JP7600618B2 - Photoelectric conversion element and photoelectric conversion module - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子及び光電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion module.
近年、電子回路における駆動電力が非常に少なくなり、微弱な電力(μWオーダー)でもセンサ等の様々な電子部品を駆動することができるようになっている。また、センサの活用に際し、その場で発電し消費できる自立型電源として環境発電素子への応用が期待されている。これらの中でも、光電変換素子の一種である太陽電池は、光があれば、微弱光であっても、どこでも発電できる素子として注目を集めている。 In recent years, the driving power of electronic circuits has become extremely low, and it has become possible to drive various electronic components such as sensors with very low power (on the order of μW). Furthermore, when using sensors, it is expected that they will be applied to energy harvesting elements as independent power sources that can generate and consume electricity on the spot. Among these, solar cells, a type of photoelectric conversion element, are attracting attention as an element that can generate electricity anywhere there is light, even if the light is very weak.
光電変換素子としては、例えば、光電変換特性を低下させることなく、電気抵抗の低い出力取り出しが可能となる光電変換素子を提供するために、第一の基板と、前記第一の基板上に配置された第一の透明電極と、前記第一の透明電極上に配置されたホールブロッキング層と、前記ホールブロッキング層上に配置され、表面に光増感化合物を吸着させた電子輸送性半導体からなる電子輸送層と、前記電子輸送層と接続し、ホール輸送材料からなるホール輸送層と、前記ホール輸送層上に配置された第二の電極と、を有し、前記ホールブロッキング層を貫通する複数の微細孔により、外部に電力を取り出すための出力取り出し端子部が形成されている光電変換素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a photoelectric conversion element, for example, in order to provide a photoelectric conversion element that allows output extraction with low electrical resistance without deteriorating the photoelectric conversion characteristics, a photoelectric conversion element has been proposed that has a first substrate, a first transparent electrode disposed on the first substrate, a hole blocking layer disposed on the first transparent electrode, an electron transport layer disposed on the hole blocking layer and made of an electron transport semiconductor with a photosensitizing compound adsorbed on the surface, a hole transport layer connected to the electron transport layer and made of a hole transport material, and a second electrode disposed on the hole transport layer, and an output extraction terminal portion for extracting electric power to the outside is formed by a plurality of micropores penetrating the hole blocking layer (see, for example, Patent Document 1).
また、低照度光においても、良好な光電変換性を有し、経時安定性に優れる光電変換素子を提供するために、第1の電極と、光増感化合物を有する電子輸送層と、ホール輸送層と、第2の電極とを有する光電変換素子であって、前記ホール輸送層が、p型半導体材料、及び塩基性化合物を有し、前記ホール輸送層のイオン化ポテンシャルが、前記p型半導体材料のイオン化ポテンシャルを超え、かつ、前記p型半導体材料のイオン化ポテンシャルの1.07倍未満であり、前記光増感化合物のイオン化ポテンシャルが、前記ホール輸送層のイオン化ポテンシャルを超え、前記塩基性化合物の酸解離定数(pKa)が、6以上10以下である光電変換素子が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In order to provide a photoelectric conversion element that has good photoelectric conversion properties even under low illuminance light and has excellent stability over time, a photoelectric conversion element has been proposed that has a first electrode, an electron transport layer having a photosensitizing compound, a hole transport layer, and a second electrode, in which the hole transport layer has a p-type semiconductor material and a basic compound, the ionization potential of the hole transport layer exceeds the ionization potential of the p-type semiconductor material and is less than 1.07 times the ionization potential of the p-type semiconductor material, the ionization potential of the photosensitizing compound exceeds the ionization potential of the hole transport layer, and the acid dissociation constant (pKa) of the basic compound is 6 to 10 (see, for example, Patent Document 2).
本発明は、低照度から高照度まで優れた出力の直線性を有する光電変換素子を提供することを課題とする。 The objective of the present invention is to provide a photoelectric conversion element that has excellent output linearity from low to high illuminance.
上記の目的を達成するため、本発明では以下のような解決手段を採っている。
第1の電極、ホールブロッキング層、光電変換層、第2の電極、及び第3の電極を有する光電変換素子であって、
前記第1の電極、前記ホールブロッキング層、前記光電変換層、及び前記第2の電極が積層されてなる光電変換部と、
前記第2の電極が前記第3の電極と接触している電極接触部と、
前記光電変換部と前記電極接触部とを区画する区画部と、を有し、
前記電極接触部において前記第2の電極と前記第3の電極とが接触している面積(S1)と、前記光電変換部の面積(S2)とが、下記式(1)を満たし、
200luxでの初期最大出力電力をPmax1、20000luxでの初期最大出力電力をPmax2とした時、出力の直線性(Pmax2/Pmax1)が80%以上120%以下である光電変換素子。
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2)≦2.44 ・・・式(1)
In order to achieve the above object, the present invention employs the following solutions.
A photoelectric conversion element having a first electrode, a hole blocking layer, a photoelectric conversion layer, a second electrode, and a third electrode,
a photoelectric conversion section including the first electrode, the hole blocking layer, the photoelectric conversion layer, and the second electrode stacked together;
an electrode contact portion where the second electrode is in contact with the third electrode;
a partition portion that partitions the photoelectric conversion portion and the electrode contact portion,
an area (S1) where the second electrode and the third electrode are in contact with each other in the electrode contact portion, and an area (S2) of the photoelectric conversion portion satisfy the following formula (1),
A photoelectric conversion element having an output linearity (Pmax2/Pmax1) of 80% or more and 120% or less, where Pmax1 is the initial maximum output power at 200 lux and Pmax2 is the initial maximum output power at 20,000 lux .
1.0×10 -5 ≦ 100× (S1/S2) ≦2.44 ...Formula (1)
本発明によると、低照度から高照度まで優れた出力の直線性を有する光電変換素子を提供することができる。 The present invention provides a photoelectric conversion element that has excellent output linearity from low to high illuminance.
(光電変換素子)
本発明における光電変換素子は、第1の電極、ホールブロッキング層、光電変換層、第2の電極、及び第3の電極を少なくとも有し、更に必要に応じて、基材などのその他の部材を有する。
(Photoelectric conversion element)
The photoelectric conversion element of the present invention has at least a first electrode, a hole blocking layer, a photoelectric conversion layer, a second electrode, and a third electrode, and may further have other members such as a substrate, if necessary.
前記光電変換素子は、光電変換部と、電極接触部と、区画部とを有する。
前記光電変換部は、前記第1の電極、前記ホールブロッキング層、前記光電変換層、及び前記第2の電極が積層されてなる。
前記電極接触部においては、前記第2の電極が前記第3の電極と接触している。
前記区画部は、前記光電変換部と前記電極接触部とを区画する。前記区画部は、前記光電変換部で生成した電流が前記電極接触部でリーク及び短絡することを防ぐものである。
The photoelectric conversion element has a photoelectric conversion portion, an electrode contact portion, and a partition portion.
The photoelectric conversion section is formed by stacking the first electrode, the hole blocking layer, the photoelectric conversion layer, and the second electrode.
At the electrode contact portion, the second electrode is in contact with the third electrode.
The partition separates the photoelectric conversion unit from the electrode contact unit, and prevents a current generated in the photoelectric conversion unit from leaking or shorting at the electrode contact unit.
前記光電変換部とは、光電変換が実効的に働く箇所である。
前記電極接触部とは、例えば、光電変換部において生じた電気エネルギーを素子外に取り出す箇所、又は素子内に電流を取り込む箇所である。そのため、例えば、光電変換素子が太陽電池の場合、前記第3の電極は、電流取り出し電極であり、前記電極接触部は、電流取り出し部ということができる。
なお、前記電極接触部の全面において前記第2の電極と前記第3の電極とが接触している必要はない。
The photoelectric conversion portion is a portion where photoelectric conversion effectively works.
The electrode contact portion is, for example, a portion where electrical energy generated in the photoelectric conversion portion is extracted to the outside of the element, or a portion where current is extracted to the inside of the element. Therefore, for example, when the photoelectric conversion element is a solar cell, the third electrode is a current extraction electrode, and the electrode contact portion can be called a current extraction portion.
It is not necessary for the second electrode and the third electrode to be in contact with each other over the entire surface of the electrode contact portion.
前記光電変換素子においては、前記電極接触部において前記第2の電極と前記第3の電極とが接触している面積(S1)と、前記光電変換部の面積(S2)とが、下記式(1)を満たす。
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2) ・・・式(1)
そうすることにより、低照度から高照度まで優れた出力の直線性を有する光電変換素子が得られる。より好ましくは、下記式(1-1)を満たすものである。
1.0×10-4 ≦ 100×(S1/S2) ・・・式(1-1)
100×(S1/S2)が、1.0×10-5を下回ると、低照度から高照度までの出力の直線性が低下する。特に、直列抵抗Rsの増大から取り出し電流が低下する。これは、高照度側で顕著である。
ここでの低照度とは、200luxを指し、高照度とは、20000luxを指す。
In the photoelectric conversion element, the area (S1) of the contact between the second electrode and the third electrode in the electrode contact portion and the area (S2) of the photoelectric conversion portion satisfy the following formula (1).
1.0×10 −5 ≦ 100×(S1/S2) ...Formula (1)
By doing so, a photoelectric conversion element having excellent output linearity from low illuminance to high illuminance can be obtained. More preferably, the following formula (1-1) is satisfied.
1.0×10 -4 ≦ 100× (S1/S2) ... Formula (1-1)
When 100×(S1/S2) is below 1.0×10 −5 , the linearity of the output from low illuminance to high illuminance decreases. In particular, the output current decreases due to an increase in the series resistance Rs. This is particularly noticeable on the high illuminance side.
Here, low illuminance refers to 200 lux, and high illuminance refers to 20,000 lux.
前記面積(S1)が前記面積(S2)に対して大きすぎると、光電変換素子の外形に対する単位面積当たりの出力が低下する。その点において、前記面積(S1)と、前記面積(S2)とは、下記式(1-2)を満たすことが好ましい。
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2)≦ 10.0 ・・・式(1-2)
より好ましくは、下記式(1-3)を満たすものであり、更に好ましくは、下記式(1-4)を満たすものである。
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2)≦ 3.0 ・・・式(1-3)
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2)≦ 1.0 ・・・式(1-4)
If the area (S1) is too large relative to the area (S2), the output per unit area relative to the outer shape of the photoelectric conversion element decreases. In this respect, it is preferable that the area (S1) and the area (S2) satisfy the following formula (1-2).
1.0×10 -5 ≦ 100×(S1/S2)≦ 10.0 ... Formula (1-2)
More preferably, it satisfies the following formula (1-3), and even more preferably, it satisfies the following formula (1-4).
1.0×10 -5 ≦ 100×(S1/S2)≦ 3.0 ...Formula (1-3)
1.0×10 -5 ≦ 100×(S1/S2)≦ 1.0 ... Formula (1-4)
前記光電変換素子においては、前記区画部を介して前記電極接触部に前記光電変換層が延在しており、前記電極接触部において、前記第2の電極が前記電極接触部に延在した前記光電変換層を貫通して前記第3の電極と接触していることが、リーク電流の低減及び短絡リスクの低減の点で好ましい。電極間が想定外の場所で接触すると短絡してしまうため、必要箇所以外は半導体層あるいは絶縁層を介し、電気的に短絡しないようにする方が好ましく、また、光電変換素子を押したり、曲げたりといった応力が加わったとき電極間が触れる確率を減らすため物理的に電極間距離を長くすることも有用である。 In the photoelectric conversion element, the photoelectric conversion layer extends to the electrode contact section via the partition section, and in the electrode contact section, the second electrode penetrates the photoelectric conversion layer extending to the electrode contact section and contacts the third electrode, which is preferable in terms of reducing leakage current and reducing the risk of short circuiting. If the electrodes come into contact at an unexpected location, a short circuit will occur, so it is preferable to prevent electrical short circuiting except at necessary locations via a semiconductor layer or insulating layer. It is also useful to physically increase the distance between the electrodes to reduce the probability of the electrodes coming into contact when stress is applied, such as by pushing or bending the photoelectric conversion element.
前記光電変換層は、例えば、電子輸送層、及びホール輸送層を有する。
前記区画部における前記光電変換部側の端から前記電極接触部側の端までの幅が、前記電子輸送層の平均厚みの100倍以上であること好ましい。そうすることにより、前記光電変換部で生成した電流が前記電極接触部でリークすることを防ぐという前記区画部の機能がより顕著になる。上限値としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記区画部が広いと、光電変換素子の外形に対する単位面積当たりの出力が低下する。その点で、前記区画部における前記光電変換部側の端から前記電極接触部側の端までの幅は、前記電子輸送層の平均厚みの1000倍以下であることが好ましく、より好ましくは500倍以下であり、更に好ましくは300倍以下である。
The photoelectric conversion layer includes, for example, an electron transport layer and a hole transport layer.
It is preferable that the width of the partition from the end of the photoelectric conversion part side to the end of the electrode contact part side is 100 times or more the average thickness of the electron transport layer. By doing so, the function of the partition to prevent the current generated in the photoelectric conversion part from leaking at the electrode contact part becomes more prominent. There is no particular limit to the upper limit value, and it can be appropriately selected according to the purpose, but if the partition is wide, the output per unit area relative to the outer shape of the photoelectric conversion element decreases. In that respect, the width of the partition from the end of the photoelectric conversion part side to the end of the electrode contact part side is preferably 1000 times or less the average thickness of the electron transport layer, more preferably 500 times or less, and even more preferably 300 times or less.
以下、光電変換素子の実施態様を、図面を用いて説明する。
図1A~図1Eを用いて、光電変換素子の一例を説明する。
図1Aは、光電変換素子の断面図である。この断面図は、光電変換素子の光電変換部51の断面図である。そのため、図1Aに電極接触部、及び区画部は図示されていない。
光電変換素子の光電変換部51は、基板1、第1の電極2、ホールブロッキング層3、光電変換層4、及び第2の電極5をこの順で有する。
光電変換層4は、電子輸送層14及びホール輸送層24を有する。
Hereinafter, embodiments of the photoelectric conversion element will be described with reference to the drawings.
An example of a photoelectric conversion element will be described with reference to FIGS. 1A to 1E.
Fig. 1A is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element. This cross-sectional view is a cross-sectional view of a photoelectric conversion section 51 of the photoelectric conversion element. Therefore, electrode contact sections and partition sections are not shown in Fig. 1A.
A photoelectric conversion section 51 of the photoelectric conversion element has a substrate 1, a first electrode 2, a hole blocking layer 3, a photoelectric conversion layer 4, and a second electrode 5 in this order.
The photoelectric conversion layer 4 has an electron transport layer 14 and a hole transport layer 24 .
図1Bは、図1Aの光電変換素子全体をXの方向から見た図である。ここで、図1Bにおいては、光電変換部、電極接触部、及び区画部を説明し易いように、基板1を省略している。光電変換素子は、図1Bに示すように、多くの面積を占める光電変換部51と、光電変換素子の端部に形成された電極接触部52と、光電変換部51及び電極接触部52を区画する区画部53を有する。光電変換部51には、第1の電極2が配されている。電極接触部52には、第3の電極12が配されている。第1の電極2と第3の電極12とは同一平面上にある。区画部53においては、第1の電極2と第3の電極12とが接しないようになっている。 Figure 1B is a view of the entire photoelectric conversion element of Figure 1A as seen from the X direction. Here, in Figure 1B, the substrate 1 is omitted to facilitate explanation of the photoelectric conversion section, the electrode contact section, and the partition section. As shown in Figure 1B, the photoelectric conversion element has a photoelectric conversion section 51 that occupies a large area, an electrode contact section 52 formed at the end of the photoelectric conversion element, and a partition section 53 that partitions the photoelectric conversion section 51 and the electrode contact section 52. A first electrode 2 is disposed in the photoelectric conversion section 51. A third electrode 12 is disposed in the electrode contact section 52. The first electrode 2 and the third electrode 12 are on the same plane. In the partition section 53, the first electrode 2 and the third electrode 12 are not in contact with each other.
また、図1Bの光電変換素子を上下方向に180°回転させた図を、図1Cに示す。光電変換素子は、光電変換部51、区画部53、及び電極接触部52に跨る第2の電極5を有する。なお、区画部53において、内側に第2の電極5は窪んでいる。また、電極接触部52において、第3の電極12と接触する箇所において、第2の電極5は内側に窪んでいる。 Figure 1C shows the photoelectric conversion element of Figure 1B rotated 180° vertically. The photoelectric conversion element has a second electrode 5 that spans a photoelectric conversion section 51, a partition section 53, and an electrode contact section 52. The second electrode 5 is recessed inward in the partition section 53. The second electrode 5 is also recessed inward at the location of the electrode contact section 52 where it contacts the third electrode 12.
図1B及び図1CのA-B線に沿った断面を図1Dに示す。
電極接触部52において、第2の電極5は、第3の電極12と接している。
光電変換層4は区画部53を介して電極接触部52に延在している。そして、電極接触部52において、第2の電極5は、電極接触部52に延在した光電変換層4を貫通して第3の電極12と接触している。
A-B線は、貫通孔を通る線である。
なお、第1の電極2又は第3の電極12、ホールブロッキング層3、光電変換層4、及び第2の電極5の合計の厚みは、一例として、1μm~3μmである。それに対して、貫通孔の直径は、一例として、5μm~85μmである。
図1Dにおいて、電極接触部52の第2の電極5は、複数の貫通孔を介して基板1と接触している。電極接触部52において第2の電極5を第3の電極12と接触させるために形成された光電変換層を貫通する貫通孔の合計の面積(S11)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、低照度から高照度までの出力の直線性と光電変換素子の外形に対する単位面積当たりの出力の両立の点から、下記式(2)を満たすことが好ましい。より好ましくは、下記式(2-1)を満たすものであり、更に好ましくは、下記式(2-2)を満たすものである。
1.0×10-3 ≦ 100×(S11/S2) ≦ 10.0 ・・・式(2)
1.0×10-3 ≦ 100×(S11/S2) ≦ 5.0 ・・・式(2-1)
1.0×10-3 ≦ 100×(S11/S2) ≦ 3.0 ・・・式(2-2)
区画部53における光電変換部51側の端から電極接触部52側の端までの幅(W)は、例えば、電子輸送層14の平均厚みの100倍以上である。
ここで、電極接触部52において第2の電極5と第3の電極12とが接触している面積(S1)とは、第2の電極5と、第3の電極12とが直接接触している個所の合計の接触面積であり、図1Dにおいて破線の楕円で囲った接触箇所の合計の接触面積である。この接触面積は、例えば、第3の電極12の厚み、及び貫通孔の直径から計算により求めることができる。
なお、外部から内部又は内部から外部への電流の移動に寄与しない接触箇所については、面積(S1)に含めない。例えば、後述する図3の態様の電極接触部52において、複数の貫通孔が一体化した貫通孔13における個々の貫通孔によって囲まれたひし形の部分においては、第2の電極5と第3の電極12とが接触している場合があるが、その場所は、外部から内部又は内部から外部への電流の移動に寄与しない。そのため、ひし形の部分において、第2の電極5と第3の電極12とが接触していたとしても、その接触面積は面積(S1)には含まない。
A cross section taken along line AB in FIGS. 1B and 1C is shown in FIG. 1D.
At the electrode contact portion 52 , the second electrode 5 is in contact with the third electrode 12 .
The photoelectric conversion layer 4 extends to the electrode contact portion 52 via the partition portion 53. In the electrode contact portion 52, the second electrode 5 penetrates the photoelectric conversion layer 4 extending to the electrode contact portion 52 and contacts the third electrode 12.
The line AB is a line passing through the through hole.
The total thickness of the first electrode 2 or the third electrode 12, the hole blocking layer 3, the photoelectric conversion layer 4, and the second electrode 5 is, for example, 1 μm to 3 μm. In contrast, the diameter of the through hole is, for example, 5 μm to 85 μm.
In FIG. 1D, the second electrode 5 of the electrode contact portion 52 is in contact with the substrate 1 through a plurality of through holes. The total area (S11) of the through holes penetrating the photoelectric conversion layer formed to bring the second electrode 5 into contact with the third electrode 12 in the electrode contact portion 52 is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose, but from the viewpoint of achieving both linearity of the output from low illuminance to high illuminance and the output per unit area relative to the outer shape of the photoelectric conversion element, it is preferable that the following formula (2) is satisfied. More preferably, the following formula (2-1) is satisfied, and even more preferably, the following formula (2-2) is satisfied.
1.0×10 -3 ≦ 100× (S11/S2) ≦ 10.0 ... Formula (2)
1.0×10 -3 ≦ 100× (S11/S2) ≦ 5.0 ... Formula (2-1)
1.0×10 -3 ≦ 100× (S11/S2) ≦ 3.0 ... Formula (2-2)
The width (W) of the partition section 53 from the end on the photoelectric conversion section 51 side to the end on the electrode contact section 52 side is, for example, 100 times or more the average thickness of the electron transport layer 14 .
Here, the area (S1) of contact between the second electrode 5 and the third electrode 12 in the electrode contact portion 52 is the total contact area of the points where the second electrode 5 and the third electrode 12 are in direct contact with each other, that is, the total contact area of the contact points surrounded by the dashed ellipse in Fig. 1D. This contact area can be calculated from, for example, the thickness of the third electrode 12 and the diameter of the through hole.
In addition, contact points that do not contribute to the movement of current from the outside to the inside or from the inside to the outside are not included in the area (S1). For example, in the electrode contact portion 52 of the embodiment in FIG. 3 described later, in a diamond-shaped portion surrounded by individual through holes in a through hole 13 in which a plurality of through holes are integrated, the second electrode 5 and the third electrode 12 may be in contact, but that location does not contribute to the movement of current from the outside to the inside or from the inside to the outside. Therefore, even if the second electrode 5 and the third electrode 12 are in contact with each other in the diamond-shaped portion, the contact area is not included in the area (S1).
一方、図1CのA’-B’線に沿った断面を図1Eに示す。A’-B’線は貫通孔を通らない線である。
電極接触部52において、貫通孔以外の箇所には、光電変換部51の光電変換層4が区画部53を介して延在していることが確認できる。
On the other hand, a cross section taken along line A'-B' in Fig. 1C is shown in Fig. 1E. Line A'-B' does not pass through the through-hole.
It can be seen that in the electrode contact portion 52 , the photoelectric conversion layer 4 of the photoelectric conversion portion 51 extends through the partition portion 53 in the areas other than the through-holes.
図1Dにおいては、電極接触部52の第2の電極5は、貫通孔を介して基板1と接触しているが、図2に示すように、電極接触部52の第2の電極5は、第3の電極12と接触しているものの、基板1と接触していなくてもよい。
ここで、電極接触部52において第2の電極5と第3の電極12とが接触している面積(S1)とは、第2の電極5と第3の電極12とが直接接触している個所の合計の接触面積であり、図2において破線の楕円で囲った接触箇所の合計の接触面積である。この接触面積は、例えば、貫通孔の直径から計算により求めることができる。
また、光電変換部の面積(S2)については、例えば、光電変換部51における第2の電極5の面積を、面積(S2)とすることができる。
In FIG. 1D, the second electrode 5 of the electrode contact portion 52 is in contact with the substrate 1 via a through hole, but as shown in FIG. 2, the second electrode 5 of the electrode contact portion 52 is in contact with the third electrode 12 but does not necessarily have to be in contact with the substrate 1.
Here, the area (S1) of contact between the second electrode 5 and the third electrode 12 at the electrode contact portion 52 is the total contact area of the points where the second electrode 5 and the third electrode 12 are in direct contact with each other, that is, the total contact area of the contact points surrounded by the dashed ellipse in Fig. 2. This contact area can be calculated from the diameter of the through hole, for example.
Regarding the area (S2) of the photoelectric conversion unit, for example, the area of the second electrode 5 in the photoelectric conversion unit 51 can be set as the area (S2).
図1Dにおいては、電極接触部52の第2の電極5は、独立した複数の貫通孔を介して第3の電極12と接触している。しかし、電極接触部52におけるホールブロッキング層3及び光電変換層4を貫通する貫通孔は、独立した複数の貫通孔である必要はなく、例えば、図3に示すような、複数の貫通孔が一体化した貫通孔13であってもよい。図3は、光電変換素子を第2の電極5側から見たときの、電極接触部52の一例の拡大図である。複数の貫通孔が一体化した貫通孔13に第2の電極5が入り込み、貫通孔13に追従する凹みが生じている。
貫通孔13の形状は特に限定されるものでなく、立方状、円柱状、4角錐状、すり鉢状など、適宜選択できる。好ましくは、すり鉢状であり、すり鉢状であると斜面に沿って第2の電極を安定した膜厚で製膜することができる。
In Fig. 1D, the second electrode 5 of the electrode contact portion 52 is in contact with the third electrode 12 via a plurality of independent through holes. However, the through holes penetrating the hole blocking layer 3 and the photoelectric conversion layer 4 in the electrode contact portion 52 do not need to be a plurality of independent through holes, and may be, for example, a through hole 13 in which a plurality of through holes are integrated, as shown in Fig. 3. Fig. 3 is an enlarged view of an example of the electrode contact portion 52 when the photoelectric conversion element is viewed from the second electrode 5 side. The second electrode 5 enters the through hole 13 in which a plurality of through holes are integrated, and a recess following the through hole 13 is generated.
The shape of the through-hole 13 is not particularly limited, and can be appropriately selected from a cube, a cylinder, a square pyramid, a cone shape, etc. A cone shape is preferable, and when the hole is in a cone shape, the second electrode can be formed with a stable film thickness along the inclined surface.
図4は、光電変換素子の他の一例の断面図である。
図4の光電変換素子10は、図1Aの光電変換素子10において、電子輸送層14を、表面に光増感化合物を吸着させた電子輸送性半導体微粒子14Pで作製した例である。この場合、電子輸送層14において、ホール輸送層24を構成するホール輸送材料が、電子輸送性半導体微粒子14Pの間に存在している。
FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of a photoelectric conversion element.
The photoelectric conversion element 10 in Fig. 4 is an example in which the electron transport layer 14 in the photoelectric conversion element 10 in Fig. 1A is made of electron transport semiconductor fine particles 14P having a photosensitizing compound adsorbed on the surface thereof. In this case, in the electron transport layer 14, the hole transport material constituting the hole transport layer 24 is present between the electron transport semiconductor fine particles 14P.
<基板>
前記基板としては、その形状、構造、大きさについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記基板の材質としては、透光性及び絶縁性を有するものが好ましい。そのような材質としては、例えば、ガラス、プラスチック板、プラスチックフィルム、プラスチック膜、セラミック、無機物透明結晶体等の基板が挙げられる。これらの中でも、電子輸送層を形成する際に焼成する工程を含む場合は、焼成温度に対して耐熱性を有する材質のものが好ましい。また、基板としては、可とう性を有するものが好ましい。
<Substrate>
The shape, structure and size of the substrate are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
The material of the substrate is preferably one having light-transmitting and insulating properties. Examples of such materials include glass, plastic plates, plastic films, plastic membranes, ceramics, and inorganic transparent crystals. Among these, when a firing step is included in forming the electron transport layer, a material having heat resistance to the firing temperature is preferred. In addition, the substrate is preferably one having flexibility.
前記基板の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、50μm以上5mm以下などが挙げられる。 The average thickness of the substrate is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, for example, 50 μm or more and 5 mm or less.
<第1の電極>
前記第1の電極としては、その形状、大きさについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<First Electrode>
The shape and size of the first electrode are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
前記第1の電極の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、一層構造であってもよいし、複数の材料を積層する構造であってもよい。 The structure of the first electrode is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose. It may be a single-layer structure or a structure in which multiple materials are laminated.
第1の電極の材質としては、導電性を有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、透明導電性金属酸化物、カーボン、金属などが挙げられる。 There are no particular limitations on the material of the first electrode as long as it is conductive, and it can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include transparent conductive metal oxides, carbon, metals, etc.
前記透明導電性金属酸化物としては、例えば、インジウム・スズ酸化物(以下、「ITO」と称する)、フッ素ドープ酸化スズ(以下、「FTO」と称する)、アンチモンドープ酸化スズ(以下、「ATO」と称する)、ニオブドープ酸化スズ(以下、「NTO」と称する)、アルミドープ酸化亜鉛(以下、「AZO」と称する)、インジウム・亜鉛酸化物、ニオブ・チタン酸化物などが挙げられる。
前記カーボンとしては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどが挙げられる。
前記金属としては、例えば、金、銀、アルミニウム、ニッケル、インジウム、タンタル、チタンなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、透明性が高い透明導電性金属酸化物が好ましく、ITO、FTO、ATO、NTO、AZOがより好ましい。
Examples of the transparent conductive metal oxide include indium tin oxide (hereinafter referred to as "ITO"), fluorine-doped tin oxide (hereinafter referred to as "FTO"), antimony-doped tin oxide (hereinafter referred to as "ATO"), niobium-doped tin oxide (hereinafter referred to as "NTO"), aluminum-doped zinc oxide (hereinafter referred to as "AZO"), indium zinc oxide, and niobium titanium oxide.
Examples of the carbon include carbon black, carbon nanotubes, graphene, and fullerene.
Examples of the metal include gold, silver, aluminum, nickel, indium, tantalum, and titanium.
These may be used alone or in combination of two or more. Among these, transparent conductive metal oxides having high transparency are preferred, and ITO, FTO, ATO, NTO, and AZO are more preferred.
前記第1の電極の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、5nm以上100μm以下が好ましく、50nm以上10μm以下がより好ましい。なお、第1の電極の材質がカーボンや金属の場合には、第1の電極の平均厚みとしては、透光性を得られる程度の平均厚みにすることが好ましい。 The average thickness of the first electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably 5 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 10 μm. When the material of the first electrode is carbon or metal, the average thickness of the first electrode is preferably set to an average thickness that provides translucency.
前記第1の電極は、スパッタ法、蒸着法、スプレー法等の公知の方法などにより形成することができる。 The first electrode can be formed by known methods such as sputtering, vapor deposition, spraying, etc.
また、前記第1の電極は、前記基板上に形成されることが好ましく、予め基板上に第1の電極が形成されている一体化された市販品を用いることができる。
一体化された市販品としては、例えば、FTOコートガラス、ITOコートガラス、酸化亜鉛:アルミニウムコートガラス、FTOコート透明プラスチックフィルム、ITOコート透明プラスチックフィルムなどが挙げられる。他の一体化された市販品としては、例えば、酸化スズ若しくは酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン若しくは陰イオンをドープした透明電極、又はメッシュ状やストライプ状等の光が透過できる構造にした金属電極を設けたガラス基板などが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用して混合又は積層したものでもよい。また、電気的抵抗値を下げる目的で、金属リード線などを併用してもよい。
また、一体化された市販品における電極を適宜加工して、後述する光電変換モジュールを作製するために、複数の第1の電極が形成された基板を作製してもよい。
The first electrode is preferably formed on the substrate, and a commercially available integrated product in which the first electrode is formed on the substrate in advance can be used.
Examples of integrated commercially available products include FTO-coated glass, ITO-coated glass, zinc oxide:aluminum-coated glass, FTO-coated transparent plastic film, ITO-coated transparent plastic film, etc. Other integrated commercially available products include, for example, transparent electrodes in which tin oxide or indium oxide is doped with cations or anions having different valences, or glass substrates provided with metal electrodes having a structure that allows light to pass therethrough, such as mesh-shaped or striped-shaped electrodes.
These may be used alone or in combination of two or more in a mixed or laminated form. In addition, metal lead wires or the like may be used in combination for the purpose of reducing electrical resistance.
Furthermore, electrodes in an integrated commercially available product may be appropriately processed to produce a substrate on which a plurality of first electrodes are formed in order to produce a photoelectric conversion module, which will be described later.
前記金属リード線の材質としては、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケルなどが挙げられる。
前記金属リード線は、例えば、蒸着、スパッタリング、圧着などで基板に形成し、その上にITOやFTOの層を設ける、あるいはITOやFTOの上に設けることにより併用することができる。
Examples of the material for the metal lead wire include aluminum, copper, silver, gold, platinum, and nickel.
The metal lead wires can be formed on a substrate by, for example, vapor deposition, sputtering, pressure bonding, etc., and then a layer of ITO or FTO is provided thereon, or the metal lead wires can be used in combination by being provided on ITO or FTO.
<ホールブロッキング層>
前記ホールブロッキング層は、例えば、電解質が電極と接して、電解質中のホールと電極表面の電子が再結合(いわゆる逆電子移動)することによる電力低下を抑制するために設けられる。前記ホールブロッキング層の効果は、固体型色素増感型太陽電池において特に顕著である。これは、電解液を用いた湿式色素増感太陽電池と比較し、有機ホール輸送材料等を用いた固体型色素増感型太陽電池はホール輸送材料中のホールと電極表面の電子の再結合(逆電子移動)速度が速いことに起因している。
<Hole blocking layer>
The hole blocking layer is provided, for example, to suppress power reduction caused by recombination (so-called reverse electron transfer) of holes in the electrolyte and electrons on the electrode surface when the electrolyte is in contact with the electrode. The effect of the hole blocking layer is particularly remarkable in solid-state dye-sensitized solar cells. This is because the recombination (reverse electron transfer) rate of holes in the hole transport material and electrons on the electrode surface is faster in solid-state dye-sensitized solar cells using organic hole transport materials, etc., than in wet dye-sensitized solar cells using an electrolyte.
前記ホールブロッキング層は、例えば、前記第1の電極上に配置されている。 The hole blocking layer is, for example, disposed on the first electrode.
前記ホールブロッキング層の材料としては、可視光に対して透明であり、かつ電子輸送性材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の単体半導体、金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、ペロブスカイト構造を有する化合物などが挙げられる。
金属のカルコゲニドとしては、例えば、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、タンタルの酸化物;カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物;カドミウム、鉛のセレン化物;カドミウムのテルル化物などが挙げられる。他の化合物半導体としては、例えば、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物;ガリウム砒素、銅-インジウム-セレン化物、銅-インジウム-硫化物などが挙げられる。
ペロブスカイト構造を有する化合物としては、例えば、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムなどが挙げられる。
これらの中でも、酸化物半導体が好ましく、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化スズがより好ましく、酸化チタンが更に好ましい。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、単層としても積層してもよい。また、これらの半導体の結晶型は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、単結晶でもよいし、多結晶でもよいし、あるいは非晶質でもよい。
The material for the hole blocking layer is not particularly limited as long as it is transparent to visible light and has electron transport properties, and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the material include elemental semiconductors such as silicon and germanium, compound semiconductors typified by metal chalcogenides, and compounds having a perovskite structure.
Examples of metal chalcogenides include oxides of titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, and tantalum; sulfides of cadmium, zinc, lead, silver, antimony, and bismuth; selenides of cadmium and lead; telluride of cadmium, etc. Examples of other compound semiconductors include phosphides of zinc, gallium, indium, cadmium, etc.; gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, etc.
Examples of compounds having a perovskite structure include strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, and potassium niobate.
Among these, oxide semiconductors are preferable, titanium oxide, niobium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, zinc oxide, tungsten oxide and tin oxide are more preferable, and titanium oxide is further preferable.
These may be used alone or in combination of two or more. They may be a single layer or a laminate. The crystal type of these semiconductors is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, and may be single crystal, polycrystal, or amorphous.
ホールブロッキング層の製膜方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、湿式製膜のゾルゲル法、四塩化チタンからの加水分解法、乾式製膜のスパッタリング法などが挙げられる。これらの中でも、スパッタリング法が好ましい。ホールブロッキング層の製膜方法がスパッタリング法であると、膜密度を十分に高くでき、損失電流を抑制することができる。 The method for forming the hole blocking layer is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the method include a sol-gel method for wet film formation, a hydrolysis method from titanium tetrachloride, and a sputtering method for dry film formation. Among these, the sputtering method is preferred. When the hole blocking layer is formed by the sputtering method, the film density can be sufficiently increased and the loss current can be suppressed.
前記ホールブロッキング層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、透過率及び逆電子移動抑制の観点から、5nm以上1,000nm以下が好ましく、湿式製膜では500nm以上700nm以下がより好ましく、乾式製膜では5nm以上30nm以下がより好ましい。 The average thickness of the hole blocking layer is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but from the viewpoint of transmittance and suppression of reverse electron transfer, it is preferably 5 nm to 1,000 nm, more preferably 500 nm to 700 nm in wet film formation, and more preferably 5 nm to 30 nm in dry film formation.
<光電変換層>
前記光電変換層は、電子輸送層と、ホール輸送層とを有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
<Photoelectric conversion layer>
The photoelectric conversion layer includes an electron transport layer and a hole transport layer, and further includes other members as necessary.
<<電子輸送層>>
前記電子輸送層は、電子輸送性半導体を有する。
前記電子輸送層は、表面に光増感化合物を吸着させた電子輸送性半導体を有することが好ましい。
前記電子輸送層は、光増感化合物で生成された電子を第1の電極あるいはホールブロッキング層まで輸送する目的で形成される。このため、電子輸送層は、第1の電極あるいはホールブロッキング層に隣接して配置されることが好ましい。
前記電子輸送層は、単層であってもよいし、多層であってもよい。
<<Electron Transport Layer>>
The electron transport layer includes an electron transport semiconductor.
The electron transport layer preferably has an electron transport semiconductor having a photosensitizing compound adsorbed on the surface thereof.
The electron transport layer is formed for the purpose of transporting electrons generated in the photosensitizing compound to the first electrode or the hole blocking layer, and therefore, the electron transport layer is preferably disposed adjacent to the first electrode or the hole blocking layer.
The electron transport layer may be a single layer or a multilayer.
前記電子輸送性半導体としては、電子輸送性半導体微粒子が好ましく用いられる。
多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布することも、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。
なお、一度の塗布で膜厚が不足する場合には、前記多層塗布は有効な手段である。
一般的に、前記電子輸送層の平均厚みが増大するほど単位投影面積当たりの担持光増感材料量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、注入された電子の拡散距離も増えるため、電荷の再結合によるロスも大きくなってしまう。したがって、前記電子輸送層の平均厚みは、50nm以上100μm以下が好ましく、100nm以上50μm以下がより好ましく、120nm以上10μm以下が更に好ましい。
As the electron transporting semiconductor, electron transporting semiconductor fine particles are preferably used.
In the case of a multi-layered structure, dispersions of semiconductor fine particles with different particle sizes can be applied in multiple layers, or coating layers of different types of semiconductors, resins, and additive compositions can be applied in multiple layers.
When the thickness of the film is insufficient in one coating, the multi-layer coating is an effective means.
Generally, as the average thickness of the electron transport layer increases, the amount of the photosensitizing material supported per unit projected area also increases, resulting in a higher light capture rate, but the diffusion distance of the injected electrons also increases, resulting in a larger loss due to charge recombination. Therefore, the average thickness of the electron transport layer is preferably 50 nm to 100 μm, more preferably 100 nm to 50 μm, and even more preferably 120 nm to 10 μm.
前記電子輸送性半導体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の単体半導体、金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、ペロブスカイト構造を有する化合物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 The electron transport semiconductor is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the semiconductor include elemental semiconductors such as silicon and germanium, compound semiconductors such as metal chalcogenides, and compounds having a perovskite structure. These may be used alone or in combination of two or more.
前記金属のカルコゲニドとしては、例えば、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、タンタルの酸化物;カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物;カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウム等のテルル化物などが挙げられる。
他の化合物半導体としては、例えば、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物、ガリウム砒素、銅-インジウム-セレン化物、銅-インジウム-硫化物などが挙げられる。
Examples of the metal chalcogenides include oxides of titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, and tantalum; sulfides of cadmium, zinc, lead, silver, antimony, and bismuth; selenides of cadmium and lead, and tellurides of cadmium, etc.
Other compound semiconductors include, for example, phosphides of zinc, gallium, indium, cadmium, and the like, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, and the like.
前記ペロブスカイト構造を有する化合物としては、例えば、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムなどが挙げられる。 Examples of compounds having the perovskite structure include strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, and potassium niobate.
前記電子輸送性半導体の中でも、酸化物半導体が好ましく、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブがより好ましい。
前記電子輸送性半導体の結晶型については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、単結晶、多結晶、及び非晶質のいずれでも構わない。
Among the electron transporting semiconductors, oxide semiconductors are preferred, and titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and niobium oxide are more preferred.
The crystal type of the electron transporting semiconductor is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and may be any of single crystal, polycrystalline, and amorphous.
前記半導体微粒子のサイズとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、一次粒子の平均粒径は1nm以上100nm以下が好ましく、5nm以上50nm以下がより好ましい。
また、より大きい平均粒径の半導体微粒子を混合又は積層して入射光を散乱させる効果により、効率を向上させることも可能である。この場合、前記半導体微粒子の平均粒径は50nm以上500nm以下が好ましい。
The size of the semiconductor fine particles is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but the average particle size of the primary particles is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 50 nm or less.
It is also possible to improve efficiency by mixing or stacking semiconductor particles having a larger average particle size, due to the effect of scattering incident light. In this case, the average particle size of the semiconductor particles is preferably 50 nm or more and 500 nm or less.
前記電子輸送層の作製方法については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スパッタリング等の真空中で薄膜を形成する方法、湿式製膜法などが挙げられる。これらの中でも、製造コスト等を考慮した場合、湿式製膜法が好ましく、半導体微粒子又はゾルを分散したペーストを調製し、前記第1の電極の上、又は前記ホールブロッキング層上に塗布する方法が特に好ましい。
前記湿式製膜法を用いた場合、塗布方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法などが挙げられる。また、湿式印刷方法として、例えば、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷などが挙げられる。
The method for producing the electron transport layer is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, and examples of the method include a method for forming a thin film in a vacuum such as sputtering, a wet film-forming method, etc. Among these, in consideration of production costs, etc., the wet film-forming method is preferred, and a method of preparing a paste in which semiconductor fine particles or a sol is dispersed and applying the paste onto the first electrode or onto the hole blocking layer is particularly preferred.
When the wet film-forming method is used, the coating method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include a dipping method, a spraying method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, a gravure coating method, etc. Examples of the wet printing method include letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing, etc.
前記半導体微粒子の分散液を機械的粉砕、又はミルを使用して作製する場合、少なくとも半導体微粒子単独、又は半導体微粒子と樹脂の混合物を水又は有機溶剤に分散して形成される。 When the dispersion of semiconductor particles is prepared by mechanical pulverization or using a mill, it is formed by dispersing at least semiconductor particles alone or a mixture of semiconductor particles and a resin in water or an organic solvent.
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等によるビニル化合物の重合体や共重合体、シリコーン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリエステル樹脂、セルロースエステル樹脂、セルロースエーテル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 The resin is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the resin include polymers and copolymers of vinyl compounds such as styrene, vinyl acetate, acrylic acid esters, and methacrylic acid esters, silicone resins, phenoxy resins, polysulfone resins, polyvinyl butyral resins, polyvinyl formal resins, polyester resins, cellulose ester resins, cellulose ether resins, urethane resins, phenolic resins, epoxy resins, polycarbonate resins, polyarylate resins, polyamide resins, and polyimide resins. These may be used alone or in combination of two or more.
前記溶媒としては、例えば、水、アルコール溶媒、ケトン溶媒、エステル溶媒、エーテル溶媒、アミド溶媒、ハロゲン化炭化水素溶媒、炭化水素溶媒などが挙げられる。
前記アルコール溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、α-テルピネオールなどが挙げられる。
前記ケトン溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどが挙げられる。
前記エステル溶媒としては、例えば、ギ酸エチル、酢酸エチル、酢酸n-ブチルなどが挙げられる。
前記エーテル溶媒としては、例えば、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサンなどが挙げられる。
前記アミド溶媒としては、例えば、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-ピロリドンなどが挙げられる。
前記ハロゲン化炭化水素溶媒としては、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、1-クロロナフタレンなどが挙げられる。
前記炭化水素溶媒としては、例えば、n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタン、1,5-ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、エチルベンゼン、クメンなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
Examples of the solvent include water, alcohol solvents, ketone solvents, ester solvents, ether solvents, amide solvents, halogenated hydrocarbon solvents, and hydrocarbon solvents.
Examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and α-terpineol.
Examples of the ketone solvent include acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone.
Examples of the ester solvent include ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate.
Examples of the ether solvent include diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, and dioxane.
Examples of the amide solvent include N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolidone.
Examples of the halogenated hydrocarbon solvent include dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, and 1-chloronaphthalene.
Examples of the hydrocarbon solvent include n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene.
These may be used alone or in combination of two or more.
前記半導体微粒子の分散液、あるいはゾルゲル法等によって得られた前記半導体微粒子のペーストには、粒子の再凝集を防ぐため、酸、界面活性剤、キレート化剤などを添加してもよい。
前記酸としては、例えば、塩酸、硝酸、酢酸などが挙げられる。
前記界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルなどが挙げられる。
前記キレート化剤としては、例えば、アセチルアセトン、2-アミノエタノール、エチレンジアミンなどが挙げられる。
また、製膜性を向上させる目的で、増粘剤を添加することも有効な手段である。
前記増粘剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、エチルセルロースなどが挙げられる。
To the dispersion of the semiconductor particles or the paste of the semiconductor particles obtained by the sol-gel method or the like, an acid, a surfactant, a chelating agent, etc. may be added in order to prevent re-aggregation of the particles.
Examples of the acid include hydrochloric acid, nitric acid, and acetic acid.
The surfactant may, for example, be polyoxyethylene octylphenyl ether.
Examples of the chelating agent include acetylacetone, 2-aminoethanol, and ethylenediamine.
In order to improve film-forming properties, the addition of a thickener is also an effective means.
Examples of the thickener include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, and ethyl cellulose.
前記半導体微粒子は、塗布した後に粒子同士を電子的にコンタクトさせ、膜強度の向上や基板との密着性を向上させるために焼成、マイクロ波照射、電子線照射、レーザー光照射を行うことが好ましい。これらの処理は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。
前記焼成する場合、焼成温度については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、温度を上げ過ぎると基板の抵抗が高くなったり、溶融したりすることがあるため、30℃以上700℃以下が好ましく、100℃以上600℃以下がより好ましい。焼成時間については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、10分間以上10時間以下が好ましい。
The semiconductor fine particles are preferably subjected to baking, microwave irradiation, electron beam irradiation, or laser beam irradiation in order to bring the particles into electronic contact with each other after coating, and to improve the film strength and adhesion to the substrate. These treatments may be used alone or in combination of two or more.
In the case of the baking, the baking temperature is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but if the temperature is too high, the resistance of the substrate may increase or the substrate may melt, so the baking temperature is preferably 30° C. to 700° C., and more preferably 100° C. to 600° C. The baking time is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably 10 minutes to 10 hours.
前記マイクロ波照射は、電子輸送層形成側から照射しても、裏側から照射しても構わない。前記マイクロ波の照射時間については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1時間以内で行うことが好ましい。 The microwave irradiation may be performed from the side where the electron transport layer is formed or from the back side. There is no particular restriction on the microwave irradiation time, which may be appropriately selected depending on the purpose, but it is preferable to perform the irradiation for less than one hour.
焼成後、半導体微粒子の表面積の増大や、光増感化合物から半導体微粒子への電子注入効率を高める目的で、例えば、四塩化チタンの水溶液や有機溶剤との混合溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。
直径が数十nmの半導体微粒子を焼結等によって積層した膜は、多孔質状態を形成する。このナノ多孔構造は、非常に高い表面積を持ち、その表面積はラフネスファクターを用いて表わすことができる。
前記ラフネスファクターは、基板に塗布した半導体微粒子の面積に対する多孔質内部の実面積を表す数値である。したがって、前記ラフネスファクターは大きいほど好ましいが、電子輸送層の膜厚との関係から、20以上が好ましい。
After the baking, for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor fine particles and improving the efficiency of electron injection from the photosensitizing compound to the semiconductor fine particles, a chemical plating process using, for example, an aqueous solution of titanium tetrachloride or a mixed solution of titanium tetrachloride and an organic solvent, or an electrochemical plating process using an aqueous solution of titanium trichloride may be performed.
A film formed by stacking semiconductor particles with diameters of several tens of nanometers by sintering or the like forms a porous structure. This nanoporous structure has a very high surface area, which can be expressed using a roughness factor.
The roughness factor is a value that represents the actual area inside the porous layer relative to the area of the semiconductor particles applied to the substrate. Therefore, the larger the roughness factor, the better. However, in view of the relationship with the film thickness of the electron transport layer, a roughness factor of 20 or more is preferable.
<<光増感化合物>>
本発明においては、変換効率の更なる向上のため、光増感化合物を電子輸送層の電子輸送性半導体の表面に吸着させることが好ましい。
<<Photosensitizing Compound>>
In the present invention, in order to further improve the conversion efficiency, it is preferable to adsorb the photosensitizing compound onto the surface of the electron transporting semiconductor of the electron transporting layer.
前記光増感化合物は、使用される励起光により光励起される化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、特表平7-500630号公報、特開平10-233238号公報、特開2000-26487号公報、特開2000-323191号公報、特開2001-59062号公報等に記載の金属錯体化合物;特開平10-93118号公報、特開2002-164089号公報、特開2004-95450号公報、J.Phys.Chem.C,7224,Vol.111(2007)等に記載のクマリン化合物;特開2004-95450号公報、Chem.Commun.,4887(2007)等に記載のポリエン化合物;特開2003-264010号公報、特開2004-63274号公報、特開2004-115636号公報、特開2004-200068号、特開2004-235052号公報、J.Am.Chem.Soc.,12218,Vol.126(2004)、Chem.Commun.,3036(2003)、Angew.Chem.Int.Ed.,1923,Vol.47(2008)等に記載のインドリン化合物;J.Am.Chem.Soc.,16701,Vol.128(2006)、J.Am.Chem.Soc.,14256,Vol.128(2006)等に記載のチオフェン化合物;特開平11-86916号公報、特開平11-214730号公報、特開2000-106224号公報、特開2001-76773号公報、特開2003-7359号公報等に記載のシアニン色素;特開平11-214731号公報、特開平11-238905号公報、特開2001-52766号公報、特開2001-76775号公報、特開2003-7360号等に記載メロシアニン色素;特開平10-92477号公報、特開平11-273754号公報、特開平11-273755号公報、特開2003-31273号等に記載の9-アリールキサンテン化合物;特開平10-93118号公報、特開2003-31273号等に記載のトリアリールメタン化合物;特開平9-199744号公報、特開平10-233238号公報、特開平11-204821号公報、特開平11-265738号、J.Phys.Chem.,2342,Vol.91(1987)、J.Phys.Chem.B,6272,Vol.97(1993)、Electroanal.Chem.,31,Vol.537(2002)、特開2006-032260号公報、J.Porphyrins Phthalocyanines,230,Vol.3(1999)、Angew.Chem.Int.Ed.,373,Vol.46(2007)、Langmuir,5436,Vol.24(2008)等に記載のフタロシアニン化合物、ポルフィリン化合物などが挙げられる。これらの中でも、金属錯体化合物、クマリン化合物、ポリエン化合物、インドリン化合物、チオフェン化合物が好ましく、三菱製紙株式会社製の下記構造式(1)、下記構造式(2)、下記構造式(3)で表される化合物、更に下記一般式(3)を含む化合物がより好ましい。なお、これらの光増感化合物は、単独で用いてもよく、2種類以上混合して用いることもできる。 The photosensitizing compound is not particularly limited as long as it is a compound that is photoexcited by the excitation light used, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, metal complex compounds described in JP-T-7-500630, JP-A-10-233238, JP-A-2000-26487, JP-A-2000-323191, JP-A-2001-59062, etc.; coumarin compounds described in JP-A-10-93118, JP-A-2002-164089, JP-A-2004-95450, J. Phys. Chem. C, 7224, Vol. 111 (2007), etc.; and coumarin compounds described in JP-A-2004-95450, Chem. Commun. , 4887 (2007), etc.; indoline compounds described in JP-A-2003-264010, JP-A-2004-63274, JP-A-2004-115636, JP-A-2004-200068, JP-A-2004-235052, J. Am. Chem. Soc., 12218, Vol. 126 (2004), Chem. Commun., 3036 (2003), Angew. Chem. Int. Ed., 1923, Vol. 47 (2008), etc.; thiophene compounds described in J. Am. Chem. Soc., 14256, Vol. 128 (2006), etc.; cyanine dyes described in JP-A-11-86916, JP-A-11-214730, JP-A-2000-106224, JP-A-2001-76773, JP-A-2003-7359, etc.; mero dyes described in JP-A-11-214731, JP-A-11-238905, JP-A-2001-52766, JP-A-2001-76775, JP-A-2003-7360, etc. Cyanine dyes: 9-arylxanthene compounds described in JP-A-10-92477, JP-A-11-273754, JP-A-11-273755, JP-A-2003-31273, etc.; triarylmethane compounds described in JP-A-10-93118, JP-A-2003-31273, etc.; JP-A-9-199744, JP-A-10-233238, JP-A-11-204821, JP-A-11-265738, J. Phys. Chem., 2342, Vol. 91 (1987), J. Phys. Chem. B, 6272, Vol. 97 (1993), Electroanal. Chem., 31, Vol. 537 (2002), JP-A-2006-032260, J. Porphyrins Phthalocyanines, 230, Vol. 3 (1999), Angew. Chem. Int. Ed., 373, Vol. 46 (2007), Langmuir, 5436, Vol. 24 (2008), etc., can be mentioned as phthalocyanine compounds and porphyrin compounds. Among these, metal complex compounds, coumarin compounds, polyene compounds, indoline compounds, and thiophene compounds are preferred, and compounds represented by the following structural formula (1), the following structural formula (2), and the following structural formula (3), manufactured by Mitsubishi Paper Mills, Ltd., and further compounds including the following general formula (3), are more preferred. These photosensitizing compounds may be used alone or in combination of two or more.
前記一般式(3)において、X1、及びX2は、それぞれ独立して、酸素原子、硫黄原子、又はセレン原子を表す。
R1は置換基を有していてもよいメチン基を表す。その置換基の具体例としては、フェニル基、ナフチル基などのアリール基、チエニル基、フリル基などのヘテロ環が挙げられる。
R2は置換基を有していてもよいアルキル基、アリール基、又はヘテロ環基を表す。アルキル基としては、メチル基、エチル基、2-プロピル基、2-エチルヘキシル基等、アリール基及びヘテロ環基としては前述のものが挙げられる。
R3はカルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸、ボロン酸、フェノール類などの酸性基を表す。R3は、1つであってもよいし、複数であってもよい。
Z1、及びZ2は、それぞれ独立して、環状構造を形成する置換基を表す。
Z1は、ベンゼン環、ナフタレン環などの縮合炭化水素系化合物、チオフェン環、フラン環などのヘテロ環が挙げられ、それぞれ置換基を有していてもよい。その置換基の具体例としては前述のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基、2-イソプロポキシ基等のアルコキシ基が挙げられる。
In the general formula (3), X 1 and X 2 each independently represent an oxygen atom, a sulfur atom, or a selenium atom.
R1 represents a methine group which may have a substituent. Specific examples of the substituent include aryl groups such as a phenyl group and a naphthyl group, and heterocycles such as a thienyl group and a furyl group.
R2 represents an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group, each of which may have a substituent. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a 2-propyl group, and a 2-ethylhexyl group, and examples of the aryl group and the heterocyclic group include those described above.
R3 represents an acidic group such as a carboxylic acid, a sulfonic acid, a phosphonic acid, a boronic acid, a phenol, etc. R3 may be one or more.
Z1 and Z2 each independently represent a substituent forming a cyclic structure.
Z1 may be a condensed hydrocarbon compound such as a benzene ring or a naphthalene ring, or a heterocycle such as a thiophene ring or a furan ring, each of which may have a substituent. Specific examples of the substituent include the above-mentioned alkyl groups, and alkoxy groups such as a methoxy group, an ethoxy group, and a 2-isopropoxy group.
Z2は、それぞれ下記に示す(A-1)~(A-22)が挙げられる。
上記一般式(3)を含む光増感化合物の具体例としては、以下に示す(B-1)~(B-36)が挙げられる。ただし、これらに限定されるものではない。 Specific examples of photosensitizing compounds containing the above general formula (3) include (B-1) to (B-36) shown below. However, they are not limited to these.
前記電子輸送性半導体に前記光増感化合物を吸着させる方法としては、例えば、光増感化合物の溶液中、又は光増感化合物の分散液中に、半導体材料を含む電子輸送層を浸漬する方法、光増感化合物の溶液、又は光増感化合物の分散液を電子輸送層に塗布して吸着させる方法などを用いることができる。
光増感化合物の溶液中、又は光増感化合物の分散液中に、半導体材料を形成した電子輸送層を浸漬する方法としては、例えば、浸漬法、ディップ法、ローラー法、エアーナイフ法などが挙げられる。
光増感化合物の溶液、又は光増感化合物の分散液を、電子輸送層に塗布して吸着させる方法としては、例えば、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法などが挙げられる。
また、二酸化炭素等を用いた超臨界流体中で吸着させても構わない。
Examples of a method for adsorbing the photosensitizing compound to the electron transporting semiconductor include a method of immersing an electron transporting layer containing a semiconductor material in a solution or a dispersion of the photosensitizing compound, and a method of applying a solution or a dispersion of the photosensitizing compound to the electron transporting layer to adsorb the photosensitizing compound.
Examples of the method for immersing the electron transport layer having the semiconductor material formed thereon in a solution or dispersion of the photosensitizing compound include an immersion method, a dip method, a roller method, and an air knife method.
Examples of a method for applying a solution or a dispersion of a photosensitizing compound to the electron transport layer and causing it to adsorb thereon include a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method.
Alternatively, the adsorption may be carried out in a supercritical fluid such as carbon dioxide.
前記光増感化合物を吸着させる際には、縮合剤を併用してもよい。
前記縮合剤は、電子輸送性半導体表面に物理的又は化学的に光増感化合物を結合させるような触媒的作用をするもの、及び化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。
更に、縮合助剤として、チオールやヒドロキシ化合物を添加してもよい。
When the photosensitizing compound is adsorbed, a condensing agent may be used in combination.
The condensing agent may be either one that acts catalytically to physically or chemically bind the photosensitizing compound to the surface of the electron transporting semiconductor, or one that acts stoichiometrically to favorably shift the chemical equilibrium.
Furthermore, a thiol or a hydroxy compound may be added as a condensation aid.
前記光増感化合物を溶解、又は分散する溶媒としては、例えば、水、アルコール溶媒、ケトン溶媒、エステル溶媒、エーテル溶媒、アミド溶媒、ハロゲン化炭化水素溶媒、炭化水素溶媒などが挙げられる。
前記アルコール溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどが挙げられる。
前記ケトン溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどが挙げられる。
前記エステル溶媒としては、例えば、ギ酸エチル、酢酸エチル、酢酸n-ブチルなどが挙げられる。
前記エーテル溶媒としては、例えば、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサンなどが挙げられる。
前記アミド溶媒としては、例えば、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-ピロリドンなどが挙げられる。
前記ハロゲン化炭化水素溶媒としては、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、1-クロロナフタレンなどが挙げられる。
前記炭化水素溶媒としては、例えば、n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタン、1,5-ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、エチルベンゼン、クメンなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
Examples of the solvent that dissolves or disperses the photosensitizing compound include water, alcohol solvents, ketone solvents, ester solvents, ether solvents, amide solvents, halogenated hydrocarbon solvents, and hydrocarbon solvents.
Examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, and isopropyl alcohol.
Examples of the ketone solvent include acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone.
Examples of the ester solvent include ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate.
Examples of the ether solvent include diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, and dioxane.
Examples of the amide solvent include N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolidone.
Examples of the halogenated hydrocarbon solvent include dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, and 1-chloronaphthalene.
Examples of the hydrocarbon solvent include n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene.
These may be used alone or in combination of two or more.
前記光増感化合物は、その種類によっては化合物間の凝集を抑制した方がより効果的に働くものが存在するため、凝集解離剤を併用しても構わない。
前記凝集解離剤としては、特に制限はなく、用いる色素に応じて適宜選択することができ、例えば、コール酸、ケノデオキシコール酸等のステロイド化合物、長鎖アルキルカルボン酸又は長鎖アルキルホスホン酸などが挙げられる。
前記凝集解離剤の添加量は、前記光増感化合物1質量部に対して、0.01質量部以上500質量部以下が好ましく、0.1質量部以上100質量部以下がより好ましい。
これらを用い、前記光増感化合物又は前記光増感化合物と前記凝集解離剤を吸着する際の温度としては、-50℃以上200℃以下が好ましい。
なお、前記吸着は静置しても攪拌しながら行っても構わない。
前記攪拌する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザー、超音波分散などが挙げられる。
前記吸着に要する時間は、5秒間以上1,000時間以下が好ましく、10秒間以上500時間以下がより好ましく、1分間以上150時間以下が更に好ましい。
なお、前記吸着は暗所で行うことが好ましい。
Some types of photosensitizing compounds function more effectively when aggregation between the compounds is suppressed, and therefore an aggregation dissociation agent may be used in combination.
The disaggregating agent is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the dye used. Examples of the disaggregating agent include steroid compounds such as cholic acid and chenodeoxycholic acid, long-chain alkyl carboxylic acids, and long-chain alkyl phosphonic acids.
The amount of the disaggregation agent added is preferably 0.01 parts by mass or more and 500 parts by mass or less, and more preferably 0.1 parts by mass or more and 100 parts by mass or less, relative to 1 part by mass of the photosensitizing compound.
The temperature at which the photosensitizing compound or the photosensitizing compound and the disaggregation agent are adsorbed using these is preferably from -50°C to 200°C.
The adsorption may be carried out either by leaving the mixture at rest or by stirring.
The stirring method is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the stirring method include a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, and ultrasonic dispersion.
The time required for the adsorption is preferably from 5 seconds to 1,000 hours, more preferably from 10 seconds to 500 hours, and even more preferably from 1 minute to 150 hours.
The adsorption is preferably carried out in a dark place.
<<ホール輸送層>>
前記ホール輸送層の構成材料としては、例えば、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機ホール輸送材料、有機ホール輸送材料などが挙げられる。
無機ホール輸送材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、CuSCN、CuI、CuBr、NiO、V2O5、酸化グラフェンなどが挙げられる。
これらの中でも、有機ホール輸送材料が好ましい。なお、以下、有機ホール輸送材料を例として説明する箇所があるが、これに限られるものではない。
<<Hole transport layer>>
Examples of materials constituting the hole transport layer include an electrolyte solution in which a redox pair is dissolved in an organic solvent, a gel electrolyte in which a polymer matrix is impregnated with a liquid in which a redox pair is dissolved in an organic solvent, a molten salt containing a redox pair, a solid electrolyte, an inorganic hole transport material, and an organic hole transport material.
The inorganic hole transport material is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the inorganic hole transport material include CuSCN, CuI, CuBr, NiO, V 2 O 5 , and graphene oxide.
Among these, organic hole transport materials are preferable. Note that, although the organic hole transport materials are used as examples in the following description, the present invention is not limited thereto.
有機ホール輸送材料などとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、特公昭34-5466号公報等に示されているオキサジアゾール化合物、特公昭45-555号公報等に示されているトリフェニルメタン化合物、特公昭52-4188号公報等に示されているピラゾリン化合物、特公昭55-42380号公報等に示されているヒドラゾン化合物、特開昭56-123544号公報等に示されているオキサジアゾール化合物、特開昭54-58445号公報に示されているテトラアリールベンジジン化合物、特開昭58-65440号公報又は特開昭60-98437号公報に示されているスチルベン化合物、スピロ型化合物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、スピロ型化合物が好ましい。 The organic hole transport material is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, oxadiazole compounds shown in JP-B-34-5466, triphenylmethane compounds shown in JP-B-45-555, pyrazoline compounds shown in JP-B-52-4188, hydrazone compounds shown in JP-B-55-42380, oxadiazole compounds shown in JP-A-56-123544, tetraarylbenzidine compounds shown in JP-A-54-58445, stilbene compounds shown in JP-A-58-65440 or JP-A-60-98437, spiro compounds, etc. can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, spiro compounds are preferred.
スピロ型化合物としては、例えば、下記一般式(4)を含む化合物などが挙げられる。
前記スピロ型化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、以下に示す例示化合物(D-1)から(D-20)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 The spiro-type compound is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the spiro-type compound include, but are not limited to, the following exemplary compounds (D-1) to (D-20). These compounds may be used alone or in combination of two or more.
スピロ型化合物は、2つのベンジジン骨格分子が捻れて結合しているため、球状に近い電子雲を形成し、分子間におけるホッピング伝導性が良好であることにより、優れた光電変換特性を示す。また、溶解性が高いため、各種有機溶媒に溶解し、アモルファス(結晶構造をもたない無定形物質)であり、多孔質状の電子輸送層に密に充填されやすい。更に、450nm以上の光吸収特性を有さないため、光増感化合物に効率的に光吸収を行わせることができ、固体型色素増感型太陽電池にとって特に好ましい。 Spiro compounds have two benzidine skeleton molecules that are twisted and bonded together, forming a nearly spherical electron cloud, and exhibit excellent photoelectric conversion properties due to their good intermolecular hopping conductivity. In addition, they are highly soluble, dissolving in various organic solvents, and being amorphous (amorphous substance without a crystal structure), they are easily densely packed into porous electron transport layers. Furthermore, because they do not have light absorption properties above 450 nm, they can be used to efficiently absorb light in photosensitizing compounds, making them particularly suitable for solid-state dye-sensitized solar cells.
<<塩基性化合物>>
前記ホール輸送層は、塩基性化合物を有する。
前記塩基性化合物は、電子輸送層近傍の界面に存在すると考えられ、電子輸送層からの逆電子移動(即ち、電子輸送層からホール輸送層への電子移動)を抑制していると考えられる。
前記塩基性化合物としては、下記一般式(A)又は一般式(B)からなる塩基性化合物が好ましく、下記一般式(1)、及び一般式(2)で示される3級アミン化合物が更に好ましい。ホール輸送層に下記一般式(A)又は一般式(B)の塩基性化合物を含有すると、高い開放電圧が得られ、高い光電変換特性が得られる点で有利である。更に、ホール輸送層が一般式(1)、及び一般式(2)で示される3級アミン化合物の少なくともいずれかを有することにより、低照度光においても、高い光電変換性と、経時安定性とを両立することができる。
<<Basic Compounds>>
The hole transport layer contains a basic compound.
The basic compound is believed to be present at the interface in the vicinity of the electron transport layer, and is believed to suppress reverse electron transfer from the electron transport layer (that is, electron transfer from the electron transport layer to the hole transport layer).
The basic compound is preferably a basic compound represented by the following general formula (A) or general formula (B), and more preferably a tertiary amine compound represented by the following general formula (1) and general formula (2). When the hole transport layer contains a basic compound represented by the following general formula (A) or general formula (B), it is advantageous in that a high open circuit voltage is obtained and high photoelectric conversion characteristics are obtained. Furthermore, when the hole transport layer contains at least one of the tertiary amine compounds represented by general formula (1) and general formula (2), high photoelectric conversion properties and stability over time can be achieved even under low illuminance light.
以下に、前記一般式(A)、及び前記一般式(B)の塩基性化合物の具体的な例示化合物を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Specific examples of the basic compounds of the general formula (A) and the general formula (B) are shown below, but the present invention is not limited to these.
次に、上記一般式(1)、及び上記一般式(2)で示される3級アミン化合物の具体例としては、例えば、以下に示す例示化合物C-1からC-20などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the tertiary amine compounds represented by the above general formula (1) and the above general formula (2) include, but are not limited to, the following exemplary compounds C-1 to C-20. These may be used alone or in combination of two or more.
前記ホール輸送層における塩基性化合物の含有量は、ホール輸送材料の全量に対して、1質量部以上50質量部以下が好ましく、10質量部以上30質量部以下がより好ましい。塩基性化合物の含有量が好ましい範囲であることにより、高い開放電圧を維持でき、高い出力が得られ、かつ様々な環境で長期使用しても高い安定性と耐久性が得られる。 The content of the basic compound in the hole transport layer is preferably 1 part by weight to 50 parts by weight, more preferably 10 parts by weight to 30 parts by weight, based on the total amount of the hole transport material. By setting the content of the basic compound within the preferred range, a high open circuit voltage can be maintained, high output can be obtained, and high stability and durability can be obtained even when used for a long period of time in various environments.
<<<酸化剤>>>
前記ホール輸送層は、酸化剤を含有することが好ましい。ホール輸送層が酸化剤を含有することにより、有機ホール輸送材料の一部がラジカルカチオンになることで、導電性が向上し、出力特性の耐久性や安定性を高めることができる。
酸化剤により有機ホール輸送材料が酸化されることにより、良好なホール伝導性を示すとともに、光電変換層の周囲環境の影響による酸化状態の解除(還元)を抑制することができることで良好な経時安定性を示す。
<<<Oxidizing agent>>>
The hole transport layer preferably contains an oxidizing agent, which causes a part of the organic hole transport material to become a radical cation, thereby improving the electrical conductivity and enhancing the durability and stability of the output characteristics.
The organic hole transport material is oxidized by the oxidizing agent, thereby exhibiting good hole conductivity, and also exhibiting good stability over time by suppressing the release of the oxidized state (reduction) caused by the influence of the surrounding environment of the photoelectric conversion layer.
前記酸化剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヘキサクロロアンチモン酸トリス(4-ブロモフェニル)アミニウム、ヘキサフルオロアンチモネート銀、ニトロソニウムテトラフルオボラート、硝酸銀、金属錯体などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、金属錯体が好ましい。
前記金属錯体としては、例えば、金属カチオン、配位子、アニオンから構成される構成などが挙げられる。
前記金属カチオンとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、クロム、マンガン、亜鉛、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、バナジウム、金、白金などのカチオンなどが挙げられる。これらの中でも、マンガン、亜鉛、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウム、銀、バナジウムのカチオンが好ましく、コバルトのカチオンがより好ましい。即ち金属錯体はコバルト錯体がより好ましい。
前記配位子としては、少なくとも一つの窒素を含有する5及び/又は6員複素環を含むものが好ましく、置換基を有していてもよい。具体例としては、以下のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
The oxidizing agent is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include tris(4-bromophenyl)aminium hexachloroantimonate, silver hexafluoroantimonate, nitrosonium tetrafluoroborate, silver nitrate, metal complexes, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, metal complexes are preferred.
The metal complex may be, for example, a complex composed of a metal cation, a ligand, and an anion.
The metal cation is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose, and examples thereof include chromium, manganese, zinc, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, tungsten, rhenium, osmium, iridium, vanadium, gold, platinum, and other cations.Among these, manganese, zinc, iron, cobalt, nickel, copper, ruthenium, silver, and vanadium cations are preferred, and cobalt cations are more preferred.That is, the metal complex is more preferably a cobalt complex.
The ligand is preferably one containing at least one nitrogen-containing 5- and/or 6-membered heterocycle, which may have a substituent. Specific examples include, but are not limited to, the following:
前記アニオンとしては、例えば、水素化物イオン(H-)、フッ化物イオン(F-)、塩化物イオン(Cl-)、臭化物イオン(Br-)、ヨウ化物イオン(I-)、水酸化物イオン(OH-)、シアン化物イオン(CN-)、硝酸イオン(NO3 -)、亜硝酸イオン(NO2 -)、次亜塩素酸イオン(ClO-)、亜塩素酸イオン(ClO2 -)、塩素酸イオン(ClO3 -)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、過マンガン酸イオン(MnO4 -)、酢酸イオン(CH3COO-)、炭酸水素イオン(HCO3 -)、リン酸二水素イオン(H2PO4 -)、硫酸水素イオン(HSO4 -)、硫化水素イオン(HS-)、チオシアン酸イオン(SCN-)、テトラフロオロホウ素酸イオン(BF4 -)、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)、テトラシアノホウ素酸イオン(B(CN)4 -)、ジシアノアミンイオン(N(CN)2 -)、p-トルエンスルホン酸イオン(TsO-)、トリフルオロメチルスルホン酸イオン(CF3SO2-)、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミンイオン(N(SO2CF3)2 -)、テトラヒドロキソアルミン酸イオン([Al(OH)4]-、あるいは[Al(OH)4(H2O)2]-)、ジシアノ銀(I)酸イオン([Ag(CN)2]-)、テトラヒドロキソクロム(III)酸イオン([Cr(OH)4]-)、テトラクロロ金(III)酸イオン([AuCl4]-)、酸化物イオン(O2-)、硫化物イオン(S2 -)、過酸化物イオン(O2 2-)、硫酸イオン(SO4 2-)、亜硫酸イオン(SO3 2-)、チオ硫酸イオン(S2O3 2-)、炭酸イオン(CO3 2-)、クロム酸イオン(CrO4 2-)、二クロム酸イオン(Cr2O7 2-)、リン酸一水素イオン(HPO4 2-)、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオン([Zn(OH)4]2-)、テトラシアノ亜鉛(II)酸イオン([Zn(CN)4]2-)、テトラクロロ銅(II)酸イオン([CuCl4]2-)、リン酸イオン(PO4 3-)、ヘキサシアノ鉄(III)酸イオン([Fe(CN)6]3-)、ビス(チオスルファト)銀(I)酸イオン([Ag(S2O3)2]3-)、ヘキサシアノ鉄(II)酸イオン([Fe(CN)6]4-)などが挙げられる。これらの中でも、テトラフロオロホウ素酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、テトラシアノホウ素酸イオン、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミンイオン、過塩素酸イオンが好ましい。 Examples of the anion include hydride ion (H − ), fluoride ion (F − ), chloride ion (Cl − ), bromide ion (Br − ), iodide ion (I − ), hydroxide ion (OH − ), cyanide ion (CN − ), nitrate ion (NO 3 − ), nitrite ion (NO 2 − ), hypochlorite ion (ClO − ), chlorite ion (ClO 2 − ), chlorate ion (ClO 3 − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), permanganate ion (MnO 4 − ), acetate ion (CH 3 COO − ), hydrogen carbonate ion (HCO 3 − ), dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 − ), hydrogen sulfate ion (HSO 4 − ), hydrogen sulfide ion (HS − ), and thiocyanate ion (SCN − ), tetrafluoroborate ion (BF 4 - ), hexafluorophosphate ion (PF 6 - ), tetracyanoborate ion (B(CN) 4 - ), dicyanoamine ion (N(CN) 2 - ), p-toluenesulfonate ion (TsO - ), trifluoromethylsulfonate ion (CF 3 SO2- ), bis(trifluoromethylsulfonyl)amine ion (N(SO 2 CF 3 ) 2 - ), tetrahydroxoaluminate ion ([Al(OH) 4 ] - or [Al(OH) 4 (H 2 O) 2 ] - ), dicyanarginate(I) ion ([Ag(CN) 2 ] - ), tetrahydroxochromate(III) ion ([Cr(OH) 4 ] - ), tetrachloroaurate(III) ion ([AuCl 4 ] − ), oxide ion (O 2 − ), sulfide ion (S 2 − ), peroxide ion (O 2 2− ), sulfate ion (SO 4 2− ), sulfite ion (SO 3 2− ), thiosulfate ion (S 2 O 3 2− ), carbonate ion (CO 3 2− ), chromate ion (CrO 4 2− ), dichromate ion (Cr 2 O 7 2− ), monohydrogen phosphate ion (HPO 4 2− ), tetrahydroxozincate(II) ion ([ Zn (OH) 4 ] 2− ), tetracyanozincate(II) ion ([Zn(CN) 4 ] 2− ), tetrachlorocuprate(II) ion ([CuCl 4 ] 2− ), phosphate ion (PO 4 3− ), hexacyanoferrate(III) ion ([Fe(CN) 6 ] 3− ), bis(thiosulfato)argentate(I) ion ([Ag(S 2 O 3 ) 2 ] 3− ), and hexacyanoferrate(II) ion ([Fe(CN) 6 ] 4− ). Of these, tetrafluoroborate ion, hexafluorophosphate ion, tetracyanoborate ion, bis(trifluoromethylsulfonyl)amine ion, and perchlorate ion are preferred.
前記金属錯体としては、下記一般式(5)で示される3価のコバルト錯体が特に好ましい。金属錯体が3価のコバルト錯体であると、酸化剤としての機能が優れる点で有利である。 As the metal complex, a trivalent cobalt complex represented by the following general formula (5) is particularly preferred. When the metal complex is a trivalent cobalt complex, it is advantageous in that it functions excellently as an oxidizing agent.
以下に、前記一般式(5)で表されるコバルト錯体の具体例を記載する。ただし、これらに限定されるものではない。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the cobalt complex represented by the general formula (5) are described below. However, the present invention is not limited to these. These may be used alone or in combination of two or more.
また、前記金属錯体としては、下記一般式(6)で示される3価のコバルト錯体も有効に用いられる。 In addition, a trivalent cobalt complex represented by the following general formula (6) can also be effectively used as the metal complex.
以下に、前記一般式(6)で表されるコバルト錯体の具体例を記載する。ただし、これらに限定されるものではない。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the cobalt complex represented by the general formula (6) are described below. However, the present invention is not limited to these. These may be used alone or in combination of two or more.
前記酸化剤の含有量は、ホール輸送材料100質量部に対して、0.5質量部以上50質量部以下が好ましく、5質量部以上30質量部以下がより好ましい。酸化剤の添加によって、すべてのホール輸送材料が酸化される必要はなく、一部のみが酸化されていれば有効である。 The content of the oxidizing agent is preferably 0.5 parts by mass or more and 50 parts by mass or less, and more preferably 5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the hole transport material. It is not necessary for all of the hole transport material to be oxidized by adding the oxidizing agent, and it is effective if only a portion of the hole transport material is oxidized.
<<<アルカリ金属塩>>>
前記ホール輸送層は、添加剤として、アルカリ金属塩を有することが好ましい。これにより、電荷の移動がスムーズになり、良好な光電変換特性を得られる点で有利である。
前記アルカリ金属塩のカチオンは、電子輸送層近傍の界面に存在すると考えられ、アルカリ金属塩のアニオンは、ホール輸送層中にドープされると考えられる。
<<<Alkali metal salts>>>
The hole transport layer preferably contains an alkali metal salt as an additive, which is advantageous in that charge transfer becomes smooth and good photoelectric conversion characteristics can be obtained.
The cations of the alkali metal salt are believed to be present at the interface near the electron transport layer, and the anions of the alkali metal salt are believed to be doped into the hole transport layer.
前記アルカリ金属塩としては、例えば、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)ジイミド、リチウムジイソプロピルイミド、酢酸リチウム、テトラフルオロホウ素酸リチウム、ペンタフルオロリン酸リチウム、テトラシアノホウ素酸リチウム等のリチウム塩、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、過塩素酸ナトリウム、ナトリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)ジイミド、酢酸ナトリウム、テトラフルオロホウ素酸ナトリウム、ペンタフルオロリン酸ナトリウム、テトラシアノホウ素酸ナトリウム等のナトリウム塩、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、過塩素酸カリウム等のカリウム塩などが挙げられる。これらの中でも、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)ジイミド、リチウムジイソプロピルイミドが好ましい。 Examples of the alkali metal salt include lithium salts such as lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium perchlorate, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)diimide, lithium diisopropylimide, lithium acetate, lithium tetrafluoroborate, lithium pentafluorophosphate, and lithium tetracyanoborate; sodium salts such as sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium perchlorate, sodium bis(trifluoromethanesulfonyl)diimide, sodium acetate, sodium tetrafluoroborate, sodium pentafluorophosphate, and sodium tetracyanoborate; and potassium salts such as potassium chloride, potassium bromide, potassium iodide, and potassium perchlorate. Among these, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)diimide and lithium diisopropylimide are preferred.
前記アルカリ金属塩の含有量は、ホール輸送材料100質量部に対して、1質量部以上50質量部以下が好ましく、5質量部以上30質量部以下がより好ましい。 The content of the alkali metal salt is preferably 1 part by mass or more and 50 parts by mass or less, and more preferably 5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the hole transport material.
前記ホール輸送層は、単一材料からなる単層構造でもよく、複数の化合物を含む積層構造であってもよい。ホール輸送層が積層構造の場合には、第2の電極に近いホール輸送層に高分子材料を用いることが好ましい。製膜性に優れる高分子材料を用いると、多孔質状の電子輸送層の表面をより平滑化することができ、光電変換特性を向上させることができる点で有利である。また、高分子材料は、多孔質状の電子輸送層内部へ浸透しにくいことから、多孔質状の電子輸送層表面の被覆性に優れ、電極を設ける際の短絡防止にも効果が得られる場合がある。 The hole transport layer may be a single layer structure made of a single material, or a laminate structure containing multiple compounds. When the hole transport layer has a laminate structure, it is preferable to use a polymer material for the hole transport layer close to the second electrode. The use of a polymer material with excellent film-forming properties is advantageous in that the surface of the porous electron transport layer can be made smoother and the photoelectric conversion characteristics can be improved. In addition, since the polymer material does not easily penetrate into the porous electron transport layer, it has excellent coverage of the surface of the porous electron transport layer, and may be effective in preventing short circuits when providing electrodes.
前記ホール輸送層に用いられる高分子材料としては、特に制限はなく、公知のホール輸送性高分子材料などが挙げられる。
前記ホール輸送性高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン化合物、ポリフェニレンビニレン化合物、ポリフルオレン化合物、ポリフェニレン化合物、ポリアリールアミン化合物、ポリチアジアゾール化合物などが挙げられる。
前記ポリチオフェン化合物としては、例えば、ポリ(3-n-ヘキシルチオフェン)、ポリ(3-n-オクチルオキシチオフェン)、ポリ(9,9’-ジオクチル-フルオレン-コ-ビチオフェン)、ポリ(3,3’’’-ジドデシル-クォーターチオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(2,5-ビス(3-デシルチオフェン-2-イル)チエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(3,4-ジデシルチオフェン-コ-チエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン-コ-チエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン-コ-チオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン-コ-ビチオフェン)などが挙げられる。
ポリフェニレンビニレン化合物としては、例えば、ポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2-メトキシ-5-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[(2-メトキシ-5-(2-エチルフェキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン)-コ-(4,4’-ビフェニレン-ビニレン)]などが挙げられる。
The polymer material used for the hole transport layer is not particularly limited, and examples thereof include known hole transport polymer materials.
Examples of the hole transporting polymeric material include polythiophene compounds, polyphenylenevinylene compounds, polyfluorene compounds, polyphenylene compounds, polyarylamine compounds, and polythiadiazole compounds.
Examples of the polythiophene compound include poly(3-n-hexylthiophene), poly(3-n-octyloxythiophene), poly(9,9'-dioctyl-fluorene-co-bithiophene), poly(3,3'''-didodecyl-quaterthiophene), poly(3,6-dioctylthieno[3,2-b]thiophene), and poly(2,5-bis(3-decylthiophen-2-yl)thieno[3 ,2-b]thiophene), poly(3,4-didecylthiophene-co-thieno[3,2-b]thiophene), poly(3,6-dioctylthieno[3,2-b]thiophene-co-thieno[3,2-b]thiophene), poly(3,6-dioctylthieno[3,2-b]thiophene-co-thiophene), poly(3,6-dioctylthieno[3,2-b]thiophene-co-bithiophene).
Examples of the polyphenylenevinylene compound include poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene], and poly[(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene)-co-(4,4'-biphenylenevinylene)].
前記ポリフルオレン化合物としては、例えば、ポリ(9,9’-ジドデシルフルオレニル-2,7-ジイル)、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジビニレンフルオレン)-alt-コ-(9,10-アントラセン)]、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジビニレンフルオレン)-alt-コ-(4,4’-ビフェニレン)]、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジビニレンフルオレン)-alt-コ-(2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレン)]、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジイル)-コ-(1,4-(2,5-ジヘキシルオキシ)ベンゼン)]などが挙げられる。 Examples of the polyfluorene compound include poly(9,9'-didodecylfluorenyl-2,7-diyl), poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorene)-alt-co-(9,10-anthracene)], poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorene)-alt-co-(4,4'-biphenylene)], poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorene)-alt-co-(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene)], and poly[(9,9-dioctyl-2,7-diyl)-co-(1,4-(2,5-dihexyloxy)benzene)].
前記ポリフェニレン化合物としては、例えば、ポリ[2,5-ジオクチルオキシ-1,4-フェニレン]、ポリ[2,5-ジ(2-エチルヘキシルオキシ-1,4-フェニレン]などが挙げられる。
前記ポリアリールアミン化合物としては、例えば、ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-コ-(N,N’-ジフェニル)-N,N’-ジ(p-ヘキシルフェニル)-1,4-ジアミノベンゼン]、ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-コ-(N,N’-ビス(4-オクチルオキシフェニル)ベンジジン-N,N’-(1,4-ジフェニレン)]、ポリ[(N,N’-ビス(4-オクチルオキシフェニル)ベンジジン-N,N’-(1,4-ジフェニレン)]、ポリ[(N,N’-ビス(4-(2-エチルヘキシルオキシ)フェニル)ベンジジン-N,N’-(1,4-ジフェニレン)]、ポリ[フェニルイミノ-1,4-フェニレンビニレン-2,5-ジオクチルオキシ-1,4-フェニレンビニレン-1,4-フェニレン]、ポリ[p-トリルイミノ-1,4-フェニレンビニレン-2,5-ジ(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン-1,4-フェニレン]、ポリ[4-(2-エチルヘキシルオキシ)フェニルイミノ-1,4-ビフェニレン]などが挙げられる。
Examples of the polyphenylene compound include poly[2,5-dioctyloxy-1,4-phenylene] and poly[2,5-di(2-ethylhexyloxy-1,4-phenylene].
Examples of the polyarylamine compound include poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(N,N'-diphenyl)-N,N'-di(p-hexylphenyl)-1,4-diaminobenzene], poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(N,N'-bis(4-octyloxyphenyl)benzidine-N,N'-(1,4-diphenylene)], poly[(N,N'-bis(4-octyloxyphenyl)benzidine-N,N'-(1,4-diphenylene)], Examples of the poly[(N,N'-bis(4-(2-ethylhexyloxy)phenyl)benzidine-N,N'-(1,4-diphenylene)], poly[phenylimino-1,4-phenylenevinylene-2,5-dioctyloxy-1,4-phenylenevinylene-1,4-phenylene], poly[p-tolylimino-1,4-phenylenevinylene-2,5-di(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene-1,4-phenylene], poly[4-(2-ethylhexyloxy)phenylimino-1,4-biphenylene], and the like.
前記ポリチアジアゾール化合物としては、例えば、ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-コ-(1,4-ベンゾ(2,1’,3)チアジアゾール]、ポリ(3,4-ジデシルチオフェン-コ-(1,4-ベンゾ(2,1’,3)チアジアゾール)などが挙げられる。
これらの中でも、キャリア移動度やイオン化ポテンシャルの観点から、ポリチオフェン化合物及びポリアリールアミン化合物が好ましい。
Examples of the polythiadiazole compound include poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(1,4-benzo(2,1',3)thiadiazole], poly(3,4-didecylthiophene-co-(1,4-benzo(2,1',3)thiadiazole), and the like.
Among these, polythiophene compounds and polyarylamine compounds are preferred from the viewpoints of carrier mobility and ionization potential.
前記ホール輸送材料に各種添加剤を加えても構わない。
前記添加剤としては、例えば、ヨウ素、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化カルシウム、ヨウ化銅、ヨウ化鉄、ヨウ化銀等の金属ヨウ化物、ヨウ化テトラアルキルアンモニウム、ヨウ化ピリジニウム等の4級アンモニウム塩、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、臭化カルシウム等の金属臭化物、臭化テトラアルキルアンモニウム、臭化ピリジニウム等の4級アンモニウム化合物の臭素塩、塩化銅、塩化銀等の金属塩化物、酢酸銅、酢酸銀、酢酸パラジウム等の酢酸金属塩、硫酸銅、硫酸亜鉛等の金属硫酸塩、フェロシアン酸塩-フェリシアン酸塩、フェロセン-フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール-アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン等、ヨウ化1,2-ジメチル-3-n-プロピルイミダゾイニウム塩、ヨウ化1-メチル-3-n-ヘキシルイミダゾリニウム塩、1,2-ジメチル-3-エチルイミダゾリウムトリフロオロメタンスルホン酸塩、1-メチル-3-ブチルイミダゾリウムノナフルオロブチルスルホン酸塩、1-メチル-3-エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチル)スルホニルイミド等のInorg.Chem.35(1996)1168に記載のイオン液体、ピリジン、4-t-ブチルピリジン、ベンズイミダゾール、又はこれらの誘導体等の塩基性化合物、アルカリ金属塩などが挙げられる。
Various additives may be added to the hole transport material.
Examples of the additives include metal iodides such as iodine, lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, calcium iodide, copper iodide, iron iodide, and silver iodide; quaternary ammonium salts such as tetraalkylammonium iodide and pyridinium iodide; metal bromides such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, and calcium bromide; bromides of quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium bromide and pyridinium bromide; metal chlorides such as copper chloride and silver chloride; metal acetates such as copper acetate, silver acetate, and palladium acetate; metal sulfates such as copper sulfate and zinc sulfate; Examples of the ionic liquids include an anion salt-ferricyanate salt, a metal complex such as a ferrocene-ferricinium ion, sodium polysulfide, an alkylthiol-alkyl disulfide, and other sulfur compounds, viologen dyes, hydroquinone, 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazoinium iodide salt, 1-methyl-3-n-hexylimidazolinium iodide salt, 1,2-dimethyl-3-ethylimidazolium trifluoromethanesulfonate salt, 1-methyl-3-butylimidazolium nonafluorobutylsulfonate salt, and 1-methyl-3-ethylimidazolium bis(trifluoromethyl)sulfonylimide salts described in Inorg. Chem. 35 (1996) 1168, basic compounds such as pyridine, 4-t-butylpyridine, benzimidazole, or derivatives thereof, and alkali metal salts.
前記ホール輸送層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、多孔質状の電子輸送層の細孔に入り込んだ構造を有することが好ましく、電子輸送層上に0.01μm以上20μm以下がより好ましく、0.1μm以上10μm以下が更に好ましく、0.2μm以上2μm以下が特に好ましい。 The average thickness of the hole transport layer is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but it is preferable that the hole transport layer has a structure in which the hole transport layer penetrates into the pores of the porous electron transport layer, and the thickness on the electron transport layer is preferably 0.01 μm to 20 μm, more preferably 0.1 μm to 10 μm, and particularly preferably 0.2 μm to 2 μm.
前記ホール輸送層は、前記光増感化合物が含まれる前記電子輸送層の上に直接形成することができる。
前記ホール輸送層の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、真空蒸着等の真空中で薄膜を形成する方法、湿式製膜法などが挙げられる。これらの中でも、製造コストなどの点で、特に湿式製膜法が好ましく、前記電子輸送層上に塗布する方法が好ましい。
前記湿式製膜法を用いた場合、塗布方法としては、特に制限はなく、公知の方法にしたがって行うことができる。例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法、また、湿式印刷方法として、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等様々な方法を用いることができる。
The hole transport layer can be formed directly on the electron transport layer containing the photosensitizing compound.
The method for producing the hole transport layer is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, and examples of the method include a method for forming a thin film in a vacuum such as vacuum deposition, a wet film-forming method, etc. Among these, in terms of production costs, etc., the wet film-forming method is particularly preferred, and the method of coating on the electron transport layer is preferred.
When the wet film-forming method is used, the coating method is not particularly limited and can be performed according to a known method, such as a dip method, a spray method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, or a gravure coating method, and as a wet printing method, various methods such as letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, and screen printing can be used.
また、超臨界流体あるいは臨界点より低い温度・圧力の亜臨界流体中で製膜してもよい。
前記超臨界流体は、気体と液体が共存できる限界(臨界点)を超えた温度・圧力領域において非凝集性高密度流体として存在し、圧縮しても凝集せず、臨界温度以上、かつ臨界圧力以上の状態にある流体である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、臨界温度が低いものが好ましい。
前記超臨界流体としては、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、窒素、水、アルコール溶媒、炭化水素溶媒、ハロゲン溶媒、エーテル溶媒などが挙げられる。
前記アルコール溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n-ブタノールなどが挙げられる。
前記炭化水素溶媒としては、例えば、エタン、プロパン、2,3-ジメチルブタン、ベンゼン、トルエンなどが挙げられる。
前記ハロゲン溶媒としては、例えば、塩化メチレン、クロロトリフロロメタンなどが挙げられる。
前記エーテル溶媒としては、例えば、ジメチルエーテルなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、二酸化炭素が、臨界圧力7.3MPa、臨界温度31℃であることから、容易に超臨界状態をつくり出せるとともに、不燃性で取扱いが容易である点で特に好ましい。
前記亜臨界流体としては、臨界点近傍の温度及び圧力領域において、高圧液体として存在する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
上述した超臨界流体として挙げられる化合物は、前記亜臨界流体としても好適に使用することができる。
前記超臨界流体の臨界温度及び臨界圧力は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記臨界温度としては、-273℃以上300℃以下が好ましく、0℃以上200℃以下が特に好ましい。
更に、前記超臨界流体及び前記亜臨界流体に加え、有機溶媒やエントレーナーを併用することもできる。前記有機溶媒及び前記エントレーナーの添加により、前記超臨界流体中での溶解度の調整をより容易に行うことができる。
Alternatively, the film may be formed in a supercritical fluid or a subcritical fluid having a temperature and pressure lower than the critical point.
The supercritical fluid is not particularly limited as long as it exists as a non-coagulating high-density fluid in a temperature and pressure region exceeding the limit (critical point) at which gas and liquid can coexist, does not coagulate even when compressed, and is in a state of not less than the critical temperature and not less than the critical pressure, and can be appropriately selected depending on the purpose, although one with a low critical temperature is preferable.
Examples of the supercritical fluid include carbon monoxide, carbon dioxide, ammonia, nitrogen, water, alcohol solvents, hydrocarbon solvents, halogen solvents, and ether solvents.
Examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, and n-butanol.
Examples of the hydrocarbon solvent include ethane, propane, 2,3-dimethylbutane, benzene, and toluene.
Examples of the halogen solvent include methylene chloride and chlorotrifluoromethane.
The ether solvent includes, for example, dimethyl ether.
These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, carbon dioxide is particularly preferred because it has a critical pressure of 7.3 MPa and a critical temperature of 31° C., and therefore can easily produce a supercritical state, and is non-flammable and easy to handle.
The subcritical fluid is not particularly limited as long as it exists as a high-pressure liquid in the temperature and pressure range near the critical point, and can be appropriately selected depending on the purpose.
The compounds listed above as examples of supercritical fluids can also be suitably used as the subcritical fluid.
The critical temperature and critical pressure of the supercritical fluid are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. The critical temperature is preferably from -273°C to 300°C, particularly preferably from 0°C to 200°C.
Furthermore, in addition to the supercritical fluid and the subcritical fluid, an organic solvent and an entrainer can be used in combination. By adding the organic solvent and the entrainer, it is possible to more easily adjust the solubility in the supercritical fluid.
前記有機溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン溶媒、エステル溶媒、エーテル溶媒、アミド溶媒、ハロゲン化炭化水素溶媒、炭化水素溶媒などが挙げられる。
前記ケトン溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどが挙げられる。
前記エステル溶媒としては、例えば、ギ酸エチル、酢酸エチル、酢酸n-ブチルなどが挙げられる。
前記エーテル溶媒としては、例えば、ジイソプロピルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサンなどが挙げられる。
前記アミド溶媒としては、例えば、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-ピロリドンなどが挙げられる。
前記ハロゲン化炭化水素溶媒としては、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、1-クロロナフタレンなどが挙げられる。
前記炭化水素溶媒としては、例えば、n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタン、1,5-ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、エチルベンゼン、クメンなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
The organic solvent is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the organic solvent include ketone solvents, ester solvents, ether solvents, amide solvents, halogenated hydrocarbon solvents, and hydrocarbon solvents.
Examples of the ketone solvent include acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone.
Examples of the ester solvent include ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate.
Examples of the ether solvent include diisopropyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, and dioxane.
Examples of the amide solvent include N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolidone.
Examples of the halogenated hydrocarbon solvent include dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, and 1-chloronaphthalene.
Examples of the hydrocarbon solvent include n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene.
These may be used alone or in combination of two or more.
なお、前記光増感化合物を吸着した前記電子輸送性材料が含まれる前記電子輸送層上に、前記有機ホール輸送材料を設けた後、プレス処理を施しても構わない。前記プレス処理を施すことによって、前記有機ホール輸送材料がより多孔質電極である前記電子輸送層と密着するため効率が改善すると考えている。
前記プレス処理としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、IR錠剤成形器に代表されるような平板を用いたプレス成形法、ローラー等を用いたロールプレス法などが挙げられる。
前記プレス処理の圧力としては、10kgf/cm2以上が好ましく、30kgf/cm2以上がより好ましい。
前記プレス処理する時間は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1時間以下が好ましい。なお、前記プレス処理時に熱を加えてもよい。
In addition, after providing the organic hole transport material on the electron transport layer containing the electron transport material having the photosensitizing compound adsorbed thereon, a press treatment may be performed. It is considered that the press treatment improves the efficiency by making the organic hole transport material adhere more closely to the electron transport layer, which is a porous electrode.
The press treatment is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the press treatment include a press molding method using a flat plate such as an IR tablet molder, and a roll press method using a roller or the like.
The pressure of the press treatment is preferably 10 kgf/cm 2 or more, and more preferably 30 kgf/cm 2 or more.
The time for the press treatment is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably 1 hour or less. Heat may be applied during the press treatment.
前記プレス処理の際、プレス機と電極との間に離型剤を挟んでもよい。
前記離型剤としては、例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリクロロ三フッ化エチレン、四フッ化エチレン六フッ化プロピレン共重合体、ペルフルオロアルコキシフッ化樹脂、ポリフッ化ビニリデン、エチレン四フッ化エチレン共重合体、エチレンクロロ三フッ化エチレン共重合体、ポリフッ化ビニル等のフッ素樹脂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
During the pressing process, a release agent may be placed between the pressing machine and the electrode.
Examples of the release agent include fluororesins such as polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, perfluoroalkoxy fluoride resin, polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, and polyvinyl fluoride. These may be used alone or in combination of two or more.
前記プレス処理を行った後、前記第2の電極を設ける前に、前記有機ホール輸送材料と前記第2の電極との間に金属酸化物を設けてもよい。
前記金属酸化物としては、例えば、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化ニッケルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、酸化モリブデンが好ましい。
前記金属酸化物を前記ホール輸送層上に設ける方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スパッタリング、真空蒸着等の真空中で薄膜を形成する方法や湿式製膜法などが挙げられる。
前記湿式製膜法としては、金属酸化物の粉末、又はゾルを分散したペーストを調製し、前記ホール輸送層上に塗布する方法が好ましい。
前記湿式製膜法を用いた場合の塗布方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法などが挙げられる。また、湿式印刷方法としては、例えば、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷などが挙げられる。
塗布された前記金属酸化物の平均厚みとしては、0.1nm以上50nm以下が好ましく、1nm以上10nm以下がより好ましい。
After the pressing, and before providing the second electrode, a metal oxide may be provided between the organic hole transport material and the second electrode.
Examples of the metal oxide include molybdenum oxide, tungsten oxide, vanadium oxide, nickel oxide, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, molybdenum oxide is preferred.
The method for providing the metal oxide on the hole transport layer is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the method include a method for forming a thin film in a vacuum such as sputtering or vacuum deposition, and a wet film formation method.
The wet film-forming method is preferably a method in which a paste in which a powder or sol of a metal oxide is dispersed is prepared and then coated on the hole transport layer.
The coating method when the wet film-forming method is used is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include a dipping method, a spraying method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, a gravure coating method, etc. Examples of the wet printing method include letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing, etc.
The average thickness of the applied metal oxide is preferably from 0.1 nm to 50 nm, and more preferably from 1 nm to 10 nm.
<第2の電極>
前記第2の電極は、前記ホール輸送層上に、又は前記ホール輸送層における金属酸化物上に形成することができる。
前記第2の電極は、通常前記第1の電極と同様のものを用いることができ、強度や密封性が充分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必要ではない。
<Second Electrode>
The second electrode can be formed on the hole transport layer or on a metal oxide in the hole transport layer.
The second electrode can usually be the same as the first electrode, and a support is not necessarily required so long as the strength and sealing property are sufficiently maintained.
前記第2の電極の材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、炭素化合物、導電性金属酸化物、導電性高分子などが挙げられる。
前記金属としては、例えば、白金、金、銀、銅、アルミニウムなどが挙げられる。
前記炭素化合物としては、例えば、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンなどが挙げられる。
前記導電性金属酸化物としては、例えば、ITO、FTO、ATOなどが挙げられる。
前記導電性高分子としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアニリンなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
The material for the second electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the material include metals, carbon compounds, conductive metal oxides, and conductive polymers.
Examples of the metal include platinum, gold, silver, copper, and aluminum.
Examples of the carbon compound include graphite, fullerene, carbon nanotube, and graphene.
Examples of the conductive metal oxide include ITO, FTO, and ATO.
Examples of the conductive polymer include polythiophene and polyaniline.
These may be used alone or in combination of two or more.
前記第2の電極の形成については、用いられる材料の種類や前記ホール輸送層の種類により、適宜ホール輸送層上に、例えば、塗布、ラミネート、蒸着、CVD、貼り合わせ等の手法により形成可能である。 The second electrode can be formed on the hole transport layer by a suitable method, such as coating, lamination, deposition, CVD, or lamination, depending on the type of material used and the type of the hole transport layer.
光電変換素子においては、第1の電極と第2の電極の少なくともいずれかは実質的に透明であることが好ましい。第1の電極側が透明であり、入射光を第1の電極側から入射させる方法が好ましい。この場合、第2の電極側には光を反射させる材料を使用することが好ましく、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、あるいは金属薄膜が好ましく用いられる。また、入射光側に反射防止層を設けることも有効な手段である。 In a photoelectric conversion element, it is preferable that at least one of the first electrode and the second electrode is substantially transparent. It is preferable that the first electrode side is transparent and incident light is made incident from the first electrode side. In this case, it is preferable to use a material that reflects light on the second electrode side, and metal, glass on which a conductive oxide is vapor-deposited, plastic, or a thin metal film is preferably used. It is also an effective method to provide an anti-reflection layer on the incident light side.
<第3の電極>
前記第3の電極としては、その形状、大きさについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Third Electrode>
The shape and size of the third electrode are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
前記第3の電極は、例えば、前記第1の電極を作製する際に、同時に作製される。
そのため、前記第3の電極は、前記第1の電極と同じ材質、構造、厚みであることが挙げられる。
The third electrode is, for example, fabricated at the same time as the first electrode.
Therefore, the third electrode has the same material, structure, and thickness as the first electrode.
<封止部>
少なくとも光電変換層を、外部環境から遮蔽する封止部を有することが好ましい。
前記封止部が一対の基板に挟持されてなり、少なくとも前記電子輸送層及び前記ホール輸送層が、外部環境から遮蔽されていればよく、前記光電変換素子の封止部に空隙部を有していてもよい。
<Sealing part>
It is preferable that the device has a sealing portion that shields at least the photoelectric conversion layer from the external environment.
It is sufficient that the sealing portion is sandwiched between a pair of substrates and at least the electron transport layer and the hole transport layer are shielded from the external environment, and the sealing portion of the photoelectric conversion element may have a gap.
前記封止部の位置としては、少なくとも前記電子輸送層、ホール輸送層を外部環境から遮蔽する位置に配されれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記電子輸送層、ホール輸送層、及び第2の電極を覆うように、全面に設けてもよいし、第2の電極の上方に基板を配し、封止部材を前記基板の外縁に設け、第1の基板、第1の電極及びホールブロッキング層の少なくともいずれかと接着させてもよい。
後者のように、基板を配し、その外縁に封止部材を設ける構成は、光電変換素子、又は光電変換モジュールの内部に空隙部を設けることができる。空隙部は、酸素や湿度を制御することが可能であり、出力の向上や耐久性の向上に有効である。
The position of the sealing part is not particularly limited as long as it is disposed at a position that shields at least the electron transport layer and the hole transport layer from the external environment, and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the sealing part may be provided on the entire surfaces so as to cover the electron transport layer, the hole transport layer, and the second electrode, or a substrate may be disposed above the second electrode, and a sealing member may be provided on the outer edge of the substrate and bonded to at least any one of the first substrate, the first electrode, and the hole blocking layer.
The latter configuration, in which a substrate is disposed and a sealing member is provided on the outer edge thereof, can provide a gap inside the photoelectric conversion element or photoelectric conversion module. The gap can control oxygen and humidity, and is effective in improving output and durability.
前記封止部材としては、外気の水蒸気の侵入を阻害するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、低融点フリットガラス、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂などの紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、上記のような構成材料に加え、より水蒸気の浸入を阻害するため、乾燥剤を混合してもよい。
前記封止部材としてエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
前記封止部材としてエポキシ樹脂を用い、かつホール輸送層が上記一般式(1)、及び上記一般式(2)で示される3級アミン化合物の少なくともいずれかを有することにより、光電変換素子を高温高湿環境下に保存した場合においても、保存前の高い出力を維持することができる。
また、硬化物の柔軟性と基材との密着力が良好に保てるため、良好な機械的耐久性も得られる。
The sealing material is not particularly limited as long as it prevents the intrusion of water vapor from the outside air, and can be appropriately selected according to the purpose, and examples thereof include low-melting-point frit glass, ultraviolet-curable resins such as epoxy resins and acrylic resins, and thermosetting resins. These may be used alone or in combination of two or more. In addition to the above-mentioned constituent materials, a desiccant may be mixed in order to further prevent the intrusion of water vapor.
It is preferable to use an epoxy resin as the sealing member.
By using an epoxy resin as the sealing member and by having the hole transport layer contain at least one of the tertiary amine compounds represented by the general formula (1) and the general formula (2), the photoelectric conversion element can maintain a high output level before storage even when stored in a high-temperature and high-humidity environment.
Furthermore, the flexibility of the cured product and the adhesive strength to the substrate can be well maintained, so that good mechanical durability can be obtained.
前記エポキシ樹脂としては、分子内にエポキシ基を有するモノマーあるいはオリゴマーが硬化した樹脂であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水分散型、無溶剤型、固体型、熱硬化型、硬化剤混合型、紫外線硬化型などが挙げられる。これらの中でも、熱硬化型、紫外線硬化型が好ましく、紫外線硬化型がより好ましい。なお、紫外線硬化型であっても加熱されてもよい。
前記エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ノボラック型、環状脂肪族型、長鎖脂肪族型、グリシジルアミン型、グリシジルエーテル型、グリシジルエステル型などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記エポキシ樹脂は、必要に応じて、硬化剤、各種添加剤を含んでもよい。
前記硬化剤としては、例えば、アミン系、酸無水物系、ポリアミド系、その他の硬化剤などが挙げられる。
アミン系硬化剤は、例えば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどの脂肪族ポリアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンなどの芳香族ポリアミンなどが挙げられる。
酸無水物系硬化剤としては、例えば、無水フタル酸、テトラ及びヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ピロメリット酸、無水ヘット酸、ドデセニル無水コハク酸などが挙げられる。
その他の硬化剤としては、例えば、イミダゾール類、ポリメルカプタンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
The epoxy resin is not particularly limited as long as it is a resin obtained by curing a monomer or oligomer having an epoxy group in the molecule, and can be appropriately selected according to the purpose, and examples thereof include water-dispersed type, solventless type, solid type, heat-cured type, curing agent mixed type, and ultraviolet cured type. Among these, the heat-cured type and ultraviolet cured type are preferred, and the ultraviolet cured type is more preferred. The ultraviolet cured type may be heated.
Examples of the epoxy resin include bisphenol A type, bisphenol F type, novolac type, cyclic aliphatic type, long chain aliphatic type, glycidyl amine type, glycidyl ether type, glycidyl ester type, etc. These may be used alone or in combination of two or more types.
The epoxy resin may contain a curing agent and various additives, if necessary.
Examples of the curing agent include amine-based, acid anhydride-based, polyamide-based, and other curing agents.
Examples of the amine-based curing agent include aliphatic polyamines such as diethylenetriamine and triethylenetetramine, and aromatic polyamines such as metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane and diaminodiphenylsulfone.
Examples of acid anhydride curing agents include phthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride and hexahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylnadic anhydride, pyromellitic anhydride, HET acid anhydride, and dodecenylsuccinic anhydride.
Examples of other curing agents include imidazoles, polymercaptans, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
前記添加剤としては、例えば、充填材(フィラー)、スペーサー、重合開始剤、乾燥剤(吸湿剤)、硬化促進剤、カップリング剤、可とう化剤、着色剤、難燃助剤、酸化防止剤、有機溶剤などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、充填材、ギャップ剤、硬化促進剤、重合開始剤、乾燥剤(吸湿剤)が好ましく、充填材、重合開始剤が特に好ましい。 Examples of the additives include fillers, spacers, polymerization initiators, drying agents (moisture absorbents), hardening accelerators, coupling agents, flexibilizers, colorants, flame retardant assistants, antioxidants, and organic solvents. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, fillers, gap agents, hardening accelerators, polymerization initiators, and drying agents (moisture absorbents) are preferred, with fillers and polymerization initiators being particularly preferred.
-充填材-
前記充填材としては、外部環境下の水分や酸素の浸入を抑制する上で有効であるほか、硬化時の体積収縮の低減、硬化時あるいは加熱時のガスの発生量の低減、機械的強度の向上、熱伝導性や流動性の制御等の効果を得ることができ、本発明においても様々な環境でも安定した出力を維持する上で非常に有効である。
光電変換素子の出力特性や耐久性は、外部環境から光電変換素子内部に侵入する水分や酸素の影響だけでなく、封止部材の硬化時、及び加熱時に発生するガスによる影響を無視することができない。特に、加熱時に発生するガスの影響は、高温環境下で保存する場合における出力特性に大きな影響を及ぼす。
この場合、封止部材に充填材やギャップ剤、乾燥剤を含有させることにより、これら自身が水分や酸素の浸入を抑制できるほか、封止部材の使用量を低減できることにより、ガスの発生を低減させる効果を得ることができる。これは、硬化時だけでなく、前記光電変換素子を高温環境に保存した際にも有効である。
前記充填材としては、特に制限はなく、公知のものを用いることができ、例えば、結晶性あるいは不定形のシリカ、タルク、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素、珪酸カルシウム、炭酸カルシウム等の無機充填材が好ましく用いられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記充填材の平均一次粒径としては、0.1μm以上10μm以下が好ましく、1μm以上5μm以下がより好ましい。充填材の平均一次粒径が0.1μm以上10μm以下であることにより、水分や酸素の侵入を抑制する効果を十分に得ることができ、粘度が適正となり、基板との密着性や脱泡性の向上、あるいは封止部の幅の制御や作業性に対しても有効である。
前記充填材は封止部内に満遍なく配置されることが好ましい。これにより、水分や酸素の侵入を抑制する効果を十分に得ることができる。ギャップ剤やスペーサーを用いた場合、その界面付近にフィラーの密度が少ない層が形成されることがある。その場合、封止部幅方向において、フィラーの密度が少ない層の距離を長くすることで水分や酸素の侵入を抑制する効果を十分に得ることができる。フィラーの密度については、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)で測定することができる。
前記充填材の含有量としては、封止部材の全量に対して、10質量部以上90質量部以下が好ましく、20質量部以上70質量部以下がより好ましい。充填材の含有量が10質量部以上90質量部以下であると、水分や酸素の浸入抑制効果が十分に得られ、粘度も適正となり、密着性や作業性も良好となる。
-Filling material-
The filler is effective in suppressing the intrusion of moisture and oxygen in the external environment, and can also provide effects such as reducing volumetric shrinkage during curing, reducing the amount of gas generated during curing or heating, improving mechanical strength, and controlling thermal conductivity and fluidity, and is therefore extremely effective in maintaining stable output in various environments in the present invention.
The output characteristics and durability of a photoelectric conversion element are not only affected by moisture and oxygen that penetrate into the inside of the photoelectric conversion element from the external environment, but also by gases generated when the sealing member is cured and when heated, which cannot be ignored. In particular, the effect of gases generated when heated has a significant effect on the output characteristics when the element is stored in a high-temperature environment.
In this case, by including a filler, gap agent, or desiccant in the sealing material, these materials themselves can suppress the intrusion of moisture and oxygen, and the amount of sealing material used can be reduced, which has the effect of reducing gas generation. This is effective not only during curing, but also when the photoelectric conversion element is stored in a high-temperature environment.
The filler is not particularly limited and may be any known filler, and preferably used are, for example, crystalline or amorphous inorganic fillers such as silica, talc, alumina, aluminum nitride, silicon nitride, calcium silicate, calcium carbonate, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
The average primary particle size of the filler is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 1 μm to 5 μm. By making the average primary particle size of the filler 0.1 μm to 10 μm, the effect of suppressing the intrusion of moisture and oxygen can be sufficiently obtained, the viscosity becomes appropriate, and it is also effective in improving the adhesion and defoaming property with the substrate, or in controlling the width of the sealing part and in the workability.
The filler is preferably evenly distributed in the sealing portion. This allows the effect of suppressing the intrusion of moisture and oxygen to be sufficiently obtained. When a gap agent or spacer is used, a layer with low filler density may be formed near the interface. In this case, the effect of suppressing the intrusion of moisture and oxygen can be sufficiently obtained by lengthening the distance of the layer with low filler density in the sealing portion width direction. The density of the filler can be measured, for example, by a scanning electron microscope (SEM).
The content of the filler is preferably 10 parts by mass or more and 90 parts by mass or less, and more preferably 20 parts by mass or more and 70 parts by mass or less, based on the total amount of the sealing member. When the content of the filler is 10 parts by mass or more and 90 parts by mass or less, the effect of suppressing the intrusion of moisture and oxygen is sufficiently obtained, the viscosity is appropriate, and the adhesion and workability are also good.
-ギャップ剤-
前記ギャップ剤とは、ギャップ制御剤、スペーサー剤とも称され、封止部のギャップを制御することができる。例えば、第1の基板、又は第1の電極の上に、封止部材を付与し、その上に第2の基板を載せて封止を行う場合、エポキシ樹脂にギャップ剤を混合していることにより、封止部のギャップがギャップ剤のサイズに揃うため、容易に封止部のギャップを制御することができる。
前記ギャップ剤としては、粒状でかつ粒径が均一であり、耐溶剤性や耐熱性が高いものであれば、公知の材料を使用できる。前記エポキシ樹脂と親和性が高く、粒子形状が球形であるものが好ましい。具体的には、ガラスビーズ、シリカ微粒子、有機樹脂微粒子等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ギャップ剤の粒径としては、設定する封止部のギャップに合わせて選択可能であるが、1μm以上100μm以下が好ましく、5μm以上50μm以下がより好ましい。
封止部のギャップを制御する他の方法として、スペーサーを設けてもよい。
前記スペーサーは、前記光電変換層の外周部であればどこに配置されていてもよい。例えば、第1の基板上、第1の電極上、ホールブロッキング層上、デリーション層上、第2の電極上、第2の基板上などに配置してよく、これらの組み合わせでもよい。
前記スペーサーは、封止部の外側に配置されてもよく、封止部の内部に内包されてもよい。
スペーサーの材料は、外気の水蒸気の侵入を阻害するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、ガラス材料、金属材料、金属酸化物材料、エポキシ樹脂又はアクリル樹脂などの紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
-Gap agent-
The gap agent is also called a gap control agent or a spacer agent, and can control the gap of the sealing part. For example, when a sealing member is applied onto a first substrate or a first electrode, and a second substrate is placed thereon to perform sealing, the gap of the sealing part is made equal to the size of the gap agent by mixing the gap agent into the epoxy resin, and therefore the gap of the sealing part can be easily controlled.
As the gap agent, any known material can be used as long as it is granular, has a uniform particle size, and has high solvent resistance and heat resistance. It is preferable that the gap agent has a high affinity with the epoxy resin and has a spherical particle shape. Specific examples include glass beads, silica fine particles, and organic resin fine particles. These may be used alone or in combination of two or more types.
The particle size of the gap agent can be selected according to the gap of the sealing portion to be set, but is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 50 μm or less.
Another method for controlling the seal gap is to provide a spacer.
The spacer may be disposed anywhere on the periphery of the photoelectric conversion layer, for example, on the first substrate, the first electrode, the hole blocking layer, the deletion layer, the second electrode, the second substrate, or a combination thereof.
The spacer may be disposed outside the sealing portion, or may be contained within the sealing portion.
The spacer material is not particularly limited as long as it prevents the intrusion of water vapor from the outside air, and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, glass materials, metal materials, metal oxide materials, ultraviolet curing resins such as epoxy resins and acrylic resins, thermosetting resins, etc. can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more kinds.
-重合開始剤-
前記重合開始剤は、熱や光を用いて重合を開始させることを目的として添加される材料であり、熱重合開始剤、光重合開始剤が挙げられる。
前記熱重合開始剤は、加熱によってラジカルやカチオンなどの活性種を発生する化合物であり、具体的には、2,2'-アゾビスブチロニトリル(AIBN)のようなアゾ化合物、過酸化ベンゾイル(BPO)等の過酸化物などが挙げられる。
熱カチオン重合開始剤としては、例えば、ベンゼンスルホン酸エステル、アルキルスルホニウム塩などが挙げられる。
- Polymerization initiator -
The polymerization initiator is a material added for the purpose of initiating polymerization using heat or light, and examples of the polymerization initiator include a thermal polymerization initiator and a photopolymerization initiator.
The thermal polymerization initiator is a compound that generates active species such as radicals or cations when heated. Specific examples of the thermal polymerization initiator include azo compounds such as 2,2'-azobisbutyronitrile (AIBN) and peroxides such as benzoyl peroxide (BPO).
Examples of the thermal cationic polymerization initiator include benzenesulfonic acid esters and alkylsulfonium salts.
前記光重合開始剤は、エポキシ樹脂の場合、光カチオン重合開始剤が好ましく用いられる。エポキシ樹脂に光カチオン重合開始剤を混合し、光照射を行うと光カチオン重合開始剤が分解して、強酸を発生し、酸がエポキシ樹脂の重合を引き起こし、硬化反応が進行する。前記光カチオン重合開始剤は、硬化時の体積収縮が少なく、酸素阻害を受けず、貯蔵安定性が高いといった効果を有する。
前記光カチオン重合開始剤としては、例えば、芳香族ジアゾニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホニウム塩、メタセロン化合物、シラノール・アルミニウム錯体などが挙げられる。また、光を照射することにより酸を発生する機能を有する光酸発生剤も使用できる。
光酸発生剤は、カチオン重合を開始する酸として作用し、例えば、カチオン部とアニオン部からなるイオン性のスルホニウム塩系やヨードニウム塩系等のオニウム塩などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記重合開始剤の含有量としては、封止部材の全量に対して、0.5質量部以上10質量部以下が好ましく、1質量部以上5質量部以下がより好ましい。重合開始剤の含有量が0.5質量部以上10質量部以下であると、硬化が適正に進み、未硬化物の残存を低減することができ、ガスの発生量が過剰になるのを防止でき、有効である。
In the case of an epoxy resin, a photocationic polymerization initiator is preferably used as the photopolymerization initiator. When the photocationic polymerization initiator is mixed with the epoxy resin and irradiated with light, the photocationic polymerization initiator decomposes to generate a strong acid, which induces polymerization of the epoxy resin and progresses the curing reaction. The photocationic polymerization initiator has the effects of causing little volumetric shrinkage during curing, not being inhibited by oxygen, and having high storage stability.
Examples of the photocationic polymerization initiator include aromatic diazonium salts, aromatic iodonium salts, aromatic sulfonium salts, methacerone compounds, silanol-aluminum complexes, etc. Photoacid generators that generate an acid when irradiated with light can also be used.
The photoacid generator acts as an acid that initiates cationic polymerization, and examples of the photoacid generator include ionic onium salts such as sulfonium salts and iodonium salts, each of which is composed of a cationic moiety and an anionic moiety. These may be used alone or in combination of two or more kinds.
The content of the polymerization initiator is preferably 0.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less, and more preferably 1 part by mass or more and 5 parts by mass or less, based on the total amount of the sealing member. When the content of the polymerization initiator is 0.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less, curing proceeds appropriately, the amount of remaining uncured material can be reduced, and the generation of an excessive amount of gas can be prevented, which is effective.
-乾燥剤-
前記乾燥剤は、吸湿剤とも称され、水分を物理的あるいは化学的に吸着、吸湿する機能を有する材料であり、前記封止部材に含有させることにより、耐湿性を更に高めたり、前記アウトガスの影響を低減できたりする場合もあることから有効である。
前記乾燥剤としては、粒子状であるものが好ましく、例えば、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、シリカゲル、モレキュラーシーブ、ゼオライト等の無機吸水材料などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、吸湿量が多いゼオライトが好ましい。
-Desiccant-
The desiccant is also called a moisture absorbent, and is a material that has the function of physically or chemically adsorbing or absorbing moisture. By including it in the sealing member, it is effective because it can further increase the moisture resistance and in some cases reduce the effects of the outgassing.
The desiccant is preferably particulate, and examples thereof include inorganic water-absorbing materials such as calcium oxide, barium oxide, magnesium oxide, magnesium sulfate, sodium sulfate, calcium chloride, silica gel, molecular sieves, and zeolite. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, zeolite, which has a large moisture absorption capacity, is preferred.
-硬化促進剤-
前記硬化促進剤は、硬化触媒とも称され、硬化速度を速めることを目的として用いられ、主に熱硬化型のエポキシ樹脂に用いられる。
前記硬化促進剤としては、例えば、DBU(1,8-ジアザビシクロ(5,4,0)-ウンデセン-7)やDBN(1,5-ジアザビシクロ(4,3,0)-ノネン-5)等の三級アミンあるいは三級アミン塩、1-シアノエチル-2-エチル-4-メチルイミダゾールや2-エチル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾール系、トリフェニルホスフィンやテトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレ-ト等のホスフィンあるいはホスホニウム塩などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
- Hardening accelerator -
The curing accelerator is also called a curing catalyst, and is used for the purpose of accelerating the curing speed, and is mainly used for thermosetting epoxy resins.
Examples of the curing accelerator include tertiary amines or tertiary amine salts such as DBU (1,8-diazabicyclo(5,4,0)-undecene-7) and DBN (1,5-diazabicyclo(4,3,0)-nonene-5), imidazoles such as 1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole, and phosphines or phosphonium salts such as triphenylphosphine and tetraphenylphosphonium tetraphenylborate. These may be used alone or in combination of two or more.
-カップリング剤-
前記カップリング剤は、分子結合力を高める効果を有し、シランカップリング剤が挙げられ、例えば、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、N-フェニル-γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルメチルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-(ビニルベンジルアミノ)エチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン塩酸塩、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
-Coupling agent-
The coupling agent has the effect of increasing molecular bonding strength, and examples thereof include silane coupling agents, such as 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, N-phenyl-γ-aminopropyltrimethoxysilane, N-(2-aminoethyl)3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-(2-aminoethyl)3-aminopropylmethyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, N-(2-(vinylbenzylamino)ethyl)3-aminopropyltrimethoxysilane hydrochloride, and 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane. These may be used alone or in combination of two or more.
前記封止部材は、封止材、シール材あるいは接着剤として市販されているエポキシ樹脂組成物が知られており、本発明においても有効に使用することができる。これらの中でも、太陽電池や有機EL素子用途向けに開発、市販されているエポキシ樹脂組成物もあり、本発明において特に有効に使用できる。
前記市販品としては、例えば、商品名:TB3118、TB3114、TB3124、TB3125F(以上、スリーボンド社製)、WorldRock5910、WorldRock5920、WorldRock8723(以上、協立化学産業株式会社製)、WB90US(P)(以上、モレスコ社製)などが挙げられる。
また、エポキシ樹脂組成物は、例えば、特許第4918975号公報、特許第5812275号公報、特許第5835664号公報、特許第5930248号公報、特開2012-136614号公報に開示されており、これらも使用することができる。
The sealing member is an epoxy resin composition that is commercially available as a sealing material, a sealing material, or an adhesive, and can be effectively used in the present invention. Among these, there are epoxy resin compositions that have been developed and are commercially available for use in solar cells and organic EL elements, and can be particularly effectively used in the present invention.
Examples of the commercially available products include those under the trade names TB3118, TB3114, TB3124, TB3125F (all manufactured by ThreeBond Co., Ltd.), WorldRock5910, WorldRock5920, WorldRock8723 (all manufactured by Kyoritsu Chemical Industries Co., Ltd.), and WB90US(P) (all manufactured by Moresco).
In addition, epoxy resin compositions disclosed in, for example, Japanese Patent No. 4918975, Japanese Patent No. 5812275, Japanese Patent No. 5835664, Japanese Patent No. 5930248, and Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-136614 can also be used.
また、本発明においては、シート状封止材も有効に使用できる。
前記シート状封止材とは、シート上に予めエポキシ樹脂層を形成したもので、シートはガラスやガスバリア性の高いフィルム等が用いられ、本発明における基板に該当する。シート状封止材を、光電変換素子、又は光電変換モジュールの第2の電極の上に貼り付け、その後、硬化させることにより、封止部材及び基板を一度に形成することができる。シート上に形成するエポキシ樹脂層の形成パターンにより、光電変換素子の内部に空隙部を設けた構造にすることもでき、有効である。
前記空隙部に特に酸素を含有させることが好ましい。酸素を含有させることによって、ホール輸送層のホール輸送機能を長期にわたって安定に維持することが可能になり、光電変換素子あるいは光電変換モジュールの耐久性を向上させることができる。封止することによって設けられた光電変換素子内部の空隙部の酸素濃度は、酸素が含有していれば効果が得られるが、1.0体積%以上21.0体積%以下が好ましく、3.0体積%以上15.0体積%以下がより好ましい。
前記空隙部の酸素濃度は、酸素濃度を設定したグローブボックス内で封止を行うことにより制御することができる。酸素濃度の設定は、特定の酸素濃度を有するガスボンベを使用する方法や、窒素ガス発生装置を用いる方法によって行うことができる。グローブボックス内の酸素濃度は、市販されている酸素濃度計あるいは酸素モニターを用いて測定される。
封止によって形成された前記空隙部内の酸素濃度の測定は、例えば、大気圧イオン化質量分析計(API-MS)によって行うことができる。具体的には、光電変換素子、又は光電変換モジュールを不活性ガスで満たしたチャンバー内に設置し、チャンバー内で封止を開封し、チャンバー内の気体をAPI-MSで定量分析することにより、空隙部内に含まれる気体中のすべての成分を定量し、その総和に対する酸素の割合を算出することにより、酸素濃度を求めることができる。
酸素以外のガスとしては、不活性ガスが好ましく、窒素やアルゴンなどが挙げられる。
封止を行う際、グローブボックス内は酸素濃度とともに、露点を制御することが好ましく、出力やその耐久性向上に有効である。
露点とは、水蒸気を含む気体を冷却した時、凝結が開始される温度として定義される。 露点としては、0℃以下が好ましく、-20℃以下がより好ましい。下限としては、-50℃以上が好ましい。
また、第2の電極と封止部材との間にパッシベーション層を設けてもよい。パッシベーション層としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどが好ましい。
In the present invention, a sheet-like sealing material can also be effectively used.
The sheet-like sealing material is a sheet on which an epoxy resin layer is formed in advance, and the sheet is made of glass or a film with high gas barrier properties, and corresponds to the substrate in the present invention. The sheet-like sealing material is attached onto the photoelectric conversion element or the second electrode of the photoelectric conversion module, and then cured, thereby forming the sealing member and the substrate at the same time. Depending on the formation pattern of the epoxy resin layer formed on the sheet, it is also possible to effectively form a structure in which a void is provided inside the photoelectric conversion element.
It is particularly preferable to incorporate oxygen into the voids. By incorporating oxygen, it becomes possible to stably maintain the hole transport function of the hole transport layer for a long period of time, and the durability of the photoelectric conversion element or the photoelectric conversion module can be improved. The oxygen concentration of the voids inside the photoelectric conversion element provided by sealing is preferably 1.0 volume % or more and 21.0 volume % or less, and more preferably 3.0 volume % or more and 15.0 volume % or less, although the effect can be obtained as long as oxygen is contained.
The oxygen concentration in the gap can be controlled by sealing it in a glove box in which the oxygen concentration is set. The oxygen concentration can be set by using a gas cylinder having a specific oxygen concentration or by using a nitrogen gas generator. The oxygen concentration in the glove box is measured using a commercially available oxygen concentration meter or oxygen monitor.
The oxygen concentration in the gap formed by sealing can be measured, for example, by an atmospheric pressure ionization mass spectrometer (API-MS). Specifically, the photoelectric conversion element or the photoelectric conversion module is placed in a chamber filled with an inert gas, the seal is removed in the chamber, and the gas in the chamber is quantitatively analyzed by API-MS to quantify all components in the gas contained in the gap, and the ratio of oxygen to the sum of the components is calculated, thereby obtaining the oxygen concentration.
As the gas other than oxygen, an inert gas such as nitrogen or argon is preferable.
When sealing, it is preferable to control the dew point as well as the oxygen concentration inside the glove box, which is effective in improving the output and durability.
The dew point is defined as the temperature at which condensation begins when a gas containing water vapor is cooled. The dew point is preferably 0° C. or lower, more preferably −20° C. or lower. The lower limit is preferably −50° C. or higher.
A passivation layer may be provided between the second electrode and the sealing member. The passivation layer is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxide, etc. are preferable.
前記封止部材の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ディスペンス法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法、凸版、オフセット、凹版、ゴム版、スクリーン印刷などが挙げられる。 The method for forming the sealing member is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include dispensing, wire bar, spin coating, roller coating, blade coating, gravure coating, letterpress, offset, intaglio, rubber plate, and screen printing.
<光電変換素子の製造方法>
光電変換素子の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Method of Manufacturing Photoelectric Conversion Element>
The method for producing the photoelectric conversion element is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose.
光電変換素子の製造方法の一例について図5A~図5Fを用いて説明する。ここでは、光電変換素子の端部の形状の作製方法を中心に、図1Dに示す光電変換素子の製造方法を説明する。
基板1上に区画部となる箇所を設け、第1の電極2、ホールブロッキング層2、第3の電極12が形成された積層板を用意する(図5C)。
An example of a method for manufacturing a photoelectric conversion element will be described with reference to Figures 5A to 5F. Here, a method for manufacturing the photoelectric conversion element shown in Figure 1D will be described, focusing on a method for manufacturing the shape of the end portion of the photoelectric conversion element.
A laminate is prepared in which a portion that will become a partition is provided on a substrate 1, and a first electrode 2, a hole blocking layer 2, and a third electrode 12 are formed (FIG. 5C).
区画部は、第1の電極2、ホールブロッキング層3を製膜する際、レジストやマスクなどで保護することでパターン製膜して作製してもよい。
ホールブロッキング層3まで積層した積層板を用いて、後から区画部を形成する場合、次のように作製することもできる。
まず、基板1上に第1の電極の前駆体2Aが形成された積層板を用意する(図5A)。なお、第1の電極の前駆体2Aの材質は、第1の電極2の材質と同じである。
次に、第1の電極の前駆体2A上に、ホールブロッキング層の前駆体2Aを形成する(図5B)。なお、ホールブロッキング層の前駆体3Aの材質は、ホールブロッキング層3の材質と同じである。
次に、基板1側から、第1の電極の前駆体2A及びホールブロッキング層の前駆体3Aの一部を除去し、区画部を作製する(図5C)。
区画部形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、サンドブラスト法、ウオーターブラスト法、研磨法、化学エッチング法、レーザー加工法などが挙げられる。これらの中でも、レーザー加工法が好ましい。
区画部となる箇所の第1の電極の前駆体2A及びホールブロッキング層の前駆体3Aを除去することで、光電変換部となる箇所に第1の電極2及びホールブロッキング層3が形成される。また、電極接触部となる箇所に、第3の電極12が形成される。
The partitioning portion may be formed by forming a patterned film by protecting the first electrode 2 and the hole blocking layer 3 with a resist or a mask when forming the first electrode 2 and the hole blocking layer 3 .
When the partitions are to be formed later on a laminate plate having the hole blocking layer 3 laminated thereon, the laminate plate can be produced as follows.
First, a laminate having a first electrode precursor 2A formed on a substrate 1 is prepared (FIG. 5A). The material of the first electrode precursor 2A is the same as the material of the first electrode 2.
Next, a precursor 2A of a hole blocking layer is formed on the precursor 2A of the first electrode (FIG. 5B). The material of the precursor 3A of the hole blocking layer is the same as the material of the hole blocking layer 3.
Next, a part of the precursor 2A of the first electrode and a part of the precursor 3A of the hole blocking layer are removed from the substrate 1 side to prepare partitions (FIG. 5C).
The method for forming the partitions is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include sand blasting, water blasting, polishing, chemical etching, laser processing, etc. Among these, laser processing is preferred.
By removing the precursor 2A of the first electrode and the precursor 3A of the hole blocking layer from the portions that will become the partition parts, the first electrode 2 and the hole blocking layer 3 are formed in the portions that will become the photoelectric conversion parts. In addition, the third electrode 12 is formed in the portions that will become the electrode contact parts.
次に、光電変換部となる箇所、区画部となる箇所、及び電極接触部となる箇所の全てに電子輸送層14及びホール輸送層24を形成する(図5D)。
次に、電極接触部となる箇所に、ホール輸送層24から基板1の表面に達する複数の貫通孔13を形成する(図5E)。貫通孔13の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、サンドブラスト法、ウオーターブラスト法、研磨法、化学エッチング法、レーザー加工法などが挙げられる。これらの中でも、レーザー加工法が好ましい。これにより、微細な孔をサンドやエッチング、レジスト等を使うことなく形成でき、また、清浄に再現性よく加工することが可能となる。
次に、光電変換部となる箇所、区画部となる箇所、及び電極接触部となる箇所の全てのホール輸送層24上、及び貫通孔13に、第2の電極5を形成する(図5F)。
以上により、図1Dに示した光電変換素子が得られる。
Next, the electron transport layer 14 and the hole transport layer 24 are formed on all of the locations that will become the photoelectric conversion sections, the locations that will become the partition sections, and the locations that will become the electrode contact sections (FIG. 5D).
Next, a plurality of through holes 13 are formed at the locations that will become the electrode contact portions, extending from the hole transport layer 24 to the surface of the substrate 1 (FIG. 5E). The method for forming the through holes 13 is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include sand blasting, water blasting, polishing, chemical etching, and laser processing. Among these, the laser processing is preferred. This allows fine holes to be formed without using sand, etching, resist, etc., and also allows for clean and highly reproducible processing.
Next, a second electrode 5 is formed on all of the hole transport layer 24 in the areas that are to become the photoelectric conversion sections, the partition sections, and the electrode contact sections, and in the through holes 13 (FIG. 5F).
In this manner, the photoelectric conversion element shown in FIG. 1D is obtained.
<電子機器>
本発明に関する電子機器は、本発明の光電変換素子及び/又は光電変換モジュールと、前記光電変換素子及び/又は光電変換モジュールが光電変換することによって発生した電力によって動作する装置と、を有し、更に必要に応じてその他の装置を有する。
<Electronic devices>
The electronic device according to the present invention comprises a photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module according to the present invention, and a device that operates using power generated by photoelectric conversion by the photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module, and further comprises other devices as necessary.
<電源モジュール>
本発明に関する電源モジュールは、本発明の光電変換素子及び/又は光電変換モジュールと、電源ICと、を有し、更に必要に応じてその他の装置を有する。
本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールと、これらが発電することによって得られた電力により動作する装置を有する電子機器の具体的な実施形態について説明する。
<Power supply module>
The power supply module according to the present invention comprises the photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module of the present invention, and a power supply IC, and further comprises other devices as necessary.
A description will be given of specific embodiments of the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention, and electronic equipment having a device that operates using the electric power generated by these elements.
図6には、前記電子機器として、マウスを用いた一例を示す。
図6に示すように、光電変換素子、及び光電変換モジュールと電源IC、更に蓄電デバイスとを組み合わせ、供給される電力をマウスの制御回路の電源に接続する。これにより、マウスを使用していない時に蓄電デバイスに充電し、その電力でマウスを動作させることができ、配線や電池交換が不要なマウスを得ることができる。また、電池が不要になることで軽量化も可能となり、有効である。
図7には、マウスに光電変換素子を実装させた概略図を示した。光電変換素子及び電源IC、蓄電デバイスはマウス内部に実装されるが、光電変換素子に光が当たるように光電変換素子の上部は透明の筐体で覆われている。また、マウスの筐体すべてを透明な樹脂で成形することも可能である。光電変換素子の配置はこれに限られるものではなく、例えばマウスを手で覆っていても光が照射される位置に配置することも可能であり、好ましい場合がある。
本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールと、これらが発電することによって得られた電力により動作する装置を有する電子機器の他の実施形態について説明する。
図8には、前記電子機器として、パソコンに用いられるキーボードを用いた一例を示す。
図8に示すように、光電変換素子と電源IC、蓄電デバイスを組み合わせ、供給される電力をキーボードの制御回路の電源に接続する。これにより、キーボードを使用していない時に蓄電デバイスに充電し、その電力でキーボードを動作させることができ、配線や電池交換が不要なキーボードを得ることができる。また、電池が不要になることで軽量化も可能となり、有効である。
図9には、キーボードに光電変換素子を実装させた概略図を示した。光電変換素子及び電源IC、蓄電デバイスはキーボード内部に実装されるが、光電変換素子に光が当たるように光電変換素子の上部は透明の筐体で覆われている。キーボードの筐体すべてを透明な樹脂で成形することも可能である。光電変換素子の配置はこれに限られるものではない。
光電変換素子を組み込むスペースが小さい小型のキーボードの場合には、図10に示すように、キーの一部に小型の光電変換素子を埋め込むことも可能であり、有効である。
本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールと、これらが発電することによって得られた電力により動作する装置を有する電子機器の他の実施形態について説明する。
図11には、前記電子機器として、センサを用いた一例を示す。
図11に示すように、光電変換素子と電源IC、蓄電デバイスを組み合わせ、供給される電力をセンサ回路の電源に接続する。これにより、外部電源に接続する必要がなく、また電池交換を行う必要もなく、センサモジュールを構成することが可能となる。センシング対象としては、温湿度、照度、人感、CO2、加速度、UV、騒音、地磁気、気圧など、様々なセンサに応用でき、有効である。センサモジュールは、図11中Aに示すように、定期的に測定対象をセンシングし、読み取ったデータをPCやスマートフォンなどに無線通信で送信する構成になっている。
IoT社会の到来により、センサは急増することが予想されている。この無数のセンサの電池を一つ一つ交換するには大きな手間がかかり、現実的ではない。またセンサは、天井や壁など、電池交換しにくい場所にあることも作業性を悪くしている。光電変換素子により電力供給できることもメリットは非常に大きい。また、本発明の光電変換素子は、低照度でも高い出力を得ることができ、かつ出力の光入射角依存性が小さいことから、設置自由度が高いといったメリットも得られる。
本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールと、これらが発電することによって得られた電力により動作する装置を有する電子機器の他の実施形態について説明する。
図12には、前記電子機器として、ターンテーブルを用いた一例を示す。
図12に示すように、光電変換素子と電源IC、蓄電デバイスを組み合わせ、供給される電力をターンテーブル回路の電源に接続する。これにより、外部電源に接続する必要がなく、また電池交換を行う必要もなく、ターンテーブルを構成することが可能となる。
ターンテーブルは、例えば、商品を陳列するショーケースなどに用いられるが、電源の配線は見栄えが悪く、また電池交換の際には陳列物を撤去しなければならず、大きな手間がかかっていた。本発明の光電変換素子を用いることで、そのような不具合を解消でき、有効である。
FIG. 6 shows an example in which a mouse is used as the electronic device.
As shown in Fig. 6, a photoelectric conversion element, a photoelectric conversion module, a power supply IC, and a power storage device are combined, and the supplied power is connected to the power supply of the mouse's control circuit. This allows the mouse to be operated using the power that is charged in the power storage device when not in use, resulting in a mouse that does not require wiring or battery replacement. In addition, eliminating the need for batteries makes it possible to reduce the weight, which is also an advantage.
FIG. 7 shows a schematic diagram of a mouse equipped with a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element, power supply IC, and power storage device are mounted inside the mouse, but the upper part of the photoelectric conversion element is covered with a transparent housing so that light can hit the photoelectric conversion element. It is also possible to mold the entire housing of the mouse from transparent resin. The arrangement of the photoelectric conversion element is not limited to this, and it is also possible and preferable to arrange the photoelectric conversion element in a position where light is irradiated even when the mouse is covered with a hand.
Another embodiment of the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention, and electronic equipment including a device that operates using the electric power generated by these will be described.
FIG. 8 shows an example in which a keyboard used in a personal computer is used as the electronic device.
As shown in Fig. 8, a photoelectric conversion element, a power supply IC, and a power storage device are combined, and the supplied power is connected to the power supply of the keyboard's control circuit. This allows the power storage device to be charged when the keyboard is not in use, and the keyboard can be operated with that power, resulting in a keyboard that does not require wiring or battery replacement. In addition, eliminating the need for batteries makes it possible to reduce the keyboard's weight, which is also an advantage.
Fig. 9 shows a schematic diagram of a keyboard with a photoelectric conversion element mounted thereon. The photoelectric conversion element, power supply IC, and power storage device are mounted inside the keyboard, but the upper part of the photoelectric conversion element is covered with a transparent housing so that light can reach the photoelectric conversion element. It is also possible to mold the entire keyboard housing from transparent resin. The arrangement of the photoelectric conversion element is not limited to this.
In the case of a small keyboard in which the space for incorporating a photoelectric conversion element is small, it is possible and effective to embed a small photoelectric conversion element in part of a key, as shown in FIG.
Another embodiment of the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention, and electronic equipment including a device that operates using the electric power generated by these will be described.
FIG. 11 shows an example in which a sensor is used as the electronic device.
As shown in Fig. 11, a photoelectric conversion element, a power supply IC, and a power storage device are combined, and the supplied power is connected to the power supply of the sensor circuit. This makes it possible to configure a sensor module without the need to connect to an external power supply or replace batteries. This is effective as it can be applied to a variety of sensors for sensing objects such as temperature and humidity, illuminance, human presence, CO2 , acceleration, UV, noise, geomagnetism, and air pressure. As shown in A in Fig. 11, the sensor module is configured to periodically sense the object to be measured and transmit the read data to a PC, smartphone, etc. via wireless communication.
With the advent of the IoT society, it is expected that the number of sensors will increase rapidly. It is very time-consuming and unrealistic to replace the batteries in these countless sensors one by one. In addition, the fact that the sensors are located in places where it is difficult to replace the batteries, such as on ceilings and walls, also makes the work difficult. The fact that power can be supplied by photoelectric conversion elements is also a great advantage. In addition, the photoelectric conversion element of the present invention can obtain high output even at low illuminance, and has a small dependency on the light incidence angle of the output, so it has the advantage of being highly flexible in installation.
Another embodiment of the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention, and electronic equipment including a device that operates using the electric power generated by these will be described.
FIG. 12 shows an example in which a turntable is used as the electronic device.
As shown in Fig. 12, a photoelectric conversion element, a power supply IC, and a power storage device are combined, and the supplied power is connected to the power supply of the turntable circuit. This makes it possible to configure a turntable without the need to connect to an external power supply or replace batteries.
Turntables are used, for example, in showcases for displaying products, but the wiring for the power supply is unsightly, and the display items must be removed when replacing the batteries, which is a lot of work. By using the photoelectric conversion element of the present invention, such problems can be effectively eliminated.
<用途>
以上、本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールと、これらが発電することによって得られた電力により動作する装置を有する電子機器、及び電源モジュールについて説明したが、これらはごく一部であり、本発明の光電変換素子、あるいは光電変換モジュールが、これらの用途に限定されるものではない。
光電変換素子、及び光電変換モジュールは、発生した電流を制御する回路基盤等と組み合わせることにより、例えば、電源装置に応用できる。
電源装置を利用している機器類としては、例えば、電子卓上計算機、腕時計、携帯電話、電子手帳、電子ペーパーなどが挙げられる。
また、充電式や乾電池式の電気器具の連続使用時間を長くするための補助電源として、光電変換素子を有する電源装置を用いることができる。
<Applications>
The above describes the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention, and the electronic device and power supply module having a device that operates using the power generated by these elements. However, this is only a small part of the scope of the present invention, and the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention are not limited to these uses.
The photoelectric conversion element and the photoelectric conversion module can be applied to, for example, a power supply device by combining with a circuit board that controls the generated current.
Examples of devices that use power supply devices include electronic desk calculators, wristwatches, mobile phones, electronic notebooks, and electronic paper.
Furthermore, a power supply device having a photoelectric conversion element can be used as an auxiliary power supply for extending the continuous use time of rechargeable or battery-powered electrical appliances.
本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールは、自立型電源として機能させることができ、光電変換によって発生した電力を用いて、装置を動作させることが可能である。本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールは、光が照射されることにより発電することが可能であるため、電子機器を電源に接続したり、あるいは電池交換したりする必要がない。そのため、電源設備がない場所でも電子機器を動作させたり、身に着けて持ち歩いたり、電池交換が困難な場所でも電池を交換することなく、電子機器を動作させたりすることが可能である。また、乾電池を用いる場合は、その分、電子機器が重くなったり、サイズが大きくなったりするため、壁や天井への設置、あるいは持ち運びに支障を来すことがあるが、本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールは、軽量で薄いため、設置自由度が高く、身に着けたり、持ち歩く上でもメリットが大きい。
このように、本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールは、自立型電源として使用でき、様々な電子機器に組み合わせることができる。例えば、電子卓上計算機、腕時計、携帯電話、電子手帳、電子ペーパーなどの表示機器、マウスやキーボードなどのパソコンの付属機器、温湿度センサや人感センサなどの各種センサ機器、ビーコンやGPSなどの発信機、補助灯、リモコン等数多くの電子機器と組み合わせて使用することができる。
The photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention can function as an independent power source, and can operate a device using the power generated by photoelectric conversion. The photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention can generate power by being irradiated with light, so there is no need to connect the electronic device to a power source or replace the battery. Therefore, it is possible to operate the electronic device even in places where there is no power supply equipment, to carry it around on one's body, and to operate the electronic device without replacing the battery even in places where it is difficult to replace the battery. In addition, when dry batteries are used, the electronic device becomes heavy and large in size, which can cause problems in installation on a wall or ceiling or in carrying it around, but the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention are lightweight and thin, so they have a high degree of freedom in installation and are advantageous in terms of wearing and carrying them around.
In this way, the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention can be used as a standalone power source and can be combined with various electronic devices, such as display devices such as electronic desk calculators, wristwatches, mobile phones, electronic notebooks, and electronic paper, computer accessories such as mice and keyboards, various sensor devices such as temperature and humidity sensors and human presence sensors, transmitters such as beacons and GPS, auxiliary lights, and remote controls.
本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールは、特に低照度の光でも発電できるため、室内でも、更に薄暗い影のところでも発電することが可能であるため、適用範囲が広い。また、乾電池のように液漏れがなく、ボタン電池のように誤飲することもなく安全性が高い。更に、充電式や乾電池式の電気器具の連続使用時間を長くするための補助電源として用いることができる。このように、本発明の光電変換素子、及び光電変換モジュールと、それが光電変換することによって発生した電力によって動作する装置とを組み合わせることで、軽量で使い勝手がよく、設置自由度が高く、交換が不要で、安全性に優れ、かつ環境負荷低減にも有効な電子機器に生まれ変わることができる。 The photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention can generate electricity even under light with particularly low illuminance, and can generate electricity indoors and even in dimly lit shaded areas, making them applicable in a wide range of applications. In addition, they are highly safe as they do not leak like dry batteries and cannot be swallowed like button batteries. Furthermore, they can be used as auxiliary power sources to extend the continuous use time of rechargeable or battery-powered electrical appliances. In this way, by combining the photoelectric conversion element and photoelectric conversion module of the present invention with a device that operates on the power generated by the photoelectric conversion, electronic devices can be transformed into ones that are lightweight, easy to use, have a high degree of freedom in installation, do not require replacement, are safe, and are also effective in reducing the environmental impact.
本発明の光電変換素子及び/又は光電変換モジュールと、それが光電変換することによって発生した電力によって動作する装置とを組み合わせた電子機器の基本構成図を図13に示す。これは、光電変換素子に光が照射されると発電し、電力を取り出すことができる。機器の回路は、その電力によって動作することが可能になる。
しかし、光電変換素子は周囲の照度によって出力が変化するため、図13に示す電子機器は安定に動作することができない場合がある。この場合、図14に示すように、回路側に安定した電圧を供給するために、光電変換素子と機器の回路の間に光電変換素子用の電源ICを組み込むことが可能であり、有効である。
しかし、光電変換素子は十分な照度の光が照射されていれば発電できるが、発電するだけの照度が足りなくなると、所望の電力が得られなくなり、これが光電変換素子の欠点でもある。この場合には、図15に示すように、キャパシタ等の蓄電デバイスを電源ICと機器回路の間に搭載することによって、光電変換素子からの余剰電力を蓄電デバイスに充電することが可能となり、照度が低すぎる場合や、光電変換素子に光が当たらない場合でも、蓄電デバイスに蓄えられた電力を機器回路に供給することが可能になり、安定に動作させることが可能となる。
A basic configuration diagram of an electronic device that combines the photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module of the present invention with a device that operates with the electric power generated by the photoelectric conversion is shown in Fig. 13. When the photoelectric conversion element is irradiated with light, it generates electric power and can extract the electric power. The circuit of the device can operate with the electric power.
However, since the output of the photoelectric conversion element changes depending on the surrounding illuminance, the electronic device shown in Fig. 13 may not be able to operate stably. In this case, it is possible and effective to incorporate a power supply IC for the photoelectric conversion element between the photoelectric conversion element and the device circuit in order to supply a stable voltage to the circuit side, as shown in Fig. 14.
However, although a photoelectric conversion element can generate power if it is irradiated with light of sufficient illuminance, if the illuminance is insufficient to generate power, the desired power cannot be obtained, which is also a drawback of the photoelectric conversion element. In this case, as shown in Fig. 15, by mounting a power storage device such as a capacitor between the power supply IC and the device circuit, it becomes possible to charge the power storage device with the surplus power from the photoelectric conversion element, and even if the illuminance is too low or no light hits the photoelectric conversion element, it becomes possible to supply the power stored in the power storage device to the device circuit, enabling stable operation.
このように、本発明の光電変換素子及び/又は光電変換モジュールと、機器回路とを組み合わせた電子機器において、電源ICや蓄電デバイスを組み合わせることで、電源のない環境でも動作可能であり、また電池交換が不要で、安定に駆動させることが可能になり、光電変換素子のメリットを最大限に活かすことができる。
一方、本発明の光電変換素子及び/又は光電変換モジュールは、電源モジュールとしても使用することが可能であり、有用である。例えば、図16に示すように、本発明の光電変換素子及び/又は光電変換モジュールと、光電変換素子用の電源ICを接続すると、光電変換素子が光電変換することによって発生した電力を電源ICにて一定の電圧レベルで供給することが可能な直流電源モジュールを構成することができる。
更に、図17に示すように、電源ICに蓄電デバイスを追加することにより、光電変換素子が発生させた電力を蓄電デバイスに充電することが可能になり、照度が低すぎる場合や、光電変換素子に光が当たらない状態になっても、電力を供給することが可能な電源モジュールを構成することができる。
図16及び図17に示した本発明の電源モジュールは、従来の一次電池のように電池交換をすることなく、電源モジュールとして使用することが可能である。
In this way, in an electronic device that combines the photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module of the present invention with an equipment circuit, by combining a power supply IC and a power storage device, it is possible to operate even in an environment without a power source, and it is possible to operate stably without the need for battery replacement, thereby making it possible to maximize the benefits of the photoelectric conversion element.
On the other hand, the photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module of the present invention can be used as a power supply module and is useful. For example, as shown in Fig. 16, when the photoelectric conversion element and/or photoelectric conversion module of the present invention is connected to a power supply IC for the photoelectric conversion element, a DC power supply module can be configured that can supply the power generated by the photoelectric conversion of the photoelectric conversion element at a constant voltage level by the power supply IC.
Furthermore, as shown in FIG. 17, by adding a power storage device to the power supply IC, it becomes possible to charge the power generated by the photoelectric conversion element into the power storage device, thereby configuring a power supply module that can supply power even when the illuminance is too low or when the photoelectric conversion element is not exposed to light.
The power supply module of the present invention shown in FIGS. 16 and 17 can be used as a power supply module without the need for battery replacement as with conventional primary batteries.
(光電変換モジュール)
本発明の光電変換モジュールは、本発明の光電変換素子を複数有し、更に必要に応じて、その他の部材などを有する。
前記複数の光電変換素子のうちの互いに隣接する第1の光電変換素子及び第2の光電変換素子において、前記第1の光電変換素子の前記第3の電極は、前記第2の光電変換素子の前記第1の電極と電気的に接続されている。例えば、前記第1の光電変換素子の前記第3の電極は、前記第2の光電変換素子の前記第1の電極と一体化されている。
なお、光電変換モジュールにおいては、通常、複数の光電変換素子における基板を、1枚の基板が兼ねていることが多い。
光電変換モジュールとしては、複数の光電変換素子が、直列又は並列に接続される構成などが挙げられる。
光電変換モジュールは、一対の基板を有し、前記一対の基板の間に前記光電変換素子配置領域を有し、前記封止部材が前記一対の基板に挟持された構成とすることができる。
(Photoelectric conversion module)
The photoelectric conversion module of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements of the present invention, and further includes other members, etc., as necessary.
In a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element that are adjacent to each other among the plurality of photoelectric conversion elements, the third electrode of the first photoelectric conversion element is electrically connected to the first electrode of the second photoelectric conversion element. For example, the third electrode of the first photoelectric conversion element is integrated with the first electrode of the second photoelectric conversion element.
In a photoelectric conversion module, a single substrate usually serves as the substrate for a plurality of photoelectric conversion elements.
The photoelectric conversion module may have a configuration in which a plurality of photoelectric conversion elements are connected in series or in parallel.
The photoelectric conversion module may have a pair of substrates, a photoelectric conversion element arrangement region between the pair of substrates, and the sealing member sandwiched between the pair of substrates.
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、防湿性バックシート、ガラスプレートなどが挙げられる。 The other components are not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include a moisture-proof back sheet and a glass plate.
ここで、光電変換モジュールにおける隣接する光電変換素子間の電気的な接続の一例を、図18A及び図18Bを用いて説明する。
図18Aは、光電変換モジュール100を基板側から見た図である。説明の関係上、基板を省略し、第1の電極2が図示されるようにしている。
図18Bは、光電変換モジュール100を第2の電極5側から見た図である。図18Bは、図18Aの光電変換モジュール100を上下方向に180°回転させた図である。
光電変換モジュール100は、3つの光電変換素子(第1の光電変換素子10A、第2の光電変換素子10B、第3の光電変換素子10C)から構成されている。
第1の光電変換素子10Aは、光電変換部51A、電極接触部52A、及び区画部53Aを有する。
第2の光電変換素子10Bは、光電変換部51B、電極接触部52B、及び区画部53Bを有する。
第3の光電変換素子10Cは、光電変換部51Cを有する。
第1の光電変換素子10Aの電極接触部52Aの第3の電極12は、第2の光電変換素子10Bの第1の電極2と一体化されている。
第2の光電変換素子10Bの電極接触部52Bの第3の電極12は、第3の光電変換素子10Cの第1の電極2と一体化されている。
第1の光電変換素子10Aにおいて、第2の電極5は、光電変換部51A、区画部53A、及び電極接触部52Aに跨っている。
第2の光電変換素子10Bにおいて、第2の電極5は、光電変換部51B、区画部53B、及び電極接触部52Bに跨っている。
これら3つの光電変換素子の第1の電極2及び第3の電極12は、例えば、透明導電層が形成された1枚の基板の透明導電層を、フォトリソグラフィによりパターニングすることにより作製することができる。その他、サンドブラスト法、ウオーターブラスト法、研磨法、化学エッチング法、レーザー加工法などでも作製することができる。これらの中でも、レーザー加工法が好ましい。そうすることにより、第1の光電変換素子10Aの電極接触部52Aの第3の電極12と、第2の光電変換素子10Bの第1の電極2とを、一体化させることができる。
Here, an example of electrical connection between adjacent photoelectric conversion elements in a photoelectric conversion module will be described with reference to FIGS. 18A and 18B. FIG.
18A is a view of the photoelectric conversion module 100 as viewed from the substrate side. For ease of explanation, the substrate is omitted and only the first electrode 2 is shown.
Fig. 18B is a diagram of the photoelectric conversion module 100 as viewed from the side of the second electrode 5. Fig. 18B is a diagram of the photoelectric conversion module 100 of Fig. 18A rotated 180° in the up-down direction.
The photoelectric conversion module 100 is composed of three photoelectric conversion elements (a first photoelectric conversion element 10A, a second photoelectric conversion element 10B, and a third photoelectric conversion element 10C).
The first photoelectric conversion element 10A has a photoelectric conversion portion 51A, an electrode contact portion 52A, and a partition portion 53A.
The second photoelectric conversion element 10B has a photoelectric conversion portion 51B, an electrode contact portion 52B, and a partition portion 53B.
The third photoelectric conversion element 10C has a photoelectric conversion portion 51C.
The third electrode 12 of the electrode contact portion 52A of the first photoelectric conversion element 10A is integrated with the first electrode 2 of the second photoelectric conversion element 10B.
The third electrode 12 of the electrode contact portion 52B of the second photoelectric conversion element 10B is integrated with the first electrode 2 of the third photoelectric conversion element 10C.
In the first photoelectric conversion element 10A, the second electrode 5 spans the photoelectric conversion portion 51A, the partition portion 53A, and the electrode contact portion 52A.
In the second photoelectric conversion element 10B, the second electrode 5 spans a photoelectric conversion portion 51B, a partition portion 53B, and an electrode contact portion 52B.
The first electrode 2 and the third electrode 12 of these three photoelectric conversion elements can be fabricated, for example, by patterning the transparent conductive layer of a single substrate on which a transparent conductive layer is formed, by photolithography. They can also be fabricated by sandblasting, water blasting, polishing, chemical etching, laser processing, and the like. Among these, the laser processing is preferred. By doing so, the third electrode 12 of the electrode contact portion 52A of the first photoelectric conversion element 10A and the first electrode 2 of the second photoelectric conversion element 10B can be integrated.
また、光電変換モジュールにおける光電変換層は、互いに隣接する光電変換素子間で延設され、一体化していてもよいが、電子輸送層、及びホール輸送層のどちらか一方のみ延設され、一体化している方が好ましく、光電変換層が延設されていない方がより好ましい。
光電変換層、電子輸送層、あるいはホール輸送層が延設され、一体化している場合、隣接する光電変換素子間の最小距離は10μm以上が好ましく、30μm以上がより好ましく、100μm以上が更に好ましい。ここで隣接する光電変換素子間の最小距離は、隣接する各光電変換素子の第1の電極間あるいは第2の電極間の距離の短い方の距離である。
光電変換層が延設されていない場合、隣接する光電変換素子間の最小距離は特に限定されるものでなく、任意の距離をとることができる。
上記好ましい範囲であると、隣接する光電変換素子間の電気抵抗が十分高いため、隣接する光電変換素子間を流れるリーク電流を抑えることができ、高い光電変換特性が得られる。リーク電流を抑えることは、特に低照度における光電変換特性の向上に有利である。
In addition, the photoelectric conversion layer in the photoelectric conversion module may be extended between adjacent photoelectric conversion elements and integrated together, but it is preferable that only one of the electron transport layer and the hole transport layer is extended and integrated together, and it is more preferable that the photoelectric conversion layer is not extended.
When the photoelectric conversion layer, the electron transport layer, or the hole transport layer is extended and integrated, the minimum distance between adjacent photoelectric conversion elements is preferably 10 μm or more, more preferably 30 μm or more, and even more preferably 100 μm or more. Here, the minimum distance between adjacent photoelectric conversion elements is the shorter of the distance between the first electrodes or the distance between the second electrodes of each adjacent photoelectric conversion element.
When the photoelectric conversion layer is not extended, the minimum distance between adjacent photoelectric conversion elements is not particularly limited and can be any distance.
In the above preferred range, the electrical resistance between adjacent photoelectric conversion elements is sufficiently high, so that the leakage current flowing between adjacent photoelectric conversion elements can be suppressed, and high photoelectric conversion characteristics can be obtained. Suppressing the leakage current is advantageous for improving the photoelectric conversion characteristics, particularly at low illuminance.
ここで、図19Aは、光電変換モジュールにおける互いに隣接する光電変換素子間の一例を示す断面概略図である。
図19B及び図19Cは、互いに隣接する光電変換素子間において、電子輸送層及びホール輸送層の少なくともどちらか一方が延設されていない光電変換モジュールの一例を示す断面概略図である。
図19Dから図19Kは、互いに隣接する光電変換素子間において、光電変換層が延設されていない光電変換モジュールの一例を示す断面概略図である。
Here, FIG. 19A is a schematic cross-sectional view showing an example of a gap between adjacent photoelectric conversion elements in a photoelectric conversion module.
19B and 19C are schematic cross-sectional views showing an example of a photoelectric conversion module in which at least one of the electron transport layer and the hole transport layer is not extended between adjacent photoelectric conversion elements.
19D to 19K are schematic cross-sectional views showing an example of a photoelectric conversion module in which a photoelectric conversion layer does not extend between adjacent photoelectric conversion elements.
以下、本発明を実施例及び比較例を挙げて説明する。なお、本発明はここに例示される実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples. Note that the present invention is not limited to the examples exemplified here.
(実施例1~14)
<光電変換素子の作製>
まず、第1の基板としてのガラス基板上に、第1の電極としてのITO導電膜をスパッタ製膜インジウムドープ酸化錫(ITO)とニオブドープ酸化錫(NTO)を順次スパッタ製膜したITOコ-トガラス上に、酸素ガスによる反応性スパッタにより、ホールブロッキング層として酸化チタンからなる緻密な層を形成した。(ITO導電膜平均厚み:250nm)
次に、ITO導電膜及びホールブロッキング層をレーザー照射により、一部を衝撃剥離した。レーザーを照射する位置は、区画部となる箇所である。
レーザー装置は、西進商事株式会社製レーザーパターニング装置を用い、発振器をTHG(Third Harmonic Generation)発振器、出力を9.0μJ、波長を355nmとした。前記レーザーパターニング装置の加工周波数、加工速度、及び加工ピッチを制御することにより、加工パターンを任意に設定できる。区画部の長さ、長軸、短軸共に表2-1及び表2-2のように加工した。
次に、酸化チタン(商品名:P90、日本アエロジル株式会社製)3g、アセチルアセトン0.2g、及び界面活性剤としてのポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル(和光純薬工業株式会社製)0.3gを、水5.5g、エタノール1.0gとともに12時間ビーズミル処理を施し、酸化チタン分散液を作製した。作製した酸化チタン分散液にポリエチレングリコール(商品名:ポリエチレングリコール20,000、和光純薬工業株式会社製)1.2gを加えてペーストを作製した。作製したペーストを、前記ホールブロッキング層上に塗布し(平均厚み:1.5μm)、50℃で乾燥した後、空気中、500℃で30分間焼成し、多孔質状の電子輸送層を形成した。
前記電子輸送層を形成したガラス基板を、下記構造式(A)で表される光増感化合物(商品名:DN455、株式会社ケミクレア製)0.2mM及びケノデオキシコール酸(CDCA、東京化成工業株式会社製)0.4mMのアセトニトリル/t-ブタノール(体積比1:1)溶液に浸漬し、1時間暗所で静置して、電子輸送層の表面に光増感化合物を吸着させた。
(Examples 1 to 14)
<Fabrication of photoelectric conversion element>
First, an ITO conductive film as a first electrode was formed by sputtering on a glass substrate as a first substrate. On the ITO-coated glass on which indium-doped tin oxide (ITO) and niobium-doped tin oxide (NTO) were successively sputtered, a dense layer made of titanium oxide was formed as a hole blocking layer by reactive sputtering with oxygen gas. (ITO conductive film average thickness: 250 nm)
Next, the ITO conductive film and the hole blocking layer were partially impact peeled off by laser irradiation, at the positions that were to become the partitions.
The laser device used was a laser patterning device manufactured by Seishin Shoji Co., Ltd., with an oscillator being a THG (Third Harmonic Generation) oscillator, an output of 9.0 μJ, and a wavelength of 355 nm. By controlling the processing frequency, processing speed, and processing pitch of the laser patterning device, the processing pattern can be set arbitrarily. The length, major axis, and minor axis of the partitioned portion were processed as shown in Tables 2-1 and 2-2.
Next, 3 g of titanium oxide (trade name: P90, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), 0.2 g of acetylacetone, and 0.3 g of polyoxyethylene octylphenyl ether (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a surfactant were subjected to a bead mill treatment together with 5.5 g of water and 1.0 g of ethanol for 12 hours to prepare a titanium oxide dispersion. 1.2 g of polyethylene glycol (trade name: polyethylene glycol 20,000, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the prepared titanium oxide dispersion to prepare a paste. The prepared paste was applied on the hole blocking layer (average thickness: 1.5 μm), dried at 50 ° C., and then baked in air at 500 ° C. for 30 minutes to form a porous electron transport layer.
The glass substrate on which the electron transport layer was formed was immersed in an acetonitrile/t-butanol (volume ratio 1:1) solution containing 0.2 mM of a photosensitizing compound represented by the following structural formula (A) (product name: DN455, manufactured by Chemiclea Co., Ltd.) and 0.4 mM of chenodeoxycholic acid (CDCA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), and allowed to stand in a dark place for 1 hour to allow the photosensitizing compound to be adsorbed onto the surface of the electron transport layer.
次に、前記D-7で表されるホール輸送材料(メルク株式会社製)246.5mgのクロロベンゼン溶液1mLに、添加剤としてのリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(商品名:LiTFSI、東京化成工業株式会社製)37.0mg、前記C-1で表される塩基性化合物37.5mgを加えて溶解し、ホール輸送層塗布液を調製した。
次に、前記光増感化合物を吸着させた電子輸送層上に、前記ホール輸送層塗布液を用いたスピンコートにより、ホール輸送層を形成した(平均厚み:600nm)。
次に、電極接触部形成のため、ホール輸送層からITO導電膜の表面、あるいは基板表面に達する複数の貫通孔を形成した。貫通孔はレーザー照射によって形成した。
表2-1及び表2-2における貫通孔の表記「ITO導電膜まで」は基板表面に達する貫通孔を形成したときである。また、貫通孔の表記「ホールブロッキング層まで」はITO導電膜の表面に達する貫通孔を形成したときである。
レーザー装置は、西進商事株式会社製レーザーパターニング装置を用い、ドット径と加工ピッチ、及び加工距離は表2-1及び表2-2に示す通りとした。
ドット径が0.05mm、ピッチが0.045mmのとき、ドットが重なるため図3に示すような貫通孔形状となる。ドット径が0.05mm、ピッチが0.06mmのとき、ドットは重ならず円形の貫通孔が複数形成される。
また、実施例1及び2においては、第3の電極上及び区画部から電子輸送層及びホール輸送層をレーザー照射により衝撃剥離し、除去した。
その後、ホール輸送層上に銀を真空蒸着し、第2の電極(平均厚み:100nm)を形成し、光電変換素子を作製した。
第2の電極を形成後、封止部材としてのエポキシ樹脂(紫外線硬化型、商品名:WorldRockNo.5910、協立化学産業株式会社製)を、スクリーン印刷機(マイクロ・テック社製)を用いて塗布した。幅方向の構造はスクリーン印刷版(ソノコム社製)の印刷パターン設計により、調整することができる。
次に、グローブボックス内に窒素ガスを導入し、その中に移して、前記封止部材の上に第2の基板としてのカバーガラスを載せた後、紫外線照射により前記封止部材を硬化させ、発電領域の封止を行い、実施例1~14の光電変換素子を作製した。
得られた実施例1~14の光電変換素子における発電特性を表2-1及び表2-2に示した。
貫通孔面積S11及び接触面積S1において、走査型電子顕微鏡(SEM)(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用い観察及び測定を行った。
Next, 37.0 mg of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (trade name: LiTFSI, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) as an additive and 37.5 mg of the basic compound represented by C-1 were added and dissolved in 1 mL of a chlorobenzene solution containing 246.5 mg of the hole transport material represented by D-7 (manufactured by Merck Ltd.) to prepare a hole transport layer coating solution.
Next, the hole transport layer coating solution was spin-coated on the electron transport layer having the photosensitizing compound adsorbed thereon to form a hole transport layer (average thickness: 600 nm).
Next, in order to form electrode contacts, a plurality of through holes were formed from the hole transport layer to the surface of the ITO conductive film or to the surface of the substrate by laser irradiation.
In Tables 2-1 and 2-2, the notation "up to the ITO conductive film" for the through hole refers to the case where the through hole reaches the substrate surface, and the notation "up to the hole blocking layer" for the case where the through hole reaches the surface of the ITO conductive film.
The laser device used was a laser patterning device manufactured by Seishin Shoji Co., Ltd., and the dot diameter, processing pitch, and processing distance were as shown in Tables 2-1 and 2-2.
When the dot diameter is 0.05 mm and the pitch is 0.045 mm, the dots overlap, resulting in a through-hole shape as shown in Fig. 3. When the dot diameter is 0.05 mm and the pitch is 0.06 mm, the dots do not overlap and multiple circular through-holes are formed.
In Examples 1 and 2, the electron transport layer and the hole transport layer were impact peeled off and removed from the third electrode and the partitioning portion by laser irradiation.
Thereafter, silver was vacuum-deposited on the hole transport layer to form a second electrode (average thickness: 100 nm), thereby completing a photoelectric conversion element.
After forming the second electrode, an epoxy resin (ultraviolet-curable, product name: WorldRock No. 5910, manufactured by Kyoritsu Chemical Industries Co., Ltd.) was applied as a sealing material using a screen printer (manufactured by Micro-Tec Co., Ltd.) The widthwise structure can be adjusted by the printing pattern design of a screen printing plate (manufactured by Sonocom Co., Ltd.).
Next, nitrogen gas was introduced into a glove box, and the device was moved therein. A cover glass serving as a second substrate was then placed on top of the sealing member. The sealing member was then cured by ultraviolet light irradiation to seal the power generation region, thereby producing the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 14.
The power generation characteristics of the obtained photoelectric conversion elements of Examples 1 to 14 are shown in Tables 2-1 and 2-2.
The through-hole area S11 and the contact area S1 were observed and measured using a scanning electron microscope (SEM) (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).
<初期最大出力電力(Pmax1)、及び直線性(Pmax2/Pmax1)>
作製した各光電変換素子について、200lxに調整した白色LED照射下で、太陽電池評価システム(直流電圧・電流源/モニター、6241A、株式会社エーディーシ-製)を用いて、IV特性を評価し、初期最大出力電力Pmax1(μW/cm2)を求めた。
次に、20000lxに調整した白色LED照射下で、太陽電池評価システム(直流電圧・電流源/モニター、6241A、株式会社エーディーシ-製)を用いて、IV特性を評価し、初期最大出力電力Pmax2(μW/cm2)を求めた。
得られたPmax2を初期値であるPmax1で除することにより、100倍照度に対する「直線性」(Pmax2/Pmax1)を求めた。なお、(Pmax2/Pmax1)が、80~120であれば、直線性があるといえる。
<Initial maximum output power (Pmax1) and linearity (Pmax2/Pmax1)>
For each of the produced photoelectric conversion elements, the IV characteristics were evaluated under irradiation of a white LED adjusted to 200 lx using a solar cell evaluation system (DC voltage/current source/monitor, 6241A, manufactured by ADC Corporation), and the initial maximum output power Pmax1 (μW/cm 2 ) was calculated.
Next, under irradiation of a white LED adjusted to 20,000 lx, the IV characteristics were evaluated using a solar cell evaluation system (DC voltage/current source/monitor, 6241A, manufactured by ADC Corporation) to determine the initial maximum output power Pmax2 (μW/cm 2 ).
The "linearity" (Pmax2/Pmax1) for 100 times the illuminance was obtained by dividing the obtained Pmax2 by the initial value Pmax1. It should be noted that if (Pmax2/Pmax1) is between 80 and 120 , it can be said that there is linearity.
表2-1、表2-2、表3-1、表3-2、及び表4中、「光電変換層が延在」の項目の「〇」は、区画部を介して電極接触部に光電変換層が延在しており、電極接触部において、第2の電極が電極接触部に延在した光電変換層を貫通して第3の電極と接触していることを表し、「×」は、電極接触部に光電変換層が延在していないことを表す。
In Tables 2-1, 2-2, 3-1, 3-2, and 4, in the item "Photoelectric conversion layer extends" an "O" indicates that the photoelectric conversion layer extends to the electrode contact portion via the partition portion, and that at the electrode contact portion, the second electrode penetrates the photoelectric conversion layer extending to the electrode contact portion and contacts the third electrode, and an "X" indicates that the photoelectric conversion layer does not extend to the electrode contact portion.
(実施例15~23)
図18A及び図18Bに例示するように、レーザー装置により、第1の電極であるITO導電膜をレーザーエッチングし、8セル直列基板となるように加工した。ホール輸送層形成後、レーザー加工により、光電変換素子を直列に接続するための貫通孔を形成した。
このとき、図19Cに例示するように、ITO導電膜と同時に多孔質状の酸化チタン層もレーザーエッチングした。隣接する、ITO導電膜間の平均距離は30μmとなるように加工した。
レーザー装置は、西進商事株式会社製レーザーパターニング装置を用い、ドット径と加工ピッチ、及び加工距離は表3-1及び表3-2に示す通りとした。
その後、ホール輸送層上に8セル直列となるようにパターニングされたマスクを用い、銀を真空蒸着して第2の電極(平均厚み:100nm)を形成した以外は、実施例4~13と同様にして光電変換モジュールを作製した。このとき、隣接する、銀電極間の平均距離は200μmとなるようにした。
実施例1と同様に(Pmax2/Pmax1)を求めた。結果を、表3-1、及び表3-2に示した。
(Examples 15 to 23)
18A and 18B, the ITO conductive film, which is the first electrode, was laser-etched by a laser device to form a substrate with eight cells connected in series. After the hole transport layer was formed, through holes for connecting the photoelectric conversion elements in series were formed by laser processing.
At this time, as shown in Fig. 19C, the porous titanium oxide layer was also laser etched at the same time as the ITO conductive film. The average distance between adjacent ITO conductive films was processed to be 30 µm.
The laser device used was a laser patterning device manufactured by Seishin Shoji Co., Ltd., and the dot diameter, processing pitch, and processing distance were as shown in Tables 3-1 and 3-2.
Thereafter, a photoelectric conversion module was produced in the same manner as in Examples 4 to 13, except that a second electrode (average thickness: 100 nm) was formed by vacuum deposition of silver using a mask patterned to form 8 cells in series on the hole transport layer. At this time, the average distance between adjacent silver electrodes was set to 200 μm.
(Pmax2/Pmax1) was determined in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 3-1 and 3-2.
(実施例24)
図19Aに例示するように、多孔質状の酸化チタン層はレーザーエッチングせず隣接する光電変換素子間の光電変換層が延在している以外は、実施例20と同様にして、光電変換モジュールを作製した。
実施例1と同様に(Pmax2/Pmax1)を求めた。結果を表3-2に示した。
(Example 24)
As illustrated in FIG. 19A, a photoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 20, except that the porous titanium oxide layer was not laser etched and the photoelectric conversion layer extended between adjacent photoelectric conversion elements.
(Pmax2/Pmax1) was determined in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3-2.
(実施例25)
図19Iに例示するように、ITO導電膜と同時に多孔質状の酸化チタン層もレーザーエッチングし、ホール輸送層成膜後、ホール輸送層をレーザーエッチングし、隣接する、ITO導電膜間の平均距離は30μmとなるように加工した以外は、実施例20と同様にして、光電変換モジュールを作製した。
実施例1と同様に(Pmax2/Pmax1)を求めた。結果を表3-2に示した。
(Example 25)
As illustrated in FIG. 19I , a photoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 20, except that the porous titanium oxide layer was laser etched simultaneously with the ITO conductive film, and after the hole transport layer was formed, the hole transport layer was laser etched so that the average distance between adjacent ITO conductive films was 30 μm.
(Pmax2/Pmax1) was determined in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3-2.
(比較例1~2)
ドット径と加工ピッチ、及び加工距離を表4に示す通りとし、第3の電極面積を表4の通りとした以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(Comparative Examples 1 to 2)
A photoelectric conversion element was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the dot diameter, processing pitch, and processing distance were as shown in Table 4, and the third electrode area was as shown in Table 4.
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
<1> 第1の電極、ホールブロッキング層、光電変換層、第2の電極、及び第3の電極を有する光電変換素子であって、
前記第1の電極、前記ホールブロッキング層、前記光電変換層、及び前記第2の電極が積層されてなる光電変換部と、
前記第2の電極が前記第3の電極と接触している電極接触部と、
前記光電変換部と前記電極接触部とを区画する区画部と、を有し、
前記電極接触部において前記第2の電極と前記第3の電極とが接触している面積(S1)と、前記光電変換部の面積(S2)とが、下記式(1)を満たすことを特徴とする光電変換素子である。
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2) ・・・式(1)
<2> 前記面積(S1)と、前記面積(S2)とが、下記式(1-1)を満たす前記<1>に記載の光電変換素子である。
1.0×10-4 ≦ 100×(S1/S2) ・・・式(1-1)
<3> 前記区画部を介して前記電極接触部に前記光電変換層が延在しており、
前記電極接触部において、前記第2の電極が前記電極接触部に延在した前記光電変換層を貫通して前記第3の電極と接触している前記<1>から<2>のいずれかに記載の光電変換素子である。
<4> 前記光電変換層が、電子輸送層、及びホール輸送層を有し、
前記区画部における前記光電変換部側の端から前記電極接触部側の端までの幅が、前記電子輸送層の平均厚みの100倍以上である前記<1>から<3>のいずれかに記載の光電変換素子である。
<5> 前記<1>から<4>のいずれかに記載の光電変換素子を複数有する光電変換モジュールであって、
複数の光電変換素子のうちの互いに隣接する第1の光電変換素子及び第2の光電変換素子において、前記第1の光電変換素子の前記第3の電極が、前記第2の光電変換素子の前記第1の電極と電気的に接続されていることを特徴とする光電変換モジュールである。
<6> 前記第1の光電変換素子の前記第3の電極が、前記第2の光電変換素子の前記第1の電極と一体化されている前記<5>に記載の光電変換モジュールである。
<7> 前記互いに隣接する光電変換素子間において、電子輸送層及びホール輸送層の少なくともどちらか一方が延設されていない前記<5>から<6>のいずれかに記載の光電変換モジュールである。
<8> 前記互いに隣接する光電変換素子間において、光電変換層が延設されていない前記<5>から<6>のいずれかに記載の光電変換モジュールである。
For example, aspects of the present invention are as follows.
<1> A photoelectric conversion element having a first electrode, a hole blocking layer, a photoelectric conversion layer, a second electrode, and a third electrode,
a photoelectric conversion section including the first electrode, the hole blocking layer, the photoelectric conversion layer, and the second electrode stacked together;
an electrode contact portion where the second electrode is in contact with the third electrode;
a partition portion that partitions the photoelectric conversion portion and the electrode contact portion,
This photoelectric conversion element is characterized in that the area (S1) of the contact area between the second electrode and the third electrode in the electrode contact portion and the area (S2) of the photoelectric conversion portion satisfy the following formula (1).
1.0×10 −5 ≦ 100×(S1/S2) ...Formula (1)
<2> The photoelectric conversion element according to <1>, wherein the area (S1) and the area (S2) satisfy the following formula (1-1):
1.0×10 -4 ≦ 100× (S1/S2) ... Formula (1-1)
<3> The photoelectric conversion layer extends to the electrode contact portion via the partition portion,
This is a photoelectric conversion element described in any one of <1> to <2>, wherein, in the electrode contact portion, the second electrode penetrates the photoelectric conversion layer extending to the electrode contact portion and contacts the third electrode.
<4> The photoelectric conversion layer has an electron transport layer and a hole transport layer,
The photoelectric conversion element according to any one of <1> to <3>, wherein the width of the partition from the end of the photoelectric conversion section on the side of the electrode contact section to the end of the partition section on the side of the electrode contact section is 100 times or more the average thickness of the electron transport layer.
<5> A photoelectric conversion module having a plurality of photoelectric conversion elements according to any one of <1> to <4>,
This photoelectric conversion module is characterized in that, in a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element adjacent to each other among a plurality of photoelectric conversion elements, the third electrode of the first photoelectric conversion element is electrically connected to the first electrode of the second photoelectric conversion element.
<6> The photoelectric conversion module according to <5>, wherein the third electrode of the first photoelectric conversion element is integrated with the first electrode of the second photoelectric conversion element.
<7> The photoelectric conversion module according to any one of <5> and <6>, wherein at least one of the electron transport layer and the hole transport layer is not extended between the photoelectric conversion elements adjacent to each other.
<8> The photoelectric conversion module according to any one of <5> and <6>, wherein the photoelectric conversion layer does not extend between the photoelectric conversion elements adjacent to each other.
前記<1>から<4>のいずれかに記載の光電変換素子、及び前記<5>から<8>のいずれかに記載の光電変換モジュールは、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。 The photoelectric conversion element described in any one of <1> to <4> and the photoelectric conversion module described in any one of <5> to <8> can solve the above-mentioned problems in the past and achieve the object of the present invention.
1 基板
2 第1の電極
3 ホールブロッキング層
4 光電変換層
5 第2の電極
10 光電変換素子
12 第3の電極
13 貫通孔
14 電子輸送層
24 ホール輸送層
51 光電変換部
52 電極接触部
53 区画部
100 光電変換モジュール
REFERENCE SIGNS LIST 1 Substrate 2 First electrode 3 Hole blocking layer 4 Photoelectric conversion layer 5 Second electrode 10 Photoelectric conversion element 12 Third electrode 13 Through hole 14 Electron transport layer 24 Hole transport layer 51 Photoelectric conversion section 52 Electrode contact section 53 Partition section 100 Photoelectric conversion module
Claims (8)
前記第1の電極、前記ホールブロッキング層、前記光電変換層、及び前記第2の電極が積層されてなる光電変換部と、
前記第2の電極が前記第3の電極と接触している電極接触部と、
前記光電変換部と前記電極接触部とを区画する区画部と、を有し、
前記電極接触部において前記第2の電極と前記第3の電極とが接触している面積(S1)と、前記光電変換部の面積(S2)とが、下記式(1)を満たし、
200luxでの初期最大出力電力をPmax1、20000luxでの初期最大出力電力をPmax2とした時、出力の直線性(Pmax2/Pmax1)が80以上120以下であることを特徴とする光電変換素子。
1.0×10-5 ≦ 100×(S1/S2)≦2.44 ・・・式(1) A photoelectric conversion element having a first electrode, a hole blocking layer, a photoelectric conversion layer, a second electrode, and a third electrode,
a photoelectric conversion section including the first electrode, the hole blocking layer, the photoelectric conversion layer, and the second electrode stacked together;
an electrode contact portion where the second electrode is in contact with the third electrode;
a partition portion that partitions the photoelectric conversion portion and the electrode contact portion,
an area (S1) where the second electrode and the third electrode are in contact with each other in the electrode contact portion, and an area (S2) of the photoelectric conversion portion satisfy the following formula (1),
A photoelectric conversion element, characterized in that when an initial maximum output power at 200 lux is Pmax1 and an initial maximum output power at 20,000 lux is Pmax2, the output linearity (Pmax2/Pmax1) is 80 or more and 120 or less .
1.0×10 −5 ≦ 100×(S1/S2)≦2.44 ...Formula (1)
前記区画部における前記光電変換部側の端から前記電極接触部側の端までの幅が、前記電子輸送層の平均厚みの100倍以上である、請求項1から3のいずれかに記載の光電変換素子。 the photoelectric conversion layer has an electron transport layer and a hole transport layer,
4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the width of the partition from an end of the partition on the photoelectric conversion section side to an end of the partition on the electrode contact section side is 100 times or more the average thickness of the electron transport layer.
複数の光電変換素子のうちの互いに隣接する第1の光電変換素子及び第2の光電変換素子において、前記第1の光電変換素子の前記第3の電極が、前記第2の光電変換素子の前記第1の電極と電気的に接続されていることを特徴とする光電変換モジュール。 A photoelectric conversion module having a plurality of photoelectric conversion elements according to any one of claims 1 to 4,
A photoelectric conversion module characterized in that, in a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element adjacent to each other among a plurality of photoelectric conversion elements, the third electrode of the first photoelectric conversion element is electrically connected to the first electrode of the second photoelectric conversion element.
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