【文献】
Mi-Hyae Park et al.,Doping of the Metal Oxide Nanostructure and its Influence in Organic Electronics,ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS,2009年 4月23日,Vol.19,pp.1241-1246
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記バッファ層を形成するためのルチル型チタニア粒子含有液が、Ti以外の金属化合物とルチル型チタニア粒子前駆体とを含む請求項4に記載の有機薄膜太陽電池用セルの製造方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献1に記載のゾルゲル法では、酸化チタン膜の膜形成の再現性が乏しく、生産性に欠ける問題があった。また、形成された酸化チタン膜は非晶質となるため、電子伝導性が低く高抵抗となってしまう問題もあった。
【0006】
本発明は、良好な光電変換効率を有しながら、高抵抗化を招かない実用性の高い有機薄膜太陽電池用セル及び当該有機薄膜太陽電池用セルを具備する有機薄膜太陽電池を提供することを目的とする。また、本発明は、酸化チタン膜の膜形成の再現性が高く、良好な生産性を有する有機薄膜太陽電池用セルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、ルチル型酸化チタンを含む結晶質酸化チタン層をバッファ層として、活性層と金属電極層との間に形成すると、良好な光電変換効率を有しながら、高抵抗化を招かない実用性の高い有機薄膜太陽電池用セル及び当該有機薄膜太陽電池用セルを具備する有機薄膜太陽電池となることを見出した。また、上記バッファ層を形成する際に、予め活性層にプラズマ処理を施すと膜厚が均一となることで、再現性が高い膜形成が可能となり、生産性よく有機薄膜太陽電池用セルを製造できることを見出した。
【0008】
すなわち、本発明は下記の通りである。
[1] 透明基板上に、透明電極層と活性層とバッファ層と金属電極層とを順次有し、前記バッファ層が結晶質酸化チタン層であって、
前記バッファ層がSn、Mn、Pb、Ge及びTeからなる群から選択される少なくとも1種を含む、ルチル型酸化チタン粒子を含む有機薄膜太陽電池用セル。
[2] 前記バッファ層が、前記ルチル型酸化チタン粒子を50質量%以上含有してなる上記[1]に記載の有機薄膜太陽電池用セル。
[3] 前記ルチル型酸化チタン粒子の平均粒子径が1〜15nmである[1]又は[2]に記載の有機薄膜太陽電池用セル。
[4] 透明基板上に、透明電極層と活性層とバッファ層と金属電極層とを順次形成する有機薄膜太陽電池用セルの製造方法であって、前記透明電極層上に活性層を形成した後に、当該活性層表面にプラズマ処理を施して、前記バッファ層を形成する
上記[1]に記載の有機薄膜太陽電池用セルの製造方法。
[5] バッファ層を形成するためのルチル型チタニア粒子含有液が、Ti以外の金属化合物とルチル型チタニア粒子前駆体とを含む[4]に記載の有機薄膜太陽電池用セルの製造方法。
[6] 上記[1]〜[3]のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池用セルを具備してなる有機薄膜太陽電池。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、良好な光電変換効率を有しながら、高抵抗化を招かない実用性の高い有機薄膜太陽電池用セル及び当該有機薄膜太陽電池用セルを具備する有機薄膜太陽電池を提供することができる。また、本発明によれば、酸化チタン膜の膜形成の再現性が高く、良好な生産性を有する有機薄膜太陽電池用セルの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
[1.有機薄膜太陽電池用セル]
本発明の有機薄膜太陽電池用セルは、透明基板上に、透明電極層と活性層とバッファ層と金属電極層とを順次有してなる。以下、各層について説明する。
【0012】
(バッファ層)
バッファ層は、活性層と金属電極層との間における電子伝達性を良好にすることで太陽電池特性(特に光電変換効率)の向上に寄与する。ここで、本発明に係るバッファ層は、結晶質酸化チタン層であって、ルチル型酸化チタン粒子を含む。結晶質酸化チタン層とすることで電子導電性を向上させることができる。また、ルチル型酸化チタンはアナターゼ型酸化チタンよりも伝導帯が貴の電位にあり、活性層と金属電極層との接触面での電気的抵抗を低下させる効果がある。
ここで、結晶質酸化チタン層の結晶相および結晶性は、X線回折装置により評価する。X線回折パターンから結晶相が特定でき、半値幅から結晶性を見積もることが可能となる。そして、当該評価における半値幅が10°以下の場合に、本発明に係る結晶質酸化チタン層となる。
【0013】
バッファ層におけるルチル型酸化チタン粒子の含有量は、50質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、100質量%、すなわちルチル型酸化チタン粒子からなることが特に好ましい。50質量%以上であることで活性層と金属電極層との間の電気的抵抗をより低減させることができる。ルチル型酸化チタン粒子の含有量は、X線回折装置により測定することができる。
【0014】
バッファ層におけるルチル型酸化チタン粒子の平均粒子径は、1〜15nmであることが好ましく、3〜12nmであることがより好ましい。1〜15nmであることで、良好な生産性を維持しながら、活性層と金属電極層との間の電子伝達性を良好にすることができる。ルチル型酸化チタン粒子の平均粒子径は、X線回折装置でθ/2θ測定における回折角が27.4°(ルチル110面に対応)のピークの半値幅を求め、その値とシェラーの式から測定することができる。
【0015】
(透明基板)
透明基板は、400nmから750nmの可視光領域において、70%以上の平均透過率を有する材料を使用することが好ましい。透明基板の材質としては、ガラスや石英のような無機材料、ポリカーボネートやポリエステル(例えば、ポリエチレンテレフタレート)のような有機材料が挙げられる。透明基板の厚さは、支持体としての機能を考慮して500〜2000μmであることが好ましく、500〜700μmであることがより好ましい。
【0016】
(透明電極層)
透明電極層としては、有機薄膜太陽電池に照射される光を効率的に活性層に供給できる光透過性の高い層が好ましい。すなわち、既述の可視光領域における平均透過率が85%以上であることが好ましい。また、活性層で生成した電気エネルギーを効率的に取り出せるように導電性の高い層であることが好ましい。
【0017】
このような透明電極層の材料としては、例えば、ITO(Indium tin oxide)、FTO(Fluorine−doped tin oxide)等の導電性金属酸化物が好ましく、ITOがより好ましい。
透明電極層の厚さは、100〜1000nm程度が好ましく、100〜200nm程度がより好ましい。
【0018】
透明電極層上には、正孔輸送層が設けられていることが好ましい。正孔輸送層としては、ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン(PEDOT):ポリスチレンスルホン酸(PSS)を含有する層を用いることが好ましい。上記PEDOT:PSSは、PEDOTとPSSとが一体化したポリマーであり、一般に「PEDOT:PSS」と略記される。
当該正孔輸送層の厚みは、20〜50nm程度であることが好ましい。
【0019】
(活性層)
活性層は、光電変換層として作用し、2つの成分、すなわち、電子ドナーとして機能する共役ポリマーと、電子アクセプタとして機能する第2の成分とを含むことが好ましい。第2の成分は第2の共役有機ポリマーとすることができるが、フラーレンが使用された場合は、より良好な効果が得られる。
【0020】
共役ポリマーとしては、ポリフェニレン、ポリビニレン、ポリアニリン、及びポリチオフェン等が挙げられ、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)が好ましい。
電子アクセプタとしては、フラーレン、特に、[6、6]−フェニル−C
61−酪酸メチルエステル(PCBM)のようなフラーレン誘導体が好ましい。
【0021】
活性層は、P3HTとPCBMとの2成分のみから形成すればよいが、適宜、光電変換作用を有する導電性材料や色素等を含有してもよい。
導電性材料としては、例えば、ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリパラフェニレン系、ポリパラフェニンビニレン系、ポリチエニレンビニロン系、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)系、ポリフルオレン系、ポリアニリン系、ポリアセン系の導電性材料が挙げられる(但し、PEDOT:PSSは除く)。
【0022】
また、色素としては、例えば、シアニン系、メロシアニン系、フタロシアニン系、ナフタロシアニン系、アゾ系、キノン系、キノイシン系、キナクドリン系、スクアリリウム系、トリフェニルメタン系、キサンテン系、ポルフィリン系、ペリレン系、インジコ系の色素が挙げられる。
【0023】
活性層の厚さは、50〜200nm程度であることが好ましく、60〜150nm程度であることがより好ましい。
【0024】
(金属電極層)
金属電極層としては、金、アルミニウムといった材料を使用することができる。金属電極層の厚さは、50〜1000nm程度であることが好ましく、50〜150nm程度であることがより好ましい。
【0025】
[2.有機薄膜太陽電池用セルの製造方法]
本発明の有機薄膜太陽電池用セルの製造方法は、透明基板上に、透明電極層と活性層とバッファ層と金属電極層とを順次形成する方法であって、バッファ層の形成に先立って活性層表面にプラズマ処理を施すことを特徴とする。以下、本発明の有機薄膜太陽電池用セルの製造方法について説明する。
【0026】
まず、透明基板上に透明電極を形成するには、熱蒸着、電子ビーム蒸着、RF(高周波)又はマグネトロンスパッタリング、化学気相蒸着等の方法を適用することができる。
【0027】
透明電極層上に正孔輸送層を形成する場合は、既述の高分子材料を含有する塗付液を塗付し乾燥して設けることができる。具体的には、透明電極上にPEDOT:PSSの水分散液(例えば、市販の1.3重量%水分散液(Aldrich製)等)をスピンコートすることにより形成し乾燥すればよい。
【0028】
透明電極層上に活性層を形成するには、通常の塗付法を適用することができる。
例えば、活性層をP3HTとPCBMの2成分から構成する場合、これらからなる塗布液は、両者の配合割合を、P3HT:PCBM(質量比)で5:3〜5:6程度とすることが好ましく、5:3〜5:4程度とすることがより好ましい。溶媒としてはクロロベンゼンを使用することができる。
【0029】
当該塗布液に添加剤(導電性材料や色素)を添加する場合、当該添加剤の添加量は、P3HTとPCBMとの合計量を100質量部として、1〜100質量部程度とすることが好ましく、1〜40質量部程度とすることがより好ましい。
上記塗布液の塗布方法としてはスピンコート法を適用することができる。
【0030】
次に、活性層上にバッファ層を形成するが、本発明では活性層表面にプラズマ処理を施してからバッファ層を形成する。一般的にP3HTとPCBMとの混合膜は疎水性であり、この上に均一の膜を形成することは困難で膜形成の再現性が低く、生産性を低下させてしまう。これに対し本発明では、プラズマ処理を施すことで活性層表面を親水化している。そのため、バッファ層形成材料を塗布しても膜厚の均一性が得られ、その再現性も高くなる。
【0031】
ここで、プラズマ処理としては、Ar、O
2等によるプラズマ処理が挙げられるが、処理の効率性や良好な再現性の点から、Arプラズマ処理が好ましい。
【0032】
Arプラズマ処理を適用する場合、活性層表面を親水化する点と活性層表面へのダメージを抑える点とを考慮して、下記のような条件とすることが好ましい。
(1)Arガス圧力:30〜300Pa(好ましくは100〜300Pa)
(2)処理時間:10〜110秒(好ましくは50〜110秒)
【0033】
プラズマ処理後にバッファ層を形成するが、バッファ層を形成するためのバッファ層形成材料としては、ルチル型チタニア粒子含有液を用いる。ルチル型チタニア粒子含有液は、ルチル型チタニア粒子を含有していればよく、その粒子形成を促進するためのTi以外の金属化合物とルチル型チタニア粒子前駆体とから合成した状態の粒子を含有していてもよい。
【0034】
ここで、上記金属化合物としては、Sn、Mn、Pb、Ge及びTeの少なくともいずれかを含む化合物を使用することが可能で、なかでもSnを含む化合物、特に塩化スズが好ましい。上記金属化合物の加水分解後の生成物である酸化物の安定結晶構造がルチル型であることから、その存在によりチタニア粒子を結晶性の高いルチル型にすることができる。また、ルチル型チタニア粒子前駆体としては、塩化チタン、硫酸チタン、チタンアルコキシド等が挙げられる。金属化合物とルチル型チタニア粒子前駆体とのモル比は、5:95〜90:10であることが好ましく、10:90〜20:80であることがより好ましい。
なお、含有液を構成する液体としては、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類等の有機溶媒、又はその混合液を使用することができる。
【0035】
ルチル型チタニア粒子含有液を10℃以下の純水中へ滴下することで、例えば、粒径が1〜10nmの結晶性の高いルチル型チタニア粒子の分散液が得られる。
このようにして得られたルチル型チタニア粒子分散液は酸性が強いため、限外濾過によって、pH2程度の状態に洗浄した分散液とすることが好ましい。酸成分が多いとスピンコーター等の装置を腐食することや有機物の活性層へのダメージにもつながってしまうため好ましくない。
【0036】
このルチル型チタニア粒子分散液をプラズマ処理後の活性層上に塗布し乾燥することでバッファ層が形成される。
バッファ層を形成した後は、金属電極層を形成するが、これは一般的な蒸着法により形成することができる。
以上のようにして、適宜公知の処理を施すことで本発明の有機薄膜太陽電池用セルが作製される。
【0037】
[3.有機薄膜太陽電池]
本発明の有機薄膜太陽電池は、有機薄膜太陽電池用セルを具備してなる。具体的には、有機薄膜太陽電池セルが複数配設されるとともに、隣接する太陽電池セル同士が電気的に直列接続されてなる。
有機薄膜太陽電池は、本発明の有機薄膜太陽電池セルをそのまま利用して構成してもよく、また、透明性基板上に本発明の有機薄膜太陽電池セルを設け、これを封止する筐体をさらに設け、有機薄膜太陽電池セルと筐体との間に、水分捕捉剤及びワックスを含むホットメルト型部材を配置してパネル状の形態として構成してもよい。
【実施例】
【0038】
次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【0039】
(実施例1)
(1)結晶性を有するルチル型チタニア粒子分散液の製造
SnCl
4及びTiCl
4を、SnCl
4:TiCl
4=2:8(mol比)となるように混合した混合液(液体成分:水)を10℃以下に冷却した純水へ滴下し、平均粒子径10nmのルチル型チタニア粒子分散液を作製した。当該分散液を洗浄してpHを2程度とした。
【0040】
(2)有機薄膜太陽電池用セルの作製
ITOからなる透明電極層(厚さ:150nm)が形成されたガラス基板(厚さ:700μm)をO
2プラズマにより洗浄した。透明電極層上に、スピンコート(500rpm,5sec→3000rpm,180sec)によりPEDOT:PSSを塗布し、大気中にて熱処理(135℃,10min)を施して正孔輸送層(厚さ:30nm)を形成した。
【0041】
N
2パージされたグローブボックス内で、質量比P3HT:PCBM:CB(クロロベンゼン)=20:14:1106.6で3.0質量%塗布液を3000rpmでスピンコートして、活性層(厚さ:80nm)を形成した。
【0042】
活性層表面をArプラズマ処理し、ルチル型チタニア粒子分散液を活性層上に塗布してバッファ層(厚さ:15nm)を形成した。
なお、Arプラズマ処理における出力は21W、Arガス圧力(流量)は300Pa、処理時間は110secとした。また、バッファ層はスピンコート(回転数:1000rpm)により形成し、ルチル型チタニア粒子分散液中のルチル型チタニア粒子の含有量は1.3質量%であった。
【0043】
また、X線回折装置による測定結果、バッファ層はルチル型の結晶性を有し、バッファ層におけるルチル型チタニア粒子の平均粒子径は10nmであった。
また、このバッファ層におけるルチル型チタニアの含有量は100質量%であった。
【0044】
Alからなる金属電極層を蒸着(10
-3〜10
-4Pa程度の真空内で1nm/secのレートで蒸着)により形成した(厚さ:100nm)。
その後、アニール処理(110℃,10min→140℃,10min)を施して、有機薄膜太陽電池用セルを作製した。
【0045】
作製した有機薄膜太陽電池用セルについて、ソーラシミュレータでAM1.5G、100mW/cm
2の擬似太陽光を照射し、太陽電池測定システムOTE−XL(分光計器(株)製)にて測定した。結果を下記表1に示す。
なお、太陽電池の変換効率:PCE(Power conversion efficiency)は次の式から求めた。
PCE(%)
=Jsc(短絡電流)×Voc(開放電圧)×FF(Fillfactor:形状因子)/入射エネルギー
【0046】
(比較例1)
バッファ層を形成しなかった以外は、実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池用セルを作製した。実施例1と同様にして当該有機薄膜太陽電池用セルの太陽電池特性を測定した。結果を下記表1に示す。
【0047】
(比較例2)
バッファ層をアモルファス状態のチタニア層(TiOx 厚さ:15nm)とした以外は、実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池用セルを作製した。
なお、アモルファス状態のチタニア層は下記のようにして形成した。
チタニウム(IV)イソプロポキシド、2−メトキシエタノール及びエタノールアミンを容量10:50:5で混合し、不活性N
2下で80℃で1時間、120℃で2時間撹拌した。その溶液をイソプロピルアルコールで10倍に希釈して、スピンコート法により2500rpmで120秒間回転させた。乾燥した膜を大気中で80℃で30分程度アニールして、アモルファス状態のチタニア層を形成した。
【0048】
実施例1と同様にして当該有機薄膜太陽電池用セルの太陽電池特性を測定した。結果を下記表1に示す。
【0049】
【表1】
【0050】
(実施例2)
実施例1において、バッファ層の厚みを種々変化させて当該厚みに対する直列抵抗の変化を測定した。結果を
図1に示す。
【0051】
(比較例3)
比較例2において、バッファ層の厚みを種々変化させて当該厚みに対する直列抵抗の変化を測定した。結果を
図1に示す。
【0052】
図1より、膜厚の変化によらず、実施例2の直列抵抗値は比較例3よりも低かった。
以上から、本発明の有機薄膜太陽電池用セルは良好な光電変換効率を有し、かつ高抵抗化を招かない実用性の高いことが確認された。