有機太陽電池又は光検出器の製造方法。
特に有機高分子をベースにして有機太陽電池や光検出器を製造する方法であって、第一有機ｎ型又はｐ型導電性半導体層を電極に塗布するステップと、第一有機半導体層と異なる導電性を有し、溶媒が第一有機半導体層を部分的に溶解する第二有機半導体層を、固化した第一有機半導体層に対して塗布するステップとを備え、その結果、第一半導体と第二半導体とが混じり合ってバルクへテロ接合型混合層を形成し、第二電極が第一電極と対向して配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機太陽電池の製造に係り、特に、高分子基材構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な太陽電池の電池構造体は、陽電極、有機半導体の混合物、及び陰電極を含む層構造体からなる。陽電極の材料として、例えば、ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが用いられる。半導体混合物は、例えば、高分子等の有機材料からなる。半導体混合物は、ｎ型導電性半導体分子及びｐ型導電性半導体分子の両方を含む。この混合型半導体層は、バルクへテロ接合層として知られている。使用されるさらに別の材料は、例えば、Ｃａ／ＡｇやＬｉＦ／Ａｌからなる陰電極と関連している。しかし、列記した物質は、関連する要素を排他的に構成するものではなく、むしろ、他の材料の組み合わせであってもよい。バルク混合層中に存在する電子供与体は、例えば、共役高分子であってもよく、電子受容体は、例えば、可溶性メタノフラーレンであってもよい。
【０００３】
バルクへテロ接合型太陽電池を製造する際の大きな問題として、ｎ型半導体及びｐ型半導体について所望の相構造を形成することが挙げられる。この問題は、とりわけ、共通の溶媒に含まれる各成分の溶解度が異なることに起因している。
【０００４】
適切な厚さを有し、かつ均質によく混ぜ合わされた半導体膜を製造可能な方法で用いられる有機半導体を溶解する唯一の溶媒を使用して、所望の構造体を得るといった試みが従来よりなされてきた。
【０００５】
溶媒の選択は、それらに課せられる要求が特に高いことから、極めて制限されている。例えば、いわゆるバルク中の半導体の分布における濃度勾配の形成は、適用される膜中の半導体混合物に適した構造により実現されることが望ましい。また、例えば、励起子拡散長さの範囲内で相分離することで、溶媒の選択が特に制限されてしまう（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
それとは別に、各半導体層を連続的に塗付して形成される配置構造が従来より研究されてきた。このような試みは、二つの半導体間にくっきりとした界面を有するいわゆる二層構造の使用を含む（例えば、非特許文献２参照）。また、“多層構造”についても提案されてきた（例えば、非特許文献３参照）。これには、上層が下層内に僅かに浸透する相互拡散層の形成が含まれる。これにより、拡散による混合や交互配置などが部分的に引き起こされる。
【非特許文献１】ブラベック，Ｃ．Ｊ．、Ｎ．Ｓ．サリシフチ、Ｊ．Ｃ．ヒューメレンら著「プラスチック太陽電池」アドバンストファンクショナルマテリアル誌、１１／１、２００１年、ｐ．１５〜２６
【非特許文献２】ブラベックら著「固体薄膜」、４０３−４０４、２００２年、ｐ．３６８〜３７２
【非特許文献３】シャヒーン、Ｓ．Ｅ．、Ｃ．Ｊ．ブラベック、Ｎ．Ｓ．サリシフチ、Ｆ．パディンガー、Ｔ．フロムヘルツ、Ｊ．Ｃ．ヒューメレンら著「２．５％有効有機プラスチック太陽電池」アプライドフィジクスレターズ、７８／６、２００１年、ｐ．８４１−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、バルクへテロ接合型混合層を形成する手段を用いて有機太陽電池を製造する方法を明確にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１に記載される特徴を組み合わせることにより達成される。有利な構造は、従属請求項の中に見出すことができる。
本発明は、一種類の有機半導体のみを含む各溶液を連続的に塗布することによって、バルクへテロ接合型混合層を製造できるという知見に基づく。ｎ型半導体及びｐ型半導体の相構造は、最も重要な検討材料として挙げられる。所望の構造体を製造するため、詳しくは、バルクへテロ接合を形成するため、相構造は、成膜から固化にかけての期間中に厳密な制御を行う必要がある。
【０００９】
本発明は、技術的に簡素化されたバルクへテロ接合型電池の製造に貢献する。連続的に施される二つの層が提供されるが、全体的な製造のための実質的な利点と関連して、溶媒の選択性の自由度を一層増大させるという結果をもたらす。ヘテロ接合を形成する層がバルクとして製造される場合、ｎ型半導体とｐ型半導体とが完全に混じり合った状態で存在している。そうした製造は、本発明に基づいて実現される。これは、二つの連続層の適用によりバルクへテロ接合が生成されるものの、それと同時に、各層の成膜工程において、層に含まれる半導体材料が対応する溶媒と理想的に調和することによる。これにより、上述した溶液を調整する際に最大限の自由度がもたらされる。不可欠な因子として、第二層が第一層に施される場合、第一層の溶解が極めて微量であることが挙げられる。それにより、第一半導体層の少なくとも一部が第二半導体層と混じり合う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明を限定しない実施形態を詳細に説明する。
図は、先行技術及び本発明のそれぞれに従い製造される太陽電池の特性曲線の比較を示している。
【００１１】
黒丸で示される図中の曲線は、ｎ型半導体及びｐ型半導体をある溶液中に溶解した場合、標準的なスピンコーティングによって製造される太陽電池に関連する。黒四角で示される曲線は、ｎ型半導体単独か、或いは対応するｐ型半導体を含む各層の製造に用いられる各溶液について、それらを含む層を連続的に施すことで製造される太陽電池に関連する。先行技術及び本発明のそれぞれ従う特性曲線は、暗所で記録される場合と明所で記録される場合とではほとんど差がない。本発明の主な長所は、溶媒の調整に関し提供される大きな自由度の中に属する。
【００１２】
バルクへテロ接合型混合層を有する有機太陽電池の製造は、例えば、以下のように進められる。まず始めに、例えば、ガラス、ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの担体基板に対して有機半導体が塗布される。これは、例えば、スピンコーティング、ドクターブレード法、又は印刷法を用いて行なわれる。とりわけ有効に、第一溶媒の選択を第一半導体の溶解度に適合させることができる。第一半導体は、例えば、Ｐ３ＨＴ、ＰＰＶである。第二溶液の調整もまた、第二半導体の溶解度について最適化されている。第二半導体は、例えば、フラーレンである。しかし、第一半導体や第一半導体層は、第二半導体層の形成に用いられる溶媒中に僅かに溶解する必要がある。ドクターブレード法や印刷法などの付加的塗布方法により第二溶液が第一層に塗布される場合、第一半導体は僅かに溶解して第二半導体と混じり合う。溶媒を蒸発させた後、非常に薄い各層が混じり合い、結果として、バルクへテロ接合型混合層が形成される。このようにして、完全な混合を達成しつつ、それと同時に、各半導体に対し理想的な相構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】先行技術及び本発明のそれぞれに従い製造される太陽電池の特性曲線の比較を示す図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機太陽電池の製造に係り、特に、高分子基材構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な太陽電池の電池構造体は、陽電極、有機半導体の混合物、及び陰電極を含む層構造体からなる。陽電極の材料として、例えば、ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが用いられる。半導体混合物は、例えば、高分子等の有機材料からなる。半導体混合物は、ｎ型導電性半導体分子及びｐ型導電性半導体分子の両方を含む。この混合型半導体層は、バルクへテロ接合層として知られている。使用されるさらに別の材料は、例えば、Ｃａ／ＡｇやＬｉＦ／Ａｌからなる陰電極と関連している。しかし、列記した物質は、関連する要素を排他的に構成するものではなく、むしろ、他の材料の組み合わせであってもよい。バルク混合層中に存在する電子供与体は、例えば、共役高分子であってもよく、電子受容体は、例えば、可溶性メタノフラーレンであってもよい。
【０００３】
バルクへテロ接合型太陽電池を製造する際の大きな問題として、ｎ型半導体及びｐ型半導体について所望の相構造を形成することが挙げられる。この問題は、とりわけ、共通の溶媒に含まれる各成分の溶解度が異なることに起因している。
【０００４】
適切な厚さを有し、かつ均質によく混ぜ合わされた半導体膜を製造可能な方法で用いられる有機半導体を溶解する唯一の溶媒を使用して、所望の構造体を得るといった試みが従来よりなされてきた。
【０００５】
溶媒の選択は、それらに課せられる要求が特に高いことから、極めて制限されている。例えば、いわゆるバルク中の半導体の分布における濃度勾配の形成は、適用される膜中の半導体混合物に適した構造により実現されることが望ましい。また、例えば、励起子拡散長さの範囲内で相分離することで、溶媒の選択が特に制限されてしまう（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
それとは別に、各半導体層を連続的に塗付して形成される配置構造が従来より研究されてきた。このような試みは、二つの半導体間にくっきりとした界面を有するいわゆる二層構造の使用を含む（例えば、非特許文献２参照）。また、“多層構造”についても提案されてきた（例えば、非特許文献３参照）。これには、上層が下層内に僅かに浸透する相互拡散層の形成が含まれる。これにより、拡散による混合や交互配置などが部分的に引き起こされる。
【非特許文献１】ブラベック，Ｃ．Ｊ．、Ｎ．Ｓ．サリシフチ、Ｊ．Ｃ．ヒューメレンら著「プラスチック太陽電池」アドバンストファンクショナルマテリアル誌、１１／１、２００１年、ｐ．１５〜２６
【非特許文献２】ブラベックら著「固体薄膜」、４０３−４０４、２００２年、ｐ．３６８〜３７２
【非特許文献３】シャヒーン、Ｓ．Ｅ．、Ｃ．Ｊ．ブラベック、Ｎ．Ｓ．サリシフチ、Ｆ．パディンガー、Ｔ．フロムヘルツ、Ｊ．Ｃ．ヒューメレンら著「２．５％有効有機プラスチック太陽電池」アプライドフィジクスレターズ、７８／６、２００１年、ｐ．８４１−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、バルクへテロ接合型混合層を形成する手段を用いて有機太陽電池を製造する方法を明確にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１に記載される特徴を組み合わせることにより達成される。有利な構造は、従属請求項の中に見出すことができる。
本発明は、一種類の有機半導体のみを含む各溶液を連続的に塗布することによって、バルクへテロ接合型混合層を製造できるという知見に基づく。ｎ型半導体及びｐ型半導体の相構造は、最も重要な検討材料として挙げられる。所望の構造体を製造するため、詳しくは、バルクへテロ接合を形成するため、相構造は、成膜から固化にかけての期間中に厳密な制御を行う必要がある。
【０００９】
本発明は、技術的に簡素化されたバルクへテロ接合型電池の製造に貢献する。連続的に施される二つの層が提供されるが、全体的な製造のための実質的な利点と関連して、溶媒の選択性の自由度を一層増大させるという結果をもたらす。ヘテロ接合を形成する層がバルクとして製造される場合、ｎ型半導体とｐ型半導体とが完全に混じり合った状態で存在している。そうした製造は、本発明に基づいて実現される。これは、二つの連続層の適用によりバルクへテロ接合が生成されるものの、それと同時に、各層の成膜工程において、層に含まれる半導体材料が対応する溶媒と理想的に調和することによる。これにより、上述した溶液を調整する際に最大限の自由度がもたらされる。不可欠な因子として、第二層が第一層に施される場合、第一層の溶解が極めて微量であることが挙げられる。それにより、第一半導体層の少なくとも一部が第二半導体層と混じり合う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明を限定しない実施形態を詳細に説明する。
図は、先行技術及び本発明のそれぞれに従い製造される太陽電池の特性曲線の比較を示している。
【００１１】
黒丸で示される図中の曲線は、ｎ型半導体及びｐ型半導体をある溶液中に溶解した場合、標準的なスピンコーティングによって製造される太陽電池に関連する。黒四角で示される曲線は、ｎ型半導体単独か、或いは対応するｐ型半導体を含む各層の製造に用いられる各溶液について、それらを含む層を連続的に施すことで製造される太陽電池に関連する。先行技術及び本発明のそれぞれ従う特性曲線は、暗所で記録される場合と明所で記録される場合とではほとんど差がない。本発明の主な長所は、溶媒の調整に関し提供される大きな自由度の中に属する。
【００１２】
バルクへテロ接合型混合層を有する有機太陽電池の製造は、例えば、以下のように進められる。まず始めに、例えば、ガラス、ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの担体基板に対して有機半導体が塗布される。これは、例えば、スピンコーティング、ドクターブレード法、又は印刷法を用いて行なわれる。とりわけ有効に、第一溶媒の選択を第一半導体の溶解度に適合させることができる。第一半導体は、例えば、Ｐ３ＨＴ、ＰＰＶである。第二溶液の調整もまた、第二半導体の溶解度について最適化されている。第二半導体は、例えば、フラーレンである。しかし、第一半導体や第一半導体層は、第二半導体層の形成に用いられる溶媒中に僅かに溶解する必要がある。ドクターブレード法や印刷法などの付加的塗布方法により第二溶液が第一層に塗布される場合、第一半導体は僅かに溶解して第二半導体と混じり合う。溶媒を蒸発させた後、非常に薄い各層が混じり合い、結果として、バルクへテロ接合型混合層が形成される。このようにして、完全な混合を達成しつつ、それと同時に、各半導体に対し理想的な相構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】先行技術及び本発明のそれぞれに従い製造される太陽電池の特性曲線の比較を示す図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に有機高分子をベースにして有機太陽電池又は光検出器を製造する方法であって、
第一有機ｎ型又はｐ型導電性半導体層を電極に塗布し、
前記第一有機半導体層と異なる導電性を有し、溶媒が前記第一有機半導体層を部分的に溶解する第二有機半導体層を、固化した前記第一有機半導体層に対して塗布することによって、
第一半導体と第二半導体とが混じり合ってバルクヘテロ接合型混合層を形成し、第二電極は第一電極と対向して配置されている方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
各層の溶媒は、該層中に堆積する半導体の溶解度に適合している方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法において、
前記層の塗布は、ドクターブレード法又は印刷法によって実施される方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
共役高分子が電子供与体として用いられる方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
可溶性メタノフラーレンが電子受容体として用いられる方法。
【請求項１】
特に有機高分子をベースにして有機太陽電池又は光検出器を製造する方法であって、
第一有機ｎ型又はｐ型導電性半導体層を電極に塗布し、
前記第一有機半導体層と異なる導電性を有し、溶媒が前記第一有機半導体層を部分的に溶解する第二有機半導体層を、固化した前記第一有機半導体層に対して塗布することによって、
第一半導体と第二半導体とが混じり合ってバルクヘテロ接合型混合層を形成し、第二電極は第一電極と対向して配置されている方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
各層の溶媒は、該層中に堆積する半導体の溶解度に適合している方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法において、
前記層の塗布は、ドクターブレード法又は印刷法によって実施される方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
共役高分子が電子供与体として用いられる方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
可溶性メタノフラーレンが電子受容体として用いられる方法。
【図１】
【公表番号】特表２００９−５１４１８４（Ｐ２００９−５１４１８４Ａ）
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１６０８６（Ｐ２００６−５１６０８６）
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００４／００７１２２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００４２５２
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【出願人】（５０４４５５２１８）コナルカ テクノロジーズ インコーポレイテッド (42)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＮＡＲＫＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００４／００７１２２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００４２５２
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【出願人】（５０４４５５２１８）コナルカ テクノロジーズ インコーポレイテッド (42)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＮＡＲＫＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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