(57)【要約】【課題】光励起によって発生する電子の取り出しを効率よく行い、高効率で安定な有機太陽電池を提供する。【解決手段】本発明によれば、有機太陽電池の入射側の透明電極に酸化物半導体のＺｎＯ薄膜を用いることで、陰極側からの光照射が可能となり、光伝導性媒質から発生する電子を効率より取り出すことができ、高効率の光電変換を行うことができる。また、対向電極に安定性の高い金属を用いることができることから、安定性の高い有機太陽電池を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＺｎＯ薄膜からなる透明電極と有機光伝導性媒質層と陽極とをこの順序にて積層してなることを特徴とする有機太陽電池。
【請求項２】
透明電極がＩＴＯ薄膜上にＺｎＯを製膜した２層構造を有するものである請求項１に記載の有機太陽電池。
【請求項３】
ＺｎＯ薄膜を直接出力端子として用いてなる請求項１に記載の有機太陽電池。
【請求項４】
有機光伝導性媒質がπ共役系高分子、σ共役系高分子、有機色素分子、フラーレン、カーボンナノチューブ及び液晶から選ばれる請求項１から３のいずれかに記載の有機太陽電池。
【請求項５】
有機光伝導性媒質がπ共役系高分子、σ共役系高分子、有機色素分子、フラーレン、カーボンナノチューブ及び液晶から選ばれた複数によってできるヘテロ接合構造を用いた請求項１から３のいずれかに記載の有機太陽電池。
【請求項６】
有機光伝導性媒質がπ共役系高分子、σ共役系高分子、有機色素分子、フラーレン、カーボンナノチューブ及び液晶から選ばれる複数によってできる複合体を用いた請求項１から３のいずれかに記載の有機太陽電池。
【請求項７】
透明基板材料が石英、ガラス、プラスチック及び高分子膜から選ばれるものである請求項１から６のいずれかに記載の有機太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ薄膜を透明電極として用い、これともう一つの電極で有機物質からなる光伝導性媒質層（以下、有機光伝導性媒質層という。）を挟んだ素子を光励起することによって発生する電荷を効率的に取り出すことができる有機太陽電池に関する。本発明によるこのような有機太陽電池は、発電や電力供給等のエネルギー分野、脱化石燃料化を促進するための資源分野、高速光通信における多重伝送受信等の情報通信分野、携帯用電子機器等の情報家電分野、保全や衛生管理における環境分野等、極めて幅広い分野への応用が期待される。
【背景技術】
【０００２】
これまでにも有機太陽電池は提案されている。そのような有機太陽電池においては、透明な窓電極としてＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）を陽極に用い、対向電極の陰極に比較的仕事関数の小さいアルミニウム、マグネシウム、カルシウム等の金属を用いて起電力を得ている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
有機太陽電池の光伝導性媒質では、発生した電荷のうち、正孔については輸送能力が高いが、電子の輸送能力が比較的弱い。しかしながら、光照射によって発生する電子は、主にＩＴＯが用いられる陽極近傍で発生し、光伝導性媒質膜中を移動して陰極まで至るが、格子散乱、トラップ、熱失活等の要因により、電子が効率よく陰極まで到達するのは困難である。それ故、アルミニウム等の半透明電極を窓電極として用いる場合があるが、光の反射、散乱等の影響によって、効率のよい光電変換は望めない。更に、従来、陰極に用いられる金属は、大気中での安定性が悪く、太陽電池の性能を著しく低下させる原因となるので、製造過程において酸化防止対策が不可欠である。そこで、本発明は、有機太陽電池における電子の取り出し効率及び光電変換効率及び電極材料の安定性の改善を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、基板上にＺｎＯ薄膜からなる透明電極と有機光伝導性媒質層と陽極とをこの順序にて積層してなることを特徴とする有機太陽電池が提供される。本発明によれば、このように、ＺｎＯ薄膜を透明電極として用い、これともう一つの電極で有機光伝導性媒質層を挟んだ素子を光励起することによって、効率よく光電流を発生させることができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、従来の有機太陽電池でフィルター効果等の要因で起きる光電流の発生の損失を抑えることができ、吸収された光を高効率で電流として取り出すことが可能である。更に、ＺｎＯの安定性に加え、ＺｎＯの対向電極として安定な金属を利用できることから、素子性能の安定性に効果を発揮することになる。また、ＺｎＯの製膜は室温下でも可能なことから、プラスチックや高分子膜上への素子の作製も可能となり、フレキシブルな有機太陽電池とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
有機太陽電池の入射側の透明電極（陰極）に酸化物半導体であるＺｎＯ（酸化亜鉛）薄膜からなる電極を用いる。ＺｎＯは安定な酸化物であり、電子の取り出しに有利なｎ型半導体の性質を持つ。ＺｎＯを陰極に用いた有機太陽電池において、ＺｎＯ薄膜は可視光や赤外線に対する透過性が高いため、光の反射、散乱による損失が抑制される。陰極側から光照射した際にＺｎＯ電極を通って光伝導性媒質に至った光は、ＺｎＯとの界面付近で主に吸収されて電荷分離を起こすため、発生した電子は直ちにＺｎＯ電極に至る。有機光伝導性媒質の多くは正孔輸送性に優れているため、正孔は有機光伝導性媒質膜中を輸送されて対向電極に至る。このようにして、有機光伝導性媒質から発生する電子を効率より取り出すことができ、損失を抑えて、高効率の光電変換特性を示すことを特徴としている。
【０００７】
光伝導性媒質としては、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリパラフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリイソチアナフテン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリピリジン及びその誘導体、ポリピリジルビニレン及びその誘導体等のπ共役系高分子とその共重合体、ポリ（メチルフェニルシラン）、ポリ（メチルプロピルシラン）、ポリ（フェニル−ｐ−ビフェニルシラン）、ポリ（ジヘキシルシラン）等のσ共役系高分子、無金属フタロシアニン、銅フタロシアニン等のフタロシアニン類、オクタエチルポルフィリン、クロロフィル等のポルフィリン類、ペリレンとその誘導体、ピレンとその誘導体、インジゴとその誘導体等の有機色素分子、Ｃ60、Ｃ70、Ｃ76等のフラーレン、単層及び多層カーボンナノチューブ、ヘキサヘキシルオキシトリフェニレン等のディスコティック液晶等を挙げることができるが、これに限定されない。ＺｎＯ電極の対向電極としては、金、銀、白金等からなる金属電極を挙げることができるが、これに限定されない。また、素子の基板となる材料も、ＺｎＯが製膜可能で透明な材料であれば特に限定されない。
【０００８】
本発明は、有機太陽電池において、入射光が有機光伝導性媒質膜内で吸収され、電荷が発生した際、電子がＺｎＯ電極に取り出され、有機光伝導性媒質層において多数キャリアとなることが多い正孔が光伝導性媒質膜内を移動して対向電極に到達するため、効率よく光電流の発生が起こる。ＺｎＯの対向電極には金、銀等の仕事関数が大きく、安定性の高い金属が用いることができるので、有機太陽電池の耐久性を向上させることができる。
【０００９】
透明電極に用いる陰極としては、ＺｎＯ基板、透明基板上に製膜したＺｎＯ薄膜、ＩＴＯ薄膜上にＺｎＯ薄膜を製膜した２層構造を有する透明電極等を挙げることができるが、これに限定されない。
【実施例】
【００１０】
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【００１１】
実施例１
図１に示した素子において、基板として石英基板を用い、透明電極（陰極）として、ＩＴＯを基板上に製膜し、その上にＺｎＯを５０ｎｍの膜厚で製膜した。光伝導性媒質としてポリ（３−ヘキシルチオフェン）を製膜するために、クロロホルムを溶媒として用いたポリ（３−ヘキシルチオフェン）溶液を上記ＺｎＯ薄膜上にスピンコートした。その上に陽極の金電極を真空蒸着によって形成した。
【００１２】
実験系統図を図２に示す。実験は素子を真空下に設置することで行われた。励起光源としてＸｅ（キセノン）ランプ（５００Ｗ）の白色光を用い、分光器を通して単色光とし、波長を変化させながら、素子に照射した。その際、素子から出力される電流を測定し、光電流スペクトルを測定した。この素子では５００ｎｍ付近に最大感度となるような性質を示す。また、単色光若しくは白色光照射時における電流−電圧特性を測定することで、素子の開放電圧及び短絡光電流、フィルファクターの値が得られ、素子の光電変換効率を算出した。電流−電圧特性としては、図３に示すような結果が得られ、従来の素子よりも光電変換効率が６０倍以上向上している。
【００１３】
実施例２
実施例１と同様の素子構成で、光伝導媒質がポリ（３−ヘキシルチオフェン）薄膜に代えて、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）とＣ60の複合膜を用いている。図１に示した素子において、基板として石英基板を用い、透明電極としてＩＴＯを基板上に製膜し、その上にＺｎＯを５０ｎｍの膜厚で製膜して陰極とした。光伝導性媒質としてポリ（３−ヘキシルチオフェン）とＣ60の複合膜を製膜するために、トルエンを溶媒として用いたポリ（３−ヘキシルチオフェン）とＣ60の混合溶液をＺｎＯ薄膜上にスピンコートした。その上に陽極の金電極を真空蒸着によって形成した。
【００１４】
実験系統図を図２に示す。実験は素子を真空下に設置することで行われた。励起光源としてＸｅランプ（５００Ｗ）の白色光を用い、分光器を通して単色光とし、波長を変化させながら、素子に照射した。その際、素子から出力される電流を測定し、光電流スペクトルを測定した。この素子では、５００ｎｍ付近に最大感度となるような性質を示す。また、単色光若しくは白色光照射時における電流−電圧特性を測定することで、素子の開放電圧及び短絡光電流、フィルファクターの値が得られ、素子の光電変換効率を算出した。電流−電圧特性としては、図４に示すような結果が得られ、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）とＣ60の複合膜を用いた従来の素子よりも光電変換効率が３倍向上している。
【００１５】
実施例３
実施例２と同様の素子構成で、光伝導媒質がポリ（３−ヘキシルチオフェン）とＣ60の複合膜に代えて、Ｃ60とポリ（３−ヘキシルチオフェン）の積層構造を用いている。Ｃ60層は透明電極のＺｎＯ薄膜上に７０ｎｍの膜厚で真空蒸着した。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）はクロロホルムに溶解させて溶液とし、Ｃ60層の上にスピンコートすることで薄膜を形成した。Ｃ60はクロロホルムに難容性のため、スピンコートしてもＣ60薄膜は剥離せず、表面がナノメーターオーダーで侵食される。但し、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）をスピンコートするための溶媒は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）が可溶であり、Ｃ60薄膜が剥離しないものであれば特に限定されない。
【００１６】
実験は実施例１で用いたものと同じ図２の系を使用した。実験は素子を真空下に設置することで行われた。励起光源としてＸｅランプ（５００Ｗ）の白色光を用い、分光器を通して単色光とし、波長を変化させながら、素子に照射した。その際、素子から出力される電流を測定し、光電流スペクトルを測定した。この素子では図５に示すように、５００ｎｍ付近に最大感度となるような性質を示す。また、単色光若しくは白色光照射時における電流−電圧特性を測定することで、素子の開放電圧及び短絡光電流、フィルファクターの値が得られ、素子の光電変換効率を算出した。電流−電圧特性としては、図６に示すような結果が得られ、最大感度波長において外部量子効率は７５％以上、パワー変換効率は５．２％を達成している。
【００１７】
実施例４
実施例３と同様の素子構成で、光伝導媒質がＣ60とポリ（３−ヘキシルチオフェン）の積層構造に代えて、Ｃ60とポリ（２，５−ジオクチルオキシ−ｐ−フェニレンビニレン）の積層構造を用いている。Ｃ60層は透明電極のＺｎＯ薄膜上に７０ｎｍの膜厚で真空蒸着した。ポリ（２，５−ジオクチルオキシ−ｐ−フェニレンビニレン）はクロロホルムに溶解させて溶液とし、Ｃ60層の上にスピンコートすることで薄膜を形成した。Ｃ60はクロロホルムに難容性のため、スピンコートしても、Ｃ60薄膜は剥離せず、表面がナノメーターオーダーで侵食される。但し、ポリ（２，５−ジオクチルオキシ−ｐ−フェニレンビニレン）をスピンコートするための溶媒は、ポリ（２，５−ジオクチルオキシ−ｐ−フェニレンビニレン）が可溶であり、Ｃ60薄膜が剥離しないものであれば特に限定されない。
【００１８】
実験は実施例１で用いたものと同じ図２の系を使用した。実験は素子を真空下に設置することで行われた。励起光源としてＸｅランプ（５００Ｗ）の白色光を用い、分光器を通して単色光とし、波長を変化させながら、素子に照射した。その際、素子から出力される電流を測定し、光電流スペクトルを測定した。この素子では図５に示すように、４５０ｎｍ付近に最大感度となるような性質を示す。また、単色光若しくは白色光照射時における電流−電圧特性を測定することで、素子の開放電圧及び短絡光電流、フィルファクターの値が得られ、素子の光電変換効率を算出したところ、従来の素子よりも光電変換効率が向上している。
【００１９】
実施例５
実施例３と同様の素子構成で、光伝導媒質がＣ60とポリ（３−ヘキシルチオフェン）の積層構造に代えて、Ｃ70とポリ（３−ヘキシルチオフェン）の積層構造を用いている。Ｃ70層は透明電極のＺｎＯ薄膜上に７０ｎｍの膜厚で真空蒸着した。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）はクロロホルムに溶解させて溶液とし、Ｃ70層の上にスピンコートすることで薄膜を形成した。Ｃ70はクロロホルムに難容性のため、スピンコートしても、Ｃ70薄膜は剥離せず、表面がナノメーターオーダーで侵食される。但し、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）をスピンコートするための溶媒は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）が可溶であり、Ｃ70薄膜が剥離しないものであれば特に限定されない。
【００２０】
実験は実施例１で用いたものと同じ図２の系を使用した。実験は素子を真空下に設置することで行われた。励起光源としてＸｅランプ（５００Ｗ）の白色光を用い、分光器を通して単色光とし、波長を変化させながら、素子に照射した。その際、素子から出力される電流を測定し、光電流スペクトルを測定した。この素子では図５に示すように、５００ｎｍ付近に最大感度となるような性質を示す。また、単色光若しくは白色光照射時における電流−電圧特性を測定することで、素子の開放電圧及び短絡光電流、フィルファクターの値が得られ、素子の光電変換効率を算出したところ、従来の素子よりも光電変換効率が向上している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】有機太陽電池の構造の一例を示す断面図である。
【図２】実験系統図である。
【図３】光伝導媒質がポリ（３−ヘキシルチオフェン）薄膜の場合の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】光伝導媒質がポリ（３−ヘキシルチオフェン）とＣ60の複合膜の場合の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】外部量子効率の入射光波長依存性を示すグラフである。
【図６】光伝導媒質がＣ60とポリ（３−ヘキシルチオフェン）の積層構造の場合の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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