特開 2024-140260 太陽電池および太陽電池の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140260

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】太陽電池および太陽電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10K 30/50 20230101AFI20241003BHJP

   H10K 30/20 20230101ALI20241003BHJP

   H10K 85/60 20230101ALI20241003BHJP

   H10K 85/10 20230101ALI20241003BHJP

   H10K 71/12 20230101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H10K30/50

H10K30/20

H10K85/60

H10K85/10

H10K71/12

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023051314

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】指田 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】中西 勝

(72)【発明者】

【氏名】川島 広平

(72)【発明者】

【氏名】柴 唯啓

【テーマコード（参考）】

3K107

5F251

【Ｆターム（参考）】

3K107AA03

3K107EE68

3K107FF15

5F251AA11

5F251CB14

5F251FA02

5F251FA03

5F251FA04

5F251FA06

5F251GA03

(57)【要約】

【課題】発電効率を向上させることが可能な太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽電池は、陰極、電子輸送層、活性層１３、正孔輸送層および陽極が順次積層されている。活性層１３は、有機ドナー材料Ｄおよび有機アクセプター材料Ａを含み、１μｍ^２当たりの界面長さが７０μｍ以上１００μｍ以下である相分離構造を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

陰極、電子輸送層、活性層、正孔輸送層および陽極が順次積層されており、
前記活性層は、有機ドナー材料および有機アクセプター材料を含み、１μｍ^２当たりの界面長さが７０μｍ以上１００μｍ以下である相分離構造を有する、太陽電池。

【請求項2】

前記有機ドナー材料は、化学式

【化1】

で表される化合物であり、
前記有機アクセプター材料は、化学式

【化2】

で表される化合物である、請求項１に記載の太陽電池。

【請求項3】

請求項１または２に記載の太陽電池を製造する方法であって、
前記有機ドナー材料、前記有機アクセプター材料、第１溶媒および第２溶媒を含む塗布液を塗布して、前記活性層を成膜する工程を含み、
前記第２溶媒は、前記第１溶媒よりも、前記有機ドナー材料および前記有機アクセプター材料に対する溶解度が低い、太陽電池の製造方法。

【請求項4】

前記第１溶媒は、ハロゲン系溶媒であり、
前記第２溶媒は、ジヨードオクタン、クロロナフタレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルベンジルアミン、ジクロロオクタンおよびオクタンジオールからなる群より選択される一種以上の溶媒であり、
前記第２溶媒の含有量が１．０体積％以下である、請求項３に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項5】

前記活性層を成膜する環境の温度は、２５℃以上４０℃以下である、請求項３に記載の太陽電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池および太陽電池の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、多くの人々が手頃で信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する太陽電池の研究開発が実施されている。

【0003】

陰極、電子輸送層、活性層、正孔輸送層および陽極が順次積層されており、活性層が有機ドナー材料および有機アクセプター材料を含む太陽電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１３８７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、太陽電池の発電効率を向上させることが望まれている。

【0006】

本発明は、発電効率を向上させることが可能な太陽電池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】

（１）陰極、電子輸送層、活性層、正孔輸送層および陽極が順次積層されており、前記活性層は、有機ドナー材料および有機アクセプター材料を含み、１μｍ^２当たりの界面長さが７０μｍ以上１００μｍ以下である相分離構造を有する、太陽電池。

【0008】

（２）前記有機ドナー材料は、化学式

【化1】

で表される化合物であり、前記有機アクセプター材料は、化学式

【化2】

で表される化合物である、（１）に記載の太陽電池。

【0009】

（３）（１）または（２）に記載の太陽電池を製造する方法であって、前記有機ドナー材料、前記有機アクセプター材料、第１溶媒および第２溶媒を含む塗布液を塗布して、前記活性層を成膜する工程を含み、前記第２溶媒は、前記第１溶媒よりも、前記有機ドナー材料および前記有機アクセプター材料に対する溶解度が低い、太陽電池の製造方法。

【0010】

（４）前記第１溶媒は、ハロゲン系溶媒であり、前記第２溶媒は、ジヨードオクタン、クロロナフタレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルベンジルアミン、ジクロロオクタンおよびオクタンジオールからなる群より選択される一種以上の溶媒であり、前記第２溶媒の含有量が１．０体積％以下である、（３）に記載の太陽電池の製造方法。

【0011】

（５）前記活性層を成膜する環境の温度は、２５℃以上４０℃以下である、（３）または（４）に記載の太陽電池の製造方法。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、発電効率を向上させることが可能な太陽電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本実施形態の太陽電池の一例を示す断面図である。

【図2】図１の活性層の相分離構造を示す上面図である。

【図3】活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さと発電効率の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0015】

図１に、本実施形態の太陽電池の一例を示す。

【0016】

太陽電池１０は、陰極１１、電子輸送層１２、活性層１３、正孔輸送層１４および陽極１５が順次積層されている。

【0017】

活性層１３は、図２に示すように、有機ドナー材料Ｄおよび有機アクセプター材料Ａを含み、相分離構造を有する。相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、７０μｍ以上１００μｍ以下であり、７５μｍ以上９０μｍ以下であることが好ましい。相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さが７０μｍ未満であると、相分離構造が粗大になり、太陽光を吸収して生成した励起子が失活しやすくなるため、太陽電池１０の発電効率が低くなる。一方、相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さ１００μｍを超えると、相分離構造が細密になり、分離した電荷が再結合しやすくなるため、太陽電池１０の発電効率が低くなる。

【0018】

有機ドナー材料Ｄは、ｐ型半導体材料であれば、特に限定されないが、例えば、オリゴチオフェン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、テトラチアフルバレン、キノン、テトラシアノキノジメタンが挙げられる。これらの中でも、太陽電池１０の発電効率の観点から、化学式

【化3】

で表される化合物ＰＢＤＢ－Ｔ－２Ｆ（ＰＭ６）（Ｏｓｓｉｌａ製）が挙げられる。

【0019】

有機アクセプター材料Ａは、ｎ型半導体材料であれば、特に限定されないが、例えば、パーフルオロペンタセン、パーフルオロフタロシアニン、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸ジイミドが挙げられる。これらの中でも、太陽電池１０の発電効率の観点から、化学式

【化4】

で表される化合物Ｙ６（シグマアルドリッチ製）が挙げられる。上記以外の有機アクセプター材料Ａとしては、ＢＴＰ－ｅＣ９（Ｏｓｓｉｌａ製）、ＢＴＰ－４Ｃｌ－１２（Ｏｓｓｉｌａ製）、ＢＴＰ－４Ｆ－１２（Ｏｓｓｉｌａ製）、Ｙ６のＦをＣｌに置換した化合物Ｙ７（シグマアルドリッチ製）、ＢＴＯ（Ｂｒｉｌｌｉａｎｔ Ｍａｔｔｅｒｓ製）等が挙げられる。

【0020】

活性層１３の厚さは、特に限定されないが、例えば、９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である。

【0021】

活性層１３は、有機ドナー材料Ｄ、有機アクセプター材料Ａ、第１溶媒および第２溶媒を含む塗布液を塗布して、成膜される。ここで、第２溶媒は、第１溶媒よりも、有機ドナー材料Ｄおよび有機アクセプター材料Ａに対する溶解度が低い。これにより、活性層１３の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さを調整することができる。

【0022】

第１溶媒としては、特に限定されないが、例えば、クロロベンゼン、クロロホルム等のハロゲン系溶媒が挙げられる。

【0023】

第２溶媒としては、活性層１３の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さを調整することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ジヨードオクタン、クロロナフタレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルベンジルアミン、ジクロロオクタン、オクタンジオールが挙げられ、二種以上を併用してもよい。

【0024】

塗布液中の第２溶媒の含有量は、１．０体積％以下であり、０．１体積％以上０．６体積％以下であることが好ましい。塗布液中の添加剤の含有量が１．０体積％以下であると、太陽電池１０の発電効率が高くなる。

【0025】

活性層１３を成膜する環境の温度は、２５℃以上４０℃以下であることが好ましい。活性層１３を成膜する環境の温度が２５℃以上４０℃以下であると、太陽電池１０の発電効率が高くなる。

【0026】

活性層１３を成膜する環境は、大気下であってもよいが、窒素雰囲気下であることが好ましい。これにより、太陽電池１０の発電効率が高くなる。

【0027】

窒素雰囲気中の酸素濃度は、特に限定されないが、例えば、１ｐｐｍ以下である。また、窒素雰囲気の露点は、特に限定されないが、例えば、－７０℃以上－５０℃以下である。

【0028】

陰極１１は、金属電極である。金属電極を構成する金属としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銀、金が挙げられる。

【0029】

陰極１１の厚さは、特に限定されないが、例えば、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

【0030】

陰極１１の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、溶液塗布法が挙げられる。

【0031】

なお、陰極１１は、透明電極であってもよい。

【0032】

電子輸送層１２を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、２，９－ジメチル－４，７－ジフェニル－１，１０－フェナントロリン（ＢＣＰ）、ビス－３，６－（３，５－ジ－４－ピリジルフェニル）－２－メチルピリミジン（Ｂ４ＰｙＭＰＭ）が挙げられる。これらの中でも、ポリ（９，９－ビス（３’－（Ｎ，Ｎ－ジメチル）－Ｎ－エチルアンモニウム－プロピル－２，７－フルオレン）－ａｌｔ－２，７－（９，９－ジオクチルフルオレン））ジブロミド（ＰＦＮ－Ｂｒ）が好ましい。

【0033】

電子輸送層１２の厚さは、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。

【0034】

電子輸送層１２の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、溶液塗布法が挙げられる。

【0035】

正孔輸送層１４を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリチオフェン、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン、Ｎ，Ｎ’－ジ（１－ナフチル）－Ｎ，Ｎ’－ジフェニル－（１，１’－ビフェニル）－４，４’－ジアミン（ＮＰＢ）、ヘキサアザトリフェニレン－ヘキサカーボニトリル（ＨＡＴ－ＣＮ）、テトラフェニルジベンゾペリフランテン（ＤＢＰ）、が挙げられる。これらの中でも、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）が好ましい。

【0036】

正孔輸送層１４の厚さは、特に限定されないが、例えば、８ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

【0037】

正孔輸送層１４の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、溶液塗布法が挙げられる。

【0038】

陽極１５は、透明電極である。透明電極を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ錫酸化物（ＳｎＯ_２：Ｆ）が挙げられる。これらの中でも、入手容易性の観点から、ＩＴＯが好ましい。

【0039】

陽極１５の厚さは、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

【0040】

なお、陽極１５は、透明基板上に形成されていてもよい。

【0041】

透明基板を構成する材料としては、特に限定されないが、ガラス、樹脂等が挙げられる。

【0042】

透明基板の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。

【0043】

なお、陰極１１と電子輸送層１２との間に陰極バッファ層が形成されていてもよいし、陽極１５と正孔輸送層１４との間に陽極バッファ層が形成されていてもよい。また、電子輸送層１２と活性層１３との間に正孔捕集層が形成されていてもよいし、正孔輸送層１４と活性層１３との間に電子捕集層が形成されていてもよい。

【0044】

また、陰極１１を透明電極とし、陽極１５を金属電極としてもよい。

【0045】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。

【実施例0046】

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。

【0047】

［実施例１］
（活性層用塗布液の作製）
化合物ＰＭ６（有機ドナー材料）および化合物Ｙ６（有機アクセプター材料）を、質量比１：１．２で秤量した後、濃度が８ｍｇ／ｍｌとなるように、クロロホルム（第１溶媒）に溶解させた。次に、含有量が０．５体積％となるように、クロロナフタレン（第２溶媒）を添加し、活性層用塗布液を得た。

【0048】

（太陽電池の作製）
厚さ１５０ｎｍのＩＴＯ膜（陽極）が形成されているガラス基板のＩＴＯ膜上に、大気下、スピンコート法により、厚さ１５ｎｍのＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ膜（正孔輸送層）を成膜した。次に、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ膜上に、窒素雰囲気下、スピンコート法により、活性層用塗布液を塗布し、厚さ１００ｎｍの活性層を成膜した。ここで、窒素雰囲気は、温度が２４．５℃であり、酸素濃度が１ｐｐｍであり、露点が－４０℃である。次に、活性層上に、窒素雰囲気下、スピンコート法により、厚さ５ｎｍのＰＦＮ－Ｂｒ膜（電子輸送層）を成膜した。次に、ＰＦＮ－Ｂｒ膜上に、真空蒸着法により、Ａｌ膜（陰極）を成膜した。次に、窒素雰囲気下、紫外線硬化接着剤を使用して、ガラスキャップで封止し、太陽電池を得た。活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、７０μｍであった。

【0049】

［実施例２］
活性層を成膜する際の窒素雰囲気の温度を３０℃に変更した以外は、実施例１と同様にして、太陽電池を得た。活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、１００μｍであった。

【0050】

［実施例３］
活性層を成膜する際の窒素雰囲気の温度を２９．５℃に変更した以外は、実施例１と同様にして、太陽電池を得た。活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、８３μｍであった。

【0051】

［比較例１］
活性層用塗布液を作製する際に、第２溶媒の含有量を１体積％に変更した以外は、実施例１と同様にして、太陽電池を得た。活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、５２μｍであった。

【0052】

［比較例２］
活性層を成膜する際の窒素雰囲気の温度を２５℃に変更した以外は、比較例１と同様にして、太陽電池を得た。活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、５２μｍであった。

【0053】

［比較例３］
活性層を成膜する際の窒素雰囲気の温度を３０℃に変更した以外は、比較例１と同様にして、太陽電池を得た。活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さは、６２μｍであった。

【0054】

［活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さ］
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、太陽電池を作製する際に成膜した活性層の位相像を得た後、位相像を二値化処理した。次に、二値化処理した位相像から、有機ドナー材料および有機アクセプター材料の境界の長さを求めた後、位相像の面積で除し、活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さを算出した。ここで、位相像の二値化処理においては、活性層用塗布液中の有機ドナー材料および有機アクセプター材料の質量比と、位相像の面積比と、が等しくなる位置を閾値とした。

【0055】

［太陽電池の発電効率］
ＩＥＣ６１２１５、６１８３６（ＪＩＳ Ｃ６１２１５ ＭＱＴ０６、ＪＩＳ Ｃ８９０４）に準拠して、太陽電池の発電効率を測定した。このとき、ＪＩＳ Ｃ８９０４－３に準拠して、光源の放射照度を１０００Ｗ／ｍ^２とした。また、太陽電池の温度（モジュール温度）を２５℃とした。

【0056】

表１に、太陽電池の発電効率の評価結果を示す。

【表1】

【0057】

また、図３に、活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さと発電効率の関係を示す。

【0058】

表１および図３から、実施例１～３の太陽電池は、発電効率が高いことがわかる。これに対して、比較例１～３の太陽電池は、活性層の相分離構造における１μｍ^２当たりの界面長さが、それぞれ５５μｍ、６６μｍ、１０５μｍであるため、発電効率が低い。

【符号の説明】

【0059】

１０ 太陽電池
１１ 陰極
１２ 電子輸送層
１３ 活性層
１４ 正孔輸送層
１５ 陽極
Ｄ 有機ドナー材料
Ａ 有機アクセプター材料

【図1】

【図2】

【図3】