JP5170746B2 - Stacked organic solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、光を受けて発電する有機太陽電池単セルを複数積層して形成される積層型有機太陽電池に関する。 The present invention relates to a stacked organic solar battery formed by stacking a plurality of organic solar battery single cells that generate light by receiving light.
有機太陽電池は、ドナー材料とアクセプター材料をブレンドして、膜全体に亘ってヘテロ接合界面を分散させるバルクヘテロ接合構造等の開発により、変換効率が向上し、次世代太陽電池の一つとして注目されるに至っている。しかし現在の性能では、実用化には不十分で、今後さらなる性能向上を図る必要がある。そのための有力な手段の一つが、複数の有機太陽電池単セルを積層した積層型(タンデム型)の有機太陽電池の開発である(例えば特許文献1参照)。 Organic solar cells have gained attention as one of the next generation solar cells because of improved conversion efficiency by developing a bulk heterojunction structure that blends donor and acceptor materials and disperses the heterojunction interface throughout the film. Has reached the point. However, the current performance is insufficient for practical use, and further performance improvement is required in the future. One effective means for this is the development of a stacked (tandem) organic solar battery in which a plurality of organic solar battery single cells are stacked (see, for example, Patent Document 1).
ここで、有機太陽電池の効率が低い最も大きな要因は、光吸収の不足である。光吸収不足の要因をさらに分説すると、大きく二つの課題がある。一つめの課題は、キャリア拡散長が100nm前後と短いため、膜厚も100nm程度にしか設定できず、光の透過ロスが大きいことである。二つめの課題は、有機半導体の光吸収帯域が狭く、太陽光の未吸収ロスが大きいことである。例えば、現在よく用いられているポリチオフェン系材料の場合、400nm〜600nmの短波長域しか吸収できず、また、有機半導体の中で長波長域を吸収する材料として知られているフタロシアニン系は、600nm〜800nmの長波長域のみしか吸収しない。 Here, the biggest factor that the efficiency of the organic solar cell is low is lack of light absorption. There are two major problems when the cause of the lack of light absorption is further explained. The first problem is that since the carrier diffusion length is as short as about 100 nm, the film thickness can only be set to about 100 nm, and the light transmission loss is large. The second problem is that the light absorption band of the organic semiconductor is narrow and the unabsorbed loss of sunlight is large. For example, in the case of a polythiophene-based material that is often used at present, only a short wavelength region of 400 nm to 600 nm can be absorbed, and a phthalocyanine-based material known as a material that absorbs a long wavelength region among organic semiconductors is 600 nm. It absorbs only in the long wavelength region of ˜800 nm.
そこで、無機薄膜太陽電池と同様に、複数の有機太陽電池単セルを積層化した積層型有機太陽電池の開発が、有機太陽電池の高効率化のために必須となる。特に吸収帯域の異なる複数の有機太陽電池単セルを積層すると、広い帯域の光を吸収して発電を行うことができ、発電効率の向上が期待できる。 Therefore, as with the inorganic thin film solar cell, development of a stacked organic solar cell in which a plurality of organic solar cell single cells are stacked is essential for improving the efficiency of the organic solar cell. In particular, when a plurality of organic solar cell single cells having different absorption bands are stacked, power can be generated by absorbing light in a wide band, and improvement in power generation efficiency can be expected.
これまで開発された蒸着法による低分子系の積層型有機太陽電池の例を図2に示す(非特許文献1参照)。この積層型有機太陽電池A’は、Cuフタロシアニンからなるp型半導体層14とPTCBIからなるn型半導体層15を蒸着法で積層して形成される光電変換層3を有する一方の有機太陽電池単セル1と、Cuフタロシアニンからなるp型半導体層14とPTCBIからなるn型半導体層15を蒸着法で積層して形成される光電変換層3を有する他方の有機太陽電池単セル2とを、Ag電極からなる再結合層16を介して積層したものである。17はガラスなどの透明な基板、8は透明電極からなる陽極、9はAgなどの電極である。 FIG. 2 shows an example of a low molecular weight stacked organic solar cell developed so far by vapor deposition (see Non-Patent Document 1). This stacked organic solar cell A ′ is a single organic solar cell having a photoelectric conversion layer 3 formed by stacking a p-type semiconductor layer 14 made of Cu phthalocyanine and an n-type semiconductor layer 15 made of PTCBI by vapor deposition. A cell 1 and another organic solar cell single cell 2 having a photoelectric conversion layer 3 formed by laminating a p-type semiconductor layer 14 made of Cu phthalocyanine and an n-type semiconductor layer 15 made of PTCBI by a vapor deposition method. It is laminated through a recombination layer 16 made of electrodes. 17 is a transparent substrate such as glass, 8 is an anode made of a transparent electrode, and 9 is an electrode such as Ag.
このように有機太陽電池単セル1,2を積層することによって、一方の有機太陽電池単セル1を通過した光は他方の有機太陽電池単セル2で吸収され、全体として光吸収を増加させることができ、変換効率を高めることができる。尚、この有機太陽電池では同一の構成を有する有機太陽電池単セル1,2を積層しているため、各有機太陽電池単セル1,2では同じ帯域の光を吸収して発電を行うものである。 By laminating the organic solar cell single cells 1 and 2 in this way, light passing through one organic solar cell single cell 1 is absorbed by the other organic solar cell single cell 2 and increases the light absorption as a whole. Conversion efficiency can be increased. In addition, in this organic solar cell, since the organic solar cell single cells 1 and 2 having the same configuration are laminated, each organic solar cell single cell 1 and 2 absorbs light in the same band and generates power. is there.
このような積層型有機太陽電池A’において、発電の出力を得るためには、各有機太陽電池単セル1,2の間に電子と正孔を再結合させる再結合層16が必要になる。すなわち、一方の有機太陽電池単セル1で発生した電子と他方の有機太陽電池単セル2で発生した正孔が再結合層16で再結合して消滅し、一方の有機太陽電池単セル1で発生した正孔が陽極8に、他方の有機太陽電池単セル2で発生した電子が陰極9にまで到達して、出力電流として外部に取り出すことができる。 In such a stacked organic solar cell A ′, a recombination layer 16 for recombining electrons and holes is required between the organic solar cell single cells 1 and 2 in order to obtain an output of power generation. That is, the electrons generated in one organic solar cell 1 and the holes generated in the other organic solar cell 2 are recombined in the recombination layer 16 and disappeared, and in one organic solar cell 1 The generated holes reach the anode 8 and the electrons generated in the other organic solar cell single cell 2 reach the cathode 9 and can be taken out as an output current.
ここで、再結合層16には、正孔と電子を再結合させるための導電性を有すること、両側の有機太陽電池単セル1,2との間にキャリア輸送障壁を作らないこと、並びに一方の有機太陽電池単セル1での未吸収光を透過して他方の有機太陽電池単セル2へ送るための高い透過率を有することが、要求される。この非特許文献1の例では、再結合層16として厚み5ÅのAg極薄層が形成されている。 Here, the recombination layer 16 has conductivity for recombining holes and electrons, does not form a carrier transport barrier between the organic solar cell single cells 1 and 2 on both sides, It is required to have a high transmittance for transmitting unabsorbed light in the single organic solar cell 1 and transmitting it to the other single organic solar cell 2. In the example of Non-Patent Document 1, an Ag ultrathin layer having a thickness of 5 mm is formed as the recombination layer 16.
しかし、上記Ag極薄層は、光透過性を確保するために、膜厚を〜10Å程度に薄くする必要があり、その結果、Agのナノクラスタが島状に分布するように形成されるため、一方の有機太陽電池単セル1のn型半導体層15と他方の有機太陽電池単セル2のp型半導体層14とが直接接合する部分が生じ、この部分が電位障壁となって、正孔と電子との再結合が完全には行われないという問題がある。 However, the above-mentioned Ag ultrathin layer needs to be thinned to about 10 mm in order to ensure light transmittance, and as a result, Ag nanoclusters are formed to be distributed in islands. , A portion where the n-type semiconductor layer 15 of one organic solar cell single cell 1 and the p-type semiconductor layer 14 of the other organic solar cell single cell 2 are directly joined is formed, and this portion serves as a potential barrier, and holes There is a problem that the recombination of electrons with electrons is not completely performed.
次に、塗布法による高分子系のバルクヘテロ接合型の単セルを積層した積層型有機太陽電池Aの従来例を図3に示す(非特許文献2参照)。バルクヘテロ接合型の有機太陽電池は、ドナー材料12とアクセプター材料13がブレンドされた光電変換層3を備えており、光電変換層3を挟んだ両側の電極の仕事関数の差が、開放電圧に影響を与えるという動作的な特徴がある。この例では、各有機太陽電池単セル1,2の光電変換層3は、アクセプター材料13としてフラーレン誘導体を、ドナー材料12として導電性高分子をブレンドしたものを塗布成膜して形成されている。17はガラスなどの透明な基板、8は透明な陽極、9はAlなどからなる陰極であり、10は正孔輸送層である。そして、再結合層16は透明電極で形成されている。 Next, FIG. 3 shows a conventional example of a stacked organic solar cell A in which polymer-type bulk heterojunction single cells are stacked by a coating method (see Non-Patent Document 2). The bulk heterojunction organic solar cell includes a photoelectric conversion layer 3 in which a donor material 12 and an acceptor material 13 are blended, and the work function difference between the electrodes on both sides of the photoelectric conversion layer 3 affects the open circuit voltage. There is an operational characteristic of giving. In this example, the photoelectric conversion layer 3 of each of the organic solar cell single cells 1 and 2 is formed by coating a film obtained by blending a fullerene derivative as the acceptor material 13 and a conductive polymer as the donor material 12. . Reference numeral 17 denotes a transparent substrate such as glass, 8 denotes a transparent anode, 9 denotes a cathode made of Al, and 10 denotes a hole transport layer. The recombination layer 16 is formed of a transparent electrode.
このように透明電極で再結合層16を形成すると、この再結合層16は再結合性と、光の透過性とに優れたものとなる。しかし、一方の有機太陽電池単セル1の両側にそれぞれ透明な電極8,16が配置されているため、電極8,16間の仕事関数の差が小さくなり、開放電圧が低くなるという問題点がある。 Thus, when the recombination layer 16 is formed with a transparent electrode, this recombination layer 16 will be excellent in recombination property and light transmittance. However, since the transparent electrodes 8 and 16 are respectively disposed on both sides of one organic solar cell 1, the work function difference between the electrodes 8 and 16 is reduced, and the open circuit voltage is lowered. is there.
次に、塗布法による高分子系のバルクヘテロ接合型の単セルを積層した積層型有機太陽電池A’の他の従来例を示す(非特許文3参照)。この例では、一方の有機太陽電池単セル1におけるTiO2薄膜からなる電子輸送層と、他方の有機太陽電池単セルにおけるPEDOT:PSS層からなる正孔輸送層とを直接接合している。この場合、電子輸送層と正孔輸送層との界面又は導電性の高い正孔輸送層が、電子と正孔との再結合ポイントになると考えられる。 Next, another conventional example of a stacked organic solar battery A ′ in which polymer-type bulk heterojunction single cells are stacked by a coating method will be shown (see Non-Patent Document 3). In this example, the electron transport layer composed of a TiO 2 thin film in one organic solar cell single cell 1 and the hole transport layer composed of a PEDOT: PSS layer in the other organic solar cell single cell are directly joined. In this case, it is considered that the interface between the electron transport layer and the hole transport layer or the hole transport layer having high conductivity serves as a recombination point between electrons and holes.
しかし、この例では、電子輸送層と正孔輸送層の仕事関数が大きく異なるため、オーミック性が低下する懸念がある。 However, in this example, since the work functions of the electron transport layer and the hole transport layer are greatly different, there is a concern that the ohmic property is lowered.
次に、吸収帯域の異なる二つのバルクヘテロ接合型の有機太陽電池単セル1,2を積層した積層型有機太陽電池A’の従来例を図4に示す(非特許文4参照)。短波長を吸収する一方の有機太陽電池単セル1は、P3HT:C60PCBM層からなる光電変換層3を備える。また、長波長を吸収する他方の有機太陽電池単セル2の光電変換層3は、亜鉛フタロシアニンからなるp型半導体層14、亜鉛フタロシアニン:フラーレン層からなるi型半導体層18、フラーレンからなるn型半導体層15を積層したpin型の光電変換層3を備える。このような有機太陽電池単セル1,2の組み合わせにより、高い発電効率が期待できる。 Next, FIG. 4 shows a conventional example of a stacked organic solar cell A ′ in which two bulk heterojunction organic solar cells 1 and 2 having different absorption bands are stacked (see Non-Patent Document 4). One organic solar cell single cell 1 that absorbs a short wavelength includes a photoelectric conversion layer 3 composed of a P3HT: C60PCBM layer. The photoelectric conversion layer 3 of the other organic solar cell unit cell 2 that absorbs a long wavelength includes a p-type semiconductor layer 14 made of zinc phthalocyanine, an i-type semiconductor layer 18 made of zinc phthalocyanine: fullerene layer, and an n-type made of fullerene. A pin-type photoelectric conversion layer 3 in which a semiconductor layer 15 is stacked is provided. High power generation efficiency can be expected by the combination of such organic solar cell single cells 1 and 2.
この積層型有機太陽電池A’では、二つの有機太陽電池単セル1,2の間に中間層4としてフラーレン蒸着層19/Au極薄膜20/亜鉛フタロシアニン層21の三層が形成されている。前記亜鉛フタロシアニン層21は、長波長を吸収する有機太陽電池単セル2の光電変換層3における上記p型半導体層14を兼ねる。 In this stacked organic solar cell A ′, three layers of a fullerene vapor deposition layer 19 / Au ultrathin film 20 / zinc phthalocyanine layer 21 are formed as an intermediate layer 4 between two organic solar cell single cells 1 and 2. The zinc phthalocyanine layer 21 also serves as the p-type semiconductor layer 14 in the photoelectric conversion layer 3 of the organic solar cell single cell 2 that absorbs a long wavelength.
しかし、この中間層4においても、Au極薄膜20はAuのナノクラスタが島状に分布するように形成されるため、フラーレン蒸着層19と亜鉛フタロシアニン層21とが直接接合する部分が生じ、この部分が電位障壁となって、正孔と電子との再結合が完全には行われないという問題がある。
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、有機太陽電池として高い特性を有するバルクヘテロ接合型有機太陽電池をタンデム化して更なる高発電効率を達成すると共に、有機太陽電池単セル間に介在する中間層に、有機太陽電池単セル同士をオーミックに接合してこの有機太陽電池単セルから注入された電子と正孔をバランス良く再結合させることができ、適正な仕事関数を備えることで有機太陽電池単セルの開放電圧を高く維持することができ、更に光透過性に優れる、という各特性を付与して、個々の有機太陽電池単セルの性能を最大限に引き出すことができる積層型有機太陽電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and achieves higher power generation efficiency by tandemizing a bulk heterojunction type organic solar battery having high characteristics as an organic solar battery, and between organic solar battery single cells The organic solar cell single cells are ohmic-bonded to the intermediate layer interposed between them and the electrons and holes injected from the organic solar cell can be recombined in a well-balanced manner and have an appropriate work function. In addition, it is possible to maintain a high open-circuit voltage of a single organic solar cell, and to give each of the properties of excellent light transmission, and to maximize the performance of individual organic solar cell An object is to provide a type organic solar cell.
請求項1に係る発明は、ドナー材料12とアクセプター材料13をブレンドして形成される光電変換層3を有する複数の有機太陽電池単セル1,2を、中間層4を介して積層した積層型有機太陽電池Aであって、上記中間層4が、積層型有機太陽電池Aの陽極8側に配置されているフッ化リチウム層5と、陰極9側に配置されている酸化モリブデン層6と、前記フッ化リチウム層5と酸化モリブデン層6との間に配置されている金属層7とを備えることを特徴とする。 The invention according to claim 1 is a stacked type in which a plurality of organic solar battery single cells 1 and 2 each having a photoelectric conversion layer 3 formed by blending a donor material 12 and an acceptor material 13 are stacked via an intermediate layer 4. An organic solar cell A, in which the intermediate layer 4 has a lithium fluoride layer 5 disposed on the anode 8 side of the stacked organic solar cell A, a molybdenum oxide layer 6 disposed on the cathode 9 side, A metal layer 7 disposed between the lithium fluoride layer 5 and the molybdenum oxide layer 6 is provided.
更に請求項1に係る発明は、上記金属層7が、金又は銀で形成されていることを特徴とする。 Furthermore the invention according to claim 1, upper Symbol metal layer 7, characterized in that it is formed of gold or silver.
請求項2に係る発明は、請求項1において、中間層4を介して隣り合う一方の有機太陽電池単セル1がドナー材料12として有機高分子化合物を含む光電変換層3を備え、他方の有機太陽電池単セル2がドナー材料12としてフタロシアニンを含む光電変換層3を備えることを特徴とする。 The invention according to claim 2, comprising Oite to claim 1, the photoelectric conversion layer 3 one organic solar cell unit 1 adjacent to each other through the intermediate layer 4 containing an organic polymer compound as a donor material 12, the other The organic solar battery single cell 2 includes a photoelectric conversion layer 3 containing phthalocyanine as a donor material 12.
請求項1に係る発明によれば、中間層4に、一方の有機太陽電池単セル1での未吸収光を透過して他方の有機太陽電池単セル2へ送るために充分な透明性を付与することができ、また、中間層4に対して陽極8側で隣接する有機太陽電池単セル1における光電変換層3で生成される電子及び正孔のうち、主として電子がフッ化リチウム層5を介して金属層7に送られ、また陰極9側で隣接する有機太陽電池単セル2における光電変換層3で生成される電子及び正孔のうち、主として正孔が酸化モリブデン層6を介して金属層7に送られ、金属層7に電子と正孔とをバランス良く供給されることとなり、金属層7において前記電子及び正孔のバランスの良い再結合を行わせることができる。更に、金属層7と、積層型有機太陽電池Aにおける陰極9及び陽極8との仕事関数を適性な値に設定することが容易となり、開放電圧を向上することができる。これにより、積層型有機太陽電池Aの発電効率を向上することができる。 According to the invention of claim 1, the intermediate layer 4 is given sufficient transparency to transmit unabsorbed light in one organic solar cell single cell 1 and send it to the other organic solar cell single cell 2. Among the electrons and holes generated in the photoelectric conversion layer 3 in the organic solar cell single cell 1 adjacent to the intermediate layer 4 on the anode 8 side, the electrons mainly pass through the lithium fluoride layer 5. Of the electrons and holes generated in the photoelectric conversion layer 3 in the organic solar cell unit cell 2 adjacent on the cathode 9 side, the holes are mainly metal via the molybdenum oxide layer 6. Electrons and holes are supplied to the metal layer 7 in a well-balanced manner, and the electrons and holes can be recombined in a well-balanced state in the metal layer 7. Furthermore, it becomes easy to set work functions of the metal layer 7 and the cathode 9 and the anode 8 in the stacked organic solar cell A to appropriate values, and the open circuit voltage can be improved. Thereby, the power generation efficiency of the stacked organic solar cell A can be improved.
また、請求項1に係る発明によれば、中間層4における金属層7を、金又は銀で形成することで、金属層7と、積層型有機太陽電池Aにおける陰極9及び陽極8との仕事関数を適性な値に設定することが更に容易となり、開放電圧の向上が更に著しくなる。この効果は、金属層7を銀で形成する場合に特に顕著になる。 According to the invention of claim 1 , the metal layer 7 in the intermediate layer 4 is formed of gold or silver, so that the work of the metal layer 7 and the cathode 9 and the anode 8 in the stacked organic solar cell A is performed. It becomes easier to set the function to an appropriate value, and the improvement of the open circuit voltage becomes more remarkable. This effect is particularly remarkable when the metal layer 7 is made of silver.
また、請求項2に係る発明によれば、中間層4の両側の各有機太陽電池単セル1,2において、有機高分子化合物を含む光電変換層で長波長が吸収され、フタロシアニンを含む光電変換層で短波長が吸収されて、それぞれ異なる波長帯域の光が効率よく吸収されて発電が行われることとなり、発電効率を更に向上することができる。 Moreover, according to the invention which concerns on Claim 2 , in each organic solar cell single cell 1 and 2 of the both sides of the intermediate | middle layer 4, a long wavelength is absorbed with the photoelectric converting layer containing an organic polymer compound, and the photoelectric conversion containing a phthalocyanine Short wavelengths are absorbed by the layers, and light in different wavelength bands is efficiently absorbed to generate power, thereby further improving power generation efficiency.
以下、本発明の実施をするための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明に係る積層型有機太陽電池Aは、図1に示すように、複数の有機太陽電池単セル1,2を、中間層4を介して積層した構造を有する。以下、便宜的に、中間層4に対して積層型有機太陽電池Aの陽極8(正極)側に配置される一方の有機太陽電池単セル1を第一の単セル1といい、中間層4に対して積層型有機太陽電池Aの陰極9(負極)側に配置される他方の有機太陽電池単セル2を第二の単セル2という。 As shown in FIG. 1, the stacked organic solar cell A according to the present invention has a structure in which a plurality of organic solar cell single cells 1 and 2 are stacked via an intermediate layer 4. Hereinafter, for convenience, one organic solar cell single cell 1 disposed on the anode 8 (positive electrode) side of the stacked organic solar cell A with respect to the intermediate layer 4 is referred to as a first single cell 1, and the intermediate layer 4 On the other hand, the other organic solar cell single cell 2 disposed on the cathode 9 (negative electrode) side of the stacked organic solar cell A is referred to as a second single cell 2.
中間層4は複数の層で構成されている。この中間層4を構成する複数の層のうち、積層型有機太陽電池Aの最も陽極8側にはフッ化リチウム層5が配置され、また、積層型有機太陽電池Aの最も陰極9側には酸化モリブデン層6が配置されている。また、このフッ化リチウム層5と酸化モリブデン層6との間には金属層7が配置される。 The intermediate layer 4 is composed of a plurality of layers. Of the plurality of layers constituting the intermediate layer 4, the lithium fluoride layer 5 is disposed on the most anode 8 side of the stacked organic solar cell A, and on the most cathode 9 side of the stacked organic solar cell A. A molybdenum oxide layer 6 is disposed. A metal layer 7 is disposed between the lithium fluoride layer 5 and the molybdenum oxide layer 6.
フッ化リチウム層5は、例えばフッ化リチウム(LiF)の蒸着膜等で形成される。このフッ化リチウム層5の厚みは例えば0.1nm〜1nmに形成される。このフッ化リチウム層5は、中間層4に隣接する第一の単セル1における電子輸送層11として機能する。 The lithium fluoride layer 5 is formed of, for example, a vapor deposition film of lithium fluoride (LiF). The lithium fluoride layer 5 is formed with a thickness of, for example, 0.1 nm to 1 nm. The lithium fluoride layer 5 functions as the electron transport layer 11 in the first unit cell 1 adjacent to the intermediate layer 4.
また酸化モリブデン層6は、例えば酸化モリブデン(MoOx;X=2〜4)の蒸着膜等で形成される。この酸化モリブデン層6の厚みは例えば1nm〜30nmに形成される。この酸化モリブデン層6は、中間層4に隣接する第二の単セル2における正孔輸送層10として機能する。 The molybdenum oxide layer 6 is formed of, for example, a vapor deposition film of molybdenum oxide (MoO x ; X = 2 to 4). The molybdenum oxide layer 6 is formed to have a thickness of 1 nm to 30 nm, for example. The molybdenum oxide layer 6 functions as a hole transport layer 10 in the second unit cell 2 adjacent to the intermediate layer 4.
また、金属層7は、適宜の金属で形成されるが、特に金(Au)又は銀(Ag)で形成することが好ましい。また、金属層7は複数の金属の層が積層した構造に形成されていても良く、例えば金属層7が、金からなる層と銀からなる層とが積層された層であっても良い。金属層7を二種の金属の積層とする場合、フッ化リチウム側の金属層7の金属の仕事関数は、酸化モリブデン側の金属層7の金属の仕事関数より大きいことが好ましい。この金属層7は、フッ化リチウム層5から送られてくる電子と、酸化モリブデン層6から送られてくる正孔とが再結合される領域(再結合層16)となる。 In addition, the metal layer 7 is formed of an appropriate metal, but is preferably formed of gold (Au) or silver (Ag). The metal layer 7 may be formed in a structure in which a plurality of metal layers are stacked. For example, the metal layer 7 may be a layer in which a layer made of gold and a layer made of silver are stacked. When the metal layer 7 is a laminate of two kinds of metals, the metal work function of the metal layer 7 on the lithium fluoride side is preferably larger than the metal work function of the metal layer 7 on the molybdenum oxide side. The metal layer 7 becomes a region (recombination layer 16) in which electrons sent from the lithium fluoride layer 5 and holes sent from the molybdenum oxide layer 6 are recombined.
この金属層7は、ナノクラスタが島状に分布する層として形成されていても、その機能を発揮する。但し、金属層7における電子と正孔との再結合確率を高めると共に、この金属層7が適正な仕事関数を備える電極として機能するためには、金属層7の厚みが1nm以上であることが好ましい。 Even if the metal layer 7 is formed as a layer in which nanoclusters are distributed in an island shape, the metal layer 7 exhibits its function. However, in order to increase the recombination probability of electrons and holes in the metal layer 7 and to function as an electrode having an appropriate work function, the thickness of the metal layer 7 must be 1 nm or more. preferable.
上記フッ化リチウム層5は、極く薄い膜厚でも電子輸送層11としての機能を発揮し、且つ良好な界面を形成するまた、上記酸化モリブデン層6は、優れた正孔輸送性と光透過性とを有し、また下地となる光電変換層3等の有機層にダメージを与えにくく、更に太陽光に対する安定性が高いという特性を有する。そして、このフッ化リチウム層5と酸化モリブデン層6との間に金属層7を介在させることで中間層4を形成すると、中間層4に隣接する第一の単セル1における光電変換層3で生成される電子及び正孔のうち、主として電子がフッ化リチウム層5を介して金属層7に送られ、また第二の単セル2における光電変換層3で生成される電子及び正孔のうち、主として正孔が酸化モリブデン層6を介して金属層7に送られる。すなわち、フッ化リチウム層5と酸化モリブデン層6とは、それ自身では光を受けてキャリアを発生することは無いが、金属層7に電子と正孔とをバランス良く供給する機能を発揮する。そして、金属層7では、電子及び正孔の再結合が生じ、このとき単セル1、2のキャリア発生量が等しくなるよう設計されていれば、いずれかのキャリアが過剰になることなく、バランスの良い再結合が行われる。このとき、金属層7がナノクラスタが島状に分布する層として形成されることで、フッ化リチウム層5と酸化モリブデン層6の一部が直接接触するとしても、両者の界面では整流性は生じなくなる。従って、中間層4を介して第一の単セル1と第二の単セル2とがオーミックに接合される。 The lithium fluoride layer 5 functions as the electron transport layer 11 even with a very thin film thickness and forms a good interface. The molybdenum oxide layer 6 has excellent hole transportability and light transmission. And has a characteristic that the organic layer such as the photoelectric conversion layer 3 as a base is hardly damaged and has high stability against sunlight. When the intermediate layer 4 is formed by interposing the metal layer 7 between the lithium fluoride layer 5 and the molybdenum oxide layer 6, the photoelectric conversion layer 3 in the first single cell 1 adjacent to the intermediate layer 4 is formed. Among the generated electrons and holes, mainly electrons are sent to the metal layer 7 through the lithium fluoride layer 5, and among the electrons and holes generated in the photoelectric conversion layer 3 in the second single cell 2. The holes are mainly sent to the metal layer 7 through the molybdenum oxide layer 6. That is, the lithium fluoride layer 5 and the molybdenum oxide layer 6 do not generate carriers upon receiving light by themselves, but exhibit a function of supplying electrons and holes to the metal layer 7 in a balanced manner. In the metal layer 7, recombination of electrons and holes occurs, and at this time, if the carrier generation amount of the single cells 1 and 2 is designed to be equal, any carrier will not be excessive and the balance will be increased. Good recombination takes place. At this time, even if the metal layer 7 is formed as a layer in which the nanoclusters are distributed in an island shape, a part of the lithium fluoride layer 5 and the molybdenum oxide layer 6 are in direct contact with each other, the rectification at the interface between them is No longer occurs. Therefore, the first single cell 1 and the second single cell 2 are joined ohmic via the intermediate layer 4.
上記構成を有する中間層4を介して隣接する第一の単セル1と第二の単セル2は、従来有機太陽電池に適用されている適宜の構造に形成することができるが、この第一の単セル1と第二の単セル2は、ドナー材料12とアクセプター材料13をブレンドして形成される光電変換層3を有する必要がある。このとき、前記光電変換層3は、ドナー材料12とアクセプター材料13をブレンドして形成されたi層を含むpin接合型である場合も含まれる。このようにして各単セルをバルクへテロ型構造に形成することで、積層型有機太陽電池Aの変換効率が著しく向上する。 The first unit cell 1 and the second unit cell 2 that are adjacent to each other through the intermediate layer 4 having the above-described configuration can be formed in an appropriate structure that has been applied to conventional organic solar cells. The single cell 1 and the second single cell 2 must have the photoelectric conversion layer 3 formed by blending the donor material 12 and the acceptor material 13. At this time, the photoelectric conversion layer 3 includes a case of a pin junction type including an i layer formed by blending the donor material 12 and the acceptor material 13. Thus, by forming each single cell in a bulk hetero structure, the conversion efficiency of the stacked organic solar cell A is remarkably improved.
また、第一の単セル1における光電変換層3と、第二の単セル2における光電変換層3とは、それぞれ吸収波長帯域の異なるものを設けることができる。この場合、各有機太陽電池単セル1,2においてそれぞれ異なる波長帯域の光を吸収して発電を行うことができ、発電効率が向上する。 In addition, the photoelectric conversion layer 3 in the first unit cell 1 and the photoelectric conversion layer 3 in the second unit cell 2 can be provided with different absorption wavelength bands. In this case, each of the organic solar cell single cells 1 and 2 can absorb light of different wavelength bands to generate power, thereby improving power generation efficiency.
特に、上記上記第一の単セル1と第二の単セル2のうち、一方における光電変換層3が、ドナー材料12として有機高分子化合物を含むことが好ましく、また他方における光電変換層3が、ドナー材料12としてフタロシアニンを含んでいることが好ましい。このとき、第一の単セル1における光電変換層3がドナー材料として有機高分子化合物を含有し、第二の単セル2における光電変換層3がドナー材料としてフタロシアニンを含有する場合と、逆に第一の単セル1における光電変換層3がドナー材料としてフタロシアニンを含有し、第二の単セル2における光電変換層3がドナー材料として有機高分子化合物を含有する場合の、いずれであっても、同様に発電効率の向上が達成される。 In particular, it is preferable that the photoelectric conversion layer 3 in one of the first single cell 1 and the second single cell 2 includes an organic polymer compound as the donor material 12, and the photoelectric conversion layer 3 in the other is The donor material 12 preferably contains phthalocyanine. At this time, contrary to the case where the photoelectric conversion layer 3 in the first single cell 1 contains an organic polymer compound as a donor material, and the photoelectric conversion layer 3 in the second single cell 2 contains phthalocyanine as a donor material. In any case where the photoelectric conversion layer 3 in the first single cell 1 contains phthalocyanine as a donor material, and the photoelectric conversion layer 3 in the second single cell 2 contains an organic polymer compound as a donor material. Similarly, improvement in power generation efficiency is achieved.
第一の単セル1における光電変換層3が、ドナー材料12として有機高分子化合物を含む場合の、第一の単セル1の構成について説明する。 A configuration of the first single cell 1 when the photoelectric conversion layer 3 in the first single cell 1 includes an organic polymer compound as the donor material 12 will be described.
光電変換層3に含有されるドナー材料12である有機高分子化合物としては、特に制限されるものではないが、400nm〜600nmの範囲に吸収波長域がある材料が好ましく、特にポリ(3−アルキルチオフェン)等のポリチオフェン誘導体、(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)(MDMO−PPV)等のポリ(p−フェニレン)−ビニレン誘導体などのようにトルエン等の有機溶媒に可溶なものが挙げられる。 Although it does not restrict | limit especially as an organic polymer compound which is the donor material 12 contained in the photoelectric converting layer 3, The material which has an absorption wavelength range in the range of 400 nm-600 nm is preferable, and especially poly (3-alkyl Polythiophene derivatives such as thiophene) and poly (p-phenylene) -vinylene derivatives such as (2-methoxy-5- (3 ′, 7′-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene-vinylene) (MDMO-PPV) And the like that are soluble in organic solvents such as toluene.
また、アクセプター材料13としては、InP、InAs、GaP、GaAs等のIII〜V族化合物半導体結晶、CaSe、CdS、CdTe、ZnS等のIII〜V族化合物半導体結晶などといった化合物半導体粒子や、フラーレン、C60PCBM(phenyl C61-butyric acid methyl ester)等のフラーレン誘導体などを挙げることができる。 The acceptor material 13 includes compound semiconductor particles such as III-V group compound semiconductor crystals such as InP, InAs, GaP, and GaAs, III-V group compound semiconductor crystals such as CaSe, CdS, CdTe, and ZnS, fullerene, Examples include fullerene derivatives such as C60PCBM (phenyl C 61 -butyric acid methyl ester).
光電変換層3を上記ドナー材料12とアクセプター材料13とが混合した層として形成することで、第一の単セル1をバルクへテロ型構造に形成することができる。光電変換層3を形成するにあたっては、例えば上記の有機高分子化合物とアクセプター材料13とを所定の比率でクロロベンゼン、クロロホルム溶液等の適宜の溶媒中に混合、溶解させた混合液をスピンコート法等により塗布した後、溶媒を揮散させることにより成膜することで形成することができるが、特にこのような手法に限られない。 By forming the photoelectric conversion layer 3 as a layer in which the donor material 12 and the acceptor material 13 are mixed, the first single cell 1 can be formed in a bulk hetero structure. In forming the photoelectric conversion layer 3, for example, a mixed solution obtained by mixing and dissolving the organic polymer compound and the acceptor material 13 in an appropriate solvent such as chlorobenzene or chloroform solution at a predetermined ratio is spin-coated. However, the method is not particularly limited to such a method.
また活性層4中における有機高分子化合物とアクセプター材料13との含有比率は、有機高分子化合物及びアクセプター材料13の種類等に応じ、所望の光電変換特性を発揮するように適宜設定すれば良いが、好ましくは有機高分子化合物の含有重量に対するアクセプター材料13の重量比率が30〜60%の範囲となるように含有させることが好ましい。 Further, the content ratio of the organic polymer compound and the acceptor material 13 in the active layer 4 may be appropriately set so as to exhibit desired photoelectric conversion characteristics according to the types of the organic polymer compound and the acceptor material 13 and the like. The weight ratio of the acceptor material 13 with respect to the weight of the organic polymer compound is preferably 30 to 60%.
この光電変換層3は、中間層4におけるフッ化リチウム層5と隣接して形成することができ、このとき既述のようにフッ化リチウム層5は第一の単セル1における電子輸送層11として機能する。 This photoelectric conversion layer 3 can be formed adjacent to the lithium fluoride layer 5 in the intermediate layer 4. At this time, as described above, the lithium fluoride layer 5 is the electron transport layer 11 in the first unit cell 1. Function as.
また、この第一の単セル1の、中間層4とは反対側には、陽極8(正極)及び基板17を配置することができる。基板17は、絶縁性を有し、可視光を透過するものが用いられる。この基板17は、無色透明のほか、多少着色されているものであっても、すりガラス状のものであっても良い。具体的な材料としてはソーダライムガラス、無アルカリガラス、各種透明プラスチック(PE、PP、PS、AS、ABS、PMMA、PVC、PA、POM、PBT、PC、PES等)などが挙げられる。 Further, an anode 8 (positive electrode) and a substrate 17 can be arranged on the opposite side of the first unit cell 1 from the intermediate layer 4. The substrate 17 has an insulating property and transmits visible light. In addition to being colorless and transparent, the substrate 17 may be slightly colored or ground glass. Specific examples of the material include soda lime glass, alkali-free glass, and various transparent plastics (PE, PP, PS, AS, ABS, PMMA, PVC, PA, POM, PBT, PC, PES, and the like).
また、陽極8は導電性を有し、可視光を透過するものを形成することができる。この陽極8は、良好なシート抵抗が20Ω/□以下であることが好ましい。またこの陽極8は正孔を効率良く収集するために仕事関数が大きいものであることが好ましく、特に仕事関数が4.9〜5.1eVの範囲のものが好ましい。このような陽極8の具体的な材料としては、例えばITO(インジウム錫酸化物)、AZO、GZO等の導電性透明材料が挙げられる。この陽極8の膜厚は特に制限されないが、良好な導電性と光透過性を確保するためには50〜300nmの範囲が好ましい。 Further, the anode 8 can be formed to have conductivity and transmit visible light. The anode 8 preferably has a good sheet resistance of 20Ω / □ or less. The anode 8 preferably has a high work function in order to collect holes efficiently, and particularly preferably has a work function in the range of 4.9 to 5.1 eV. Specific examples of the material for the anode 8 include conductive transparent materials such as ITO (indium tin oxide), AZO, and GZO. The film thickness of the anode 8 is not particularly limited, but is preferably in the range of 50 to 300 nm in order to ensure good conductivity and light transmittance.
このような陽極8は、例えば上記のような電極材料を基板17の表面に物理的気相蒸着法や塗布法等により成膜して形成することができ、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の方法で薄膜に形成することによって作製することができる。 Such an anode 8 can be formed by, for example, forming an electrode material as described above on the surface of the substrate 17 by physical vapor deposition or coating, and for example, vacuum deposition, sputtering, ion It can be produced by forming a thin film by a method such as a plating method, a spin coating method, or a printing method.
また、この第一の単セル1の光電変換層3と上記陽極8との間に、正孔輸送層10を介在させても良い。正孔輸送層10を形成する材料としては、正孔を輸送する能力を有し、更に電子の正孔輸送層10への移動を防止し、且つ薄膜形成能力に優れた化合物を挙げることができる。具体的にはフタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)や4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、4,4’,4”−トリス(N−(3−メチルフェニル)N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m−MTDATA)、及びポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォネート(PEDOT:PSS)等の導電性高分子などの高分子材料を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 Further, a hole transport layer 10 may be interposed between the photoelectric conversion layer 3 of the first single cell 1 and the anode 8. Examples of the material for forming the hole transport layer 10 include compounds having the ability to transport holes, further preventing the movement of electrons to the hole transport layer 10, and excellent in thin film formation ability. . Specifically, phthalocyanine derivatives, naphthalocyanine derivatives, porphyrin derivatives, N, N′-bis (3-methylphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine (TPD) and 4,4 ′ -Aromatic diamine compounds such as bis [N- (naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl (α-NPD), oxazole, oxadiazole, triazole, imidazole, imidazolone, stilbene derivative, pyrazoline derivative, tetrahydroimidazole, poly Arylalkane, butadiene, 4,4 ′, 4 ″ -tris (N- (3-methylphenyl) N-phenylamino) triphenylamine (m-MTDATA), and polyvinylcarbazole, polysilane, polyethylenedioxythiophene: polystyrene Phonate (PEDOT It can be given a polymer material such as a conductive polymer PSS), etc., but is not limited thereto.
また、この第一の単セル1の、中間層4とは反対側には、別の中間層を介して別の有機太陽電池セルを積層しても良い。 Moreover, you may laminate | stack another organic photovoltaic cell on the opposite side to the intermediate | middle layer 4 of this 1st single cell 1 through another intermediate | middle layer.
次に、第二の単セル2における光電変換層3が、ドナー材料12としてフタロシアニンを含む場合の、第二の単セル2の構成について説明する。 Next, the configuration of the second single cell 2 in the case where the photoelectric conversion layer 3 in the second single cell 2 contains phthalocyanine as the donor material 12 will be described.
光電変換層3に含有されるドナー材料12であるフタロシアニンとしては、フタロシアニン骨格を有していれば良く、中心金属等は特に制限されないが、例えば中心金属がCu,Zn,Co,Ni,Pb,Pt,Fe,Mg等の2価のもの、無金属フタロシアニン、アルミニウムクロロフタロシアニン、インジウムクロロフタロシアニン、ガリウムクロロフタロシアニン等のハロゲン原子が配位した3価金属のフタロシアニン、その他バナジルフタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の酸素が配位したフタロシアニン等が挙げられる。 The phthalocyanine that is the donor material 12 contained in the photoelectric conversion layer 3 is not particularly limited as long as it has a phthalocyanine skeleton, and the central metal is not particularly limited. For example, the central metal is Cu, Zn, Co, Ni, Pb, Oxygen such as divalent compounds such as Pt, Fe, and Mg, trivalent metal phthalocyanines coordinated with halogen atoms such as metal-free phthalocyanine, aluminum chlorophthalocyanine, indium chlorophthalocyanine, and gallium chlorophthalocyanine, and other vanadyl phthalocyanine and titanyl phthalocyanine And phthalocyanine coordinated with.
また、アクセプター材料13としては、例えば第一の単セル1の場合と同様の材料や、蒸着法に適するペリレン等のn型を示す有機半導体材料を用いることができる。 As the acceptor material 13, for example, a material similar to that in the case of the first unit cell 1 or an organic semiconductor material exhibiting n-type such as perylene suitable for vapor deposition can be used.
光電変換層3を上記ドナー材料12とアクセプター材料13とが混合した層として形成することで、第二の単セル2をバルクへテロ型構造に形成することができる。光電変換層3を形成するにあたっては、例えばフタロシアニンとフラーレン等のアクセプター材料13を、共蒸着(同時蒸着)によって、混合層を形成する。 By forming the photoelectric conversion layer 3 as a layer in which the donor material 12 and the acceptor material 13 are mixed, the second single cell 2 can be formed in a bulk hetero structure. In forming the photoelectric conversion layer 3, for example, a mixed layer is formed by co-evaporation (simultaneous vapor deposition) of acceptor materials 13 such as phthalocyanine and fullerene.
また光電変換層3中におけるフタロシアニンとアクセプター材料13との含有比率は、フタロシアニン及びアクセプター材料13の種類等に応じ、所望の光電変換特性を発揮するように適宜設定すれば良いが、好ましくはフタロシアニンの含有重量に対するアクセプター材料13の体積比率が40〜60%の範囲となるように含有させることが好ましい。 The content ratio of the phthalocyanine and the acceptor material 13 in the photoelectric conversion layer 3 may be appropriately set according to the types of the phthalocyanine and the acceptor material 13 so as to exhibit desired photoelectric conversion characteristics. It is preferable to contain so that the volume ratio of the acceptor material 13 with respect to a containing weight may be in the range of 40 to 60%.
この光電変換層3は、中間層4における酸化モリブデン層6と隣接して形成することができ、このとき既述のように酸化モリブデンは第二の単セル2における正孔輸送層10として機能する。 This photoelectric conversion layer 3 can be formed adjacent to the molybdenum oxide layer 6 in the intermediate layer 4. At this time, the molybdenum oxide functions as the hole transport layer 10 in the second single cell 2 as described above. .
また、この第二の単セル2の、中間層4とは反対側には、陰極9(負極)を配置することができる。 Further, a cathode 9 (negative electrode) can be disposed on the opposite side of the second unit cell 2 from the intermediate layer 4.
この陰極9は、導電性が良好な材質にて形成する。またこの陰極9は、電子を効率良く収集するために仕事関数が小さいものであることが好ましく、特に仕事関数が3〜4.5eVの範囲のものが望ましい。このような陰極9の具体的な材料としては、Al、Ca、Mg、Ag、Cu、Pt等を挙げることができる。 The cathode 9 is formed of a material having good conductivity. The cathode 9 preferably has a small work function in order to collect electrons efficiently, and particularly preferably has a work function in the range of 3 to 4.5 eV. Specific examples of such a cathode 9 include Al, Ca, Mg, Ag, Cu, and Pt.
このような陰極9は、例えば上記のような電極材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の方法で薄膜に形成することによって作製することができる。この陰極9の膜厚は特に制限されないが、良好な導電性を確保するためには100nm程度とすることが好ましい。 Such a cathode 9 can be produced, for example, by forming an electrode material as described above into a thin film by a method such as vacuum deposition, sputtering, ion plating, spin coating, or printing. The film thickness of the cathode 9 is not particularly limited, but is preferably about 100 nm in order to ensure good conductivity.
また、この第二の単セル2の光電変換層3と上記陰極9との間に、電子輸送層11を介在させても良い。電子輸送層11を形成する材料としては、電子を輸送する能力を有し、更に正孔の電子輸送層11への移動を防止し、且つ薄膜形成能力に優れた化合物を挙げることができる。例えば中間層4におけるフッ化リチウム層5と同様のフッ化リチウムからなる層を形成することができる。 Further, an electron transport layer 11 may be interposed between the photoelectric conversion layer 3 of the second single cell 2 and the cathode 9. Examples of the material for forming the electron transport layer 11 include compounds having an ability to transport electrons, further preventing movement of holes to the electron transport layer 11, and excellent in thin film formation ability. For example, a layer made of lithium fluoride similar to the lithium fluoride layer 5 in the intermediate layer 4 can be formed.
また、この第二の単セル2の、中間層4とは反対側には、別の中間層を介して別の太陽電池セルを積層しても良い。 Moreover, you may laminate | stack another photovoltaic cell through another intermediate | middle layer on the opposite side to the intermediate | middle layer 4 of this 2nd single cell 2. FIG.
この積層型有機太陽電池Aは、各層を基板17側から順次積層成形することで製造することができる。 This laminated organic solar cell A can be manufactured by sequentially laminating each layer from the substrate 17 side.
このような第一の単セル1と第二の単セル2との組合わせにより、各有機太陽電池単セル1,2の特性を引き出して、吸収波長帯域を分けた高い効率の積層型有機太陽電池Aを得ることができる。 By combining the first single cell 1 and the second single cell 2 as described above, the characteristics of the organic solar cell single cells 1 and 2 are extracted, and a high-efficiency stacked organic solar in which the absorption wavelength band is divided. Battery A can be obtained.
また、中間層4における金属層7を特に金又は銀で形成していると、この金属層7と、積層型有機太陽電池Aの正極並びに負極との間に、仕事関数の差を適度に設定することが可能となる。このため、各有機太陽電池単セル1,2の開放電圧を向上して、積層型有機太陽電池A全体の開放電圧を向上することができる。 Moreover, when the metal layer 7 in the intermediate layer 4 is formed of gold or silver, a difference in work function is appropriately set between the metal layer 7 and the positive electrode and the negative electrode of the stacked organic solar cell A. It becomes possible to do. For this reason, the open circuit voltage of each organic solar cell single cell 1 and 2 can be improved, and the open circuit voltage of the stacked organic solar cell A as a whole can be improved.
すなわち、陽極8として透明電極を配置した場合、第一の単セル1は前記陽極8と金又は銀で形成される金属層7とに挟まれるため、両者の間に仕事関数に差を設けることができ、開放電圧を高くとれる。特に金属層7を銀で形成し、陽極8をITOで形成した場合には著しい効果が得られる。 That is, when a transparent electrode is disposed as the anode 8, the first unit cell 1 is sandwiched between the anode 8 and the metal layer 7 formed of gold or silver, so that a difference in work function is provided between the two. The open circuit voltage can be increased. In particular, when the metal layer 7 is made of silver and the anode 8 is made of ITO, a remarkable effect can be obtained.
また、第二の単セル2の場合も同様に、第二の単セル2の中間層4とは反対側に上述のような仕事関数の低い金属からなる陰極9を設けると、この陰極9と中間層4を構成する金属層7との間に仕事関数の差を設けることができ、開放電圧を高くすることができる。 Similarly, in the case of the second unit cell 2, when the cathode 9 made of the metal having a low work function as described above is provided on the side opposite to the intermediate layer 4 of the second unit cell 2, A work function difference can be provided between the intermediate layer 4 and the metal layer 7, and the open circuit voltage can be increased.
以下、本発明を、具体的な実施例を挙げることにより更に詳述する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by giving specific examples.
(実施例1)
一面に陽極8となる厚み150nmのITO膜が形成されたガラス基板17の、前記ITO膜が形成された面に、第一の単セル1の正孔輸送層10として、厚み30nmのPEDOT:PSS層を形成した。このとき、PEDOT:PSS溶液(バイエル社製、Baytron P AI4083)をスピンコート法(3000rpm、60秒)にて塗布した後、加熱乾燥することで成膜した。
Example 1
A PEDOT: PSS with a thickness of 30 nm is formed as the hole transport layer 10 of the first single cell 1 on the surface of the glass substrate 17 on which the ITO film with a thickness of 150 nm serving as the anode 8 is formed. A layer was formed. At this time, a PEDOT: PSS solution (manufactured by Bayer, Baytron P AI4083) was applied by a spin coating method (3000 rpm, 60 seconds), and then heated and dried to form a film.
次に、ドナー材料12である有機高分子化合物としてP3HTを、アクセプター材料13としてフラーレン誘導体(C60PCBM)を用い、これらを溶剤(クロロベンゼン)中にP3HTとC60PCBMの重量比が1:0.7となるように溶解させた。この溶液をスピンコートで塗布・成膜して、第一の単セル1における光電変換層3を厚み80nmに形成した。 Next, P3HT is used as the organic polymer compound that is the donor material 12, and a fullerene derivative (C60PCBM) is used as the acceptor material 13, and the weight ratio of P3HT and C60PCBM is 1: 0.7 in a solvent (chlorobenzene). So that it was dissolved. This solution was applied and formed by spin coating to form the photoelectric conversion layer 3 in the first single cell 1 with a thickness of 80 nm.
次に、真空蒸着法により、厚み0.1nmのフッ化リチウム層5、厚み1nmの金からなる金属層7、厚み5nmの酸化モリブデン層6を順次形成して、中間層4を形成した。 Next, an intermediate layer 4 was formed by sequentially forming a lithium fluoride layer 5 having a thickness of 0.1 nm, a metal layer 7 made of gold having a thickness of 1 nm, and a molybdenum oxide layer 6 having a thickness of 5 nm by vacuum deposition.
次に、ドナー材料12であるフタロシアニンとして亜鉛フタロシアニンを、アクセプター材料13としてフラーレンを用い、これらを1:1の体積比で共蒸着させて、第二の単セル2における光電変換層3を、厚み70nmに形成した。 Next, zinc phthalocyanine as the phthalocyanine which is the donor material 12 and fullerene as the acceptor material 13 are co-evaporated at a volume ratio of 1: 1, so that the photoelectric conversion layer 3 in the second single cell 2 has a thickness. It was formed to 70 nm.
次に、第二の単セル2における電子輸送層11として厚み0.1nmのフッ化リチウムからなる層を真空蒸着法により形成した。 Next, a layer made of lithium fluoride having a thickness of 0.1 nm was formed as the electron transport layer 11 in the second single cell 2 by a vacuum deposition method.
更に陰極9として厚み100nmのAlの層を蒸着法により形成し、セル発電面積が0.04cm2の積層型有機太陽電池Aを得た。この積層型有機太陽電池Aの層構成は、ITO/PEDOT:PSS/P3HT:C60PCBM/LiF/Au/MoOX/Znフタロシアニン:C60/Alとなる。 Further, an Al layer having a thickness of 100 nm was formed as the cathode 9 by vapor deposition to obtain a stacked organic solar battery A having a cell power generation area of 0.04 cm 2 . The layered structure of the stacked organic solar cell A is ITO / PEDOT: PSS / P3HT: C60PCBM / LiF / Au / MoO x / Zn phthalocyanine: C60 / Al.
この積層型有機太陽電池Aに、窒素雰囲気下、AM1.5 100mW/cm2の光を照射して、IV特性を測定した。 This laminated organic solar cell A was irradiated with light of AM 1.5 100 mW / cm 2 in a nitrogen atmosphere, and IV characteristics were measured.
また、比較対象として、上記積層型有機太陽電池Aにおける第一の単セル1に相当する構成を有する非積層型の有機太陽電池と、第二の単セル2に相当する構成を有する非積層型の有機太陽電池を作製した。第一の単セル1に相当する構成を有する非積層型の有機太陽電池の層構成は、ITO/PEDOT:PSS/P3HT:C60PCBM/LiF/Auとなり、陰極9は中間層4における金属層7と同様にAu層となる。また、第二の単セル2に相当する構成を有する非積層型の有機太陽電池の層構成は、ITO/Au/MoOX/Znフタロシアニン:C60/Alとなり、陽極8となるITO膜に対して、更に中間層4における金属層7に相当するAu層を積層している。 In addition, as a comparison object, a non-stacked organic solar battery having a configuration corresponding to the first single cell 1 in the stacked organic solar battery A and a non-stacked type having a configuration corresponding to the second single cell 2 are used. An organic solar cell was prepared. The layer structure of the non-stacked organic solar battery having the structure corresponding to the first single cell 1 is ITO / PEDOT: PSS / P3HT: C60PCBM / LiF / Au, and the cathode 9 is the same as the metal layer 7 in the intermediate layer 4. Similarly, an Au layer is formed. The layer structure of the non-stacked organic solar battery having a structure corresponding to the second unit cell 2 is ITO / Au / MoO x / Zn phthalocyanine: C60 / Al, and the ITO film serving as the anode 8 Further, an Au layer corresponding to the metal layer 7 in the intermediate layer 4 is laminated.
これらの非積層型の有機太陽電池に対しても、上記と同様にIV特性を測定した。 The IV characteristics were also measured for these non-stacked organic solar cells in the same manner as described above.
この結果を下記表1に示す。 The results are shown in Table 1 below.
この結果に示すように、本実施例1に係る積層型有機太陽電池Aの開放電圧(VOC)は、この積層型有機太陽電池Aを構成する各有機太陽電池単セル1,2にそれぞれ相当する非積層型の各有機太陽電池の開放電圧の和と合致した。従って、実施例1に係る積層型有機太陽電池Aでは、各有機太陽電池単セル1,2の直列動作が、完全に行われていることが確認された。 As shown in this result, the open circuit voltage (V oc ) of the stacked organic solar cell A according to Example 1 corresponds to each of the organic solar cell single cells 1 and 2 constituting the stacked organic solar cell A. It agrees with the sum of the open circuit voltage of each non-stacked organic solar cell. Therefore, in the stacked organic solar cell A according to Example 1, it was confirmed that the series operation of the organic solar cell single cells 1 and 2 was completely performed.
また、短絡電流(JSC)に関しては、積層型有機太陽電池Aの短絡電流は、非積層型有機太陽電池Aの各開放電圧の短絡電流のうち、値の小さい方の短絡電流と合致した。各有機太陽電池単セル1,2での吸収光の帯域がそれぞれ異なるため、各有機太陽電池単セル1,2における発生電流のうち低い方の電流値が、そのまま減少することなく、積層型有機太陽電池Aの電流値として現れたものである。この結果、本発明に係る積層型有機太陽電池Aでは、吸収帯域の異なる有機太陽電池単セル1,2を組合わせた場合、理想的なタンデム動作をさせ得ることが判明した。 Moreover, regarding the short circuit current (J SC ), the short circuit current of the stacked organic solar cell A matched the short circuit current having the smaller value among the short circuit currents of the open-circuit voltages of the non-stacked organic solar cell A. Since the band of absorbed light in each organic solar cell single cell 1, 2 is different, the lower current value of the generated current in each organic solar cell single cell 1, 2 does not decrease as it is, and the stacked organic This appears as the current value of the solar cell A. As a result, it was found that the stacked organic solar cell A according to the present invention can perform an ideal tandem operation when the organic solar cell single cells 1 and 2 having different absorption bands are combined.
(実施例2)
中間層4における金属層7を、銀で形成した以外は、実施例1と同様にして積層型有機太陽電池Aを作製した。
(Example 2)
A laminated organic solar cell A was produced in the same manner as in Example 1 except that the metal layer 7 in the intermediate layer 4 was formed of silver.
この積層型有機太陽電池Aについても、実施例1と同様の評価試験を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。 Also for this stacked organic solar cell A, the same evaluation test as in Example 1 was performed, and the same result as in Example 1 was obtained.
また、特にこの実施例2では、第一の単セル1に相当する構成の非積層型の有機太陽電池における開放電圧が0.53Vとなり、積層型有機太陽電池Aにおける開放電圧は1.0Vとなって、実施例1の場合よりも増大した。これにより、中間層4における金属層7を銀で形成すると、第一の単セル1の両側の陽極8と金属層7との間の仕事関数の差を大きくして、開放電圧を向上することが可能であることが確認できた。 In particular, in Example 2, the open-circuit voltage in the non-stacked organic solar battery having a configuration corresponding to the first single cell 1 is 0.53 V, and the open-circuit voltage in the stacked organic solar battery A is 1.0 V. As a result, it increased compared to the case of Example 1. Thereby, when the metal layer 7 in the intermediate layer 4 is made of silver, the work function difference between the anode 8 on both sides of the first unit cell 1 and the metal layer 7 is increased, and the open circuit voltage is improved. It was confirmed that it was possible.
(実施例3)
中間層4における金属層7を、アルミニウムで形成した以外は、実施例1と同様にして積層型有機太陽電池Aを作製した。但し、アルミニウムは酸化しやすいため、金属層7の膜厚を5nmと、実施例1よりも厚くした。この積層型有機太陽電池Aに対して、実施例1と同様に評価試験を行った。
(Example 3)
A laminated organic solar cell A was produced in the same manner as in Example 1 except that the metal layer 7 in the intermediate layer 4 was formed of aluminum. However, since aluminum is easily oxidized, the thickness of the metal layer 7 is 5 nm, which is larger than that of Example 1. An evaluation test was performed on the stacked organic solar cell A in the same manner as in Example 1.
この結果、短絡電流は4.5mA/cm2、開放電圧は0.81V、曲線因子は0.45、変換効率は1.6%であった。 As a result, the short-circuit current was 4.5 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.81 V, the fill factor was 0.45, and the conversion efficiency was 1.6%.
この実施例3では、仕事関数の面では、第一の単セル1はITOで形成された陽極8とアルミニウムで形成された金属層7で挟まれるために開放電圧が高いのに対し、第二の単セル2は共にアルミニウムで形成された陰極9と金属層7で挟まれるために開放電圧が低くなってしまうため、積層型有機太陽電池A全体の開放電圧は実施例1の方が優れているものの、各有機太陽電池単セル1,2のタンデム動作が行われることが、確認された。 In the third embodiment, in terms of work function, the first single cell 1 is sandwiched between the anode 8 made of ITO and the metal layer 7 made of aluminum, so that the open circuit voltage is high. Since the single cell 2 is sandwiched between the cathode 9 and the metal layer 7 both made of aluminum, the open circuit voltage becomes low, so the open voltage of the stacked organic solar cell A as a whole is superior to that of Example 1. However, it was confirmed that the tandem operation of each organic solar cell single cell 1, 2 was performed.
(実施例4)
実施例1において、第一の単セル1における光電変換層3を形成する際、ドナー材料12である有機高分子化合物を、MDMO−PPVに変更した。また、第二の単セル2における光電変換層3を形成する際、ドナー材料を銅フタロシアニンに変更した。この積層型有機太陽電池Aに対して、実施例1と同様に評価試験を行った。
Example 4
In Example 1, when forming the photoelectric converting layer 3 in the 1st single cell 1, the organic polymer compound which is the donor material 12 was changed into MDMO-PPV. Moreover, when forming the photoelectric converting layer 3 in the 2nd single cell 2, the donor material was changed into copper phthalocyanine. An evaluation test was performed on the stacked organic solar cell A in the same manner as in Example 1.
この結果、短絡電流は4.5mA/cm2、開放電圧は1.02V、曲線因子は0.47、変換効率は2.16%であった。 As a result, the short circuit current was 4.5 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 1.02 V, the fill factor was 0.47, and the conversion efficiency was 2.16%.
この結果、実施例1において、第一の単セル1におけるドナー材料12である有機高分子化合物を他のものに変更し、第二の単セル2におけるドナー材料12であるフタロシアニンを他のものに変更しても、各有機太陽電池単セル1,2のタンデム動作が行われることが、確認された。 As a result, in Example 1, the organic polymer compound that is the donor material 12 in the first single cell 1 is changed to another, and the phthalocyanine that is the donor material 12 in the second single cell 2 is changed to another. Even if it changed, it was confirmed that the tandem operation | movement of each organic solar cell single cell 1 and 2 is performed.
尚、MDMO−PPVのようなPPV系の有機高分子化合物は、単セルの開放電圧の向上に寄与するため、積層型有機太陽電池A全体の開放電圧は実施例1よりも向上している。 In addition, since the PPV type organic polymer compound such as MDMO-PPV contributes to the improvement of the open voltage of the single cell, the open voltage of the stacked organic solar cell A as a whole is higher than that of Example 1.
(実施例5)
本発明による中間層4が、三層以上のタンデムでも動作することを、次のようにして確認した。
(Example 5)
It was confirmed as follows that the intermediate layer 4 according to the present invention operates even in a tandem of three or more layers.
光電変換層3として蒸着法により、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)とC60フラーレンを共蒸着して形成して成る光電変換層3を、本発明による中間層4を介して積層し、二層、三層、四層の積層型有機太陽電池Aを作製した。 The photoelectric conversion layer 3 formed by co-evaporation of zinc phthalocyanine (ZnPc) and C60 fullerene by the vapor deposition method as the photoelectric conversion layer 3 is laminated via the intermediate layer 4 according to the present invention, and the two layers, three layers, A four-layer organic solar cell A was produced.
四層タンデムのセル構造は、ガラス/ITO(150nm)/ZnPc:C60(50nm)/LiF(0.1nm)/Au(1nm)/MoOX(5nm)/(以下膜厚同じ)ZnPc:C60/LiF/Au/MoOX/ZnPc:C60/LiF/Au/MoOX/ZnPc:C60/LiF/Al(100nm)とした。 The cell structure of the four-layer tandem is as follows: Glass / ITO (150 nm) / ZnPc: C60 (50 nm) / LiF (0.1 nm) / Au (1 nm) / MoO x (5 nm) / (hereinafter the same thickness) ZnPc: C60 / LiF / Au / MoO X / ZnPc : C60 / LiF / Au / MoO X / ZnPc: was C60 / LiF / Al (100nm) .
このとき、単層、二層、三層、四層のセルの開放電圧は、それぞれ0.56V、1.06V、1.47V、2.07Vとなり、層数にほぼ比例して電圧が増加することを確認した。よって本中間層4は、三層以上のタンデムセルでも有効に働くことが確認できた。 At this time, the open-circuit voltages of the single-layer, two-layer, three-layer, and four-layer cells are 0.56 V, 1.06 V, 1.47 V, and 2.07 V, respectively, and the voltage increases almost in proportion to the number of layers. It was confirmed. Therefore, it was confirmed that the intermediate layer 4 works effectively even in a tandem cell having three or more layers.
(比較例1)
実施例1において、中間層4を構成するフッ化リチウム層5に代えて、n型有機半導体である厚み5nmのフラーレン蒸着層を形成した。この積層型有機太陽電池Aに対して、実施例1と同様に評価試験を行った。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a fullerene vapor deposition layer having a thickness of 5 nm, which is an n-type organic semiconductor, was formed in place of the lithium fluoride layer 5 constituting the intermediate layer 4. An evaluation test was performed on the stacked organic solar cell A in the same manner as in Example 1.
この結果、短絡電流は4.6mAに、開放電圧は0.7Vに、それぞれ低下した。これにより、フッ化リチウム層5の有効性が確認された。 As a result, the short circuit current decreased to 4.6 mA, and the open circuit voltage decreased to 0.7V. Thereby, the effectiveness of the lithium fluoride layer 5 was confirmed.
(比較例2)
実施例1において、中間層4を構成する酸化モリブデン層6に代えて、代表的な正孔輸送層であるPEDOT:PSS層を形成した。この積層型有機太陽電池Aに対して、実施例1と同様に評価試験を行った。
(Comparative Example 2)
In Example 1, a PEDOT: PSS layer, which is a representative hole transport layer, was formed in place of the molybdenum oxide layer 6 constituting the intermediate layer 4. An evaluation test was performed on the stacked organic solar cell A in the same manner as in Example 1.
この結果、形状因子が0.35に低下した。これは、水溶性の有機導電膜であるPEDOT:PSS層は金属層7との濡れ性が低く、また隣接する光電変換層3が水分によるダメージを受けたためと、考えられる。 As a result, the form factor decreased to 0.35. This is probably because the PEDOT: PSS layer, which is a water-soluble organic conductive film, has low wettability with the metal layer 7, and the adjacent photoelectric conversion layer 3 was damaged by moisture.
(比較例3)
実施例1において、中間層4を構成する酸化モリブデン層6に代えて、厚み5nmの酸化タングステン層を形成した。この積層型有機太陽電池Aに対して、実施例1と同様に評価試験を行った。
(Comparative Example 3)
In Example 1, a tungsten oxide layer having a thickness of 5 nm was formed in place of the molybdenum oxide layer 6 constituting the intermediate layer 4. An evaluation test was performed on the stacked organic solar cell A in the same manner as in Example 1.
この結果、初期特性については、実施例1とほぼ同じ特性が得られたが、光の照射時間が長くなるに従って、短絡電流の低下量が、実施例1の場合よりも30%以上大きくなった。これは、酸化タングステンが紫外光を受けて透過率が低下したためと考えられる。 As a result, the initial characteristics were almost the same as those in Example 1. However, as the light irradiation time was increased, the amount of decrease in the short-circuit current was 30% or more larger than that in Example 1. . This is presumably because tungsten oxide received ultraviolet light and its transmittance was reduced.
(比較例4)
上記実施例1において、中間層4を構成するフッ化リチウム層5、金属層7、及び酸化モリブデン層6のうち、いずれか一つを取り除いた構成を有する三種の積層型有機太陽電池Aを作製した。この三種の積層型有機太陽電池Aにつき、それぞれ実施例1と同様の評価試験を行った。
(Comparative Example 4)
In Example 1 above, three types of stacked organic solar cells A having a configuration in which any one of the lithium fluoride layer 5, the metal layer 7, and the molybdenum oxide layer 6 constituting the intermediate layer 4 is removed are manufactured. did. For these three types of stacked organic solar cells A, the same evaluation test as in Example 1 was performed.
この結果、各積層型有機太陽電池Aでは、いずれも単セル分の開放電圧しか得られず、充分なタンデム動作を行わないことが判明した。 As a result, it was found that each of the stacked organic solar cells A can only obtain an open voltage for a single cell and does not perform a sufficient tandem operation.
従って、本発明のようにフッ化リチウム層5、金属層7、及び酸化モリブデン層6を有する中間層4を設けることが、積層型有機太陽電池Aが完全なタンデム動作を発揮することに寄与することが、確認された。 Therefore, the provision of the intermediate layer 4 having the lithium fluoride layer 5, the metal layer 7, and the molybdenum oxide layer 6 as in the present invention contributes to the stacked organic solar cell A exhibiting a complete tandem operation. That was confirmed.
A 積層型有機太陽電池
1 有機太陽電池単セル(第一の単セル)
2 有機太陽電池単セル(第二の単セル)
3 光電変換層
4 中間層
5 フッ化リチウム層
6 酸化モリブデン層
7 金属層
8 陽極
9 陰極
12 ドナー材料
A Stacked organic solar cell 1 Organic solar cell single cell (first single cell)
2 Organic solar cell (second single cell)
3 Photoelectric conversion layer 4 Intermediate layer 5 Lithium fluoride layer 6 Molybdenum oxide layer 7 Metal layer 8 Anode 9 Cathode 12 Donor material
Claims (2)
上記中間層が、積層型有機太陽電池の陽極側に配置されているフッ化リチウム層と、陰極側に配置されている酸化モリブデン層と、前記フッ化リチウム層と酸化モリブデン層との間に配置されている金属層とを備え、前記金属層が、金又は銀で形成されていることを特徴とする積層型有機太陽電池。 A laminated organic solar battery in which a plurality of organic solar battery single cells having a photoelectric conversion layer formed by blending a donor material and an acceptor material are stacked via an intermediate layer,
The intermediate layer is disposed between the lithium fluoride layer disposed on the anode side of the stacked organic solar cell, the molybdenum oxide layer disposed on the cathode side, and the lithium fluoride layer and the molybdenum oxide layer. has been provided with a metal layer are stacked organic solar cell, wherein the metallic layer that you have been formed by gold or silver.
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