有机薄膜太阳能电池及有机薄膜太阳能电池模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种有机薄膜太阳能电池，其依次层叠而具有正极、电荷产生层及负极，在正极与电荷产生层之间以及在负极与电荷产生层之间中的至少一方具有电荷传输层，所述电荷传输层在电场强度为0V/cm时的载流子迁移率为1×10-9cm2/Vs以上。
【专利说明】有机薄膜太阳能电池及有机薄膜太阳能电池模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有机薄膜太阳能电池及使用该有机薄膜太阳能电池的模块。
【背景技术】
[0002]近年来，在化石燃料的枯竭问题或全球变暖问题的背景下，太阳能电池作为清洁能源而受到广泛关注，并积极地进行研究开发。
[0003]以往，实用化的产品有以单晶硅、多晶硅、非晶硅等为代表的硅系太阳能电池，但随着高价或原料硅不足等问题的表面化，而对下一代太阳能电池的要求逐渐提高。在这样的背景下，有机太阳能电池因廉价且无需担心原材料不足，故作为下一代太阳能电池而受到广泛关注。
[0004]有机太阳能电池基本上包含电极、与设置在电极间的传输电子的η层及传输空穴的P层，其根据构成各层的材料而大致分为两种。
[0005]使钌色素等敏化色素单分子吸附于氧化钛等无机半导体表面来作为η层、并且使用了电解质溶液作为P层的有机太阳能电池被称为色素敏化太阳能电池(所谓Gratzel电池)，从光电转换效率(以下有时仅简称为转换效率)的高低出发，在1991年以后进行了积极地研究。但是，由于使用溶液，故而在长时间的使用时存在漏液等缺点。因此，为了克服这样的缺点，最近也正在开展通过使电解质溶液固化而探索全固型色素敏化太阳能电池的研究，但在多孔氧化钛的微孔中渗入有机物的技术难度较高。因此，现状是尚未完成能够再现性良好地表现出高转换效率的电池。
[0006]另一方面，对于包含η层、P层和有机薄膜的有机薄膜太阳能电池而言，由于其为全固体型而无漏液等缺点，制作较为容易，且不使用作为稀有金属的钌等，因此最近受到关注并进行积极地研究。
[0007]对于有机薄膜太阳能电池，最初以使用部花青色素等的单层膜作为电荷产生层进行了研究，但发现通过将电荷产生层形成为包含P层和η层的多层膜可以提高转换效率，自此以后多层膜成为主流。其后，发现通过在P层与η层之间插入i层(传输空穴的P材料与传输电子的η材料的混合层)可以使转换效率提高。而且，发现利用将包含P / i / η层的电池串联地层置的串联电池结构可以进一步提闻转换效率。
[0008]另一方面，对于使用了高分子的有机薄膜太阳能电池，一直进行所谓本体异质结构(bulk heterostructure)的研究,所述本体异质结构是指:使用导电性高分子作为p材料，使用C6tl衍生物作为η材料，将这些材料混合并进行热处理，由此引起P材料与η材料的微层分离，使P材料与η材料的异质界面增加，提高转换效率。
[0009]这样，在有机薄膜太阳能电池中，通过钻研电池构成或研究P材料与η材料的形态而带来转换效率的提高，但与以硅等为代表的无机太阳能电池相比，为了供于实际使用，光电转换效率的改良还是最大课题。
[0010]一般而言，有机薄膜太阳能电池的运作过程包含(I)光吸收及激子生成、(2)激子扩散、(3)电荷分离、(4)载流子移动、(5)电动势产生的基本过程，为了有机薄膜太阳能电池的高效化，使这些基本过程高效化是非常重要的。
[0011]作为利用各电极将P层、η层、i层等电荷产生层内所产生的电荷高效地取出而提高光电转换效率的技术，例如在专利文献I中提出了使用由FET (场效晶体管)法所测定的电荷迁移率为0.005 (cm2 / V.s)以上的有机半导体化合物的技术。
[0012]另外，在专利文献2中提出了一种元件，其通过具备能量转移层而将激发能转移至电荷产生层来谋求光电转换效率的提高。
[0013]另外，在专利文献3中提出了一种元件，其通过在电极与有机电荷产生层之间配置空穴阻挡层、电子阻挡层来提高光电转换效率。
[0014]然而，实际情况是任一技术均称不上显示出实现高转换效率的元件的设计方针。
[0015]现有技术文献
[0016]专利文献
[0017]专利文献1:国际公开第2007 / 015503号小册子
[0018]专利文献2:日本特开2007-134444号公报
[0019]专利文献3:日本特开2007-88033号公报
【发明内容】
[0020]本发明的目的在于提供一种转换效率高的有机薄膜太阳能电池。
[0021]正如从上述有机薄膜太阳能电池的基本过程所理解的那样，电荷传输在光电转换效率的提高方面为重要的因素。在此可认为，在本发明人等基于有机薄膜太阳能电池中的电荷传输的观点而考虑载流子迁移率时，实际上重要的是考虑在有机薄膜太阳能电池进行运作的低电场强度下的载流子迁移率。
[0022]例如，在专利文献I中，虽考虑到通过FET法所测定的载流子迁移率，但利用该方法所测定的载流子迁移率是在基板上所成膜的有机半导体层中的源极-漏极电极间移动、即表示基板平行方向的电荷传输能力的特性值。另外，在测定时，算出施加在电极间的外加电压即电场强度较高的状态下的载流子迁移率。因此，无法直接与在有机薄膜太阳能电池中成为间题的、夹持在一对电极间的有机化合物层中的基板垂直方向的载流子迁移率进行对比。结果存在如下情况:即使使用利用FET法所测定的载流子迁移率较高、即在电场强度较高的状态下的载流子迁移率较高的化合物，有机薄膜太阳能电池的转换效率也未相应地提闻。
[0023]由此，现状是并未完成以往着眼于作为有机薄膜太阳能电池进行运作的状态的未施加电场的状态、即电场强度为零的各化合物的载流子迁移率的元件设计。
[0024]本发明人等基于上述见解进行了深入研究，结果发现，作为载流子迁移率，重要的是将有机薄膜太阳能电池结构的光电转换层夹层于电极间的、基板垂直方向的电荷传输而并非如FET法那样的基板平行方向的电荷传输,并且在有机薄膜太阳能电池的电极与电荷产生层之间设置电荷传输层，并使用在电场强度为零(0V / cm)时的载流子迁移率较大的化合物作为电荷传输层，由此可获得显示高转换效率的有机薄膜太阳能电池，从而完成了本发明。
[0025]根据本发明，可提供以下的有机薄膜太阳能电池等。
[0026]1.一种有机薄膜太阳能电池，其依次层叠而具有正极、电荷产生层及负极，[0027]在所述正极与电荷产生层之间以及在所述负极与电荷产生层之间中的至少一方具有电荷传输层，所述电荷传输层在电场强度为OV / Cm时的载流子迁移率为I X l(T9cm2 /Vs以上。
[0028]2.如上述I所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述电荷传输层具有阻挡与其主传输电荷相反的电荷的传输的功能。
[0029]3.如上述I或2所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述电荷产生层含有络合物。
[0030]4.如上述3所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述络合物为酞菁络合物。
[0031]5.如上述3所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述络合物为萘酞菁络合物。
[0032]6.如上述I?5中任一项所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述电荷产生层含有富勒烯或富勒烯衍生物。
[0033]7.如上述I?6中任一项所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述正极与电荷产生层之间的电荷传输层的电离电位为5.2?5.8eV。
[0034]8.一种有机薄膜太阳能电池模块，其使用了上述I?7中任一项所述的有机薄膜太阳能电池。
[0035]根据本发明，可获得一种转换效率较高的有机薄膜太阳能电池。
[0036]本发明是能选择在适合于有机薄膜太阳能电池的实际运作状况的电场强度下的电荷传输能力较高的化合物的技术，对高效的有机薄膜太阳能电池的设计具有较大贡献。
【专利附图】
【附图说明】
`[0037]图1是表示实施例化合物的电场强度(E)的平方根(VE)与载流子迁移率(μ)的关系的图。
[0038]图2是实施例化合物的发光光谱或吸收光谱。
【具体实施方式】
[0039]本发明的有机薄膜太阳能电池依次层叠而具有正极、电荷(载流子)产生层、及负极。而且，该有机薄膜太阳能电池的特征在于，在正极与电荷产生层之间以及在负极与电荷产生层之间中的至少一方具有电荷传输层，所述电荷传输层在电场强度为OV / Cm时的载流子迁移率(以下有时称为在Etl下的载流子迁移率)为IXlO-9Cm2 / Vs以上。
[0040]在本发明中，电荷传输层的载流子迁移率使用阻抗分光(ImpedanceSpectroscopy:IS)法来测定。IS法的测定中使用阻抗分析器、例如安捷伦公司制造的4294A等。需要说明的是，测定机器并不受限制，作为其他测定机器，可列举=Solartron公司的1260型频率响应分析器及1296型介电常数测定界面等。在测定中，相对于既定的直流外加电压而重叠50mV的交流(频率范围为100?IMHz)。
[0041]在阻抗分析器中，对测定试样(构成电荷传输层的化合物)提供微小正弦波电压信号[V = VQexp(i ω?)],并根据应答电流信号[I = 10exp {i (ω t+Φ)}]的电流振幅与相位差，可以测定试样的阻抗(Z = V / I)及电容。
[0042]根据试样的阻抗、电容及等效电路而求出导纳与电纳，算出载流子迁移率。
[0043]在IS法的分析中，通常根据将外加电压信号的频率设为参数并将所获得的阻抗示于复平面上的图形(Cole-Cole曲线)的轨迹来推断元件的等效电路，使根据该等效电路所计算出的Cole-Cole曲线的轨迹与测定数据一致，从而确定等效电路。
[0044]在IS法中，已知在仅注入有电子及空穴中的任一者的单一电荷注入模型中，等效电路成为R-C(电阻-静电电容)并联电路。具体而言，在载流子迁移率的分析中，使用下述(I)?(3)所表示的电流式、泊松式及电流连续式。
【权利要求】
1.一种有机薄膜太阳能电池，其依次层叠而具有正极、电荷产生层及负极， 在所述正极与电荷产生层之间以及在所述负极与电荷产生层之间中的至少一方具有电荷传输层，所述电荷传输层在电场强度为OV / Cm时的载流子迁移率为lX10_9cm2 / Vs以上。
2.如权利要求1所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述电荷传输层具有阻挡与其主传输电荷相反的电荷的传输的功能。
3.如权利要求1或2所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述电荷产生层含有络合物。
4.如权利要求3所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述络合物为酞菁络合物。
5.如权利要求3所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述络合物为萘酞菁络合物。
6.如权利要求1?5中任一项所述的有机薄膜太阳能电池,其中,所述电荷产生层含有富勒烯或富勒烯衍生物。
7.如权利要求1?6中任一项所述的有机薄膜太阳能电池，其中，所述正极与电荷产生层之间的电荷传输层的电离电位为5.2?5.8eV。
8.一种有机薄膜太阳能电池模块，其使用了权利要求1?7中任一项所述的有机薄膜太阳能电池。
【文档编号】H01L51/42GK103430343SQ201280013489
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】前田龙志, 东海林弘 申请人:出光兴产株式会社