JP2013214712A - Photoelectric conversion material and organic thin-film solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】電子供与体(ドナー)あるいは電子受容体(アクセプタ)として優れた特性を示す光電変換材料を得る。
【解決手段】BHJ太陽電池10は、ドナードメイン26と、アクセプタドメイン28とが混在する光電変換層16を具備する。ドナードメイン26は、例えば、下記の一般式(1)で表されるグラフェンを構成単位とするポリマーからなり、該ポリマーがドナー(光電変換材料)として作用する。なお、アクセプタドメイン28をなすアクセプタは、例えば、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM)である。
【化1】
【選択図】図1A photoelectric conversion material exhibiting excellent characteristics as an electron donor (donor) or an electron acceptor (acceptor) is obtained.
A BHJ solar cell includes a photoelectric conversion layer in which a donor domain and an acceptor domain are mixed. The donor domain 26 is made of, for example, a polymer having graphene represented by the following general formula (1) as a structural unit, and the polymer acts as a donor (photoelectric conversion material). Note that the acceptor constituting the acceptor domain 28 is, for example, phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PCBM).
[Chemical 1]
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、縮合芳香環を構成単位とするポリマーからなる光電変換材料及び該光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion material composed of a polymer having a condensed aromatic ring as a structural unit, and an organic thin film solar cell using the photoelectric conversion material.
ロールツーロール法等のコストが低廉なプロセスによって作製することが容易な太陽電池として、有機材料を用いた有機薄膜太陽電池が着目されている。この種の有機薄膜太陽電池として、バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池(以下、「BHJ太陽電池」ともいう)が知られている。 As a solar cell that can be easily manufactured by a low-cost process such as a roll-to-roll method, an organic thin-film solar cell using an organic material has attracted attention. As this type of organic thin film solar cell, a bulk heterojunction type organic thin film solar cell (hereinafter also referred to as “BHJ solar cell”) is known.
BHJ太陽電池は、電子供与体(ドナー)として作用する光電変換材料からなるドナードメインと、電子受容体(アクセプタ)として作用する光電変換材料からなるアクセプタドメインとが混在し、光を電気に変換する機能を営む光電変換層を具備する。具体的には、該光電変換層は正極及び負極に介装されており、正極を介して太陽光が光電変換層に入射し、励起子が発生する。 A BHJ solar cell is a mixture of a donor domain made of a photoelectric conversion material acting as an electron donor (donor) and an acceptor domain made of a photoelectric conversion material acting as an electron acceptor (acceptor), and converts light into electricity. A photoelectric conversion layer having a function is provided. Specifically, the photoelectric conversion layer is interposed between a positive electrode and a negative electrode, and sunlight enters the photoelectric conversion layer through the positive electrode, thereby generating excitons.
この励起子は、ドナードメインとアクセプタドメインとの界面に到達すると、電子と正孔に分離する。この中、電子は、アクセプタドメイン内を移動して負極に到達する。一方、正孔は、ドナードメイン内を移動し、正極に到達する。これら正孔及び電子は、負極及び正極に電気的に接続された外部回路を付勢する電気エネルギーとなる。 When the exciton reaches the interface between the donor domain and the acceptor domain, it is separated into electrons and holes. Among these, the electrons move in the acceptor domain and reach the negative electrode. On the other hand, the holes move in the donor domain and reach the positive electrode. These holes and electrons become electrical energy that energizes an external circuit electrically connected to the negative and positive electrodes.
以上のような機能を営む光電変換層における光電変換材料、すなわち、ドナー及びアクセプタの代表的な例としては、特許文献1に示されるように、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT、図6参照)、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM、図7参照)がそれぞれ挙げられる。 As a typical example of the photoelectric conversion material in the photoelectric conversion layer having the above functions, that is, a donor and an acceptor, as shown in Patent Document 1, poly-3-hexylthiophene (P3HT, see FIG. 6), Examples include phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PCBM, see FIG. 7).
ここで、P3HT、PCBMの各々の最高被占軌道(HOMO)及び最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位は、図8に示すようになる。上記のようにして光電変換層に光が入射すると、先ず、ドナーであるP3HTのHOMOからLUMOへ電子が遷移する。すなわち、P3HTのHOMOとLUMOとのエネルギー準位差がバンドギャップ(Eg)に対応する。 Here, the energy levels of the highest occupied orbit (HOMO) and the lowest unoccupied orbit (LUMO) of P3HT and PCBM are as shown in FIG. When light enters the photoelectric conversion layer as described above, first, electrons make a transition from HOMO to LUMO of the donor P3HT. That is, the energy level difference between HOMO and LUMO of P3HT corresponds to the band gap (Eg).
P3HTのLUMOに遷移した電子は、次に、アクセプタであるPCBMのLUMOに電子移動することで電子と正孔が発生する。すなわち、P3HTとPCBMのLUMO同士のエネルギー準位差によってエネルギーの損失が生じ、P3HTのHOMOとPCBMのLUMOとのエネルギー準位差が開放電圧(Voc)に対応する。 The electrons that have transitioned to the LUMO of the P3HT then move to the LUMO of the PCBM that is the acceptor, thereby generating electrons and holes. That is, energy loss occurs due to the energy level difference between the LUMOs of P3HT and PCBM, and the energy level difference between the HOMO of P3HT and the LUMO of PCBM corresponds to the open circuit voltage (Voc).
ところで、太陽電池では、同一の発電量を得ようとする場合、光電変換効率が大きいものほど面積を小さくすることができる。これにより重量が低減するとともに、設置面積が小さくなるので設置レイアウトの自由度が大きくなるという利点が得られる。 By the way, in a solar cell, when it is going to acquire the same electric power generation amount, an area can be made small, so that photoelectric conversion efficiency is large. As a result, the weight is reduced and the installation area is reduced, so that there is an advantage that the degree of freedom of the installation layout is increased.
BHJ太陽電池等の有機薄膜太陽電池において、光電変換効率をさらに向上させるためには、(a)光の吸収量を高め、励起子の生成を活発化する、(b)長波長(近赤外側)の光の吸収を高め、太陽光の利用効率を高める、(c)開放電圧Vocを大きくする等すればよい。そして、これら(a)〜(c)を実現するべく、(A)吸光係数が大きい、(B)HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さい、(C)LUMOのエネルギー準位がアクセプタのLUMOの準位に近いドナーを選定することが考えられる。 In an organic thin film solar cell such as a BHJ solar cell, in order to further improve the photoelectric conversion efficiency, (a) increase the amount of light absorption and activate the generation of excitons. (B) long wavelength (near infrared side) ) Light absorption to increase the utilization efficiency of sunlight, (c) increase the open circuit voltage Voc, etc. In order to realize these (a) to (c), (A) a large extinction coefficient, (B) a small energy level difference (band gap Eg) between HOMO and LUMO, (C) an energy level of LUMO It is conceivable to select a donor whose position is close to the LUMO level of the acceptor.
上記(A)〜(C)を満足する可能性がある物質として、特許文献2〜5に記載される縮合芳香環、すなわち、π電子共役化合物が想起される。なお、この種の縮合芳香環は、「グラフェン」と呼称されるときもある(特許文献4参照)。 As a substance that may satisfy the above (A) to (C), a condensed aromatic ring described in Patent Documents 2 to 5, that is, a π electron conjugated compound is conceived. Note that this type of condensed aromatic ring is sometimes referred to as “graphene” (see Patent Document 4).
特許文献2記載の技術は、ヘキサベンゾコロネン(HBC)に官能基を結合するとともに、この官能基を介して自己集積化させることで、いわゆるナノチューブ状の集積体を得ようとするものである。従って、最終的な半導体を得るための工程数が多く、しかも、得られた集積体がp型(ドナー)であるのか、又はn型(アクセプタ)であるのかが明確ではない。 The technique described in Patent Document 2 intends to obtain a so-called nanotube-like aggregate by bonding a functional group to hexabenzocoronene (HBC) and self-assembling via the functional group. Therefore, the number of steps for obtaining the final semiconductor is large, and it is not clear whether the obtained integrated body is p-type (donor) or n-type (acceptor).
特許文献3には、HBCの集積体であるナノチューブは、正孔及び電子の伝導経路を同時に有する、との示唆がある。この特許文献3記載の技術は、ナノチューブの内面及び外面をフラーレンで被覆するとともに、その被覆率でHBCにおける正孔移動度を制御するものであるが、このことから諒解されるように、特許文献2、3記載の技術では、HBCそれ自体のドナーとしての特性を向上させることはできない。 Patent Document 3 suggests that nanotubes, which are HBC aggregates, have hole and electron conduction paths at the same time. In the technique described in Patent Document 3, the inner surface and the outer surface of the nanotube are coated with fullerene, and the hole mobility in HBC is controlled by the coverage ratio. The techniques described in a few cannot improve the characteristics of HBC itself as a donor.
また、特許文献4記載の技術は、グラフェン誘導体に対し、フッ素原子を有する官能基を結合させ、これにより、n型半導体を得るものである。すなわち、この技術では、アクセプタが得られるに留まり、ドナーを得ることはできない。
In the technique described in
さらに、特許文献2〜5のいずれにおいても、低分子有機化合物が開示されるのみである。周知のように、低分子有機化合物は溶媒に溶解し難く、このため、光電変換層を得る際にロールツーロール法等を行うことが困難となるという不具合が顕在化している。 Furthermore, in any of Patent Documents 2 to 5, only low molecular organic compounds are disclosed. As is well known, a low molecular organic compound is difficult to dissolve in a solvent, and therefore, it has become difficult to perform a roll-to-roll method or the like when obtaining a photoelectric conversion layer.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ドナー(電子供与体)あるいはアクセプタ(電子受容体)として優れた特性を示し、しかも、光電変換層を簡便且つ容易に得ることが可能となる光電変換材料及びこの光電変換材料を含む光電変換層を具備する有機薄膜太陽電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and exhibits excellent characteristics as a donor (electron donor) or acceptor (electron acceptor), and can easily and easily obtain a photoelectric conversion layer. It aims at providing the organic thin-film solar cell which comprises the photoelectric converting material used as this, and the photoelectric converting layer containing this photoelectric converting material.
前記の目的を達成するために、本発明は、電子を供与する電子供与体(ドナー)あるいは電子を受容する電子受容体(アクセプタ)として機能する光電変換材料において、一般式(1)〜(4)で表されるグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention relates to a photoelectric conversion material that functions as an electron donor (donor) that donates electrons or an electron acceptor (acceptor) that accepts electrons. It is characterized by comprising a polymer whose structural unit is at least one of graphene represented by
本発明の光電変換材料は、全体にわたってπ電子雲が広がった縮合芳香環を構成単位とするπ共役系ポリマーからなる(以下、「ナノグラフェンポリマー」ともいう)。このポリマーでは、主鎖に沿ってπ電子雲が広がっているので、吸光係数が大きくなり、励起子が活発に生成されるようになる。 The photoelectric conversion material of the present invention comprises a π-conjugated polymer having a condensed aromatic ring in which a π electron cloud spreads as a whole as a structural unit (hereinafter, also referred to as “nanographene polymer”). In this polymer, since the π electron cloud spreads along the main chain, the extinction coefficient increases and excitons are actively generated.
特に、このポリマーでは、HOMOとLUMOとの間のエネルギー準位差が小さい。すなわち、バンドギャップEgが小さい。このために極大吸収波長が長波長側にシフトするので、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになり、これに伴って、太陽光の利用効率が向上する。 In particular, this polymer has a small energy level difference between HOMO and LUMO. That is, the band gap Eg is small. For this reason, since the maximum absorption wavelength is shifted to the long wavelength side, the light of the long wavelength (near infrared side) is favorably absorbed, and accordingly, the utilization efficiency of sunlight is improved.
さらに、このポリマーのLUMOのエネルギー準位は、P3HT等に比して低い(深い)。従って、該ポリマーをドナー、PCBMをアクセプタとする場合には、エネルギー損失がP3HTをドナーとする場合に比して小さくなる。その結果、有機薄膜太陽電池では、開放電圧Vocが大きくなる。 Furthermore, the LUMO energy level of this polymer is lower (deeper) than P3HT or the like. Therefore, when the polymer is used as a donor and PCBM is used as an acceptor, the energy loss is smaller than when P3HT is used as a donor. As a result, in the organic thin film solar cell, the open circuit voltage Voc increases.
以上のような理由から、このポリマーをドナーとする有機薄膜太陽電池では、変換効率が向上する。 For the above reasons, the conversion efficiency is improved in the organic thin film solar cell using this polymer as a donor.
なお、本発明においては、前記特許文献4と同様に、一般式(1)〜(4)に示されるような縮合芳香環を「グラフェン」という。また、「ナノグラフェン」とは、1つの構成単位がナノメートルスケールであることを表す。
In the present invention, as in
ポリマーの重合度(構成単位の個数)は、10〜150であることが好ましい。10未満の場合、吸光係数を十分に高くすることや、Egを十分に小さくすることが容易ではない。一方、150よりも大きいと、重合に要する時間が長くなり、ポリマーの生産効率が低下する。 The degree of polymerization of the polymer (number of structural units) is preferably 10 to 150. If it is less than 10, it is not easy to make the extinction coefficient sufficiently high or to make Eg sufficiently small. On the other hand, when it is larger than 150, the time required for the polymerization becomes long, and the production efficiency of the polymer is lowered.
換言すれば、ポリマーの重合度を上記の範囲内に設定することにより、ドナーとして優れた特性を示すポリマーを効率よく得ることができる。 In other words, the polymer which shows the characteristic outstanding as a donor can be obtained efficiently by setting the polymerization degree of a polymer in said range.
ここで、構成単位が上記したグラフェンである場合、ポリマーの分子量は7400〜111500である。 Here, when the structural unit is the graphene described above, the molecular weight of the polymer is 7400 to 111500.
また、本発明は、前記光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池であって、該光電変換材料を電子供与体として含む光電変換層を具備することを特徴とする。 Moreover, this invention is an organic thin-film solar cell using the said photoelectric conversion material, Comprising: The photoelectric conversion layer which contains this photoelectric conversion material as an electron donor is comprised, It is characterized by the above-mentioned.
この有機薄膜太陽電池においては、PCBMをアクセプタとした場合、P3HTをドナーとして用いたときに比して、光電変換層の吸光係数が大きくなるとともに、ドナーのHOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さくなる。その上、ドナーのLUMOのエネルギー準位が、アクセプタであるPCBMのLUMOの準位に近くなる。 In this organic thin film solar cell, when PCBM is used as an acceptor, the absorption coefficient of the photoelectric conversion layer is larger than when P3HT is used as a donor, and the energy level difference between HOMO and LUMO of the donor ( The band gap Eg) is reduced. In addition, the LUMO energy level of the donor is close to the LUMO level of the PCBM that is the acceptor.
従って、該有機薄膜太陽電池では、励起子の生成が活発化するとともに、太陽光の利用効率が向上する。さらに、開放電圧Vocが大きくなる。以上のような理由から、変換効率が向上する。 Therefore, in the organic thin film solar cell, the generation of excitons is activated and the utilization efficiency of sunlight is improved. Further, the open circuit voltage Voc increases. For the reasons described above, the conversion efficiency is improved.
このように変換効率が大きな有機薄膜太陽電池は、同一の発電量が得られる太陽電池に比して面積を小さくすることができる。従って、重量が低減するので、設置場所に加わる負荷が小さくなる。また、設置面積が小さくなるので、設置レイアウトの自由度も向上する。 Thus, an organic thin-film solar cell with large conversion efficiency can make an area small compared with the solar cell from which the same electric power generation amount is obtained. Accordingly, since the weight is reduced, the load applied to the installation place is reduced. Further, since the installation area is reduced, the degree of freedom of the installation layout is also improved.
有機薄膜太陽電池の好適な例は、ドナードメインとアクセプタドメインが混在する光電変換層を備えるバルクへテロ接合型のものである。この場合、例えば、ドナーからなる層と、アクセプタからなる層とが個別に形成される平面ヘテロ接合型のものに比して、ドナードメインとアクセプタドメインとの接触面積が大きい。有機薄膜太陽電池では、主にドナードメインとアクセプタドメインの界面で励起子が電子と正孔に分離して発電に関与するので、両者の接触面積が大きいバルクへテロ接合型として構成することにより、変換効率を向上させることが可能となる。 A preferred example of the organic thin film solar cell is a bulk heterojunction type including a photoelectric conversion layer in which a donor domain and an acceptor domain are mixed. In this case, for example, the contact area between the donor domain and the acceptor domain is larger than that of a planar heterojunction type in which a donor layer and an acceptor layer are individually formed. In organic thin-film solar cells, excitons are mainly separated into electrons and holes at the interface between the donor domain and the acceptor domain, and are involved in power generation. By configuring as a bulk heterojunction type with a large contact area between the two, Conversion efficiency can be improved.
本発明によれば、π電子雲の広がりが大きいπ共役系ポリマーからなるため、吸光係数が大きくなるとともに、HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さく、また、HOMOのエネルギー準位が低いドナーとなる。この結果、LUMOのエネルギー準位が、PCBMのLUMOのエネルギー準位に近い。 According to the present invention, it is composed of a π-conjugated polymer having a large π electron cloud spread, so that the absorption coefficient is increased, the energy level difference (band gap Eg) between HOMO and LUMO is small, and the energy of HOMO It becomes a donor with a low level. As a result, the LUMO energy level is close to the PCBM LUMO energy level.
このため、該ポリマーをドナー、PCBMをアクセプタとして有機薄膜太陽電池を構成すると、励起子が活発に生成される。また、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになり、太陽光の利用効率が向上する。さらに、開放電圧Vocが大きくなる。従って、変換効率が大きく、小面積で軽量な有機薄膜太陽電池を構成することができる。 For this reason, when an organic thin film solar cell is constituted using the polymer as a donor and PCBM as an acceptor, excitons are actively generated. Moreover, the long wavelength (near infrared side) light will be absorbed favorably and the utilization efficiency of sunlight will improve. Further, the open circuit voltage Voc increases. Therefore, an organic thin-film solar cell having a large conversion efficiency and a small area can be configured.
以下、本発明に係る光電変換材料につき、該光電変換材料を含む光電変換層を具備するBHJ太陽電池との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the photoelectric conversion material according to the present invention will be described in detail in relation to a BHJ solar cell including a photoelectric conversion layer including the photoelectric conversion material, with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態に係るBHJ太陽電池10の要部概略縦断面図である。このBHJ太陽電池10は、透明電極12に対し、正孔輸送層14、光電変換層16、裏面電極18が下方からこの順で重畳されることで構成される。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of a main part of a BHJ
透明電極12は、正極として機能する。すなわち、該透明電極12には、正孔24が移動する。なお、透明電極12としては、例えばインジウム−スズ複合酸化物(ITO)等、太陽光をはじめとする光を十分に透過するものが選定される。
The
正孔輸送層14は、光電変換層16にて生成した正孔24が透明電極12に移動することを支援する層であり、一般的には、ポリスチレンスルホン酸でドープされたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、すなわち、いわゆるPEDOT:PSSからなる。
The
光電変換層16は、電子供与体(ドナー)として作用する光電変換材料からなるドナードメイン26と、電子受容体(アクセプタ)として作用する光電変換材料からなるアクセプタドメイン28とが混在する層として形成されている。この中、アクセプタとなる光電変換材料の好適な例としては、上記のPCBMが挙げられる。
The
一方、ドナーとなるp型半導体、すなわち、本実施の形態に係る光電変換材料は、一般式(1)〜(4)に示すグラフェンを構成単位とするポリマーからなる。 On the other hand, the p-type semiconductor serving as a donor, that is, the photoelectric conversion material according to the present embodiment is made of a polymer containing graphene represented by general formulas (1) to (4) as a structural unit.
このポリマーは、例えば、一般式(5)及び図2に示すポリフェニレンをさらに反応させて作製することができる。 This polymer can be produced, for example, by further reacting the polyphenylene shown in the general formula (5) and FIG.
図2に示すように、ポリフェニレンの構成単位30において、ベンゼン核39は、ベンゼン核32の32a、32bのいずれにも結合し得る。このため、構成単位30には構造異性体が含まれる。
As shown in FIG. 2, in the
さらに、構成単位30は、中心のベンゼン核34に対して、トリフェニルベンゼン骨格36、38が単結合した構造となっている。これらトリフェニルベンゼン骨格36、38は、ベンゼン核34に対する単結合を軸とする回転位置に応じ、異なる立体配座を取り得る。
Further, the
具体的には、下記に示す構造U1〜U4が挙げられる。結局、ポリフェニレンには、これらの構造の少なくともいずれか1つが含まれる。 Specific examples include the structures U1 to U4 shown below. Ultimately, polyphenylene contains at least one of these structures.
すなわち、本実施の形態に係る光電変換材料は、上記の構造を構成単位30として有するポリフェニレンを反応させて得られるポリマーである。従って、該ポリマーの構成単位(繰り返し単位)は、反応前のポリフェニレンがU1〜U4のいずれであるかによって相違する。すなわち、U1〜U4のそれぞれが反応した場合、下記の一般式(1)〜(4)で示されるナノグラフェンが構成単位となる。
That is, the photoelectric conversion material according to the present embodiment is a polymer obtained by reacting polyphenylene having the above structure as the
以上のように、本実施の形態に係る光電変換材料は、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのうち、少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーである。すなわち、ポリマーは、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのいずれか1つのみが互いに結合したものに限定されるものではなく、例えば、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンがランダムに結合したものであってもよい。 As described above, the photoelectric conversion material according to the present embodiment is a polymer including at least one of the nanographenes represented by the general formulas (1) to (4) as a structural unit. That is, the polymer is not limited to one in which only one of the nanographenes represented by the general formulas (1) to (4) is bonded to each other. For example, the nanographene represented by the general formulas (1) to (4) May be randomly combined.
なお、該ポリマーの重合度は、10〜150であることが好ましい。重合度が10未満、すなわち、互いに結合したナノグラフェンの個数が10個未満であると、吸光係数が小さくなる傾向がある。また、重合度が150超、すなわち、互いに結合したナノグラフェンの個数が150個超であると、光電変換材料であるポリマーを得るまでの重合に要する時間が長くなり、生産効率が低下する。
換言すれば、重合度を上記の範囲に設定することで、吸光係数が十分に向上した光電変換材料を効率よく作製することができる。
In addition, it is preferable that the polymerization degree of this polymer is 10-150. When the degree of polymerization is less than 10, that is, when the number of nanographenes bonded to each other is less than 10, the extinction coefficient tends to be small. In addition, when the degree of polymerization exceeds 150, that is, the number of nanographenes bonded to each other exceeds 150, the time required for polymerization to obtain a polymer as a photoelectric conversion material becomes long, and the production efficiency is lowered.
In other words, by setting the degree of polymerization within the above range, a photoelectric conversion material having a sufficiently improved absorption coefficient can be efficiently produced.
一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのいずれにおいても、分子量は743である。従って、ポリマーの重合度を10〜150としたとき、該ポリマーの分子量は7400〜111500の範囲内となる。 In any of the nano graphenes represented by the general formulas (1) to (4), the molecular weight is 743. Accordingly, when the degree of polymerization of the polymer is 10 to 150, the molecular weight of the polymer is in the range of 7400 to 111500.
BHJ太陽電池10(図1参照)においては、このようなポリマーからなる光電変換材料を含む光電変換層16上に、裏面電極18が重畳される。該裏面電極18は、電子40が到達する負極として機能する。
In the BHJ solar cell 10 (see FIG. 1), the
本実施の形態に係るBHJ太陽電池10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。
The BHJ
BHJ太陽電池10の透明電極12に光(例えば、太陽光)が照射されると、該光は、正孔輸送層14を通過して光電変換層16に到達する。その結果、該光電変換層16において、励起子42が生成する。
When light (for example, sunlight) is irradiated onto the
生成した励起子42は、ドナードメイン26内を移動して、該ドナードメイン26とアクセプタドメイン28との界面に到達する。そして、この界面において、電子40と正孔24に分離する。上記と同様に、この中の電子40は、アクセプタドメイン28内を移動し、負極である裏面電極18に到達する。一方、正孔24は、ドナードメイン26内を移動し、正孔輸送層14を経由した後、正極である透明電極12に到達する。
The generated
ここで、本実施の形態では、光電変換層16中のドナードメイン26が、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなる。
Here, in this Embodiment, the
一般式(1)〜(4)から諒解される通り、ナノグラフェンにおいては、その全体にπ電子雲が広がっている。すなわち、ドナードメイン26をなすポリマーは、π共役系ポリマーである。必然的に、該ポリマーでは、ナノグラフェン単体(モノマー)に比して、π電子雲が広範囲にわたって広がる。
As understood from the general formulas (1) to (4), in the nano graphene, the π electron cloud spreads over the whole. That is, the polymer forming the
このようにπ電子雲の広がりが大きいポリマーでは、極大吸収波長が長波長側にシフトするとともに吸光係数が大きくなり、これによって、HOMO−LUMO間のエネルギー準位差に相当するバンドギャップ(Eg)が小さくなる。従って、ドナードメイン26において、励起子42の生成が活発となるとともに、太陽光の利用効率が向上する。
In such a polymer having a large spread of the π electron cloud, the maximum absorption wavelength is shifted to the longer wavelength side and the absorption coefficient is increased, whereby the band gap (Eg) corresponding to the energy level difference between HOMO-LUMO. Becomes smaller. Accordingly, in the
また、この場合、ドナーである上記ポリマーのLUMOのエネルギー準位は約−3.9eVであり、P3HTのLUMOのエネルギー準位(約−2.5eV)に比して深くなる。よって、該ポリマーのLUMOのエネルギー準位は、アクセプタドメイン28をなすPCBM(フラーレン誘導体)のLUMOのエネルギー準位に近い。
In this case, the LUMO energy level of the polymer as a donor is about -3.9 eV, which is deeper than the LU3 energy level of P3HT (about -2.5 eV). Therefore, the LUMO energy level of the polymer is close to the LUMO energy level of PCBM (fullerene derivative) forming the
この理由は、上記ポリマーの構成単位であるナノグラフェンが炭化水素芳香環を基本骨格とする縮合芳香環であり、PCBMの構造に類似するためであると推察される。そして、この結果、BHJ太陽電池10の開放電圧Vocが大きくなる。
The reason for this is presumably because nanographene, which is a constituent unit of the polymer, is a condensed aromatic ring having a hydrocarbon aromatic ring as a basic skeleton, and is similar to the structure of PCBM. As a result, the open circuit voltage Voc of the BHJ
以上のことが相俟って、BHJ太陽電池10は、優れた光電変換効率を示す。このため、該BHJ太陽電池10では、同一の発電量が得られる他の太陽電池に比して面積を小さくすることができる。従って、重量が低減するので設置場所に加わる負荷が小さくなり、また、設置レイアウトの自由度が向上する。
In combination with the above, the BHJ
次に、本実施の形態に係る光電変換材料を製造する方法につき、上記ポリマーの製造方法との関係で説明する。 Next, a method for producing the photoelectric conversion material according to the present embodiment will be described in relation to the polymer production method.
上記した通り、このポリマーは、ポリフェニレンの反応生成物として得ることができる。 As described above, this polymer can be obtained as a reaction product of polyphenylene.
ポリフェニレンは、例えば、下記の反応式(6)に示すように、ビスシクロペンタジエノンにジアセチレンを反応させることで得ることができる。 Polyphenylene can be obtained, for example, by reacting biscyclopentadienone with diacetylene as shown in the following reaction formula (6).
なお、ビスシクロペンタジエノンは、既知の方法によって製造することができる。例えば、先ず、1,4−ビスベンジル及びジベンジルケトン(1,3−ジフェニル−2−プロパノン)と、n−ブタノールとを混合して混合溶液を調製する。そして、この混合溶液を加熱しながら、TritonB(水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム)のメタノール溶液を添加すればよい。 Note that biscyclopentadienone can be produced by a known method. For example, first, 1,4-bisbenzyl and dibenzyl ketone (1,3-diphenyl-2-propanone) and n-butanol are mixed to prepare a mixed solution. Then, a methanol solution of Triton B (benzyltrimethylammonium hydroxide) may be added while heating the mixed solution.
このようにして得たポリフェニレンを、次に、塩化鉄(FeCl3)を触媒として反応させる。ポリフェニレンの構造が上記の構造U1〜U4のいずれかである場合を例示すると、以下の反応式(7)〜(10)に示すように、一般式(1)〜(4)で示す縮合芳香環であるナノグラフェンを構成単位とするポリマーが得られる。 The polyphenylene thus obtained is then reacted using iron chloride (FeCl 3 ) as a catalyst. When the case where the structure of polyphenylene is any one of the above structures U1 to U4 is exemplified, as shown in the following reaction formulas (7) to (10), condensed aromatic rings represented by general formulas (1) to (4) A polymer having nanographene as a structural unit is obtained.
上記したように、該ポリマーの重合度は10〜150であることが好ましい。10未満である場合、吸光係数がさほどは向上しない。また、150超の場合、重合が終了するまでに長時間を要するので、ポリマーの生産効率が低下するからである。 As described above, the degree of polymerization of the polymer is preferably 10 to 150. When it is less than 10, the extinction coefficient is not improved so much. On the other hand, if it exceeds 150, it takes a long time for the polymerization to end, so the production efficiency of the polymer decreases.
図3は、ポリフェニレンと、上記のようにして得られたポリマーとのラマンスペクトルである。この図3に示すように、ポリフェニレンのスペクトルには側鎖のフェニル基に由来するピークが検出されたが、前記ポリマーのスペクトルには、該ピークが検出されなかった。このことから、ポリフェニレンの側鎖のフェニル基が反応することにより、ナノグラフェンを構成単位とするポリマーが生成されていると判断し得る。 FIG. 3 is a Raman spectrum of polyphenylene and the polymer obtained as described above. As shown in FIG. 3, a peak derived from the side chain phenyl group was detected in the polyphenylene spectrum, but the peak was not detected in the polymer spectrum. From this, it can be judged that a polymer having nanographene as a structural unit is generated by the reaction of the phenyl group in the side chain of polyphenylene.
また、このポリマーにつき、紫外可視吸収スペクトル(UV−Vis)の吸収端より求めたHOMO−LUMO間のバンドギャップEgと、光電子収量分光法(PYS)により求めたHOMOのエネルギー準位とを、P3HTの特性とともに図4に併せて示す。 For this polymer, the band gap Eg between HOMO-LUMO determined from the absorption edge of the UV-visible absorption spectrum (UV-Vis) and the energy level of HOMO determined by photoelectron yield spectroscopy (PYS) are expressed as P3HT. 4 together with the above characteristics.
図4から、このポリマーは、バンドギャップEgが小さいことが分かる。また、ポリマー及びP3HTの各バンドギャップEgが2.0eV、2.2eV、各HOMOのエネルギー準位が−5.9eV、−4.7eVであることから、ポリマー及びP3HTの各LUMOのエネルギー準位を求めると、−3.9eV、−2.5eVとなる。 FIG. 4 shows that this polymer has a small band gap Eg. In addition, since the band gaps Eg of the polymer and P3HT are 2.0 eV and 2.2 eV, and the energy levels of each HOMO are −5.9 eV and −4.7 eV, the energy levels of each LUMO of the polymer and P3HT are Is -3.9 eV and -2.5 eV.
上記ポリマー、P3HT及びPCBMのHOMO及びLUMOのエネルギー準位を図5に示す。この図5から、ポリマーのHOMOのエネルギー準位がP3HTよりも低い(深い)ことが分かる。 The energy levels of HOMO and LUMO of the above polymers, P3HT and PCBM are shown in FIG. FIG. 5 shows that the HOMO energy level of the polymer is lower (deeper) than P3HT.
また、図5を参照することにより、ポリマーのLUMOとPCBMのLUMOとの間のエネルギー準位が、P3HTのLUMOとPCBMのLUMOとの間のエネルギー準位よりも小さいことが諒解される。 5 that the energy level between the LUMO of the polymer and the LUMO of the PCBM is smaller than the energy level between the LUMO of the P3HT and the LUMO of the PCBM.
以上のような理由から、このポリマーをドナーとして光電変換層16を形成した本実施の形態に係るBHJ太陽電池10では、P3HTをドナーとして用いた従来技術に係るBHJ太陽電池に比して、エネルギー損失が小さくなり、開放電圧Vocが大きくなる。
なお、このポリマーを含む光電変換層16は、以下のようにして形成することができる。
For the above reasons, in the BHJ
In addition, the photoelectric converting
先ず、トルエン、クロロホルム、クロロベンゼン等の適切な溶媒に、上記ポリマーとPCBMを個別に、又は上記ポリマーとPCBMの混合物を添加する。上記ポリマー及びPCBMが溶媒に溶解することにより、溶液が形成される。 First, the polymer and PCBM are added individually or a mixture of the polymer and PCBM to a suitable solvent such as toluene, chloroform, or chlorobenzene. The polymer and PCBM are dissolved in a solvent to form a solution.
次に、この溶液を、スピンコーティング、インクジェット印刷、ローラキャスティング、ロールツーロール法等のいずれかの手法によって、正孔輸送層14上に塗布する。
Next, this solution is applied onto the
次に、該正孔輸送層14上の溶液を加熱すると、該溶液が硬化し、光電変換層16が得られる。必要に応じて、アニール処理を施す事でドナードメイン26とアクセプタドメイン28との相分離をさらに促進する事が可能である。その結果、ドナードメイン26とアクセプタドメイン28の接合界面の面積が増大し、性能を向上させることも可能である。
Next, when the solution on the
ドナーとしてモノマーを用いる場合、モノマーが溶媒に溶解し難いことから、光電変換層16を得る際に上記したような手法を採用することは困難である。これに対し、本実施の形態では、ポリマーをドナーとして用いる。ポリマーが所定の溶媒に可溶であることから、上記したプロセスによって、光電変換層16を容易且つ簡便に、しかも、低コストで形成することが可能である。
When a monomer is used as a donor, it is difficult to employ the method as described above when obtaining the
なお、本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
例えば、この実施の形態では、光電変換層16にドナーとアクセプタが混在するバルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池(BHJ太陽電池)10を例示して説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、ドナーからなる層と、アクセプタからなる層とが個別に形成される平面ヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池であってもよい。この場合、ドナーからなる層を、上記ポリマーから形成するようにすればよい。
For example, in this embodiment, a bulk heterojunction type organic thin film solar cell (BHJ solar cell) 10 in which donors and acceptors are mixed in the
また、この実施の形態では、上記ポリマー(光電変換材料)を有機薄膜太陽電池のドナーとして用いる例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。上記ポリマーを有機薄膜太陽電池のアクセプタとして採用することも可能である。 In this embodiment, an example in which the polymer (photoelectric conversion material) is used as a donor for an organic thin film solar cell has been described. However, the present invention is not particularly limited thereto. It is also possible to employ the polymer as an acceptor for an organic thin film solar cell.
さらに、上記ポリマー(光電変換材料)の用途は、有機薄膜太陽電池の光電変換層16に限定されるものではない。例えば、光センサに採用することも可能である。
Furthermore, the use of the polymer (photoelectric conversion material) is not limited to the
10…バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池
12…透明電極 14…正孔輸送層
16…光電変換層 18…裏面電極
24…正孔 26…ドナードメイン
28…アクセプタドメイン 30…構成単位
32、34、39…ベンゼン核 40…電子
42…励起子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一般式(1)〜(4)で表されるグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなることを特徴とする光電変換材料。
A photoelectric conversion material comprising a polymer having at least one of graphene represented by general formulas (1) to (4) as a structural unit.
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