[发明专利]光电转换元件用材料及光电转换元件

说明书

技术领域

本发明涉及含有酞菁纳米线的光电转换元件用材料、及特征在于在正极与负极之间包含该光电转换元件用材料的光电转换元件。

背景技术

有机薄膜太阳能电池与现在主流的硅系太阳能电池相比，在

(1)环境负荷少

(2)制造成本低廉

(3)轻量且不易破裂

等方面潜力高，近年来备受瞩目。有机薄膜太阳能电池是以包含聚噻吩系、聚亚苯基亚乙烯基(polyphenylene vinylene)系等给电子性π共轭系聚合物、酞菁类等给电子性低分子材料和富勒烯类等电子接受性材料的有机半导体层作为光电转换的活性层(光电转换层)的、由有机材料构成的光电转换元件。最近，特别是将给电子性材料与电子接受性材料以纳米水平复合化而使有助于光电转换的两材料的接合界面(DA接合界面)增大了的本体异质结型的开发正在活跃地进行(专利文献1)。

有机薄膜太阳能电池的光电转换的原理是，

(1)通过有机半导体层的光吸收而产生激子(空穴/电子对)，

(2)其向给电子性材料与电子接受性材料的接合界面(DA接合界面)扩散移动，

(3)空穴及电子发生电荷分离，

(4)各自的电荷通过给电子性材料及电子接受性材料而向正极及负极输送电荷，从而产生电力，其光电转换效率由所述各过程的效率的积算决定。由于这里激子的寿命非常短，能够扩散移动的距离最多也是数纳米～十几纳米，非常短，所以为了提高光电转换的效率，优选使有机半导体层中的DA接合界面存在于与所述激子能够扩散移动的距离相同程度的距离范围内，并且优选确保电荷分离后的电荷能够向各自的电极快速移动的电荷输送路径。

若DA接合界面不在数十nm左右的范围内分布于有机半导体层中，则存在所述过程(1)中生成的激子在到达DA接合界面之前失活而未取出电荷的问题，此外若有机半导体层中未确保由给电子性材料及电子接受性材料形成的电荷输送路径，则会产生在所述过程(3)中生成的各电荷无法到达正极及负极而得不到电动势的问题。

从上述观点出发，为了光电转换元件的高效化，课题在于，如何使DA接合界面形成于激子扩散长内，以及如何确保由给电子性材料及电子接受性材料各自形成的电荷输送路径，即如何在使给电子性材料及电子接受性材料在有机半导体层中不孤立(形成尽头的地方)的情况下形成网络。

有机光电转换元件的最典型的构成可列举出如下本体异质结型：将作为给电子性材料的聚-3-己基噻吩(以下、P3HT)等π共轭系聚合物与作为电子接受性材料的富勒烯衍生物即[6，6]-苯基C61丁酸甲酯(以下、PCBM)混合，将其薄膜化从而在膜内整个区域形成DA接合界面。

包含给电子性π共轭系聚合物和PCBM的光电转换元件由于能够由溶解有两种有机材料的溶液通过印刷或涂布法(湿法)简便地制膜，所以不需要高价的制造设备，具有能够以低成本生产的优点。然而，存在通常π共轭系聚合物在大气下容易因氧而发生氧化反应、此外对强光照射的耐久性低等低寿命的课题。此外，在这样的DA接合界面形成法中，有时给电子性及电子接受性材料各自未形成充分的网络，未能确保电荷输送所需的输送路径，成为转换效率降低的一个原因。

与此相对，酞菁类等低分子的给电子性材料的耐氧性及耐光性高，作为太阳能电池能够期待充分的寿命，但是，由于为低分子，所以难以形成所述网络(难以确保电荷输送所需的输送路径)，此外，由于难以利用湿法来制膜，所以迄今为止不得不利用高成本的蒸镀法来制造。然而，近年来，提出了一种有机薄膜太阳能电池，其利用了使用溶剂可溶性前体的湿法制膜和基于制膜后的加热的给电子性材料化，且具有基于涂布法的低分子的给电子性材料(专利文献2)。例如，使用苯并卟啉类作为给电子性材料、使用PCBM等富勒烯类作为电子接受性材料且能够利用涂布法来制膜的光电转换元件与以往的使用给电子性π共轭系聚合物的光电转换元件相比，具有耐氧性及耐光性等耐久性优异的优点。

然而，使用溶剂可溶性前体时，由于在制膜后通过加热将该前体转换而作为光电转换元件用材料发挥作用，所以需要投入规定时间的加热操作这样额外的时间和能量，在制造成本方面未必是优选的。此外，与使用π共轭系聚合物时同样地，由于有机半导体层的网络结构根据基于加热处理的相分离来说是偶然形成的，所以必然存在孤立的给电子性及电子接受性材料，因此，无法确保充分的电荷输送路径，成为效率降低的一个原因。