专利名称：光电转换元件用材料及光电转换元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有酞菁纳米线的光电转换元件用材料、及特征在于在正极与负极之间包含该光电转换元件用材料的光电转换元件。
背景技术：
有机薄膜太阳能电池与现在主流的硅系太阳能电池相比，在(1)环境负荷少(2)制造成本低廉(3)轻量且不易破裂等方面潜力高，近年来备受瞩目。有机薄膜太阳能电池是以包含聚噻吩系、聚亚苯基亚乙烯基(polyphenylene vinylene)系等给电子性π共轭系聚合物、酞菁类等给电子性低分子材料和富勒烯类等电子接受性材料的有机半导体层作为光电转换的活性层(光电转换层)的、由有机材料构成的光电转换元件。最近，特别是将给电子性材料与电子接受性材料以纳米水平复合化而使有助于光电转换的两材料的接合界面(DA接合界面)增大了的本体异质结型的开发正在活跃地进行(专利文献1)。有机薄膜太阳能电池的光电转换的原理是，(1)通过有机半导体层的光吸收而产生激子(空穴/电子对)，(2)其向给电子性材料与电子接受性材料的接合界面(DA接合界面)扩散移动，(3)空穴及电子发生电荷分离，(4)各自的电荷通过给电子性材料及电子接受性材料而向正极及负极输送电荷， 从而产生电力，其光电转换效率由所述各过程的效率的积算决定。由于这里激子的寿命非常短，能够扩散移动的距离最多也是数纳米 十几纳米，非常短，所以为了提高光电转换的效率，优选使有机半导体层中的DA接合界面存在于与所述激子能够扩散移动的距离相同程度的距离范围内，并且优选确保电荷分离后的电荷能够向各自的电极快速移动的电荷输送路径。若DA接合界面不在数十nm左右的范围内分布于有机半导体层中，则存在所述过程(1)中生成的激子在到达DA接合界面之前失活而未取出电荷的问题，此外若有机半导体层中未确保由给电子性材料及电子接受性材料形成的电荷输送路径，则会产生在所述过程 (3)中生成的各电荷无法到达正极及负极而得不到电动势的问题。从上述观点出发，为了光电转换元件的高效化，课题在于，如何使DA接合界面形成于激子扩散长内，以及如何确保由给电子性材料及电子接受性材料各自形成的电荷输送路径，即如何在使给电子性材料及电子接受性材料在有机半导体层中不孤立(形成尽头的地方)的情况下形成网络。有机光电转换元件的最典型的构成可列举出如下本体异质结型将作为给电子性材料的聚-3-己基噻吩(以下、P3HT)等π共轭系聚合物与作为电子接受性材料的富勒烯衍生物即W，6]_苯基C61 丁酸甲酯(以下、PCBM)混合，将其薄膜化从而在膜内整个区域形成DA接合界面。包含给电子性π共轭系聚合物和PCBM的光电转换元件由于能够由溶解有两种有机材料的溶液通过印刷或涂布法(湿法)简便地制膜，所以不需要高价的制造设备，具有能够以低成本生产的优点。然而，存在通常η共轭系聚合物在大气下容易因氧而发生氧化反应、此外对强光照射的耐久性低等低寿命的课题。此外，在这样的DA接合界面形成法中， 有时给电子性及电子接受性材料各自未形成充分的网络，未能确保电荷输送所需的输送路径，成为转换效率降低的一个原因。与此相对，酞菁类等低分子的给电子性材料的耐氧性及耐光性高，作为太阳能电池能够期待充分的寿命，但是，由于为低分子，所以难以形成所述网络(难以确保电荷输送所需的输送路径)，此外，由于难以利用湿法来制膜，所以迄今为止不得不利用高成本的蒸镀法来制造。然而，近年来，提出了一种有机薄膜太阳能电池，其利用了使用溶剂可溶性前体的湿法制膜和基于制膜后的加热的给电子性材料化，且具有基于涂布法的低分子的给电子性材料(专利文献2)。例如，使用苯并卟啉类作为给电子性材料、使用PCBM等富勒烯类作为电子接受性材料且能够利用涂布法来制膜的光电转换元件与以往的使用给电子性η 共轭系聚合物的光电转换元件相比，具有耐氧性及耐光性等耐久性优异的优点。然而，使用溶剂可溶性前体时，由于在制膜后通过加热将该前体转换而作为光电转换元件用材料发挥作用，所以需要投入规定时间的加热操作这样额外的时间和能量，在制造成本方面未必是优选的。此外，与使用η共轭系聚合物时同样地，由于有机半导体层的网络结构根据基于加热处理的相分离来说是偶然形成的，所以必然存在孤立的给电子性及电子接受性材料，因此，无法确保充分的电荷输送路径，成为效率降低的一个原因。另一方面，近年来，为了提高上述光电转换的原理中的过程的电荷输送效率， 提出了使用纳米线状的给电子性材料的光电转换元件(非专利文献1)。其通过将给电子性 JI共轭系聚合物即Ρ3ΗΤ纳米线化，S卩，将形态控制为宽几十nm左右的细线，从而电荷输送效率增大，其结果是，包含P3HT纳米线的P3HT/PCBM系光电转换元件与不含该纳米线的该光电转换元件相比，光电转换效率提高。如上所述，确认包含聚合物系纳米线的光电转换元件对于提高光电转换效率是有用的，但通常P3HT等聚合物系由于如上所述耐氧性、耐光性低，所以耐久性差，无法解决从光电转换元件的实用的观点出发的问题。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2006-245073专利文献2 日本特开2008-016834非专利文献1 夕弋一于义才7. 于'J 7 )V χ ^r ^ %卜'J 一 (Journal of Materials Chemistry) 2008 年、第 18 号、P. 198
发明内容
发明要解决的问题本发明是鉴于上述问题而进行的，谋求通过低成本的湿法来提供具有适于电荷输送的纳米线的网络结构的、耐久性优异的光电转换元件材料、及使用了该材料的光电转换元件。用于解决问题的方案本发明人为了达成上述目的进行了深入研究，结果发现，通过将作为给电子性材料的富有耐久性的酞菁类纳米线化，并进行溶剂分散，能够利用湿法来提供具有纳米线网络结构的光电转换元件，从而完成了本发明。S卩，本发明提供含有短径为50nm以下且长度相对于该短径的比例(长度/短径) 为10以上的酞菁纳米线作为给电子性材料的光电转换元件用材料、及使用了该材料的光电转换元件。发明的效果根据本发明，由于能够通过湿法将含有酞菁纳米线的光电转换元件用材料制膜， 所以能够在柔性的塑料基板上等提供不易破裂轻量且廉价的光电转换元件。此外，由于酞菁类的耐久性优异、并且纳米线结构的电荷输送性优异，所以能够提供特征在于高寿命和高转换效率的光电转换元件。
图1是本发明的光电转换元件的示意剖面图。图2是本发明的光电转换元件的示意剖面图。图3是将酞菁纳米线放大的透射电子显微镜照片。图4是将酞菁纳米线放大的透射电子显微镜照片。附图标记说明1 基板2 电极 a3光电转换层4 电极 b5含有本发明的酞菁纳米线的层(电极a为正极时)、或含有电子接受性材料的层 (电极a为负极时)6含有电子接受性材料的层(电极b为负极时)、或含有本发明的酞菁纳米线的层 (电极b为正极时)
具体实施例方式(光电转换元件用材料)本发明的光电转换元件用材料含有短径为50nm以下且长度相对于该短径的比例 (长度/短径)为10以上的酞菁纳米线。以下，对本发明中所用的酞菁纳米线进行说明。作为本发明中使用的短径为50nm以下且长度相对于该短径的比例(长度/短径) 为10以上的酞菁纳米线，可列举出包含未取代酞菁和具有取代基的酞菁(酞菁衍生物)的酞菁纳米线。构成本发明中使用的酞菁纳米线的未取代酞菁可以使用具有中心金属原子的公知惯用的金属酞菁、及不具有中心金属原子的无金属酞菁。作为中心金属原子，只要是构成纳米线的物质则没有限制，可列举出铜原子、锌原子、钴原子、镍原子、锡原子、铅原子、镁原子、硅原子、铁原子、钛氧(titanyl，TiO)、钒氧(vanadyl，V0)、氯化铝(AlCl)等，其中特别优选铜原子、锌原子、铁原子。构成本发明中使用的酞菁纳米线的具有取代基的酞菁(酞菁衍生物)可以使用下述通式(1)或O)的酞菁衍生物。[化学式1]
权利要求
1.一种光电转换元件用材料，其含有短径为50nm以下、且长度相对于该短径的比例 (长度/短径)为10以上的酞菁纳米线。
2.根据权利要求1所述的光电转换元件用材料，其中，所述酞菁纳米线含有未取代酞菁及具有取代基的酞菁。
3.根据权利要求2所述的光电转换元件用材料，其中，未取代酞菁为未取代铜酞菁、未取代锌酞菁或未取代铁酞菁。
4.根据权利要求2所述的光电转换元件用材料，其中，具有取代基的酞菁以通式(1)或 (2)表示，
5.根据权利要求4所述的光电转换元件用材料，其中，所述可具有取代基的烷基为甲基、乙基或丙基，可具有取代基的(寡)芳基为可具有取代基的(寡)亚苯基或可具有取代基的(寡)亚萘基，可具有取代基的(寡)杂芳基为可具有取代基的(寡)吡咯基、可具有取代基的(寡)噻吩基、可具有取代基的(寡)苯并吡咯基或可具有取代基的(寡)苯并噻吩基。
6.根据权利要求2所述的光电转换元件用材料，其中，具有取代基的酞菁以通式(3)表示，[化学式2]
7.一种光电转换元件用材料，其中，权利要求1 6中任一项所述的光电转换元件用材料还包含电子接受性材料。
8.根据权利要求7所述的光电转换元件用材料，其中，所述电子接受性材料为富勒烯类。
9.根据权利要求7所述的光电转换元件用材料，其中，所述电子接受性材料为电子接受性聚合物。
10.根据权利要求7所述的光电转换元件用材料，其中，所述电子接受性材料为茈类。
11.一种光电转换元件，其特征在于，其是至少具有正极和负极的光电转换元件，在正极与负极之间包含权利要求1 10中任一项所述的光电转换元件用材料。
全文摘要
本发明提供不易破裂轻量且廉价、耐久性优异、并且具有适于电荷输送的有机半导体纳米线的网络结构的光电转换元件。此外，为了提供该光电转换元件，本发明中，提供含有短径为50nm以下且长度相对于该短径的比例(长度/短径)为10以上的酞菁纳米线作为给电子性材料的光电转换元件用材料。本发明中，能够以低成本提供来自酞菁的高耐光性的、寿命长的光电转换元件，进而，通过使用该光电转换元件，利用该光电转换元件的特征，能够以低成本构筑寿命长的太阳能电池组件。
文档编号H01L51/42GK102484204SQ20108003436
公开日2012年5月30日 申请日期2010年10月12日 优先权日2009年11月26日
发明者村田秀之, 深泽宪正, 稻垣翔, 饵取秀树 申请人:Dic株式会社