, and a metal electrode between the photoelectric conversion layer and the metal electrode. In an organic thin film solar cell comprising a cathode buffer layer formed so as to come into contact with
The cathode buffer layer is made of a polymer compound having an amino functional group or an imino functional group at its end,
The polymer compound comprises an aromatic vinyl hydrocarbon as monomer A having two or more radically polymerizable double bonds in the molecule, 5 mol% to 200 mol% of amino functional group or The present invention relates to an organic thin film solar cell characterized by being a highly branched polymer obtained by polymerization in the presence of a polymerization initiator B having an imino functional group, and a method for producing the same.
本発明の有機薄膜太陽電池は、陰極側のバッファ材料としてアミノ官能基またはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物を用いることにより、陰極バッファ層を溶液塗布法で簡便に製膜できる。
そして本発明は、陰極バッファ層として用いられている蒸着法で形成されるフッ化リチウムを用いた従来の太陽電池に匹敵する、高い光電変換効率を有する有機薄膜太陽電池を提供することができる。
In the organic thin film solar cell of the present invention, a cathode buffer layer can be easily formed by a solution coating method by using a polymer compound having an amino functional group or an imino functional group at the terminal as a buffer material on the cathode side.
And this invention can provide the organic thin-film solar cell which has a high photoelectric conversion efficiency comparable to the conventional solar cell using the lithium fluoride formed with the vapor deposition method used as a cathode buffer layer.
本発明の有機薄膜太陽電池は、透明基板上の透明電極と、金属電極と、これら両電極の間に介在する光電変換層と、該光電変換層と該金属電極との間で金属電極と接触するように形成された陰極バッファ層とを備えてなり、前記陰極バッファ層はアミノ官能基或いはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物からなることを特徴とする。
以下に上記陰極バッファ層を構成する材料、並びに本発明の有機薄膜太陽電池を構成する各成分について説明する。
The organic thin film solar cell of the present invention comprises a transparent electrode on a transparent substrate, a metal electrode, a photoelectric conversion layer interposed between both electrodes, and a metal electrode in contact with the photoelectric conversion layer and the metal electrode. The cathode buffer layer is formed of a polymer compound having an amino functional group or an imino functional group at its terminal.
The components constituting the cathode buffer layer and the components constituting the organic thin film solar cell of the present invention will be described below.
<陰極バッファ層>
本発明に係る陰極バッファ材料は、アミノ官能基またはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物であって、より好ましくはゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量が1,000乃至2,000,000である高分岐ポリマーである。
特に本発明に係る陰極バッファ材料として好適な高分子化合物は、分子内に2個以上のラジカル重合性二重結合を有するモノマーAを、該モノマーAに対して5モル%以上200モル%以下のアミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bの存在下で重合させることで得られる高分岐ポリマーである。
<Cathode buffer layer>
The cathode buffer material according to the present invention is a polymer compound having an amino functional group or an imino functional group at its end, and more preferably has a weight average molecular weight of 1,000 to 2 measured in terms of polystyrene by gel permeation chromatography. It is a hyperbranched polymer that is 1,000,000.
In particular, the polymer compound suitable as a cathode buffer material according to the present invention includes a monomer A having two or more radical polymerizable double bonds in the molecule, in an amount of 5 mol% to 200 mol% with respect to the monomer A. It is a hyperbranched polymer obtained by polymerizing in the presence of a polymerization initiator B having an amino functional group or an imino functional group.
本発明において、分子内に2個以上のラジカル重合性二重結合を有するモノマーAは、ビニル基又は(メタ)アクリル基の何れか一方又は双方を有することが好ましく、特にジビニル化合物又はジ(メタ)アクリレート化合物であることが好ましい。なお、本発明では(メタ)アクリレート化合物とは、アクリレート化合物とメタクリレート化合物の両方をいう。例えば(メタ)アクリル酸は、アクリル酸とメタクリル酸をいう。 In the present invention, the monomer A having two or more radically polymerizable double bonds in the molecule preferably has one or both of a vinyl group and a (meth) acryl group, and in particular, a divinyl compound or di (meta). ) An acrylate compound is preferred. In the present invention, the (meth) acrylate compound refers to both an acrylate compound and a methacrylate compound. For example, (meth) acrylic acid refers to acrylic acid and methacrylic acid.
このようなモノマーAとしては、例えば、以下の(A1)乃至(A7)に示した有機化合物が例示される。
(A1)ビニル系炭化水素:
(A1−1)脂肪族ビニル系炭化水素類;イソプレン、ブタジエン、3−メチル−1,2−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,2−ポリブタジエン、ペンタジエン、ヘキサジエン、オクタジエン等
(A1−2)脂環式ビニル系炭化水素;シクロペンタジエン、シクロヘキサジエン、シクロオクタジエン、ノルボルナジエン等
(A1−3)芳香族ビニル系炭化水素;ジビニルベンゼン、ジビニルトルエン、ジビニルキシレン、トリビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、ジビニルナフタレン、ジビニルフルオレン、ジビニルカルバゾール、ジビニルピリジン等
(A2)ビニルエステル、アリルエステル、ビニルエーテル、アリルエーテル、ビニルケトン:
(A2−1)ビニルエステル;アジピン酸ジビニル、マレイン酸ジビニル、フタル酸ジビニル、イソフタル酸ジビニル、イタコン酸ジビニル、ビニル(メタ)アクリレート等
(A2−2)アリルエステル;マレイン酸ジアリル、フタル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、アジピン酸ジアリル、アリル(メタ)アクリレート等
(A2−3)ビニルエーテル;ジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル等
(A2−4)アリルエーテル;ジアリルエーテル、ジアリルオキシエタン、トリアリルオキシエタン、テトラアリルオキシエタン、テトラアリルオキシプロパン、テトラアリルオ
キシブタン、テトラメタリルオキシエタン等
(A2−5)ビニルケトン;ジビニルケトン、ジアリルケトン等
(A3)(メタ)アクリル酸エステル:
エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、グリセロールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、アルコキシチタントリ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、2−メチル−1,8−オクタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10−デカンジオールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、ジオキサングリコールジ(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシ−1−アクリロイルオキシ−3−メタクリロイルオキシプロパン、2−ヒドロキシ−1,3−ジ(メタ)アクリロイルオキシプロパン、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)フェニル]フルオレン、ウンデシレノキシエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ビス[4−(メタ)アクリロイルチオフェニル]スルフィド、ビス[2−(メタ)アクリロイルチオエチル]スルフィド、1,3−アダマンタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,3−アダマンタンジメタノールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジエトキシジ(メタ)アクリレート等
(A4)ポリアルキレングリコール鎖を有するビニル系化合物:
ポリエチレングリコール(分子量300)ジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール(分子量500)ジ(メタ)アクリレート等
(A5)含窒素ビニル系化合物:
ジアリルアミン、ジアリルイソシアヌレート、ジアリルシアヌレート、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ビスマレイミド等
(A6)含ケイ素ビニル系化合物:
ジメチルジビニルシラン、ジビニルメチルフェニルシラン、ジフェニルジビニルシラン、1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシラザン、1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラフェニルジシラザン、ジエトキジビニルシラン等
(A7)含フッ素ビニル系化合物:
1,4−ジビニルパーフルオロブタン、1,6−ジビニルパーフルオロヘキサン、1,8−ジビニルパーフルオロオクタン等
Examples of such a monomer A include organic compounds shown in the following (A1) to (A7).
(A1) Vinyl hydrocarbon:
(A1-1) Aliphatic vinyl hydrocarbons; isoprene, butadiene, 3-methyl-1,2-butadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 1,2-polybutadiene, pentadiene, hexadiene, octadiene (A1-2) Alicyclic vinyl hydrocarbons; cyclopentadiene, cyclohexadiene, cyclooctadiene, norbornadiene, etc. (A1-3) aromatic vinyl hydrocarbons; divinylbenzene, divinyltoluene, divinylxylene, trivinylbenzene , Divinylbiphenyl, divinylnaphthalene, divinylfluorene, divinylcarbazole, divinylpyridine, etc. (A2) Vinyl esters, allyl esters, vinyl ethers, allyl ethers, vinyl ketones:
(A2-1) vinyl ester; divinyl adipate, divinyl maleate, divinyl phthalate, divinyl isophthalate, divinyl itaconate, vinyl (meth) acrylate, etc. (A2-2) allyl ester; diallyl maleate, diallyl phthalate, Diallyl isophthalate, diallyl adipate, allyl (meth) acrylate, etc. (A2-3) vinyl ether; divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, etc. (A2-4) allyl ether; diallyl ether, diallyloxyethane, tri Allyloxyethane, tetraallyloxyethane, tetraallyloxypropane, tetraallyloxybutane, tetramethallyloxyethane, etc. (A2-5) vinyl ketone; divinyl ketone, diallyl Tons, etc. (A3) (meth) acrylic acid ester:
Ethylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, neopentyl glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, glycerol tri (meth) acrylate, Pentaerythritol tetra (meth) acrylate, alkoxy titanium tri (meth) acrylate, 1,6-hexanediol di (meth) acrylate, 2-methyl-1,8-octanediol di (meth) acrylate, 1,9-nonanediol Di (meth) acrylate, 1,10-decanediol di (meth) acrylate, tricyclodecane dimethanol di (meth) acrylate, dioxane glycol di (meth) acrylate, 2-hydroxy 1-acryloyloxy-3-methacryloyloxypropane, 2-hydroxy-1,3-di (meth) acryloyloxypropane, 9,9-bis [4- (2- (meth) acryloyloxyethoxy) phenyl] fluorene, un Decylenoxyethylene glycol di (meth) acrylate, bis [4- (meth) acryloylthiophenyl] sulfide, bis [2- (meth) acryloylthioethyl] sulfide, 1,3-adamantanediol di (meth) acrylate, 1 , 3-Adamantanedimethanol di (meth) acrylate, bisphenol A diethoxydi (meth) acrylate, etc. (A4) Vinyl compounds having a polyalkylene glycol chain:
Polyethylene glycol (molecular weight 300) di (meth) acrylate, polypropylene glycol (molecular weight 500) di (meth) acrylate, etc. (A5) Nitrogen-containing vinyl compounds:
Diallylamine, diallyl isocyanurate, diallyl cyanurate, methylenebis (meth) acrylamide, bismaleimide, etc. (A6) silicon-containing vinyl compounds:
Dimethyldivinylsilane, divinylmethylphenylsilane, diphenyldivinylsilane, 1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisilazane, 1,3-divinyl-1,1,3,3-tetraphenyldisilazane (A7) fluorine-containing vinyl compounds such as dietoxydivinylsilane:
1,4-divinylperfluorobutane, 1,6-divinylperfluorohexane, 1,8-divinylperfluorooctane, etc.
これらのうち好ましいものは、上記(A1−3)群の芳香族ビニル系炭化水素化合物、(A2)群のビニルエステル、アリルエステル、ビニルエーテル、アリルエーテル及びビニルケトン、(A3)群の(メタ)アクリル酸エステル、(A4)群のポリアルキレングリコール鎖を有するビニル系化合物、並びに(A5)群の含窒素ビニル系化合物である。特に好ましいのは、(A1−3)群に属するジビニルベンゼン、(A2)群に属するフタル酸ジアリル、(A3)群に属するエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,3−アダマンタンジメタノールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジエトキシジ(メタ)アクリレート、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)フェニル]フルオレン並びに(A5)群に属するメチレンビス(メタ)アクリルアミドである。これらの中でもジビニルベンゼン、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びビスフェノールAジエトキシジ(メタ)アクリレートが好ましく、より好ましくはジビニルベンゼンである。 Among these, preferred are the aromatic vinyl hydrocarbon compounds of the above group (A1-3), vinyl esters, allyl esters, vinyl ethers, allyl ethers and vinyl ketones of the group (A2), (meth) acrylic of the group (A3). An acid ester, a vinyl compound having a polyalkylene glycol chain of (A4) group, and a nitrogen-containing vinyl compound of (A5) group. Particularly preferred are divinylbenzene belonging to group (A1-3), diallyl phthalate belonging to group (A2), ethylene glycol di (meth) acrylate belonging to group (A3), 1,3-adamantane dimethanol di (meta). ) Acrylate, tricyclodecane dimethanol di (meth) acrylate, bisphenol A diethoxydi (meth) acrylate, 9,9-bis [4- (2- (meth) acryloyloxyethoxy) phenyl] fluorene and (A5) group Methylenebis (meth) acrylamide. Among these, divinylbenzene, ethylene glycol di (meth) acrylate, and bisphenol A diethoxydi (meth) acrylate are preferable, and divinylbenzene is more preferable.
本発明における、アミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bは、アミノ基、及びアンモニアの水素原子を一価又は二価の炭化水素残基で置換したアミン又はイミン化合物の他、ヘテロ環アミンを含む重合開始剤である。
これらの例としては、シクロヘキシルアミン、ジメチルアミン、トリエチルアミン、フェネチルアミン、ジベンジルアミンなどの第1級乃至第3級脂肪族アミン;アニリン、ジ
メチルアミノピリジン、ジフェニルアミン、トリフェニルアミンなどの第1級乃至第3級芳香族アミン;メタンイミン、プロパン−2−イミン、N−メチルエタンイミンなどのイミン;ピロリン、ピロリジン、ピラゾリン、ピラゾリジン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ジヒドロピリジン、テトラヒドロピリジン、ピペリジン、ジヒドロピリミジン、テトラヒドロピリミジン、ヘキサヒドロピリミジン、ジヒドロピラジン、テトラヒドロピラジン、ピペラジン、モルホリン、チオモルホリン、キヌクリジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンなどの脂環式へテロ環アミン;ピロール、ピラゾール、イミダゾール、ピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、キノリン、イソキノリン、シンノリン、フタラジン、キナゾリン、キノキサリン、カルバゾールなどの芳香族へテロ環アミン等の構造を含む重合開始剤が挙げられる。
In the present invention, the polymerization initiator B having an amino functional group or an imino functional group includes an amino group and an amine or imine compound in which a hydrogen atom of ammonia is substituted with a monovalent or divalent hydrocarbon residue, as well as a heterocyclic ring. A polymerization initiator containing an amine.
Examples thereof include primary to tertiary aliphatic amines such as cyclohexylamine, dimethylamine, triethylamine, phenethylamine, and dibenzylamine; primary to tertiary amines such as aniline, dimethylaminopyridine, diphenylamine, and triphenylamine. Tertiary aromatic amines; imines such as methanimine, propan-2-imine, N-methylethaneimine; pyrroline, pyrrolidine, pyrazoline, pyrazolidine, imidazoline, imidazolidine, dihydropyridine, tetrahydropyridine, piperidine, dihydropyrimidine, tetrahydropyrimidine, hexa Such as hydropyrimidine, dihydropyrazine, tetrahydropyrazine, piperazine, morpholine, thiomorpholine, quinuclidine, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane Cyclic heterocyclic amines; polymerization initiators containing structures such as aromatic heterocyclic amines such as pyrrole, pyrazole, imidazole, pyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, quinoline, isoquinoline, cinnoline, phthalazine, quinazoline, quinoxaline, carbazole Is mentioned.
したがって、前記アミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bとしては、好ましくはヘテロ環アミン構造を含む重合開始剤や、下記式[1]で表される官能基を有する重合開始剤、特にアゾ系重合開始剤を挙げることができる。
アルキル基又は炭素原子数1乃至6のヒドロキシアルキル基を表す。またR1、R2及びR3の任意の2つ以上はそれらが結合する窒素原子と一緒になって、環を形成していてもよ
く、環を形成しているものがより好適である。
Therefore, the polymerization initiator B having an amino functional group or imino functional group is preferably a polymerization initiator having a heterocyclic amine structure, or a polymerization initiator having a functional group represented by the following formula [1], particularly An azo polymerization initiator can be mentioned.
上記式[1]で表される官能基の例としては、例えば下記式[A]乃至式[M]で表される基を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
上記式[A]乃至[M]で表される官能基を有する化合物からなるアゾ系重合開始剤としては、下記式[2]で表される重合開始剤を挙げることができる。
それぞれ独立して、炭素原子数1乃至6のアルキル基を表す。
Examples of the azo polymerization initiator composed of a compound having a functional group represented by the above formulas [A] to [M] include a polymerization initiator represented by the following formula [2].
上記式[2]で表されるアゾ系重合開始剤としては、例えば以下の(1)〜(2)に示す化合物を挙げることができる;
(1)環状アゾアミジン化合物:
2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]ジヒドロクロリド、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]ジスルフェートジヒドレート、2,2’−アゾビス[2−[1−(2−ヒドロキシエチル)−2−イミダゾリン−2−イル]−プロパン]ジヒドロクロリド、2,2'−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]、2,2’−アゾビス(1−イミノ−1−ピロリジノ−2−メチルプロパン)ジヒドロクロリド等;
(2)アゾアミジン化合物:
2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)ジヒドロクロリド、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン]テトラヒドレート等。
Examples of the azo polymerization initiator represented by the formula [2] include compounds shown in the following (1) to (2);
(1) Cyclic azoamidine compound:
2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] disulfate dihydrate, 2,2′-azobis [2- [1- (2-hydroxyethyl) -2-imidazolin-2-yl] -propane] dihydrochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) ) Propane], 2,2′-azobis (1-imino-1-pyrrolidino-2-methylpropane) dihydrochloride and the like;
(2) Azoamidine compound:
2,2′-azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride, 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamidine] tetrahydrate, and the like.
上記アゾ系重合開始剤の中でも、ヘテロ環アミン構造を含む2,2'−アゾビス[2−
(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]又は2,2’−アゾビス(1−イミノ−1−ピロリジノ−2−メチルプロパン)ジヒドロクロリドが特に好ましい。
Among the azo polymerization initiators, 2,2′-azobis [2-
(2-Imidazolin-2-yl) propane] or 2,2′-azobis (1-imino-1-pyrrolidino-2-methylpropane) dihydrochloride is particularly preferred.
前記重合開始剤Bは、前記モノマーAに対して、5モル%乃至200モル%の量で使用され、好ましくは15モル%乃至200モル%、より好ましくは15モル%乃至170モル%、より好ましくは50モル%乃至100モル%の量で使用される。 The polymerization initiator B is used in an amount of 5 mol% to 200 mol%, preferably 15 mol% to 200 mol%, more preferably 15 mol% to 170 mol%, and more preferably based on the monomer A. Is used in an amount of 50 mol% to 100 mol%.
本発明に用いる高分岐ポリマーは、前述のモノマーAに対して所定量の重合開始剤Bの存在下で重合させて得られ、該重合方法としては公知の方法、例えば溶液重合、分散重合、沈殿重合、及び塊状重合等が挙げられ、中でも溶液重合又は沈殿重合が好ましい。特に分子量制御の点から、有機溶媒中での溶液重合によって反応を実施することが好ましい。 The hyperbranched polymer used in the present invention is obtained by polymerizing the aforementioned monomer A in the presence of a predetermined amount of a polymerization initiator B. As the polymerization method, known methods such as solution polymerization, dispersion polymerization, precipitation Polymerization, bulk polymerization and the like can be mentioned, among which solution polymerization or precipitation polymerization is preferable. In particular, it is preferable to carry out the reaction by solution polymerization in an organic solvent from the viewpoint of molecular weight control.
このとき用いられる有機溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、テトラリン等の芳香族炭化水素系溶媒;n−ヘキサン、n−ヘプタン、ミネラルスピリット、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水素系溶媒;塩化メチル、臭化メチル、ヨウ化メチル、メチレンジクロリド、クロロホルム、四塩化炭素、トリクロロエチレン、パークロロエチレン、オルトジクロロベンゼン等のハロゲン系溶媒;酢酸エチル、酢酸ブチル、メトキシブチルアセテート、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル系又はエステルエーテル系溶媒;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のエーテル系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジ−n−ブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶媒;メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノール、2−エチルヘキシルアルコール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチル等のアルコール系溶媒;N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒;ジメチルスルホキシド等のスルホキシド系溶媒;酢酸、プロピオン酸等の脂肪族カルボン酸系溶媒、並びにこれらの2種以上の混合溶媒が挙げられる。 Examples of organic solvents used here include aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, and tetralin; aliphatic or alicyclic hydrocarbon solvents such as n-hexane, n-heptane, mineral spirit, and cyclohexane Solvent: Halogen solvents such as methyl chloride, methyl bromide, methyl iodide, methylene dichloride, chloroform, carbon tetrachloride, trichloroethylene, perchloroethylene, orthodichlorobenzene; ethyl acetate, butyl acetate, methoxybutyl acetate, methyl cellosolve acetate , Ethyl cellosolve acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, etc. ester or ester ether solvents; diethyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, methyl cellosolve, ethyl celloso Ether solvents such as butyl, cellosolve, propylene glycol monomethyl ether; ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, di-n-butyl ketone, cyclohexanone; methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, iso Alcohol solvents such as butanol, tert-butanol, 2-ethylhexyl alcohol, benzyl alcohol, ethylene glycol, propylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, ethyl lactate; N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, N -Amide solvents such as methyl-2-pyrrolidone; Sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide; Aliphatic carboxylic acid solvents such as acetic acid and propionic acid And mixed solvents of two or more thereof.
これらのうち好ましいものは、芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、アミド系溶媒、脂肪族カルボン
酸系溶媒等であり、特に好ましいものはベンゼン、トルエン、キシレン、オルトジクロロベンゼン、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン及び酢酸であり、最も好ましいものは、n−プロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール、N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン及び酢酸である。
Among these, preferred are aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ester solvents, ether solvents, ketone solvents, alcohol solvents, amide solvents, aliphatic carboxylic acid solvents, and the like. Benzene, toluene, xylene, orthodichlorobenzene, ethyl acetate, butyl acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, tetrahydrofuran, dioxane, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol , Tert-butanol, ethylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and vinegar , And the most preferred are n- propanol, n- butanol, ethylene glycol, N, N'-dimethylformamide, N, N'-dimethylacetamide, N- methyl-2-pyrrolidone and acetic acid.
上記重合反応を有機溶媒の存在下で行う場合、重合反応物全体における有機溶媒の含量は前記モノマーAの1質量部に対し、好ましくは5乃至200質量部、さらに好ましくは10乃至150質量部、最も好ましくは30乃至120質量部である。 When the polymerization reaction is performed in the presence of an organic solvent, the content of the organic solvent in the entire polymerization reaction product is preferably 5 to 200 parts by weight, more preferably 10 to 150 parts by weight, with respect to 1 part by weight of the monomer A. Most preferably, it is 30 to 120 parts by mass.
重合反応は常圧、加圧密閉下、又は減圧下で行われ、装置及び操作の簡便さから常圧下で行うのが好ましい。また、N2等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。
重合温度は、反応混合物の沸点以下であれば任意であるが、重合効率と分子量調節の点から、好ましくは50℃以上200℃以下、さらに好ましくは80℃以上150℃以下、より好ましくは80℃以上120℃以下である。
反応時間は、反応温度や、モノマーA及び重合開始剤Bの種類及び割合、有機溶媒種等によって変動するものであるため一概には規定できないが、好ましくは30分以上720分以下、さらに好ましくは40分以上540分以下である。
The polymerization reaction is carried out under normal pressure, under pressure and under pressure, or under reduced pressure, and is preferably carried out under normal pressure in view of simplicity of the apparatus and operation. Further, preferably carried out in an atmosphere of inert gas such as N 2.
The polymerization temperature is arbitrary as long as it is not higher than the boiling point of the reaction mixture, but from the viewpoint of polymerization efficiency and molecular weight control, it is preferably 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 80 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 80 ° C. The temperature is 120 ° C. or lower.
Although the reaction time varies depending on the reaction temperature, the types and ratios of the monomer A and the polymerization initiator B, the organic solvent type, etc., it cannot be defined unconditionally, but preferably 30 minutes or more and 720 minutes or less, more preferably It is 40 minutes or more and 540 minutes or less.
重合反応の終了後、得られた高分岐ポリマーを任意の方法で回収し、必要に応じて洗浄等の後処理を行う。反応溶液から高分子を回収する方法としては、再沈殿等の方法が挙げられる。 After completion of the polymerization reaction, the obtained hyperbranched polymer is recovered by an arbitrary method, and post-treatment such as washing is performed as necessary. Examples of a method for recovering the polymer from the reaction solution include a method such as reprecipitation.
上記高分岐ポリマーからなる陰極バッファ層を形成する具体的な方法としては、適当な溶媒に溶解又は分散してワニスの形態(膜形成材料)とする。
ここで使用する溶媒としては、高分岐ポリマーを均一に溶解させうる溶媒であれば特に限定されず、水、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル等のエーテル系化合物、酢酸エチル等のエステル系化合物、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等のケトン系化合物、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系化合物、ジメチルスルホキシド、1,2−ジクロロエタン、クロロホルム等のハロゲン化脂肪族炭化水素類、ノルマルヘプタン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類等が使用できる。これら有機溶媒は単独で使用してもよく、2種類以上の溶媒を混合してもよい。
特に、上記バッファー層を塗布法により積層構造とする場合は、先に塗布した層を溶解させずに塗布できる溶媒として、水、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等の溶媒が好ましい。
As a specific method for forming the cathode buffer layer made of the above-mentioned highly branched polymer, it is dissolved or dispersed in an appropriate solvent to form a varnish (film forming material).
The solvent used here is not particularly limited as long as it can dissolve the hyperbranched polymer uniformly, and alcohols such as water, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, Aromatic hydrocarbons such as chlorobenzene and dichlorobenzene, ether compounds such as tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, diethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether and propylene glycol methyl ether, ester compounds such as ethyl acetate, acetone and methyl ethyl ketone , Ketone compounds such as methyl isobutyl ketone, cyclopentanone, cyclohexanone, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetate Amide compounds such as amides, dimethyl sulfoxide, 1,2-dichloroethane, halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, n-heptane, n-hexane, aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane or the like can be used. These organic solvents may be used alone, or two or more kinds of solvents may be mixed.
In particular, when the buffer layer has a laminated structure by a coating method, a solvent such as water, methanol, ethanol, n-propanol, and isopropanol is preferable as a solvent that can be applied without dissolving the previously applied layer.
ワニスの濃度としては、塗膜が形成できれば特に限定されず、前記ワニスの総質量に対して高分岐ポリマーの総質量は好ましくは0.01乃至10質量%、より好ましくは0.01乃至5質量%である。 The concentration of the varnish is not particularly limited as long as a coating film can be formed. The total mass of the hyperbranched polymer is preferably 0.01 to 10% by mass, more preferably 0.01 to 5% by mass with respect to the total mass of the varnish. %.
続いて該ワニスを、所望の層上、通常は光電変換層の上にスピンコート法、ブレードコ
ート法、ディップコート法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、インクジェット法、印刷法(凸版、凸版、平板、スクリーン印刷等)等によって塗布してリキッド薄層を形成し、その後、溶媒を蒸発・乾燥させるために焼成することにより、硬化膜(陰極バッファ層)を形成する。
なお、これらの塗布方法の中でもスピンコート法が好ましい。スピンコート法を用いる場合には、単時間で塗布することができるために、揮発性の高い溶液であっても利用でき、また、均一性の高い塗布を行うことができるという利点がある。
Subsequently, the varnish is applied onto a desired layer, usually a photoelectric conversion layer, by spin coating, blade coating, dip coating, roll coating, bar coating, die coating, ink jet, printing (letter plate, A liquid thin layer is formed by coating with a relief printing plate, a flat plate, screen printing, or the like, and then baked to evaporate and dry the solvent, thereby forming a cured film (cathode buffer layer).
Of these coating methods, spin coating is preferred. In the case of using the spin coating method, since it can be applied in a single time, even a highly volatile solution can be used, and there is an advantage that highly uniform application can be performed.
溶媒の乾燥法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ホットプレートやオーブンを用いて、適切な雰囲気下、すなわち大気、窒素等の不活性ガス、真空中等で蒸発させればよい。これにより、均一な成膜面を有する陰極バッファ層を得ることが可能である。焼成温度は、溶媒を蒸発させることができれば特に限定されないが、40〜250℃で行うことが好ましい。この場合、より高い均一成膜性を発現させたり、基材上で反応を進行させたりする目的で、2段階以上の温度変化をつけてもよい。 The method for drying the solvent is not particularly limited. For example, the solvent may be evaporated in a suitable atmosphere, that is, in an inert gas such as air or nitrogen, in a vacuum, or the like using a hot plate or an oven. Thereby, a cathode buffer layer having a uniform film formation surface can be obtained. Although a calcination temperature will not be specifically limited if a solvent can be evaporated, It is preferable to carry out at 40-250 degreeC. In this case, two or more stages of temperature changes may be applied for the purpose of developing higher uniform film forming properties or allowing the reaction to proceed on the substrate.
<有機薄膜太陽電池を構成する他の層>
本発明の有機薄膜太陽電池は、一対の電極(透明電極、金属電極)とその間に介在する光電変換層とを含み、前記光電変換層と金属電極との間に前述の陰極バッファ層を有するものである。
従って、本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法としては、透明電極(陽極)基板に対して、必要に応じて他の層:例えば陽極バッファ層を作製し、続いて光電変換層を作成した後、前述の陰極バッファ層を形成して、金属電極(陰極)を形成することが好ましい。
以下、電極材料、光電変換層並びに他の層の材料について述べる。
<Other layers constituting the organic thin-film solar cell>
The organic thin film solar cell of the present invention includes a pair of electrodes (transparent electrode, metal electrode) and a photoelectric conversion layer interposed therebetween, and has the above-described cathode buffer layer between the photoelectric conversion layer and the metal electrode. It is.
Therefore, as a method for producing the organic thin film solar cell of the present invention, after preparing another layer, for example, an anode buffer layer, if necessary, a transparent electrode (anode) substrate, and subsequently producing a photoelectric conversion layer It is preferable to form the metal electrode (cathode) by forming the above-described cathode buffer layer.
Hereinafter, materials for the electrode material, the photoelectric conversion layer, and other layers will be described.
<透明電極>
透明電極としては、有機薄膜太陽電池に照射される光を効率的に光電変換層に供給できる光透過性の高い材料が好ましく、且つ、光電変換層で生成した電気エネルギーを効率的に取り出せる導電性の高い材料が好ましい。
従って、透明電極材料としては、インジウム錫酸化物(ITO)、及びインジウム亜鉛酸化物(IZO)に代表される導電性金属酸化物を用いた透明電極が挙げられ、平坦化処理を行ったものが好ましい。中でもITOが特に好ましい。
透明電極は洗浄その他の処理により、光電変換効率を高めることが可能であり、例えばITOの場合、逆スパッタリング、オゾン処理、酸処理等の洗浄処理を行い表面の有機物等の異物を除去したものが用いられる。但し透明電極材料が有機物を主成分とする場合には表面処理を行わなくてもよい。
<Transparent electrode>
As the transparent electrode, a highly light-transmitting material that can efficiently supply light irradiated to the organic thin-film solar cell to the photoelectric conversion layer is preferable, and conductivity that can efficiently extract electric energy generated in the photoelectric conversion layer is preferable. High material is preferred.
Therefore, as a transparent electrode material, a transparent electrode using a conductive metal oxide typified by indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO) can be cited, and a material subjected to planarization treatment is used. preferable. Of these, ITO is particularly preferable.
The transparent electrode can improve the photoelectric conversion efficiency by washing and other treatments. For example, in the case of ITO, it is possible to remove foreign substances such as organic substances on the surface by performing washing treatment such as reverse sputtering, ozone treatment, acid treatment, etc. Used. However, when the transparent electrode material contains an organic substance as a main component, the surface treatment may not be performed.
<光電変換層>
前記光電変換層は、電子受容性材料と電子供与性材料とを含有する。
前記電子受容性材料としては例えば、[6、6]−フェニル−C61−酪酸メチルエステル(PCBM)などのフラーレン誘導体、ペリレン誘導体などが挙げられる。
また、電子供与性材料としては、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)などのポリチオフェン誘導体、ポリ−2−メトキシ−5−(3',7'−ジメチルオクチロキシ)−1,4−フェニレンビニレン(MDMO−PPV)などのフェニレンビニレン誘導体、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレニル−2,7−ジイル)(PFO)などのポリフルオレン誘導体など可視光に光吸収領域を有する高分子が挙げられる。
前記電子受容性材料と、電子供与性材料との配合割合は特に限定されないが、質量比で例えば電子受容性材料:電子供与性材料=5:2〜5:7である。
<Photoelectric conversion layer>
The photoelectric conversion layer contains an electron accepting material and an electron donating material.
Examples of the electron-accepting material include fullerene derivatives such as [6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester (PCBM), perylene derivatives, and the like.
Examples of the electron donating material include polythiophene derivatives such as poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly-2-methoxy-5- (3 ′, 7′-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene vinylene ( Examples thereof include polymers having a light absorption region in visible light, such as phenylene vinylene derivatives such as MDMO-PPV) and polyfluorene derivatives such as poly (9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) (PFO).
The blending ratio of the electron-accepting material and the electron-donating material is not particularly limited, but the mass ratio is, for example, electron-accepting material: electron-donating material = 5: 2 to 5: 7.
また、光電変換層は、上記電子受容性材料と電子供与性材料のみから形成すればよいが、適宜、光電変換作用を有する導電性材料や色素などを更に添加しても良い。
導電性材料としては、例えば、ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリパラフェニレン系、ポリパラフェニンビニレン系、ポリチエニレンビニロン系、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)系、ポリフルオレン系、ポリアニリン系、ポリアセン系の導電性材料が挙げられる(但し、PEDOT:PSSは除く)。
また、色素としては、例えば、シアニン系、メロシアニン系、フタロシアニン系、ナフタロシアニン系、アゾ系、キノン系、キノイシン系、キナクドリン系、スクアリリウム系、トリフェニルメタン系、キサンテン系、ポルフィリン系、ペリレン系、インジコ系の色素が挙げられる。
こうしたその他の添加剤(導電性材料や色素)を光電変換層に添加する場合には、これらの添加量は限定的ではないが、上記電子受容性材料と電子供与性材料の合計量を100質量部として、1〜100質量部程度が好ましく、1〜40質量部程度がより好ましい。
The photoelectric conversion layer may be formed only from the electron-accepting material and the electron-donating material, but a conductive material or a dye having a photoelectric conversion function may be further added as appropriate.
Examples of the conductive material include polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, polyparaphenylene, polyparaphenine vinylene, polythienylene vinylone, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), and polyfluorene. -Based, polyaniline-based, and polyacene-based conductive materials (excluding PEDOT: PSS).
Examples of the dye include cyanine-based, merocyanine-based, phthalocyanine-based, naphthalocyanine-based, azo-based, quinone-based, quinoisin-based, quinacrine-based, squarylium-based, triphenylmethane-based, xanthene-based, porphyrin-based, perylene-based, Indigo pigments can be mentioned.
When these other additives (conductive materials and dyes) are added to the photoelectric conversion layer, the amount of these additives is not limited, but the total amount of the electron accepting material and the electron donating material is 100 mass. As a part, about 1-100 mass parts is preferable, and about 1-40 mass parts is more preferable.
光電変換層の形成方法は限定されないが、例えば、上記電子受容性材料と電子供与性材料を適当な溶媒に溶解し、該溶液を前記バッファ層の上にスピンコートすることにより形成する。その他の添加剤を含む場合には、前記溶液に予め混合(溶解)しておくことが好ましい。
光電変換層の厚さは限定的ではないが、1〜500nm程度が好ましく、5〜100nm程度がより好ましい。
A method for forming the photoelectric conversion layer is not limited. For example, the photoelectric conversion layer is formed by dissolving the electron-accepting material and the electron-donating material in a suitable solvent and spin-coating the solution on the buffer layer. When other additives are included, it is preferable to mix (dissolve) the solution in advance.
Although the thickness of a photoelectric converting layer is not limited, about 1-500 nm is preferable and about 5-100 nm is more preferable.
金属電極材料としてはアルミニウム、マグネシウム−銀合金、アルミニウム−リチウム合金、リチウム、ナトリウム、カリウム及びセシウム等が挙げられる。
前記金属電極は真空蒸着法により積層され、有機薄膜太陽電池を製造できる。
Examples of the metal electrode material include aluminum, magnesium-silver alloy, aluminum-lithium alloy, lithium, sodium, potassium and cesium.
The metal electrode is laminated by a vacuum deposition method, and an organic thin film solar cell can be manufactured.
なお、前記透明電極と前記光電変換層の間に、前記透明電極とする接触するバッファ層(以下、陽極バッファ層と称する)としてポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT/PSS)層や、酸化モリブデン層、アモルファス酸化チタン層を挿入することができる。
これらの層は、下地層を侵食しない溶媒を用いる溶液塗布法や真空蒸着法、還元析出法などによって作製可能である。
In addition, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (styrenesulfonate) is used as a buffer layer (hereinafter referred to as an anode buffer layer) to be the transparent electrode between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer. A (PEDOT / PSS) layer, a molybdenum oxide layer, or an amorphous titanium oxide layer can be inserted.
These layers can be produced by a solution coating method using a solvent that does not erode the underlayer, a vacuum deposition method, a reduction deposition method, or the like.
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
なお、実施例において、試料の調製及び物性の分析に用いた装置及び条件は、以下の通りである。
(1)GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)
装置:昭和電工(株)製 GPC−101
カラム:昭和電工(株)製 LF−804×4
カラム温度:60℃
溶媒:20mM LiBr添加NMP
検出器:RI
(2)1H−NMRスペクトル
装置:日本電子(株)製 JNM−ECA700
溶媒:CDCl3
内部標準:テトラメチルシラン
(3)スピンコーター
装置:ミカサ(株)製 MS−A100
(4)光源
装置:ソーラシミュレータ(YSS−50A:山下電装(株)製)
照射光:太陽光標準スペクトル AM 1.5G
照射強度:白色光100mW/cm2(1sun)
照射時間:約1分間
(5)電圧印加及び電流測定
装置:ソースメジャーユニット 238(ケースレーインスツルメンツ(株)製)
測定条件:電圧範囲:1.5V〜1.5V、スイープ速度:0.05V/秒
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to the following Example.
In the examples, the apparatus and conditions used for sample preparation and physical property analysis are as follows.
(1) GPC (gel permeation chromatography)
Equipment: GPC-101 manufactured by Showa Denko K.K.
Column: Showa Denko LF-804 × 4
Column temperature: 60 ° C
Solvent: NMP with 20 mM LiBr added
Detector: RI
(2) 1 H-NMR spectrum apparatus: JNM-ECA700 manufactured by JEOL Ltd.
Solvent: CDCl 3
Internal standard: Tetramethylsilane (3) spin coater Device: MS-A100 manufactured by Mikasa Co., Ltd.
(4) Light source Device: Solar simulator (YSS-50A: manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.)
Irradiation light: Standard sunlight spectrum AM 1.5G
Irradiation intensity: White light 100 mW / cm 2 (1 sun)
Irradiation time: about 1 minute (5) Voltage application and current measurement Device: Source measure unit 238 (manufactured by Keithley Instruments Co., Ltd.)
Measurement conditions: Voltage range: 1.5 V to 1.5 V, sweep speed: 0.05 V / second
[合成例1]
<高分岐ポリマー(HI−DVB)の合成>
2L反応フラスコに、n−プロパノール781gを仕込み、攪拌しながら5分間窒素を流し込み、n−プロパノールが還流するまで(標準沸点97℃)加熱した。
別の1L反応フラスコに、ジビニルベンゼン13.0g(100mmol)、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン](AIYP)20.0g(80mmol、ジビニルベンゼンに対して80モル%)、及びn−プロパノール781gを仕込み、攪拌しながら5分間窒素を流し込み窒素置換を行い、氷浴にて0℃まで冷却を行った。
前述の2L反応フラスコ中の還流してあるn−プロパノール中に、ジビニルベンゼン、AIYP及びn−プロパノールが仕込まれた前記1L反応フラスコから、滴下ポンプを用いて、内容物を60分間かけて滴下した。滴下終了後、1時間熟成させた。
次に、ロータリーエバポレーターを用いてこの反応液を260gになるまで濃縮し、イオン交換水1,300gに滴下して、再沈殿を行った。得られた残渣を再度n−プロパノール130gに溶解させ、イオン交換水1,300gに滴下して再沈殿を行った。得られた淡黄色粉末を真空乾燥して、下記式[3]で示される目的物(HI−DVB)14.6gを得た。得られた目的物の1H−NMRスペクトルの測定結果を図2に示す。また、目
的物のGPCによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは29,000、分散度:Mw/Mnは2.35であった。
<Synthesis of hyperbranched polymer (HI-DVB)>
To a 2 L reaction flask, 781 g of n-propanol was charged, nitrogen was poured for 5 minutes with stirring, and the mixture was heated until n-propanol was refluxed (standard boiling point 97 ° C.).
In a separate 1 L reaction flask, 13.0 g (100 mmol) of divinylbenzene, 20.0 g of 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] (AIYP) (80 mmol, based on divinylbenzene) 80 mol%) and 781 g of n-propanol were charged, and nitrogen was introduced for 5 minutes while stirring to replace the nitrogen, and the mixture was cooled to 0 ° C. in an ice bath.
From the 1 L reaction flask charged with divinylbenzene, AIYP and n-propanol into the refluxed n-propanol in the 2 L reaction flask, the contents were dropped over 60 minutes using a dropping pump. . After completion of dropping, the mixture was aged for 1 hour.
Next, this reaction solution was concentrated to 260 g using a rotary evaporator, and dropped into 1,300 g of ion-exchanged water to perform reprecipitation. The obtained residue was dissolved again in 130 g of n-propanol and dropped into 1,300 g of ion-exchanged water for reprecipitation. The obtained pale yellow powder was vacuum-dried to obtain 14.6 g of a target product (HI-DVB) represented by the following formula [3]. The measurement result of the 1 H-NMR spectrum of the obtained target product is shown in FIG. Moreover, the weight average molecular weight Mw measured by polystyrene conversion by GPC of the target object was 29,000, and dispersion degree: Mw / Mn was 2.35.
[実施例1乃至実施例4:有機薄膜太陽電池(ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/HI−DVB/Cu)の作成]
図1に示すような有機薄膜太陽電池(以下、単に素子とも称する)を、陰極側のバッファ層(以下陰極バッファ層と称する)として前記合成例1で製造したイミダゾリン基含有高分子化合物(HI−DVB)を用いて作製した。
[Example 1 to Example 4: Preparation of organic thin film solar cell (ITO / PEDOT: PSS / P3HT: PCBM / HI-DVB / Cu)]
An organic thin-film solar cell (hereinafter also simply referred to as an element) as shown in FIG. 1 was prepared as the cathode-side buffer layer (hereinafter referred to as the cathode buffer layer) using the imidazoline group-containing polymer compound (HI-) produced in Synthesis Example 1 above. DVB).
<陽極バッファ層の作製>
透明電極としてガラス基板上にインジウム−スズ酸化物(ITO)透明電極が製膜された透明導電膜基板(膜厚150nm、表面抵抗10Ω/□:三谷真空社製 以下、ITO
基板と称する)を用いた。
該ITO基板上に、ポリ(エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)/ポリスチレンスルホン酸(PSS)の溶液(C.Starck社製、AI4083)を用いて2,0
00rpm、30秒でスピンコートにより製膜し、大気中ホットプレートを用いて130℃、20分間アニールして陽極バッファ層を形成した。
<Preparation of anode buffer layer>
A transparent conductive film substrate in which an indium-tin oxide (ITO) transparent electrode is formed on a glass substrate as a transparent electrode (thickness 150 nm, surface resistance 10Ω / □: manufactured by Mitani Vacuum Co., Ltd.
Called substrate).
On the ITO substrate, a poly (ethylenedioxythiophene) (PEDOT) / polystyrene sulfonic acid (PSS) solution (manufactured by C. Starck, AI4083) was used for 2,0.
A film was formed by spin coating at 00 rpm for 30 seconds, and annealed at 130 ° C. for 20 minutes using an air hot plate to form an anode buffer layer.
<光電変換層(P3HT:PCBM)の作製>
次に、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)(P3HT)、フェニル−C61−ブチル酸メチルエステル)(PCBM)の1:1(質量比)の3wt%オルトジクロロベンゼン溶液をグローブボックス内で調製した。この溶液をグローブボックス内で50℃で遮光して、12時間攪拌した。
次に、このP3HT:PCBM(1wt:1wt)の3wt%オルトジクロロベンゼン溶液を孔径0.20μmのPTFE製ディスポーザブルメンブレンフィルター(DISMIC series 13JP050AN:ADVANTEC社)により濾過した後、前述の陽極バッファ層を製膜した基板上に2〜3滴滴下し、スピンコーターを用いて、1回目:500rpm、60秒、2回目:2,000rpm、1秒、3回目:500rpm、80秒の条件でスピンコートした。
その後、スピンコートした基板をホットプレートを用いて120℃、10分間アニールした。
<Preparation of Photoelectric Conversion Layer (P3HT: PCBM)>
Next, a 1: 1 (mass ratio) 3 wt% orthodichlorobenzene solution of poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), phenyl-C61-butyric acid methyl ester) (PCBM) was used as a glove box. Prepared in. This solution was shielded from light at 50 ° C. in a glove box and stirred for 12 hours.
Next, a 3 wt% orthodichlorobenzene solution of P3HT: PCBM (1 wt: 1 wt) was filtered through a PTFE disposable membrane filter (DISMIC series 13JP050AN: ADVANTEC) having a pore diameter of 0.20 μm, and the above-described anode buffer layer was manufactured. Two to three drops were dropped on the filmed substrate and spin-coated using a spin coater under the conditions of the first time: 500 rpm, 60 seconds, the second time: 2,000 rpm, 1 second, the third time: 500 rpm, 80 seconds.
Thereafter, the spin-coated substrate was annealed at 120 ° C. for 10 minutes using a hot plate.
<陰極バッファ層の作製>
HI−DVBを秤量し、サンプル瓶に入れグローブボックス内に搬入し、グローブボックス内でイソプロパノールを溶媒として用いて溶液を調製した。この際、HI−DVB濃度は、0.03wt%、0.05wt%、0.10wt%とした。
その後、陽極バッファ層(PEDOT:PSS)と光電変換層(P3HT:PCBM)を製膜した基板の上に、HI−DVB溶液を孔径0.45μmであるシリンジフィルタ(親水性)を通して基板上に滴下し、スピンコーターを用い3,000rpm,30秒の条件でスピンコートした。
スピンコートした基板をホットプレートを用いて120℃、10分間アニールした。
<Preparation of cathode buffer layer>
HI-DVB was weighed, put into a sample bottle, carried into a glove box, and a solution was prepared using isopropanol as a solvent in the glove box. At this time, the HI-DVB concentration was 0.03 wt%, 0.05 wt%, and 0.10 wt%.
Thereafter, the HI-DVB solution is dropped onto the substrate through a syringe filter (hydrophilic) having a pore diameter of 0.45 μm on the substrate on which the anode buffer layer (PEDOT: PSS) and the photoelectric conversion layer (P3HT: PCBM) are formed. Then, spin coating was performed using a spin coater at 3,000 rpm for 30 seconds.
The spin-coated substrate was annealed at 120 ° C. for 10 minutes using a hot plate.
<金属電極(実施例1〜実施例3:Al、実施例4:Cu)の作製>
Al電極の作製:陰極バッファ層を形成した前記基板上に、アルミニウム小片(純度99.999%:(株)ニラコ)をタングステンバスケットに充填し、0〜20nmまで蒸着速度:1.0〜2.0Å/秒にて、その後、蒸着速度:3.0〜4.0Å/秒にて100nm蒸着した。
Cu電極の作製:陰極バッファ層を形成した前記基板上に、銅線(0.50mm 純度
99.9%:(株)ニラコ)をタングステンボートに充填し、0〜20 nmまで蒸着速度1.0〜2.0Å/秒にて、その後、蒸着速度:1.0〜2.0Å/秒にて70nm蒸着した。
<Production of Metal Electrodes (Examples 1 to 3: Al, Example 4: Cu)>
Preparation of Al electrode: A small piece of aluminum (purity 99.999%: Nilaco Co., Ltd.) was filled in a tungsten basket on the substrate on which the cathode buffer layer was formed, and the deposition rate was from 0 to 20 nm. The film was vapor-deposited at a rate of 0 nm / second, and then at a deposition rate of 3.0 to 4.0 m / second.
Preparation of Cu electrode: A copper wire (0.50 mm purity 99.9%: Nilaco Co., Ltd.) was filled in a tungsten boat on the substrate on which the cathode buffer layer was formed, and the deposition rate was 1.0 to 0-20 nm. The film was vapor-deposited at 70 nm at a deposition rate of 1.0 to 2.0 kg / sec.
上記のようにして作製した素子を、グローブボックス内で封止した。すなわち、円柱状の封止ガラスの縁上にUV硬化型エポキシ樹脂の封止剤(XNR 5516Z:ナガセケムテックス(株))をのせ、UVランプ(スポットキュア SP3:ウシオ電機(株))を用いてUV硬化させ、封止素子を作製した。
なお作製した有機薄膜太陽電池の模式図を図1に示す。
The element produced as described above was sealed in a glove box. That is, a UV curable epoxy resin sealant (XNR 5516Z: Nagase ChemteX Corporation) is placed on the edge of a cylindrical sealing glass, and a UV lamp (Spot Cure SP3: Ushio Electric Co., Ltd.) is used. And cured by UV to produce a sealing element.
In addition, the schematic diagram of the produced organic thin film solar cell is shown in FIG.
[比較例1及び比較例2]
陰極バッファ層を用いない以外は、実施例と同様にして素子作製を行った。
なお、比較例1においては金属電極をAlに、比較例2においてはCuとした。
[Comparative Example 1 and Comparative Example 2]
A device was fabricated in the same manner as in the example except that the cathode buffer layer was not used.
In Comparative Example 1, the metal electrode was Al, and in Comparative Example 2, Cu was used.
[有機薄膜太陽電池の測定方法]
上記実施例1乃至実施例4及び比較例1及び比較例2で作製した有機薄膜太陽電池について、それぞれ大気下の光電変換効率(PCE)、短絡電流密度(JSC)及び開放端電圧
(VOC)について測定し、各素子の耐久性を評価した。
〔測定手順〕
基板の2mm×2mmの正四角形の実効素子面を遮光シートで囲み、直径3mmのホールに合わせ大気下で測定を行った。
なお、素子の電極とソースメジャーユニットの接続には金線(純度99.95%、直径0.05mm:(株)ニラコ)と銀ペースト(ドータイト D−550:藤倉化成(株))を用いた。
[Measurement method of organic thin film solar cells]
For the organic thin-film solar cells produced in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, the photoelectric conversion efficiency (PCE), short-circuit current density (J SC ), and open-circuit voltage (V OC ) in the atmosphere, respectively. ) And the durability of each element was evaluated.
〔Measurement procedure〕
A 2 mm × 2 mm square effective element surface of the substrate was surrounded by a light-shielding sheet, and measurement was performed in the atmosphere in accordance with a hole having a diameter of 3 mm.
In addition, a gold wire (purity 99.95%, diameter 0.05 mm: Nilaco Co., Ltd.) and silver paste (Dotite D-550: Fujikura Kasei Co., Ltd.) were used for connection between the element electrode and the source measure unit. .
表1に示すように、陰極がアルミニウムである実施例1〜実施例3と比較例1の素子を比較すると、実施例の素子は比較例の素子と比較して、いずれも高い短絡電流密度、開放端電圧、変換効率を示した。すなわち、HI−DVBを陰極バッファ層に用いることで、従来陰極バッファ層として用いられているLiF(フッ化リチウム)を用いたときと同程度の開放端電圧Voc(0.58V)を実現できることがわかった。
また、陰極が銅の場合(実施例4及び比較例2)においても実施例の素子の開放端電圧Vocは0.5Vを超えていると結果となった。すなわち、銅のような酸化されやすい金属を電極に用いることも可能であることが示された。
As shown in Table 1, when the elements of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 in which the cathode is aluminum are compared, the elements of the Examples have higher short-circuit current densities than the elements of the Comparative Example. Open circuit voltage and conversion efficiency are shown. That is, by using HI-DVB for the cathode buffer layer, it is possible to achieve an open-circuit voltage Voc (0.58 V) comparable to that obtained when LiF (lithium fluoride) that is conventionally used as the cathode buffer layer is used. all right.
In addition, even when the cathode was copper (Example 4 and Comparative Example 2), the result was that the open-circuit voltage Voc of the element of the example exceeded 0.5V. That is, it was shown that a metal that is easily oxidized, such as copper, can be used for the electrode.
10 透明電極
11 陽極バッファ層
12 光電変換層
13 陰極バッファ層
14 金属電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Transparent electrode 11 Anode buffer layer 12 Photoelectric conversion layer 13 Cathode buffer layer 14 Metal electrode
Claims (6)
前記陰極バッファ層はアミノ官能基またはイミノ官能基を末端に有する高分子化合物からなり、
前記高分子化合物が、分子内に2個以上のラジカル重合性二重結合を有するモノマーAとして芳香族ビニル系炭化水素を、該モノマーAに対して5モル%乃至200モル%のアミノ官能基又はイミノ官能基を有する重合開始剤Bの存在下で重合させることにより得られる高分岐ポリマーであることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 A transparent electrode on a transparent substrate, a metal electrode, a photoelectric conversion layer interposed between the two electrodes, and a cathode buffer layer formed so as to be in contact with the metal electrode between the photoelectric conversion layer and the metal electrode; In an organic thin film solar cell comprising:
The cathode buffer layer is Ri Do a polymer compound having an amino functional group or imino functional group at the terminal,
The polymer compound comprises an aromatic vinyl hydrocarbon as monomer A having two or more radically polymerizable double bonds in the molecule, 5 mol% to 200 mol% of amino functional group or An organic thin-film solar cell, which is a highly branched polymer obtained by polymerization in the presence of a polymerization initiator B having an imino functional group .
B)その上又は上方に光電変換層を形成する段階と、
C)該光電変換層の上又は上方に陰極バッファ層を形成する段階と、
D)さらにその上に金属電極を積層する段階と
を有してなる、請求項1乃至請求項5のうち何れか一項に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。 A) preparing a transparent substrate having a transparent electrode formed on the substrate surface;
B) forming a photoelectric conversion layer thereon or above;
C) forming a cathode buffer layer on or above the photoelectric conversion layer;
D) Furthermore, the manufacturing method of the organic thin-film solar cell as described in any one of Claims 1 thru | or 5 which has a step which laminates | stacks a metal electrode on it.
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