JP2009260209A - Laminated photoelectric converter and photoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数種の光電変換層を積層した積層型(タンデム型)光電変換装置及び光電変換モジュールであって、高い光電変換効率が得られ、耐候性に優れ、しかも低コストに製造できる積層型光電変換装置及び光電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a stacked (tandem) photoelectric conversion device and a photoelectric conversion module in which a plurality of types of photoelectric conversion layers are stacked, in which a high photoelectric conversion efficiency is obtained, excellent weather resistance, and can be manufactured at low cost. The present invention relates to a photoelectric conversion device and a photoelectric conversion module.
有機系光電変換層は、それを構成する元素のほとんどが炭素,水素,窒素,硫黄などからなり、原料の制約が小さい。さらに、室温〜150℃程度の低温プロセスで形成できることから、プラスチック基板などを用いることができるという利点がある。 In the organic photoelectric conversion layer, most of the elements constituting the organic photoelectric conversion layer are made of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, etc., and there are few restrictions on raw materials. Furthermore, since it can be formed by a low temperature process of room temperature to about 150 ° C., there is an advantage that a plastic substrate or the like can be used.
有機系光電変換層の光電変換効率(以下、「変換効率」ともいう)を向上させる方法として、有機半導体における電荷や電子の移動度(以下、単に「移動度」ともいう)を向上させる方法、電極における励起子の失活(不活性化)を抑制する方法、p型有機半導体とn型有機半導体との界面の面積を増大させる方法がある。 As a method for improving the photoelectric conversion efficiency (hereinafter also referred to as “conversion efficiency”) of the organic photoelectric conversion layer, a method for improving the mobility of charges and electrons in the organic semiconductor (hereinafter also simply referred to as “mobility”), There are a method for suppressing deactivation (inactivation) of excitons in the electrode and a method for increasing the area of the interface between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor.
有機半導体の移動度を向上させる方法としては、アニール処理によって有機半導体の結晶性を高める方法がある。これにより、移動度が向上するとともに結晶性の変化に起因する吸収スペクトルの変化から、分光感度がより長波長側にも得られるようになり、短絡電流密度が向上する。 As a method for improving the mobility of the organic semiconductor, there is a method of increasing the crystallinity of the organic semiconductor by annealing. As a result, the mobility is improved and the spectral sensitivity can be obtained on the longer wavelength side from the change in the absorption spectrum due to the change in crystallinity, and the short-circuit current density is improved.
電極における励起子の失活を抑制する方法として、バソクプロイン(BCP、Bathocuproine),ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSS、Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly-styrenesulfonate)などの正孔ブロック層、電子ブロック層を、有機半導体層と電極層との間に挿入する方法がある。これにより、短絡電流密度や曲線因子が向上する。ホールブロック層、電子ブロック層を挿入しない場合には、電極上もしくは有機半導体に侵入した金属粒子によって励起子が失活し、見かけの内部抵抗の増大、短絡電流密度の損失を引き起こす。 As a method for suppressing the deactivation of excitons in the electrode, a hole blocking layer such as bathocuproine (BCP), polyethylenedioxythiophene (PEDOT: Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly-styrenesulfonate), electron There is a method of inserting a block layer between an organic semiconductor layer and an electrode layer. Thereby, a short circuit current density and a fill factor improve. When the hole block layer and the electron block layer are not inserted, excitons are deactivated by metal particles that have penetrated the electrode or the organic semiconductor, resulting in an increase in apparent internal resistance and loss of short-circuit current density.
p型有機半導体とn型有機半導体の界面の面積を増大させる方法として、p型有機半導体とn型有機半導体を共蒸着する方法、有機光電変換層の形成後にアニール処理を施す方法などがある。これにより、p型有機半導体とn型有機半導体の接合界面が増大し、生成した励起子の電荷分離を行える界面の面積が増大する。その結果、短絡電流密度の増大を成すことができる。p型有機半導体とn型有機半導体を共蒸着した層はi層と呼ばれ、電流密度の増大に大きく影響する。また、p型有機半導体とn型有機半導体を一つの溶媒に溶解してスピンコートし、有機光電変換装置の形成後にアニール処理することによって、p型有機半導体とn型有機半導体が相分離され、その結果、p型有機半導体とn型有機半導体の界面の面積が向上するために短絡電流密度が向上する。 As a method of increasing the area of the interface between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, there are a method of co-evaporating the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, a method of performing an annealing treatment after the formation of the organic photoelectric conversion layer, and the like. As a result, the junction interface between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor increases, and the area of the interface where charge separation of the generated excitons can be increased. As a result, the short circuit current density can be increased. A layer in which a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor are co-evaporated is called an i layer and greatly affects the increase in current density. Further, the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are dissolved in one solvent, spin-coated, and annealed after the formation of the organic photoelectric conversion device, whereby the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are phase-separated, As a result, since the area of the interface between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor is improved, the short-circuit current density is improved.
また、有機半導体と無機半導体が積層された光電変換素子が、特許文献1に開示されている。この光電変換素子は、透明基材上の透明電極上にp型有機半導体層、フラーレン層及びバック電極を順次積層して構成されている。特許文献1の光電変換素子においては、太陽光に面したp型有機半導体とそれに積層されたフラーレン層とが、入射光から励起子を生成し、p型有機半導体とフラーレン層との界面において電荷分離が行われ、正孔がp型有機半導体、電子がフラーレン層によって輸送されるように構成されている。
特許文献1に記載された有機系光電変換素子は、p型無機半導体と有機半導体であるフラーレンとの界面の形状は制御しにくく、有機半導体の低い移動度を高めたり、励起子の失活を抑えることが難しく、光電変換効率が低下する可能性があった。
In the organic photoelectric conversion element described in
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光電変換効率を向上させた積層型光電変換装置を得ることである。 The present invention has been completed in view of the above conventional problems, and an object thereof is to obtain a stacked photoelectric conversion device with improved photoelectric conversion efficiency.
本発明の積層型光電変換装置は、非単結晶の半導体層を有する透光性光電変換層と、
該透光性光電変換層上に形成された、電子と正孔とを再結合させる透光性再結合層と、
該透光性再結合層上に形成された、有機半導体を含む有機系光電変換層と、を有することを特徴とするものである。
The stacked photoelectric conversion device of the present invention includes a translucent photoelectric conversion layer having a non-single-crystal semiconductor layer,
A translucent recombination layer formed on the translucent photoelectric conversion layer for recombining electrons and holes;
And an organic photoelectric conversion layer including an organic semiconductor formed on the translucent recombination layer.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記有機系光電変換層の分光感度のピーク波長が前記透光性光電変換層の分光感度のピーク波長より長波長側にあることを特徴とするものである。 The stacked photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that the peak wavelength of the spectral sensitivity of the organic photoelectric conversion layer is longer than the peak wavelength of the spectral sensitivity of the translucent photoelectric conversion layer. To do.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記有機系光電変換層が前記透光性光電変換層の透過光に対して分光感度を有することを特徴とするものである。 In addition, the stacked photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that the organic photoelectric conversion layer has a spectral sensitivity to the transmitted light of the translucent photoelectric conversion layer.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記透光性光電変換層はi型の非晶質シリコン層を含むpin構造を有していることを特徴とするものである。 Moreover, the stacked photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that the translucent photoelectric conversion layer has a pin structure including an i-type amorphous silicon layer.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記透光性再結合層は、金属、導電性酸化物及び導電性ポリマーのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とするものである。 In the stacked photoelectric conversion device according to the present invention, preferably, the translucent recombination layer includes at least one of a metal, a conductive oxide, and a conductive polymer.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記透光性再結合層は、互いに独立した複数の金属から成る島状部から成ることを特徴とするものである。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, it is preferable that the translucent recombination layer is composed of island-shaped portions made of a plurality of independent metals.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記透光性再結合層は、複数の貫通孔を有していることを特徴とするものである。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the translucent recombination layer has a plurality of through holes.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記透光性再結合層は、触媒層を含んでなることを特徴とするものである。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the translucent recombination layer includes a catalyst layer.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記透光性再結合層は、前記触媒層が、前記有機系光電変換層と接する第1の触媒層および前記透光性光電変換層と接する第2の触媒層を含み、かつ前記第1の触媒層と前記第2の触媒層との間に介在する中間層をさらに備え、該中間層の表面抵抗率が、1.0×103Ω/□以上1.0×1010Ω/□以下であることを特徴とするものである。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the translucent recombination layer includes the first catalyst layer in contact with the organic photoelectric conversion layer and the translucent photoelectric conversion layer. An intermediate layer including a second catalyst layer in contact therewith and interposed between the first catalyst layer and the second catalyst layer, wherein the surface resistivity of the intermediate layer is 1.0 × 10 3 Ω / □ or more and 1.0 × 10 10 Ω / □ or less.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、前記触媒層はが、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、および銀の少なくとも1つを含むことを特徴とするものである。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the catalyst layer contains at least one of platinum, palladium, nickel, aluminum, and silver.
本発明の光電変換モジュールは、本発明の積層型光電変換装置の複数が横方向に並べられているとともにそれらが電気的に接続されているものである。 The photoelectric conversion module of the present invention is one in which a plurality of stacked photoelectric conversion devices of the present invention are arranged in the horizontal direction and are electrically connected.
本発明の積層型光電変換装置によれば、有機系光電変換層と透光性光電変換層との間に、電子と正孔を再結合させる透光性再結合層を設けたことによって、有機系光電変換層から引き抜かれた電子(もしくは正孔)と、透光性光電変換層から引き抜かれた正孔(もしくは電子)と、を効率よく再結合させることができる。その結果、本発明の積層型光電変換装置によれば、有機系光電変換層から引き抜かれた正孔(もしくは電子)と透光性光電変換層から引き抜かれた電子(もしくは正孔)を、効率よく光電変換装置の外部に取り出すことができるため、光電変換効率を高めることができる。 According to the stacked photoelectric conversion device of the present invention, by providing a translucent recombination layer that recombines electrons and holes between an organic photoelectric conversion layer and a translucent photoelectric conversion layer, The electrons (or holes) extracted from the system photoelectric conversion layer and the holes (or electrons) extracted from the translucent photoelectric conversion layer can be efficiently recombined. As a result, according to the stacked photoelectric conversion device of the present invention, the holes (or electrons) extracted from the organic photoelectric conversion layer and the electrons (or holes) extracted from the translucent photoelectric conversion layer are efficiently converted. Since it can often be taken out of the photoelectric conversion device, the photoelectric conversion efficiency can be increased.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、有機系光電変換層の分光感度のピー
ク波長が透光性光電変換層の分光感度のピーク波長より長波長側にあることから、有機系光電変換層及び透光性光電変換層がそれぞれ異なった波長域の光を効率的に光電変換でき、高い変換効率が得られる。
In addition, the stacked photoelectric conversion device of the present invention preferably has a peak wavelength of the spectral sensitivity of the organic photoelectric conversion layer on the longer wavelength side than the peak wavelength of the spectral sensitivity of the translucent photoelectric conversion layer. The conversion layer and the translucent photoelectric conversion layer can efficiently photoelectrically convert light in different wavelength ranges, and high conversion efficiency can be obtained.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、透光性光電変換層はi型の非晶質シリコン層を含むpin構造を有していることから、透光性光電変換層は約700nm以下の短波長光を吸収して発電し、約700nm以上の長波長光を透過する。その結果、例えば透光性光電変換層の後側に配置された有機系光電変換層が十分に吸収し発電することが可能な波長域の光が透過することとなる。太陽光の波長域は310nm〜2000nmであり、強度が大きい波長域は400nm〜1200nmである。従って、有機系光電変換層に、700nm〜1200nmあるいは700nm〜2000nmに感度を有する有機半導体を用いることにより、十分な変換効率が得られる。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the translucent photoelectric conversion layer has a pin structure including an i-type amorphous silicon layer, and thus the translucent photoelectric conversion layer has a thickness of about 700 nm. It absorbs the following short wavelength light and generates electric power, and transmits long wavelength light of about 700 nm or more. As a result, for example, light in a wavelength region that can be sufficiently absorbed and generated by the organic photoelectric conversion layer disposed on the rear side of the translucent photoelectric conversion layer is transmitted. The wavelength range of sunlight is 310 nm to 2000 nm, and the wavelength range with high intensity is 400 nm to 1200 nm. Therefore, sufficient conversion efficiency can be obtained by using an organic semiconductor having sensitivity at 700 nm to 1200 nm or 700 nm to 2000 nm for the organic photoelectric conversion layer.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、透光性再結合層は、金属、導電性酸化物及び導電性ポリマーのうちの少なくとも一つを含むことから、電子と正孔の再結合が容易となり、光の損失の小さい透光性再結合層を得ることができる。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the translucent recombination layer includes at least one of a metal, a conductive oxide, and a conductive polymer. And a translucent recombination layer with low light loss can be obtained.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、透光性再結合層は、互いに独立した複数の金属から成る島状部から成ることから、良好な透光性が得られるという効果、また、次に積層する有機系光電変換層の成長核として用いることができる利点がある。また、この場合、透光性光電変換層と有機系光電変換層との間における仕事関数を小さくして、透光性光電変換層と有機系光電変換層との間での電子及び電荷の移動が容易になる。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the translucent recombination layer is composed of island-shaped portions made of a plurality of metals independent from each other, so that an excellent translucency can be obtained. There is an advantage that it can be used as a growth nucleus of the organic photoelectric conversion layer to be laminated next. In this case, the work function between the translucent photoelectric conversion layer and the organic photoelectric conversion layer is reduced, and electrons and charges are transferred between the translucent photoelectric conversion layer and the organic photoelectric conversion layer. Becomes easier.
また、本発明の積層型光電変換装置は好ましくは、透光性再結合層は、複数の貫通孔を有していることから、良好な透光性が得られるという効果、また、次に積層する有機系光電変換層の成長核として用いることができる利点がある。また、この場合、透光性光電変換層と有機系光電変換層との間における電子の仕事関数を小さくして、透光性光電変換層と有機系光電変換層との間での電子及び電荷の移動が容易になる。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the light-transmitting recombination layer has a plurality of through-holes. There is an advantage that it can be used as a growth nucleus of an organic photoelectric conversion layer. In this case, the electron work function between the translucent photoelectric conversion layer and the organic photoelectric conversion layer is reduced by reducing the electron work function between the translucent photoelectric conversion layer and the organic photoelectric conversion layer. Is easy to move.
また、本発明の積層型光電変換装置において、透光性再結合層に触媒層を設ければ、有機系光電変換層および透光性光電変換層に作用する過電圧を低減することができるため、電荷再結合に必要な過電圧を小さくすることができる。 Moreover, in the stacked photoelectric conversion device of the present invention, if a catalyst layer is provided in the translucent recombination layer, overvoltage acting on the organic photoelectric conversion layer and the translucent photoelectric conversion layer can be reduced. The overvoltage required for charge recombination can be reduced.
また、本発明の積層型光電変換装置において、前記透光性再結合層は、前記触媒層が、前記有機系光電変換層と接する第1の触媒層および前記透光性光電変換層と接する第2の触媒層を含み、かつ前記第1の触媒層と前記第2の触媒層との間に介在する中間層をさらに備え、該中間層の表面抵抗率が、1.0×103Ω/□以上1.0×1010Ω以下であれば、透光性光電変換層と有機系光電変換層との電荷の再結合を実現しつつ、中間層の面内方向における電荷の移動を抑制して透光性光電変換層における電荷の再結合を低減できるため、より光電変換効率を高めることができる。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, the translucent recombination layer includes a first catalyst layer in contact with the organic photoelectric conversion layer and a first photoelectric layer in contact with the organic photoelectric conversion layer. And an intermediate layer interposed between the first catalyst layer and the second catalyst layer, the surface resistivity of the intermediate layer being 1.0 × 10 3 Ω / If it is □ or more and 1.0 × 10 10 Ω or less, the movement of charges in the in-plane direction of the intermediate layer is suppressed while realizing the recombination of charges between the translucent photoelectric conversion layer and the organic photoelectric conversion layer. In addition, since recombination of charges in the translucent photoelectric conversion layer can be reduced, the photoelectric conversion efficiency can be further increased.
また、本発明の積層型光電変換装置において、触媒層は、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、および銀の少なくとも1つを含むような構成であれば、過電圧を低減する触媒作用をより高めることができる。 In the stacked photoelectric conversion device of the present invention, if the catalyst layer includes at least one of platinum, palladium, nickel, aluminum, and silver, the catalytic action for reducing overvoltage can be further enhanced. it can.
本発明の光電変換モジュールは、本発明の積層型光電変換装置の複数が横方向に並べられているとともにそれらが電気的に接続されていることから、光電変換効率の高い積層型光電変換装置を複数電気的に接続しているために、光電流出力の大きい光電変換モジュールとなる。 The photoelectric conversion module of the present invention includes a stacked photoelectric conversion device having a high photoelectric conversion efficiency because a plurality of stacked photoelectric conversion devices of the present invention are arranged in the horizontal direction and are electrically connected. Since a plurality of electrical connections are made, a photoelectric conversion module having a large photocurrent output is obtained.
本実施の形態の光電変換装置の具体的な例について、図面に基づいて以下に詳細に説明する。 Specific examples of the photoelectric conversion device of this embodiment will be described below in detail with reference to the drawings.
本実施の形態の積層型光電変換装置について実施の形態の1例を図1の断面図に示す。 An example of the embodiment of the stacked photoelectric conversion device of this embodiment is shown in a cross-sectional view of FIG.
本実施の形態の積層型光電変換装置は、非単結晶の半導体層を有する透光性光電変換層3と、透光性光電変換層3上に形成された電子と正孔を再結合させる透光性再結合層4と、透光性再結合層4上に形成された有機半導体を含む有機系光電変換層2とを有する。
The stacked photoelectric conversion device according to the present embodiment includes a light-transmitting
より具体的な構成である図1の積層型光電変換装置1は、透光性基板31aと、透光性基板31a上に形成された非単結晶の半導体層を有する透光性光電変換層3と、透光性光電変換層3上に形成された電子と正孔を再結合させる透光性再結合層4と、透光性再結合層4上に形成された有機半導体を含む有機系光電変換層2とを有する。なお、透光性基板31a上には透光性導電層31bが形成されており、これらが合わさって導電性基板31が構成されている。
The stacked
本実施の形態の光電変換装置において、透光性基板31aはなくてもよく、その場合、透光性光電変換層3自体が硬質の板状体から成るものであればよい。また、透光性導電層31bはなくてもよく、その場合、透光性光電変換層3の端部に集電極等を設けてもよい。また、透光性基板31a及び透光性導電層31bがある場合、透光性基板31aは透光性光電変換層3の支持体及び光透過体として機能し、透光性導電層31bは透光性の大面積の電極として機能する点で好適である。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment, the
また、透光性光電変換層3は、pin接合型の他に、pn接合型、ショットキー接合型、ヘテロ接合型等の内部電界を生じるものであればよい。
Moreover, the translucent
有機系光電変換層2は、pin接合型、pn接合型、バルクヘテロ型、超格子型等の内部電界を生じるものであればよい。図1にはその一例として、透光性再結合層4側から、第1導電型(p型)有機系半導体層24、色素層23、第2導電型(n型)有機系半導体層22、正孔ブロック層21からなる構成を示した。
The organic
また、有機系光電変換層2は、低い移動度を補うため、2〜3層を繰り返し積層して用いることができる。また、有機系光電変換層2と電流のマッチングを取るために、透光性光電変換層3の薄膜化による分光感度の調節を行ったり、透光性光電変換層3を繰り返し積層することもできる。この場合、各光電変換層間に透光性再結合層4を挿入することによって、より高い変換効率を達成できる。
The organic
図6に、図1の積層型光電変換装置1をモジュール化した光電変換モジュール10の断面図を示す。光電変換モジュール10は、本実施の形態の積層型光電変換装置1の複数が横方向に並べられているとともにそれらが電気的に接続されている。図6は、積層型光電変換装置1の単位体を示すものであり、その単位体が複数横方向に並べられて、それらが直列接続、並列接続または直並列接続されて光電変換モジュール10となる。
FIG. 6 shows a cross-sectional view of a
本実施の形態の光電変換モジュール10の構成及び製造方法について以下に説明する。
The structure and manufacturing method of the
まず、透光性導電層31bを正極(p)と負極(n)を分離するためにレーザスクライブで分断し、透光性光電変換層3、透光性再結合層4、有機系光電変換層2を積層した後、電極5をパターニングして有機系光電変換層3の側(下側)へ引き出している。31bbは透光性導電層31bの分断部である。電極5の下端部は、隣接する積層型光電変換装置1の正極側の電極である透光性導電層31bに接続される。
First, the translucent
また、有機系光電変換層2、透光性再結合層4及び透光性光電変換層3の電極5と接する部位には、電極5と電気的に接続されないように絶縁層(図示せず)が形成されていてもよい。あるいは、有機系光電変換層2、透光性再結合層4及び透光性光電変換層3は比較的高抵抗であるため、絶縁層が形成されていなくてもよい。
In addition, an insulating layer (not shown) is provided at a portion of the organic
次に、対向基板7の下面の外周部と導電性基板31の上面の外周部とを封止材6によって貼り合せる。このとき、封止材6の内側の空間は、真空状態、減圧状態、不活性ガス封入状態などとされており、酸素及び水による酸化などが抑制される。
Next, the outer peripheral portion of the lower surface of the
また、電極5は、マスクを用いた、蒸着法またはスパッタリング法、あるいは印刷法等により形成される。
The
また、封止材6は、ガラスフリット、エポキシ樹脂、アイオノマーなどから成る。封止材6は、印刷法、熱圧着法、紫外線硬化法などによって形成できるが、有機系光電変換層2の変質を抑えるためには、なるべく低温で暗所で行うことが好ましい。熱及び光が有機系光電変換層2に影響を及ぼす場合、組立作業中の雰囲気ガスを不活性ガスとするか、もしくは減圧状態または真空状態で組立作業を行うと良く、その場合有機系光電変換層2の劣化が抑制される。
The sealing
対向基板7はガラス、金属、プラスチックなどから成る。プラスチックから成る対向基板7を用いる場合、酸素及び水分の透過性を抑えるために、表面に金属層等から成るガスバリアコートを形成したものを用いるのが良い。ガスバリアコートは蒸着法等によって形成される。
The
図7に、図1の積層型光電変換装置1をモジュール化した光電変換モジュール10の他例の断面図を示す。図7の光電変換モジュールは、透光性光電変換層3、透光性再結合層4、有機系光電変換層2を積層した積層体を封止材6の内部に埋め込むようにした構成であり、その他の部位の構成は図6の光電変換モジュール10と同様である。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of another example of the
封止材6の内部には空気溜まりが極力残らないことが良い。ただし、対向基板7と導電性基板31の熱膨張係数の違いなどから発生する応力を緩和するために、若干の気泡を残しておくと良い。
It is preferable that no air pocket remains inside the sealing
また、封止材6は、透光性光電変換層3、透光性再結合層4、有機系光電変換層2を積層した積層体を覆う必要があるため、積層体を覆う前に液状等の柔軟なものであり、積層体を覆った後に熱処理、紫外線照射により硬化するものであることが好ましい。
Moreover, since the sealing
図8に、図1の積層型光電変換装置1をモジュール化した光電変換モジュール10の他例の断面図を示す。図8の光電変換モジュール10は、対向基板7を有していないものであり、その他の部位の構成は図7の光電変換モジュール10と同様である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of another example of the
封止材6は、酸素及び水分の透過性を抑えるために、表面に金属層等から成るガスバリアコートを形成したものを用いるのが良い。ガスバリアコートは蒸着法等によって形成さ
れる。また、対湿性を高めるためのバックシートで封止材6を覆うこともできる。
In order to suppress the permeability of oxygen and moisture, the sealing
また、本実施の形態の積層型光電変換装置は、導電性基板と、導電性基板上に形成された有機半導体を含む有機系光電変換層2と、有機系光電変換層上に形成された電子と正孔を再結合させる透光性再結合層4と、透光性再結合層4上に形成された非単結晶の半導体層を有する透光性光電変換層3とを有する(図示せず)。
In addition, the stacked photoelectric conversion device of the present embodiment includes a conductive substrate, an organic
この場合、導電性基板が非透光性のものであれば、透光性光電変換層3側から光を入射させることにより、薄膜型の透光性光電変換層3で短波長光(波長300〜600nm程度)がよく光電変換され、有機系光電変換層2で長波長光(波長600〜900nm程度)がよく光電変換され、両光電変換層2,3の変換効率を合わせた高い変換効率が得られる。
In this case, if the conductive substrate is a non-translucent substrate, light is incident from the translucent
以下、積層型光電変換装置1の各構成部分について詳細に説明する。
Hereinafter, each component of the stacked
<導電性基板(透光性基板)>
導電性基板31は、透光性基板31aと透光性導電層31bからなる。透光性基板31aの材料としては、PET(ポリエチレンテレフタレート),PEN(ポリエチレンナフタレート),ポリイミド,ポリカーボネート等の樹脂、青板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス,セラミックス等の無機材料、または導電性樹脂,有機無機ハイブリッド材料等がよい。
<Conductive substrate (translucent substrate)>
The
透光性導電層31bとしては、低温成長のスパッタリング法、低温スプレー熱分解法等によって形成した、スズドープ酸化インジウム層(ITO層)、不純物ドープの酸化インジウム層(In2O3層)等がよい。また、熱CVD法によって形成したフッ素ドープの二酸化スズ層(SnO2:F層)、溶液成長法によって形成した不純物ドープの酸化亜鉛層
(ZnO層)等であってもよい。さらに、これらの層を積層して用いてもよい。
As the translucent
透光性導電層31bの他の形成方法として、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ディップコート法、ゾルゲル法等がある。また、透光性導電層31bの表面に入射光の波長オーダーの表面凹凸を形成すると、光閉じ込め効果が得られてなおよい。
Other methods for forming the translucent
また、透光性導電層31bは、真空蒸着法やスパッタリング法等で形成したAu,Pd,Al等から成る薄い(厚み1〜5nm程度)金属層であってもよい。
The translucent
導電性基板31の厚みは0.1mm〜5mmがよく、より好ましくは0.2mm〜3mmがよい。0.1mm〜5mmの範囲内とすることにより、導電性基板31の機械的強度を十分なものとし、また、重量の増加を抑えることができる。
The thickness of the
透光性導電層31bの厚みは0.001μm〜10μmがよく、より好ましくは0.05μm〜2μmがよい。0.001μm〜10μmの範囲内とすることにより、透光性導電層31bの導電性及び光透過率を高く維持することができる。
The thickness of the translucent
また、導電性基板31の光入射面(図1の白矢印側の面)に、誘電体多層膜などの反射防止膜を形成すると入射光量が増加して良い。なお、図1の白矢印は入射光を示す。 Further, when an antireflection film such as a dielectric multilayer film is formed on the light incident surface of the conductive substrate 31 (the surface on the white arrow side in FIG. 1), the amount of incident light may be increased. In addition, the white arrow of FIG. 1 shows incident light.
<有機系光電変換層>
有機系光電変換層2は、pin接合型、pn接合型、バルクヘテロ型、超格子型等の内部電界を生じるものであればよい。
<Organic photoelectric conversion layer>
The organic
有機系光電変換層2を構成する有機半導体の材料としては、フタロシアニン,亜鉛フタロシアニン,銅フタロシアニン,チタニルフタロシアニン,バナジルフタロシアニン,ヘキサデカフルオロ亜鉛フタロシアニン,塩化フタロシアニンなどのフタロシアニン系半導体、C60,C70,酸化フラーレン,フェニルC61ブチルアシッドメチルエステル(PCBM),フェニルC85ブチルアシッドメチルエステル([84]PCBM),フラーレン誘導体などのフラーレン系半導体、テトラメチルポルフィリンなどのポルフィリン系半導体、バクテリオクロロフィル類、クロロフィル類、ペンタセン,テトラセンなどのポリアセン系半導体、ポリ−3−ヘキシルチオフェンなどのチオフェン系半導体、ナフタレン系半導体,ピロール系半導体,ベンゾキノン,ナフトキノンなどのキノン系半導体、テトラシアノキノジメタン(TCNQ),テトラフルオロテトラシアノキノジメタンなどのTCNQ系半導体、ペリレン、ペリレンテトラカルボン酸などのペリレン系半導体がよく、それぞれ非晶質、多結晶相、単結晶相として用いることができる。また、上述した組成を有する材料は、官能基によって電子吸引性、電子供与性、安定性などを付与した誘導体や、重合体として用いることもできる。
Examples of the organic semiconductor material constituting the organic
有機系光電変換層は、ドーピングや電荷移動錯体として用いることもできる。例えば、金属フタロシアニンにテトラシアノキノジメタンをp型ドーパントとして、Mgやテトラフルオロテトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)をn型ドーパントとして用いることができる。また、TCNQにテトラチアフバレン(TTF)を配位させた電荷移動錯体などを用いることもできる。このようにドーピングすることで、導電性を高めて移動度を向上させ、膜厚を厚く成膜できる。また、ドーピングによって伝導帯、荷電子帯の準位を制御し、有機系光電変換層の開放端電圧を増加させることができる。 The organic photoelectric conversion layer can also be used as a doping or charge transfer complex. For example, tetracyanoquinodimethane can be used as a p-type dopant for metal phthalocyanine, and Mg or tetrafluorotetracyanoquinodimethane (F4-TCNQ) can be used as an n-type dopant. Alternatively, a charge transfer complex in which tetrathiafuvalene (TTF) is coordinated with TCNQ can be used. By doping in this way, the conductivity can be increased to improve the mobility, and the film thickness can be increased. Further, the open band voltage of the organic photoelectric conversion layer can be increased by controlling the levels of the conduction band and the valence band by doping.
また、有機半導体との電荷分離性が良好であれば、有機系光電変換層2を構成する半導体は、カルコパイライト系化合物半導体、シリコン系半導体、酸化亜鉛などの2−6族半導体、窒化インジウムなどの3−5族半導体などを用いてもよい。特にカルコパイライト系化合物半導体は、長波長感度があり、色素層として好適である。このような有機系半導体と無機系半導体を用いる方法として、バルクヘテロ型の有機系光電変換層にカルコパイライト系化合物半導体の微粒子を混入させて半導体色素として用いる方法や、表面が平坦面もしくは凹凸形状とされたn型酸化亜鉛半導体にp型半導体であるP3HT(ポリ−3−ヘキシルチオフェン)をコートしてpn界面を形成させる方法、n型酸化亜鉛半導体にバルクヘテロ層(P3HTとPCBMの混合膜)をコートし、pn界面の形成と同時にホールブロック層としての機能を発現させる方法などがよい。
If the charge separation property with the organic semiconductor is good, the semiconductor constituting the organic
他に、上述のようにホールブロック層としての機能を発現する材料として、TiOx,NbOx,ZrOx,TaOx,WOxなどの無機金属酸化物が挙げられる。ここで、一部アモルファス構造を含むことでカバレッジが良くなり、信頼性が向上する。 In addition, as described above, inorganic metal oxides such as TiOx, NbOx, ZrOx, TaOx, and WOx can be cited as materials that exhibit the function as the hole blocking layer. Here, by including a part of the amorphous structure, coverage is improved and reliability is improved.
図1で示した色素層とは、光電変換する機能を有し、接する半導体層に電荷の授受が可能な層を言う。ここで電荷とは、生成した励起子が色素層と半導体層との界面での電荷分離で生成した電荷や、色素内部で電荷分離した電荷などを言う。 The dye layer shown in FIG. 1 refers to a layer having a function of photoelectric conversion and capable of transferring charges to and from a semiconductor layer in contact therewith. Here, the charge refers to a charge generated by the generated exciton by charge separation at the interface between the dye layer and the semiconductor layer, a charge separated by charge inside the dye, or the like.
pin接合型とは、図2に示すように、電子ブロック層25、第1導電型(p型)有機系半導体層24a、第1導電型(p型)有機系半導体と第2導電型(n型)有機系半導体との混合(i型)層23a、第2導電型(n型)有機系半導体22a、正孔ブロック層21aが順次積層された構成である。
As shown in FIG. 2, the pin junction type means an
pn接合型とは、図3に示すように、電子ブロック層25a、第1導電型(p型)有機系半導体層24b、第2導電型(n型)有機系半導体層22b、正孔ブロック層21bが順次積層された構成である。
As shown in FIG. 3, the pn junction type means an
バルクヘテロ型とは、図4に示すように、電子ブロック層25b、バルクヘテロ層26、正孔ブロック層21cが順次積層された構成である。このバルクヘテロ型は、アニール処理などを施すことによって、バルクヘテロ層26内での層分離や有機系半導体の結晶化を促進させることができ、その結果、変換効率を向上させることができる。また、色素をバルクヘテロ層26にさらに混合することによって、分光感度を向上させることができる。
As shown in FIG. 4, the bulk hetero type has a configuration in which an
超格子型とは、図5に示すように、電子ブロック層25b、第1導電型(p型)有機系半導体層24dと第2導電型(n型)有機系半導体層22dとの組を3組積層した積層構造層、正孔ブロック層21dが順次積層された構成である。
As shown in FIG. 5, the superlattice type includes three groups of an
有機系光電変換層2は、真空蒸着法、スピンコート法、ディップコート法、キャスト法、印刷法、インクジェット法、物理気相堆積法などによって形成される。
The organic
図1の構成において、第1導電型(p型)有機系半導体層24は、銅フタロシアニン等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、第1導電型有機系半導体層24の被覆性(カバレッジ)が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
In the configuration of FIG. 1, the first conductivity type (p-type)
色素層23は、電荷分離に大きな影響を及ぼさないが、分光感度を増大させる層であり、スズフタロシアニン等から成り、厚みは0.5nm〜50nm程度であることがよい。0.5nm〜50nm程度の範囲内とすることにより、分光感度を高くすることができ、また、直列抵抗を低減することができる。
The
第2導電型(n型)有機系半導体層22は、フラーレンC60等から成り、厚みは0.5nm〜200nm程度であることがよい。0.5nm〜200nm程度の範囲内とすることにより、第2導電型有機系半導体層22の被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The second conductivity type (n-type)
正孔ブロック層21は、バソクプロインやTiOx(アモルファス構造を含む酸化チタン層)等から成り、厚みは0.5nm〜1000nm程度であることがよい。0.5nm〜1000nm程度の範囲内とすることにより、正孔ブロック層21の被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The
図2の構成において、電子ブロック層25は、PEDOT:PSS等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、電子ブロック層25の被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
In the configuration of FIG. 2, the
第1導電型(p型)有機系半導体層24aは、銅フタロシアニン等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、第1導電型(p型)有機系半導体層24aの被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The first conductivity type (p-type)
混合層23aは、銅フタロシアニン及びフラーレンC60等から成り、厚みは1〜500nm程度であることがよい。1〜500nm程度の範囲内とすることにより、分光感度を高くし、また、直列抵抗を低減することができる。
The
第2導電型(n型)有機系半導体層22aは、フラーレンC60等から成り、厚みは0
.5nm〜200nm程度であることがよい。0.5nm〜200nm程度の範囲内とすることにより、第2導電型(n型)有機系半導体層22aの被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The second conductivity type (n-type)
. It is good that it is about 5 nm-200 nm. By setting the thickness within the range of about 0.5 nm to 200 nm, the coverage of the second conductive type (n-type)
正孔ブロック層21aは、バソクプロインやTiOx(アモルファス構造を含む酸化チタン膜)等から成り、厚みは0.5nm〜1000nm程度であることがよい。0.5nm〜1000nm程度の範囲内とすることにより、正孔ブロック層21aの被覆性が向上し、また、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The
図3の構成において、電子ブロック層25aは、PEDOT:PSS等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、電子ブロック層25aの被覆性が向上し、また、直列抵抗の増大を抑えることができる。
In the configuration of FIG. 3, the
第1導電型(p型)有機系半導体層24bは、銅フタロシアニン等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、第1導電型(p型)有機系半導体層24bの被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The first conductivity type (p-type)
第2導電型(n型)有機系半導体層22bは、フラーレンC60等から成り、厚みは0.5nm〜200nm程度であることがよい。0.5nm〜200nm程度の範囲内とすることにより、第2導電型(n型)有機系半導体層22bの被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The second conductivity type (n-type)
図4の構成において、電子ブロック層25bは、PEDOT:PSS等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、電子ブロック層25bの被覆性が向上し、また、直列抵抗の増大を抑えることができる。
In the configuration of FIG. 4, the
バルクヘテロ層26は、チオフェン誘導体のP3HT及びフラーレン誘導体のPCBM等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、バルクヘテロ層26の分光感度が高くなり、また、直列抵抗を低減することができる。
The bulk
正孔ブロック層21cは、バソクプロインやTiOx(アモルファス構造を含む酸化チタン層)等から成り、厚みは0.5nm〜1000nm程度であることがよい。0.5nm〜1000nm程度の範囲内とすることにより、正孔ブロック層21cの被覆性が向上し、また、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The
図5の構成において、電子ブロック層25は、PEDOT:PSS等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、電子ブロック層25の被覆性が向上し、また、直列抵抗の増大を抑えることができる。
In the configuration of FIG. 5, the
第1導電型(p型)有機系半導体層24dは、銅フタロシアニン等から成り、厚みは1〜200nm程度であることがよい。1〜200nm程度の範囲内とすることにより、第1導電型(p型)有機系半導体層24dの被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The first conductivity type (p-type)
第2導電型(n型)有機系半導体層22dは、フラーレンC60等から成り、厚みは0.5nm〜200nm程度であることがよい。0.5nm〜200nm程度の範囲内とす
ることにより、第2導電型(n型)有機系半導体層22dの被覆性が向上し、また、電荷分離が十分なものとなり、さらに、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The second conductivity type (n-type)
正孔ブロック層21cは、バソクプロインやTiOx(アモルファス構造を含む酸化チタン層)等から成り、厚みは0.5nm〜1000nm程度であることがよい。0.5nm〜1000nm程度の範囲内とすることにより、正孔ブロック層21cの被覆性が向上し、また、直列抵抗の増大を抑えることができる。
The
<透光性再結合層>
透光性再結合層4は、有機系光電変換層2と透光性光電変換層3との間で、電子と正孔の再結合を容易にするための層である。
<Translucent recombination layer>
The
透光性再結合層4は、金属、導電性酸化物及び導電性ポリマーのうちの少なくとも一つを含むことがよい。この場合、電子と正孔の再結合が容易となり、光の損失の小さい透光性再結合層4を得ることができる。
The
また、透光性再結合層4は、互いに独立した複数の金属から成る島状部から成ることがよい。この場合、良好な透光性が得られるという効果、また、次に積層する有機系光電変換層2の成長核として用いることができるという利点がある。また、この場合、透光性光電変換層3と有機系光電変換層2との間における仕事関数差を小さくして、透光性光電変換層3と有機系光電変換層2との間での電子及び正孔の移動が容易になる。
Moreover, the
また、透光性再結合層4は、複数の貫通孔を有している形状、例えば網目状、格子状等の形状であることが好ましい。この場合、良好な透光性が得られるという効果、また、次に積層する有機系光電変換層2の成長核として用いることができる利点がある。また、透光性光電変換層3と有機系光電変換層2との間における仕事関数差を小さくして、透光性光電変換層3と有機系光電変換層2との間での電子及び正孔の移動が容易になる。
Moreover, it is preferable that the
電子移動及び正孔移動の容易性は、透光性再結合層4が互いに独立した複数の金属から成る島状部から成る場合の方が、透光性再結合層4が複数の貫通孔を有している場合よりも高い。それは、金属の微粒子等から成る島状部は、表面エネルギーが高くなり触媒特性が向上すること、表面におけるステップ、キンクなどの占める割合が高くなること、表面積の増加に伴う活性点が増加することなどの理由による。
The ease of electron transfer and hole transfer is such that the
なお、透光性再結合層4が複数の金属から成る島状部から構成されている場合、島状部同士の間には隙間があり、隙間には他の層が入り込んでいるが、透光性再結合層4は全体としては層状を成しているといえる。
When the
透光性再結合層4が、金属から成る場合、または複数の金属から成る島状部から構成されている場合、その材質は、白金,パラジウムなどの白金族元素、または銀,アルミニウム,チタン,鉄,銅,インジウム,クロム,イリジウムなどの金属から成る。この場合、透光性再結合層4は、真空蒸着法、スパッタリング法、コートした錯体の熱分解法、電着法等によって形成される。
In the case where the
上記の導電性酸化物の材質としては、スズドープ酸化インジウム,フッ素ドープ酸化スズ,アンチモンドープ酸化スズ,アルミニウムドープ酸化亜鉛,ガリウムドープ酸化亜鉛,酸化亜鉛,酸化インジウム,酸化スズ,酸化チタン,ニオブドープ酸化チタンなど、透明電極としての機能を有することができる酸化物がよい。導電性酸化物から成る透光性再結合層4は、スパッタリング法、蒸着法、化学気相成長法、スピンコート法、めっき法などで形成される。
The conductive oxide is made of tin-doped indium oxide, fluorine-doped tin oxide, antimony-doped tin oxide, aluminum-doped zinc oxide, gallium-doped zinc oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, titanium oxide, niobium-doped titanium oxide. An oxide that can function as a transparent electrode is preferable. The
上記の導電性ポリマーの材質は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)(ポリスチレンスルホナートやトルエンスルホネート等をドーピングしてもよい),ポリビニルカルバゾール,ポリチオフェン,ポリピロールなどがよい。ポリエチレンジオキシチオフェン,ポリオフェン,ポリピロールは、スピンコート法、キャスト法などの塗布法によって形成され、ポリビニルカルバゾール,ポリチオフェンは電着法で形成される。 The material of the conductive polymer is preferably polyethylene dioxythiophene (PEDOT) (which may be doped with polystyrene sulfonate or toluene sulfonate), polyvinyl carbazole, polythiophene, polypyrrole, or the like. Polyethylene dioxythiophene, polyophene, and polypyrrole are formed by a coating method such as a spin coating method and a cast method, and polyvinylcarbazole and polythiophene are formed by an electrodeposition method.
また、透光性再結合層4は、その少なくとも1層が触媒層であることが好ましい。このような触媒層は、有機系光電変換層および透光性光電変換層に作用する過電圧を低減することができるため、電荷再結合に必要な過電圧を小さくすることができる。また、触媒層は、過電圧の低減作用を高めるという観点から、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、および銀の少なくとも1つを含むのが良い。
Moreover, it is preferable that at least 1 layer of the
また、透光性再結合層4は、複数層を積層したものを用いることもできる。複数層を積層することによって、有機系光電変換層2と透光性再結合層4との間、透光性再結合層4と透光性光電変換層3との間における電荷の授受を、よりスムーズに行うことができる。
Further, the
そして、このような複数層で構成された透光性再結合層4は、有機系光電変換層2と接する第1の触媒層と、透光性光電変換層3と接する第2の触媒層と、第1の触媒層と第2の触媒層との間に介在する中間層と、を有し、この中間層の表面抵抗率が、1.0×103Ω/□(スクエア)以上1.0×1010Ω/□(スクエア)以下であることが好ましい。このような形態であれば、透光性再結合層と有機系光電変換層との電荷の再結合を実現しつつ、中間層の面内方向における電荷の移動を抑制して透光性光電変換層における電荷の再結合を低減できるため、より光電変換効率を高めることができる。中間層としては、例えば、上述した導電性酸化物が挙げられる。また、中間層の表面抵抗率は、例えば、四探針抵抗率測定法によって測定できる。また、触媒層は、金属、導電性酸化物及び導電性ポリマーの少なくともいずれか1種類から成る島状部を有する形状でもよく、複数の貫通孔を有する形状であってもよい。
And the
<透光性光電変換層>
非単結晶の半導体層を有する透光性光電変換層3としては、プラズマCVD法によって連続堆積したpin接合構造の水素化非晶質シリコン半導体層がよい。
<Translucent photoelectric conversion layer>
As the translucent
透光性光電変換層3は、例えば、有機系光電変換層2側から、第1導電型(n型)非晶質シリコン半導体層32、真性型(i型)非晶質シリコン半導体層33、第2導電型(p型)非晶質シリコン半導体層34が順次積層されたpin接合構造であるが、逆接合であるnip接合構造でも構わない。
The translucent
透光性光電変換層3は、上記の非晶質シリコン半導体層に限らず、i型半導体層が非晶質であれば、p型半導体層とn型半導体層の少なくとも一方が、微結晶を有するもの、または水素化非晶質シリコン合金層でも構わない。例えば、光入射側のp型半導体層は、水素化非晶質シリコンカーバイド層であることがよく、その場合、透光性が高く、光損失がより小さくなる。
The translucent
透光性光電変換層3は、触媒CVD法等によって形成できる。また、プラズマCVD法と触媒CVD法を組み合わせると、光劣化が抑制でき、信頼性が高まる。第1導電型非晶質シリコン半導体層32、真性型非晶質シリコン半導体層33、第2導電型非晶質シリコン半導体層34は、CVD法によりそれぞれの成膜条件で連続堆積できるので、低コストに短時間で形成でき、好適である。
The translucent
例えば、第2導電型非晶質シリコン半導体層34であるp型a−Si:H層(「a−Si」はアモルファスシリコンを意味し、「:H」は水素ドープを意味する。)は、原料ガスとしてSiH4ガス,H2ガス,B2H6ガス(H2ガスで500ppmに希釈したもの)
を用い、これらのガスの流量をそれぞれ最適化して形成する。p型a−Si:H層の厚みは50Å〜200Åがよく、より好適には80Å〜120Åがよい。50Å〜200Åの範囲内とすることにより、透光性光電変換層3に内部電界を容易に形成でき、また、p型a−Si:H層における光量損失を低減できる。
For example, a p-type a-Si: H layer (“a-Si” means amorphous silicon and “: H” means hydrogen dope), which is the second conductivity type amorphous
The gas is formed by optimizing the flow rates of these gases. The thickness of the p-type a-Si: H layer is preferably 50 to 200 mm, more preferably 80 to 120 mm. By setting it within the range of 50 to 200 cm, an internal electric field can be easily formed in the translucent
真性型非晶質シリコン半導体層33であるi型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス,H2ガスを用い、これらのガスの流量を最適化して形成する。i型a−Si:H層の厚みは500Å〜5000Åがよく、より好適には1500Å〜2500Å(0.15μm〜0.25μm)がよい。500Å〜5000Åの範囲内とすることにより、充分な光電流を得ることができ、また、光の透過性を高めることができる。
The i-type a-Si: H layer which is the intrinsic type amorphous
第1導電型非晶質シリコン半導体層32であるn型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス,H2ガス,PH3ガス(H2ガスで1000ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ最適化して形成する。n型a−Si:H層の厚みは50Å〜200Åがよく、より好適には80Å〜120Åがよい。50Å〜200Åの範囲内と
することにより、透光性光電変換層3に内部電界を容易に形成でき、また、n型a−Si:H層における光量損失を低減することができる。
The n-type a-Si: H layer, which is the first conductive type amorphous
第1導電型非晶質シリコン半導体層32、真性型非晶質シリコン半導体層33、第2導電型非晶質シリコン半導体層34の形成時の温度は、いずれの場合にも150℃〜300℃がよく、より好適には180℃〜240℃がよい。150℃〜300℃の範囲内とすることにより、光半導体として良好な特性のものが得られ易い。
The temperature at the time of forming the first conductive type amorphous
また、本実施の形態では、透光性光電変換層と有機系光電変換層とが積層されていることから、薄膜型の透光性光電変換層で短波長光(波長300〜600nm程度)がよく光電変換され、有機系光電変換層で長波長光(波長600〜900nm程度)がよく光電変換され、両光電変換層の変換効率を合わせた高い変換効率が得られる。また、透光性基板側から光が入射する場合、薄膜型の透光性光電変換層を透過した長波長光を有機系光電変換層で光電変換することができ、広い波長域の光を効率良く光電変換できる。 In this embodiment, since the light-transmitting photoelectric conversion layer and the organic photoelectric conversion layer are laminated, the short-wavelength light (wavelength of about 300 to 600 nm) is generated by the thin-film light-transmitting photoelectric conversion layer. It is well photoelectrically converted, long wavelength light (wavelength of about 600 to 900 nm) is well photoelectrically converted in the organic photoelectric conversion layer, and high conversion efficiency is obtained by combining the conversion efficiencies of both photoelectric conversion layers. In addition, when light is incident from the translucent substrate side, long wavelength light transmitted through the thin film type translucent photoelectric conversion layer can be photoelectrically converted by the organic photoelectric conversion layer, and light in a wide wavelength range can be efficiently converted. Good photoelectric conversion.
また、本実施の形態では、光の入射側に、短波長光を良く吸収し長波長光をほとんど透過させる透光性光電変換層を配置し、その後側に有機系光電変換層を配置することができるので、後側の有機系光電変換層が太陽光等の強い光を直接受けることがない。その結果、有機系光電変換層は太陽光等の強い光を直接受けることがなく、さらに透光性光電変換層によって紫外線等を含む短波長光が激減するので、有機半導体の光劣化が大幅に軽減され、高い信頼性を得ることができる。 In this embodiment, a translucent photoelectric conversion layer that absorbs short-wavelength light and transmits almost all long-wavelength light is disposed on the light incident side, and an organic photoelectric conversion layer is disposed on the rear side. Therefore, the organic photoelectric conversion layer on the rear side does not directly receive strong light such as sunlight. As a result, the organic photoelectric conversion layer does not directly receive strong light such as sunlight, and the light-transmitting photoelectric conversion layer drastically reduces short-wavelength light including ultraviolet rays. It is reduced and high reliability can be obtained.
加えて、有機系光電変換層及び透光性光電変換層は、基板温度が500℃程度以下の低温プロセスで形成できるので、高い変換効率が得られる積層型の構成を、従来の1400℃程度の高温プロセスを要する光電変換装置よりも簡便かつ容易に、さらに低コストに製造可能である。 In addition, since the organic photoelectric conversion layer and the translucent photoelectric conversion layer can be formed by a low-temperature process with a substrate temperature of about 500 ° C. or less, a stacked structure that provides high conversion efficiency can be obtained at a conventional temperature of about 1400 ° C. It can be manufactured more easily and easily than a photoelectric conversion device that requires a high-temperature process at a lower cost.
本実施の形態の積層型光電変換装置の実施例について以下に説明する。図1の構成の積層型光電変換装置1を以下のようにして作製した。
Examples of the stacked photoelectric conversion device of this embodiment will be described below. A stacked
<透光性光電変換層3の形成工程>
導電性基板31として、表面抵抗率10Ω/□(スクエア)のSnO2:F層(Fドー
プSnO2層)から成る透光性導電層31bが形成されたガラス基板(サイズ1cm×2
cm、厚み約0.11cm)を用い、その一主面に薄膜型の透光性光電変換層3を形成した。透光性光電変換層3は以下のようにして形成した。
<Formation process of translucent
As the
cm and a thickness of about 0.11 cm), and a thin film type translucent
プラズマCVD装置を用いて、透光性導電層31b上に、第2導電型非晶質シリコン半導体層34としてのp型a−Si:H層(Hドープアモルファスシリコン(a−Si)層)、真性型非晶質シリコン半導体層33としてのi型a−Si:H層、第1導電型非晶質シリコン半導体層32としてのn型a−Si:H層を順次連続して真空中で形成した。
Using a plasma CVD apparatus, a p-type a-Si: H layer (H-doped amorphous silicon (a-Si) layer) as the second conductive amorphous
p型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス、H2ガス、B2H6ガス(H2ガス
で500ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ3sccm、10sccm、2sccmとし、厚みを90Å(9nm)として形成した。
The p-type a-Si: H layer uses SiH 4 gas, H 2 gas, and B 2 H 6 gas (diluted to 500 ppm with H 2 gas) as source gases, and the flow rates of these gases are 3 sccm and 10 sccm, respectively. The thickness was 2 sccm and the thickness was 90 mm (9 nm).
i型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス、H2ガスを用い、これらのガスの流量をそれぞれ30sccm、80sccmとし、厚みを2000Å(200nm)として形成した。 The i-type a-Si: H layer was formed using SiH 4 gas and H 2 gas as source gases, the flow rates of these gases being 30 sccm and 80 sccm, respectively, and the thickness being 2000 mm (200 nm).
n型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス、H2ガス、PH3ガス(H2ガスで1000ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ3sccm、30sccm、6sccmとし、厚みを100Å(10nm)として形成した。 The n-type a-Si: H layer uses SiH 4 gas, H 2 gas, and PH 3 gas (diluted to 1000 ppm with H 2 gas) as source gases, and the flow rates of these gases are 3 sccm, 30 sccm, and 6 sccm, respectively. And a thickness of 100 mm (10 nm).
p型a−Si:H層、i型a−Si:H層、n型a−Si:H層の形成時のガラス基板の温度は、何れの場合にも220℃とした。 The temperature of the glass substrate during the formation of the p-type a-Si: H layer, i-type a-Si: H layer, and n-type a-Si: H layer was 220 ° C. in all cases.
<透光性再結合層4の形成工程>
次に、透光性再結合層4としてのPt層を、透光性光電変換層3上に厚み5nmとしてスパッタリング法によって形成した。このとき、Pt層は厚みが1nm程度であり非常に薄いために島状に形成された。
<Formation process of
Next, a Pt layer as the
<有機系光電変換層2の形成工程>
次に、有機系光電変換層2を透光性再結合層4上に形成した。有機系光電変換層2は以下のようにして形成した。
<Formation process of organic
Next, the organic
真空蒸着装置を用いて、透光性再結合層4上に、銅フタロシアニンから成る第1導電型(p型)有機系半導体層24、スズ(II)フタロシアニンから成る色素層23、フラーレンから成る第2導電型(n型)有機系半導体層22、バソクプロインから成る正孔ブロッ
ク層21を、順次連続して真空中で形成した。
Using a vacuum deposition apparatus, on the
銅フタロシアニンから成る第1導電型(p型)有機系半導体層24は、真空蒸着装置内の石英るつぼ中で540℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The first conductive type (p-type)
スズフタロシアニンから成る色素層23は、真空蒸着装置内の石英るつぼ中で520℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The
フラーレンから成る第2導電型(n型)有機系半導体層22は、真空蒸着装置内の石英るつぼ中で580℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The second conductive type (n-type)
バソクプロイン正孔ブロック層21は、真空蒸着装置内のpBNるつぼ中で180℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The bathocuproine
<電極5の形成工程>
次に、電極5を有機系光電変換層2上に形成した。電極5は真空蒸着装置を用いて、以下のようにして形成した。
<Formation process of
Next, the
銀から成る電極5を真空中でマスク成膜した。電極5は、真空蒸着装置内のタンタルボート上で銀粒子を加熱することによって蒸着した。蒸着レートは、蒸着開始時は1秒当たり0.02nm、40nmの厚みに形成した後は1秒当たり0.1nmで形成した。
The
これにより、積層型光電変換装置1を作製した。得られた面積0.5cm2の積層型光
電変換装置1について、光電変換特性を窒素ガス中で評価した。光源はキセノンアーク灯を用い、光強度を評価するための標準セルを用いてAM1.5下、100mW/cm2と
同等の光量となるように電流、光源との距離を調整した。
Thereby, the stacked
透光性光電変換層3のみの特性は開放端電圧0.83Vが得られ、有機系光電変換層2のみの特性は開放端電圧0.27Vが得られた。これらの間に透光性再結合層4を設けた積層型光電変換装置1は、開放端電圧1.08Vが得られ、リーク電流もほとんど認められなかった。
The characteristic of only the translucent
図2の構成の積層型光電変換装置1を以下のようにして作製した。
A stacked
<透光性光電変換層3の形成工程>
透光性基板31として、表面抵抗率10Ω/□(スクエア)のSnO2:F層(Fドー
プSnO2層)から成る透光性導電層31bが形成されたガラス基板(サイズ1cm×2
cm、厚み約0.11cm)を用い、その一主面に薄膜型の透光性光電変換層3を形成した。透光性光電変換層3は以下のようにして形成した。
<Formation process of translucent
As the
cm and a thickness of about 0.11 cm), and a thin film type translucent
プラズマCVD装置を用いて、透光性導電層31b上に、第2導電型非晶質シリコン半導体層34としてのp型a−Si:H層(Hドープアモルファスシリコン(a−Si)層)、真性型非晶質シリコン半導体層33としてのi型a−Si:H層、第1導電型非晶質シリコン半導体層32としてのn型a−Si:H層を順次連続して真空中で形成した。
Using a plasma CVD apparatus, a p-type a-Si: H layer (H-doped amorphous silicon (a-Si) layer) as the second conductive amorphous
p型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス、H2ガス、B2H6ガス(H2ガス
で500ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ3sccm、10sccm、2sccmとし、厚みを90Å(9nm)として形成した。
The p-type a-Si: H layer uses SiH 4 gas, H 2 gas, and B 2 H 6 gas (diluted to 500 ppm with H 2 gas) as source gases, and the flow rates of these gases are 3 sccm and 10 sccm, respectively. The thickness was 2 sccm and the thickness was 90 mm (9 nm).
i型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス、H2ガスを用い、これらのガスの流量をそれぞれ30sccm、80sccmとし、厚みを2000Å(200nm)として形成した。 The i-type a-Si: H layer was formed using SiH 4 gas and H 2 gas as source gases, the flow rates of these gases being 30 sccm and 80 sccm, respectively, and the thickness being 2000 mm (200 nm).
n型a−Si:H層は、原料ガスとしてSiH4ガス、H2ガス、PH3ガス(H2ガスで1000ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ3sccm、30sccm、6sccmとし、厚みを100Å(10nm)として形成した。 The n-type a-Si: H layer uses SiH 4 gas, H 2 gas, and PH 3 gas (diluted to 1000 ppm with H 2 gas) as source gases, and the flow rates of these gases are 3 sccm, 30 sccm, and 6 sccm, respectively. And a thickness of 100 mm (10 nm).
p型a−Si:H層、i型a−Si:H層、n型a−Si:H層の形成時のガラス基板の温度は、何れの場合にも220℃とした。 The temperature of the glass substrate during the formation of the p-type a-Si: H layer, i-type a-Si: H layer, and n-type a-Si: H layer was 220 ° C. in all cases.
<透光性再結合層4の形成工程>
次に、透光性再結合層4としてのPt層を、透光性光電変換層3上に厚み5nmとしてスパッタリング法によって形成した。このとき、Pt層は厚みが1nm程度であり非常に薄いために島状に形成された。
<Formation process of
Next, a Pt layer as the
<有機系光電変換層2の形成工程>
次に、有機系光電変換層2を透光性再結合層4上に形成した。有機系光電変換層2は以下のようにして形成した。
<Formation process of organic
Next, the organic
まず、電子ブロック層25として、水系溶媒に分散した、ポリスチレンスルホナートをドープしたポリスチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSS)から成る電子ブロック層25を、透光性再結合層4上にスピンコートした後、空気中で110℃で乾燥し、形成した。
First, as the
真空蒸着装置を用いて、電子ブロック層25上に、銅フタロシアニンから成る第1導電型(p型)有機系半導体24a、スズ(II)フタロシアニンから成る色素層23a、フラーレンから成る第2導電型(n型)有機系半導体層22a、バソクプロインから成る正孔ブロック層21aを、順次連続して真空中で形成した。
Using a vacuum deposition apparatus, a first conductive type (p-type)
銅フタロシアニンから成る第1導電型(p型)有機系半導体24aは、真空蒸着装置内の石英るつぼ中で540℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The first conductive type (p-type)
スズフタロシアニンから成る色素層23aは、真空蒸着装置内の石英るつぼ中で520℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The
フラーレンから成る第2導電型(n型)有機系半導体層22aは、真空蒸着装置内の石英るつぼ中で580℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The second conductive type (n-type)
バソクプロインから成る正孔ブロック層21aは、真空蒸着装置内のpBNるつぼ中で180℃に加熱し、1秒当たり約0.1nmの蒸着レートで蒸着した。
The
<電極5の形成工程>
次に、電極5を有機系光電変換層2上に形成した。電極5は真空蒸着装置を用いて、以下のようにして形成した。
<Formation process of
Next, the
銀から成る電極5を、真空中でマスク成膜した。電極5は真空蒸着装置内のタンタルボート上で銀粒子を加熱することによって蒸着した。蒸着レートは、蒸着開始時は1秒当たり0.02nm、40nmの厚みに形成した後は1秒当たり0.1nmで形成した。これにより、積層型光電変換装置1を作製した。
The
得られた面積0.5cm2の積層型光電変換装置1について、光電変換特性を窒素ガス
中で評価した。光源はキセノンアーク灯を用い、光強度を評価するための標準セルを用いてAM1.5下、100mW/cm2と同等の光量となるように電流、光源との距離を調
整した。
About the obtained stacked
透光性光電変換層3のみの特性は開放端電圧0.83Vが得られ、有機系光電変換層2のみの特性は開放端電圧0.27Vが得られた。これらの間に透光性再結合層4を設けた積層型光電変換装置1は開放端電圧0.99Vが得られた。開放端電圧は実施例1よりも低い値となったが、電子ブロック層25を備えたことによって短絡電流密度が実施例1の積層型光電変換装置1の約1.3倍となった。
The characteristic of only the translucent
1:積層型光電変換装置
2:有機系光電変換層
3:透光性光電変換層
4:透光性再結合層
5:電極
6:封止材
7:対向基板
21:正孔ブロック層
22:第2導電型(n型)有機系半導体層
23:色素層
24:第1導電型(p型)有機系半導体層
25:電子ブロック層
26:バルクヘテロ層
31:導電性基板
31a:透光性基板
31b:透光性導電層
32:第1導電型(n型)非晶質シリコン半導体層
33:真性型(i型)非晶質シリコン半導体層
34:第2導電型(p型)非晶質シリコン半導体層
1: Stacked photoelectric conversion device 2: Organic photoelectric conversion layer 3: Translucent photoelectric conversion layer 4: Translucent recombination layer 5: Electrode 6: Sealing material 7: Counter substrate 21: Hole blocking layer 22: Second conductivity type (n-type) organic semiconductor layer 23: Dye layer 24: First conductivity type (p-type) organic semiconductor layer 25: Electron block layer 26: Bulk heterolayer 31:
Claims (11)
該透光性光電変換層上に形成された、電子と正孔とを再結合させる透光性再結合層と、
該透光性再結合層上に形成された、有機半導体を含む有機系光電変換層と、を有する積層型光電変換装置。 A translucent photoelectric conversion layer having a non-single-crystal semiconductor layer;
A translucent recombination layer formed on the translucent photoelectric conversion layer for recombining electrons and holes;
A stacked photoelectric conversion device comprising: an organic photoelectric conversion layer including an organic semiconductor formed on the translucent recombination layer.
該中間層の表面抵抗率が、1.0×103Ω/□以上1.0×1010Ω/□以下であることを特徴とする請求項8に記載の積層型光電変換装置。 The translucent recombination layer includes a first catalyst layer in contact with the organic photoelectric conversion layer and a second catalyst layer in contact with the translucent photoelectric conversion layer, and the first An intermediate layer interposed between the catalyst layer and the second catalyst layer;
9. The stacked photoelectric conversion device according to claim 8, wherein the intermediate layer has a surface resistivity of 1.0 × 10 3 Ω / □ or more and 1.0 × 10 10 Ω / □ or less.
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