(57)【要約】【課題】変換効率が高く、特に短絡電流を向上することができる有機無機複合太陽電池を提供する。【解決手段】透明導電膜１、ｎ型無機半導体膜２、ｎ型有機半導体膜３、ｐ型有機半導体膜４、ｐ型無機半導体膜５及び金属電極６がこの順に積層されている。透明導電膜７、ｎ型無機半導体膜８、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜９、ｐ型無機半導体膜１０及び金属電極１１がこの順に積層されている。ｎ型透明導電膜１２、ｎ型有機半導体膜１３、ｐ型有機半導体膜１４及びｐ型透明導電膜１５がこの順に積層されている。ｎ型透明導電膜１６、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜１７及びｐ型透明導電膜１８がこの順に積層されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、
該半導体膜は、ｐ型無機半導体膜／ｐ型有機半導体膜／ｎ型有機半導体膜／ｎ型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項２】
１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、
該半導体膜は、ｐ型無機半導体膜／ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体の混合膜／ｎ型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項３】
請求項１又は２において、ｐ型無機半導体はＣｕ２Ｏ又はＮｉＯであり、ｎ型無機半導体はＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２又はＩｎ２Ｏ３であることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、該電極が金属膜又は透明導電膜よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項５】
請求項１において、前記半導体膜は、Ｃｕ２Ｏ／ＭＥＨ−ＰＰＶ／フラーレン類／ＺｎＯの積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項６】
請求項５において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、Ａｌ／Ｃｕ２Ｏ／ＭＥＨ−ＰＰＶ／フラーレン類／ＺｎＯ／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項７】
請求項２において、前記半導体膜は、ＮｉＯ／ＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレン類との有機混合膜／ＴｉＯ２の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項８】
請求項７において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、Ａｌ／ＮｉＯ／ＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレン類との有機混合膜／ＴｉＯ２／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項９】
１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、
一方の電極がｐ型透明導電膜であり、他方の電極がｎ型透明導電膜であり、
全体として、ｐ型透明導電膜／ｐ型有機半導体膜／ｎ型有機半導体膜／ｎ型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項１０】
１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、
一方の電極がｐ型透明導電膜であり、他方の電極がｎ型透明導電膜であり、
全体として、ｐ型透明導電膜／ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体の混合膜／ｎ型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項１１】
請求項９において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、ＣｕＡｌＯ２／ＭＥＨ−ＰＰＶ／フラーレン類／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項１２】
請求項１０において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、ＣｕＡｌＯ２／ＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレン類との混合膜／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項１３】
請求項５〜８，１１，１２のいずれか１項において、フラーレン類がフラーレン又はフラーレン誘導体であることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【請求項１４】
請求項１３において、フラーレン誘導体がＰＣＢＭであることを特徴とする有機無機複合太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機半導体と無機半導体の膜を備えた太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、従来その光電変換効率の高さから、シリコン、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＣｄＡｓなどの無機半導体が用いられてきた。これらの変換効率は、例えばシリコンを用いた場合には約１５％にも達する。しかしながら、これら無機半導体を用いた太陽電池では、単結晶作製、ドーピングプロセスなどの多くのプロセスが電池作製に必要であるため、生産コストが非常に高くなるという問題点を有している。
【０００３】
有機半導体を用いる太陽電池は、無機半導体を用いた太陽電池に比べ製造工程が容易であり、低コストで大面積化が可能であるという利点を持つところから、この太陽電池に用いられる光電変換素子に関し種々の提案がなされている（下記非特許文献１，２）。
【非特許文献１】第６４回応用物理学会学術講演会  講演予稿集（２００３年秋  福岡大学）３１ｐ−ＹＬ−１８
【非特許文献２】第５０回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集（２００３．３  神奈川大学）２９ａ−Ｂ−５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまでの有機材料を用いた太陽電池は大きく分けて、(1)金属／ｐ型（ｎ型）有機半導体膜／金属（ショットキー型）、(2)金属／ｐ型有機半導体膜／ｎ型有機半導体膜／金属（ｂｉ−ｌａｙｅｒ型）、(3)金属／ｐ型有機半導体とｎ型無機半導体との混合膜／金属、の三種類に分類できる。しかし、これらの太陽電池は開放電圧は高いものの電子の移動度が低いために短絡電流は小さく、太陽電池としての変換効率は低かった。
【０００５】
本発明は、変換効率が高く、特に短絡電流を向上することができる有機無機複合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】
【０００６】
請求項１の有機無機複合太陽電池は、１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、該半導体膜は、ｐ型無機半導体膜／ｐ型有機半導体膜／ｎ型有機半導体膜／ｎ型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２の有機無機複合太陽電池は、１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、該半導体膜は、ｐ型無機半導体膜／ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体の混合膜／ｎ型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３の有機無機複合太陽電池は、請求項１又は２において、ｐ型無機半導体はＣｕ２Ｏ又はＮｉＯであり、ｎ型無機半導体はＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２又はＩｎ２Ｏ３であることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４の有機無機複合太陽電池は、請求項１ないし３のいずれか１項において、該電極が金属膜又は透明導電膜よりなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５の有機無機複合太陽電池は、請求項１において、前記半導体膜は、Ｃｕ２Ｏ／ＭＥＨ−ＰＰＶ／フラーレン類／ＺｎＯの積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項６の有機無機複合太陽電池は、請求項５において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、Ａｌ／Ｃｕ２Ｏ／ＭＥＨ−ＰＰＶ／フラーレン類／ＺｎＯ／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項７の有機無機複合太陽電池は、請求項２において、前記半導体膜は、ＮｉＯ／ＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレン類との有機混合膜／ＴｉＯ２の積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項８の有機無機複合太陽電池は、請求項７において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、Ａｌ／ＮｉＯ／ＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレン類との有機混合膜／ＴｉＯ２／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項９の有機無機複合太陽電池は、１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、一方の電極がｐ型透明導電膜であり、他方の電極がｎ型透明導電膜であり、全体として、ｐ型透明導電膜／ｐ型有機半導体膜／ｎ型有機半導体膜／ｎ型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１０の有機無機複合太陽電池は、１対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、一方の電極がｐ型透明導電膜であり、他方の電極がｎ型透明導電膜であり、全体として、ｐ型透明導電膜／ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体の混合膜／ｎ型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１１の有機無機複合太陽電池は、請求項９において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、ＣｕＡｌＯ２／ＭＥＨ−ＰＰＶ／フラーレン類／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１２の有機無機複合太陽電池は、請求項１０において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、ＣｕＡｌＯ２／ＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレン類との混合膜／ＩＴＯの積層体よりなることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１３の有機無機複合太陽電池は、請求項５〜８，１１，１２のいずれか１項において、フラーレン類がフラーレン又はフラーレン誘導体であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１４の有機無機複合太陽電池は、請求項１３において、フラーレン誘導体がＰＣＢＭであることを特徴とするものである。
【００２０】
なお、ＭＥＨ−ＰＰＶは下記構造式（化１）で示されるポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキロキシ）−１，４−フェニレンビニレンであり、ＰＣＢＭは、下記構造式（化２）で表わされるものである。
【００２１】
【化１】
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【００２２】
【化２】
2006013097.tif 000004
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をｐ型有機半導体膜とｎ型有機半導体膜との積層体で構成している。また、請求項２の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜で構成している。いずれの有機無機複合太陽電池においても、上記の光吸収層の両側をｐ型無機半導体膜及びｎ型無機半導体膜で挟み込んでいるので光照射によって励起された電子を効率良く取り出すことができる。
【００２４】
請求項９の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をｐ型有機半導体膜とｎ型有機半導体膜との積層体で構成している。また、請求項１０の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜で構成している。いずれの有機無機複合太陽電池においても、上記の光吸収層の両側をｐ型透明導電膜及びｎ型透明導電膜で挟み込んでいるので光照射によって励起された電子を効率良く取り出すことができる。
【００２５】
なお、請求項３〜８，１１，１２はより具体的な構造を特定したものであり、請求項１３，１４はフラーレン類を特定したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。
【００２７】
図１（ａ）は請求項１の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜１、ｎ型無機半導体膜２、ｎ型有機半導体膜３、ｐ型有機半導体膜４、ｐ型無機半導体膜５及び金属電極６がこの順に積層されている。
【００２８】
図１（ｂ）は請求項２の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜７、ｎ型無機半導体膜８、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜９、ｐ型無機半導体膜１０及び金属電極１１がこの順に積層されている。
【００２９】
図１（ｃ）は請求項９の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、ｎ型透明導電膜１２、ｎ型有機半導体膜１３、ｐ型有機半導体膜１４及びｐ型透明導電膜１５がこの順に積層されている。
【００３０】
図１（ｄ）は請求項１０の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、ｎ型透明導電膜１６、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜１７及びｐ型透明導電膜１８がこの順に積層されている。
【００３１】
透明導電膜としては、ＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）、ＡＺＯ（アンチモン・亜鉛酸化物）等が好適であり、その膜厚は５〜２００ｎｍ程度が好適である。
【００３２】
ｐ型無機半導体膜としては、Ｃｕ２ＯやＮｉＯなどの光透過性を有する無機化合物、特に金属酸化物が好適である。この膜厚は３０〜８００ｎｍ程度が好適である。
【００３３】
ｎ型無機半導体膜としては、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３などの光透過性を有する無機化合物、特に金属酸化物が好適である。
【００３４】
ｐ型透明導電膜としては、ＣｕＡｌＯ２等が好適であり、その膜厚は３０ｎｍ〜１μｍ程度が好適である。
【００３５】
ｎ型透明導電膜としては、ＩＴＯ、ＡＺＯ等が好適であり、その膜厚は３０ｎｍ〜１μｍ程度が好適である。
【００３６】
金属電極としては、アルミニウム、白金などが好適であり、その膜厚は３０ｎｍ〜１μｍ程度が好適である。
【００３７】
これらの金属膜や金属酸化物膜はスパッタリングにより形成することができる。
【００３８】
ｐ型有機半導体膜としては、ＭＥＨ−ＰＰＶが好適であり、特に分子量が１万〜３０万程度のＭＥＨ−ＰＰＶが好適である。ｎ型有機半導体膜としては、フラーレン（Ｃ６０）やフラーレン誘導体が好適である。フラーレン誘導体としては、前記化学構造式で表わされるＰＣＢＭが好適である。これらの有機半導体膜の膜厚は３〜５００ｎｍ程度が好適である。
【００３９】
ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜における両者の混合割合は、５０：１〜１：５０であることが好ましい。
【００４０】
この有機半導体膜は、クロロベンゼン等の有機溶媒にＭＥＨ−ＰＰＶ、フラーレン類等を溶解ないし分散させ、スピンコート法等によって薄膜化させ、次いで溶媒を蒸発させることにより成膜することができる。
【００４１】
上記の図１（ａ），（ｂ）ではいずれも図の下側から光が照射される。図１（ｃ），（ｄ）では光は上側、下側のいずれから照射されてもよいが、下側の方が好適である。図１（ａ），（ｂ）では最下段の層を透明導電膜１，７としているが、これを金属電極とし、代わりに最上層の層６，１１を透明導電膜とし、図の上側から光が照射される構成としてもよい。
【００４２】
図２（ａ）は図１（ａ）の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜としてのＩＴＯ膜１’、ｎ型無機半導体膜としてのＺｎＯ膜２’、ｎ型有機半導体膜としてのフラーレン膜３’、ｐ型有機半導体膜としてのＭＥＨ−ＰＰＶ膜４’、ｐ型無機半導体膜としてのＣｕ２Ｏ膜５’及び金属電極としてのＡｌ膜６’がこの順に積層されている。
【００４３】
図２（ｂ）は図１（ｂ）の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜としてのＩＴＯ膜７’、ｎ型無機半導体膜としてのＴｉＯ２膜８’、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜としてのＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭとの混合膜９’、ｐ型無機半導体膜としてのＮｉＯ膜１０’及び金属電極としてのＡｌ膜１１’がこの順に積層されている。
【００４４】
図２（ｂ）の有機無機複合太陽電池にあっては、光照射によって励起された混合膜９’中の電子がＰＣＢＭに局在するが、隣接するｎ型半導体のＴｉＯ２膜８’に電子が受け渡される。一方、ＭＥＨ−ＰＰＶからはホールがｐ型半導体のＮｉＯ膜１０’に受け渡され、電子・正孔対が効率的に電極７’，１１’に流れていく。
【００４５】
図２（ｃ）は図１（ｃ）の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、ｎ型透明導電膜としてのＩＴＯ膜１２’、ｎ型有機半導体膜としてのフラーレン膜１３’、ｐ型有機半導体膜としてのＭＥＨ−ＰＰＶ膜１４’及びｐ型透明導電膜としてのＣｕＡｌＯ２膜１５’がこの順に積層されている。
【００４６】
図２（ｄ）は図１（ｄ）の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、ｎ型透明導電膜としてのＩＴＯ膜１６’、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜としてのＭＥＨ−ＰＰＶとフラーレンとの混合膜１７’及びｐ型透明導電膜としてのＣｕＡｌＯ２膜１８’がこの順に積層されている。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態に係る有機無機複合太陽電池の構造図である。
【図２】実施の形態に係る有機無機複合太陽電池の具体的な構造図である。
【符号の説明】
【００４８】
１，７  透明導電膜
２，８  ｎ型無機半導体膜
３，１３  ｎ型有機半導体膜
４，１４  ｐ型有機半導体膜
５，１０  ｐ型無機半導体膜
６，１１  金属電極
９，１７  ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体との混合膜
１２，１６  ｎ型透明導電膜
１５，１８  ｐ型透明導電膜
【図１】
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【図２】
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