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DE102008038461A1 - Photovoltaische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Photovoltaische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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DE102008038461A1
DE102008038461A1 DE102008038461A DE102008038461A DE102008038461A1 DE 102008038461 A1 DE102008038461 A1 DE 102008038461A1 DE 102008038461 A DE102008038461 A DE 102008038461A DE 102008038461 A DE102008038461 A DE 102008038461A DE 102008038461 A1 DE102008038461 A1 DE 102008038461A1
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Germany
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organic semiconductor
semiconductor layer
photovoltaic
photovoltaic conversion
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DE102008038461A
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English (en)
Inventor
Hiroto Naito
Naoki Yoshimoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung gibt photovoltaische Zellen mit stabil erhöhter Effizienz der photovoltaischen Umwandlung bei verringertem Leckstrom an. Die photovoltaischen Zellen der vorliegenden Erfindung weisen auf: eine transparente leitende Schicht (2), die auf einem lichtdurchlässigen Substrat (1) erzeugt ist, eine organische Halbleiterschicht A (3), welche die Oberfläche der transparenten leitenden Schicht (2) überdeckt, eine photovoltaische Umwandlungsschicht (4) im Kontakt mit der organischen Halbleiterschicht (3), eine organische Halbleiterschicht B (5) im Kontakt mit der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) sowie eine Gegenelektrode (6) im Kontakt mit der organischen Halbleiterschicht B (5). In den photovoltaischen Zellen ist an der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht ausgebildet. Durch die gemäß dem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) besitzt die Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) eine spezifische Oberfläche, die 1,5-fach bis 10-fach größer ist als die Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht (2) und der organischen Halbleiterschicht A (3).

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf organische photovoltaische Dünnschichtzellen, die durch Aufbringen von organischen Halbleiterschichten, einer photovoltaischen Umwandlungsschicht und von Elektrodenschichten übereinander erzeugt werden, und insbesondere auf photovoltaische Zellen, mit denen eine hohe Effizienz unter Beibehaltung einer hohen Gleichrichtung erzielbar ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der photovoltaischen Zellen.
  • 2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
  • Herkömmlicherweise wurden bereits Solarzellen aus anorganischen Dünnschichten aus Si, einer GaAs-Verbindung, einer CuInGaSe-Verbindung oder dergleichen entwickelt. Diese Materialien sind allerdings teuer, und zur Durchführung der Verfahren zur Herstellung solcher Solarzellen sind teure Vorrichtungen erforderlich. Ferner muss zu ihrer Herstellung viel Energie aufgewandt werden, und es ist schwierig, die Stromerzeugungskosten auf etwa das gleiche Niveau wie bei den Kosten für allgemeinen Strom zu beschränken. Unter solchen Umständen sind die Zukunftsaussichten hierfür ungewiss. Zur Lösung dieses Problems wurden in jüngster Zeit organische Solarzellen forciert entwickelt, die ohne eine aufwendige Vorrichtung leicht hergestellt werden können.
  • Organische Solarzellen lassen sich grob in folgende Klassen einteilen: Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen, die mit einer porösen TiO2-Schicht, die auf einer für sichtbares Licht durchlässigen Elektrode abgeschieden ist und Elektrolyt enthaltende Farbstoffe mit Absorptionseigenschaften für sichtbares Licht trägt, und einer Gegenelektrode hergestellt sind; Schottky-Barrieren-Solarzellen mit einem Stromerzeugungsmechanismus, bei dem die zwischen einer festen organischen dünnen Schicht und einer dünnen Metallschicht gebildete Schottky-Barriere ausgenützt wird, sowie Zweischicht-Solarzellen mit pn-Übergang, die eine dünne Schicht aus einem organischen Halbleiter vom p-Typ und eine dünne Schicht aus einem organischen Halbleiter vom n-Typ aufweisen, die übereinander vorgesehen sind. Die Solarzellen mit pn-Übergang sind so ausgelegt, dass die Effizienz durch Vorsehen einer Lichtabsorptionsschicht und einer photovoltaischen Umwandlungsschicht an der pn-Grenzschicht erhöht wird. Die Solarzellen mit pn-Übergang werden weiter wie folgt klassifiziert: Solarzellen vom Bulk-Heteroübergangs-Typ, die hergestellt sind durch Lösen eines organischen Halbleitermaterials vom p-Typ (eines Akzeptors) und eines organischen Halbleitermaterials vom n-Typ (eines Donors) mit einem Lösungsmittel, Mischen in gelöstem Zustand und Aufbringen der resultierenden Lösung auf die pn-Grenzfläche unter Erzeugung einer dünnen Schicht an der pn-Grenzfläche, sowie Typen von Solarzellen mit einer durch abwechselnde Absorption erzeugten photovoltaischen Umwandlungsschicht, mit denen eine Kontrolle des Zustand der pn-Grenzfläche auf Nanometer-Niveau möglich ist.
  • Bei diesen organischen Solarzellen wurden von den mit Farbstoff sensibilisierten Solarzellen bereits Umwandlungseffizienzen von 10% erzielt. Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen enthalten allerdings flüssige Elektrolyte und weisen daher noch eine geringe Zuverlässigkeit und Stabilität auf. Zur Erzielung einer hohen Effizienz sind teure Materialien wie Farbstoffe auf Ru-Basis oder Platinelektroden erforderlich, und die Produktionskosten können nicht verringert werden. Wenn preiswerte Materialien eingesetzt werden, ist allerdings die Umwandlungseffizienz erheblich geringer. Solarzellen mit einem organischen Halbleiter aus einer Reihe von vollständig festen Polymeren können indessen durch ein Beschichtungsverfahren mit geringen Kosten hergestellt werden. So ist insbesondere die Umwandlungseffizienz von organischen Solarzellen vom Bulk-Heteroübergangs-Typ, die durch Mischen von leitenden Polymeren und Fulleren-Derivaten hergestellt sind, größer als 3%, und die organischen Solarzellen vom Bulk-Heteroübergangs-Typ werden gegenwärtig intensiv als Solarzellen entwickelt, mit denen bei geringen Kosten eine hohe Effizienz erzielt werden kann.
  • 5 veranschaulicht organische Solarzellen der niedermolekularen Reihe, die eine Halbleiterschicht 7 vom p-Typ, die aus Cu-Phthalocyanin (CuPc) besteht, und eine Halbleiterschicht 8 vom n-Typ aus einem Perylen-Derivat (PTCBI) aufweisen, die beide durch Aufdampfen erzeugt sind. In 5 bezeichnet die Bezugszahl 9 ein transparentes Substrat aus Glas oder dergleichen, Bezugszahl 10 bezeichnet eine transparente Elektrode, und Bezugszahl 11 bezeichnet eine Elektrode aus Ag oder dergleichen. Bei diesem Aufbau wird ein inneres elektrisches Feld in der Nachbarschaft des pn-Übergangs zwischen der Halbleiterschicht 7 vom p-Typ und der Halbleiterschicht 8 vom n-Typ induziert, und wenn sich durch Lichtanregung in der Halbleiterschicht 7 vom p-Typ aus CuPC erzeugte Excitonen in den Nachbarschaftsbereich des pn-Übergangs bewegen, werden durch das innere elektrische Feld Ladungstrennungen hervorgerufen. Im Ergebnis werden die Excitonen in Elektronen und Löcher getrennt, die zu den einander entgegengesetzten Elektroden 10 und 11 transportiert werden. Dadurch wird elektrische Energie erzeugt. Die mit diesem Aufbau verbundenen Probleme bestehen darin, dass der Abstand, über den sich die Excitonen in der Halbleiterschicht 7 vom p-Typ bewegen können, kurz ist und die Schicht des inneren Feldes dünn ist. Daher ist es erforderlich, lediglich dünne Schichten zu erzeugen. Dies führt zu einer ungenügenden Lichtabsorption, und es können keine hohen Umwandlungseffizienzen erzielt werden.
  • Bei organischen dünnen Schichten liegen ferner nur kurze Abstände für zu transportierende Ladungsträger vor, und gegenwärtig sind ungefähr 100 nm die Obergrenze für den Abstand, der für Ladungsträger zulässig ist. Wenn daher die Schichtdicke erhöht wird, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass Ladungsträger die Elektroden 10 und 11 nicht erreichen können und Elektronen und Löcher wieder miteinander rekombinieren und verschwinden. Dies führt zu einer Verringerung der Effizienz der Umwandlung. Wenn die Schichtdicke gering ist, wird allerdings die Lichtabsorption ungenügend, und eine höhere Effizienz der Umwandlung ist nicht zu erwarten.
  • Wie oben beschrieben können organische Halbleiter allgemein nicht dicker gemacht werden, da sie ein geringes Transportvermögen für Ladungsträger aufweisen. Bei organischen Halbleitern handelt es sich um die Probleme ungenügender Lichtabsorption, ungenügender Erzeugung von Ladungsträgern und der Abnahme der Effizienz. Zur Lösung dieser Probleme gibt es zwei mögliche Lösungen. Eine der beiden Lösungen besteht darin, die Beweglichkeit organischer Halbleitermaterialien zu erhöhen, die Lebensdauer der Ladungsträger zu verlängern und die Absorptionsrate zu erhöhen, oder organische Halbleitermaterialien mit ausgezeichneten Eigenschaften zu entwickeln. Es kann allerdings leicht vorhergesagt werden, dass hierfür eine erhebliche Zeit für Forschung und Entwicklung sowie enorme Kosten erforderlich sind. Die zweite der beiden Lösungen besteht in einer Technik der Erzielung hoher Effizienz unter Verwendung der existierenden organischen Halbleitermaterialien. Gemäß einer solchen Technik wird die apparente wirksame Fläche der photovoltaischen Umwandlungsschicht erhöht.
  • 4 zeigt organische Dünnschicht-Solarzellen mit einer photovoltaischen Umwandlungsschicht, die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehen ist und eine erhöhte wirksame Fläche aufweist, was auf einem beispielhaften Aufbau beruht, der bereits angegeben wurde (siehe Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44, Seiten 1978–1981, Y. Hashimoto, T. Umeda, et al., 2005). Die in 4 dargestellte Solarzelle weist auf: eine transparente Elektrode 13 aus ITO (Indium-Zinn-Oxid) mit einer gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht, die in Abständen von 5 μm vorgesehen sind, eine Halbleiterschicht 14 vom n-Typ, die aus C60 oder C60:H2Pc besteht, eine photovoltaische Umwandlungsschicht 15, eine Halbleiterschicht 16 vom p-Typ, die aus PAT6 (Poly(3-hexylthiophen)) besteht, und eine Elektrode 17 aus Al oder Ag.
  • Durch die Verwendung der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht wird Lichtstreuung hervorgerufen, und die Menge des absorbierten Lichts wird erhöht. Dabei wird nicht nur die Fläche des pn-Übergangs zur Erzielung von Ladungstrennung größer gemacht, sondern die Anzahl von Ladungsträgern wird durch Erhöhung der Anzahl von Exciton-Ladungstrennungen erhöht. Somit kann mit der Verbesserung des durch Lichteinstrahlung erzeugten Stroms eine höhere Effizienz erzielt werden.
  • Bei organischen Dünnschicht-Solarzellen entstehen allerdings oft Dünnschichtdefekte, sodass bei solchen organischen Dünnschicht-Solarzellen hohe Leckströme auftreten. Es besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass in den dünnen Schichten eine Rekombination hervorgerufen wird. Wenn eine organische dünne Schicht auf einer Elektrode erzeugt wird, die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehen ist, werden dementsprechend in der organischen Struktur mehr Defekte erzeugt, und höhere Leckströme werden erzeugt als in Fällen, in denen eine organische dünne Schicht auf einem glatten und flachen Substrat ausgebildet wird.
  • Wenn eine organische dünne Schicht auf ITO abgeschieden wird, die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehen ist, kann die mit Ausnehmungen versehene Oberfläche jedesmal, wenn darauf eine Schicht aufgebracht wird, geglättet werden, insbesondere in Fällen, in denen die organische dünne Schicht durch ein Beschichtungsverfahren oder dergleichen erzeugt wird. Daher liegt die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht im Bereich des pn-Übergangs kaum noch vor, und es ist schwierig, eine gewünschte Wirkung zu erzielen. Zur Lösung dieses Problems müssen die Abstände zwischen den Ausnehmungen der auf dem ITO ausgebildeten und gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht größer gemacht werden, und die Glättung bei der Abscheidung der organischen dünnen Schicht muss verhindert werden. Wenn eine organische dünne Schicht auf der Oberfläche der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht aufgebracht wird, deren Ausnehmungen in größeren Abständen angeordnet sind, kann allerdings eine gewünschte Zwischenschicht, die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehen ist, nicht in der photovoltaischen Umwandlungsschicht erzeugt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese Probleme gemacht; es ist eine Aufgabe der Erfindung, photovoltaische Zellen und Solarzellen anzugeben, bei denen die Effizienz der photovoltaischen Umwandlung bei Verringerung eines Leckstroms stabil erhöht ist.
  • Zur Lösung der obigen Aufgabe sind photovoltaische Zellen der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweisen: eine transparente leitende Schicht, die auf einem lichtdurchlässigen Substrat erzeugt ist; eine organische Halbleiterschicht A, welche die Oberfläche der transparenten leitenden Schicht überdeckt; eine photovoltaische Umwandlungsschicht im Kontakt mit der organischen Halbleiterschicht; eine organische Halbleiterschicht B im Kontakt mit der photovoltaischen Umwandlungsschicht sowie eine Gegenelektrode im Kontakt mit der organischen Halbleiterschicht B. Bei den photovoltaischen Zellen ist eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A und der photovoltaischen Umwandlungsschicht ausgebildet.
  • Mit der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A und der photovoltaischen Umwandlungsschicht besitzt die Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A und der photovoltaischen Umwandlungsschicht eine spezifische Oberfläche, die 1,5-fach bis 10-fach größer ist als die Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht und der organischen Halbleiterschicht A.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei den photovoltaischen Zellen die Effizienz der photovoltaischen Umwandlung stabil erhöht, wobei Leckströme zurückgedrängt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 erläutert einen Aufbau gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • die 2A bis 2D sind Draufsichten auf Beispiele des Aufbaus von 1;
  • die 3A bis 3D sind Querschnittsansichten von Beispielen für den Aufbau von 1;
  • 4 erläutert den Aufbau von organischen Solarzellen, die eine herkömmliche Zwischenschicht aufweisen, die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehen ist, und
  • 5 veranschaulicht den Schichtaufbau von herkömmlichen niedermolekularen organischen Solarzellen.
  • 1
    durchscheinendes Substrat
    2
    transparente leitende Schicht
    3
    organische Halbleiterschicht A
    4
    photovoltaische Umwandlungsschicht
    5
    organische Halbleiterschicht B
    6
    Gegenelektrode
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels von photovoltaischen Zellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 2A bis 2D sind Draufsichten auf die photovoltaischen Zellen von 1 und erläutern Beispiele für gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschichten, die für die organische Halbleiterschicht A Anwendung finden können.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, werden die photovoltaischen Zellen dieser Ausführungsform durch Aufbringen einer transparenten leitenden Schicht 2, einer organischen Halbleiterschicht 3, einer photovoltaischen Umwandlungsschicht 4, einer organischen Halbleiterschicht 5 und einer Gegenelektrode 6 in dieser Reihenfolge auf einem durchscheinenden Substrat 1 übereinander aufgebracht.
  • Die organische Halbleiterschicht 3 weist eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht auf, und die photovoltaische Umwandlungsschicht 4 ist in Entsprechung zu der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht ausgebildet. Die organische Halbleiterschicht 5 ist auf der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Oberfläche der photovoltaischen Umwandlungsschicht 4 ausgebildet. Hier dient die organische Halbleiterschicht 3 als Lochtransportschicht oder als Elektronentransportschicht, und die organische Halbleiterschicht 5 besitzt Eigenschaften, die zu denen der organischen Halbleiterschicht 3 entgegengesetzt sind. Die Gegenelektrode 6 ist eine Elektrode aus A1 oder dergleichen.
  • Das durchscheinende Substrat 1 besteht aus einem durchscheinenden Material wie etwa Glas. Die transparente leitende Schicht 2 ist eine für sichtbares Licht durchlässige leitende Schicht, die durch ein Verfahren zur Erzeugung von dünnen Schichten abgeschieden wurde, etwa durch ein Sputter-Verfahren, das CVD-Verfahren, das Sol-Gel-Verfahren oder das Verfahren durch Eintauchen und Pyrolyse. Die transparente leitende Schicht 2 kann aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), F-dotiertem Zinkoxid (ZnO), Zinnoxid (SnO2) oder dergleichen bestehen, jedoch sind die Materialien, die für die transparente leitende Schicht 2 Verwendung finden können, nicht auf diese Materialien beschränkt. Da solche dünnen Oxid-Halbleiterschichten hydrophobe Eigenschaften aufweisen, kann die organische Halbleiterschicht 3 nicht auf einer dieser Schichten abgeschieden werden. Daher wird die transparente leitende Schicht 2 während einer vorgegebenen Zeitdauer UV-Licht ausgesetzt, um eine hydrophile Grundlage in der Weise zu erzeugen, dass der Kontaktwinkel der Oberfläche der dünnen Schicht in Bezug auf die Flüssigkeit 10° oder weniger beträgt, wenn ein Tropfen reinen Wassers auf die Oberfläche der dünnen Schicht aufgetropft wird. In dieser Weise wird eine hydrophile Grundlage ausgebildet, die eine leichte Abscheidung einer organischen Halbleiterschicht erlaubt.
  • Die 2A bis 2D sind Draufsichten, die Beispiele für gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschichten zeigen, die in der organischen Halbleiterschicht 3 ausgebildet werden können. Die Höhendifferenz zwischen den gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschichten beträgt 50 nm. Die spezifische Oberfläche ist in Bezug auf die ebene Fläche größer, wenn das Seitenverhältnis oder der Höhenunterschied größer ist oder die Abstände des Musters der Ausnehmungen der Zwischenschicht kleiner sind. Das in 2A gezeigte Beispiel ist vom Linientyp, und die Linienbreite und der Abstand zwischen den Linien betragen jeweils 50 nm. Bei dieser mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht ist zu erwarten, dass die Oberfläche etwa 3-fach vergrößert ist. Das in 2B gezeigte Beispiel stellt eine Struktur mit kleinen quadratischen Konvexitäten dar. Jede der Konvexitäten besitzt eine Größe von 50 nm × 50 nm, und die Breite des Zwischenraums dazwischen beträgt ebenfalls 50 nm. Bei dieser mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht ist zu erwarten, dass die Oberfläche ungefähr 3-fach vergrößert ist. Das in 2C dargestellte Beispiel zeigt eine Struktur mit zylindrischen Konvexitäten. Der Durchmesser jeder dieser Konvexitäten beträgt 50 nm, und der Abstand zwischen zwei zylindrischen Konvexitäten beträgt jeweils 50 nm. Bei dieser mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht ist anzunehmen, dass die Oberfläche etwa 2,5-fach vergrößert ist. Das in 2D dargestellte Beispiel ist eine schachbrettartige Struktur mit quadratischen Konvexitäten von 50 nm, die auch in den in 2 dargestellten Zwischenräumen vorliegen. Bei dieser mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht ist anzunehmen, dass die Oberfläche ungefähr 5-fach vergrößert ist.
  • Durch Ausbildung einer gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht in der organischen Halbleiterschicht 3 wird die spezifische Oberfläche der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht 3 und der photovoltaischen Umwandlungsschicht 4 um den Faktor 1,5 bis 10 größer gemacht als die der Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht 2 und der organischen Halbleiterschicht 3. Durch Ausbildung der photovoltaischen Umwandlungsschicht 4 in Entsprechung mit der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht der organischen Halbleiterschicht 3 weist die photovoltaische Umwandlungsschicht 4 ebenfalls eine gemäß dem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht auf. Demgemäß ist die spezifische Oberfläche der Grenzfläche zwischen der photovoltaischen Umwandlungsschicht 4 und der organischen Halbleiterschicht 5 um den Faktor 1,5 bis 10 größer als die der Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht 2 und der organischen Halbleiterschicht 3, wie dies auch bei der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht 3 und der photovoltaischen Umwandlungsschicht 4 der Fall ist.
  • Wenn es sich bei der organischen Halbleiterschicht 3 um eine Lochtransportschicht handelt, können leitende Polymere wie PEDOT/PSS durch ein Beschichtungsverfahren oder dergleichen aufgebracht werden. Danach wird zur Erzeugung einer dünnen Schicht mehrmals ein Calcinierung durchgeführt.
  • Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die transparente leitende Schicht 2 keine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht aufweist, um so den Leckstrom zu verringern, sowie dadurch, dass die Effizienz der Energieumwandlung durch Ausbildung einer gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht in der organischen Halbleiterschicht 3 auf der transparenten leitenden Schicht 2 erhöht wird. Bei der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Konkavitäten oder Konvexitäten jeweils 100 nm oder weniger. Wenn die Zwischenräume beispielsweise 100 nm oder kleiner sind, besitzt die organische Halbleiterschicht 3 50 nm dicke konkave Bereiche und 100 nm dicke konvexe Bereiche. Die mustergemäß mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht wird durch Ausbildung eines Musters mit Konkavitäten und Konvexitäten in Intervallen von 50 nm auf der Oberfläche der organischen Halbleiterschicht 3 durch ein Verfahren wie etwa das Nanodruckverfahren erzeugt. Insbesondere im Fall eines PEDOT/PSS-Materials beträgt die Obergrenze der Trägerdiffusionslänge ungefähr 100 nm, und es könnte eine Trägerdesaktivierung hervorgerufen werden, wenn die Dicke größer als 100 nm ist. Wenn die Dicke kleiner als 30 oder 50 nm ist, wird auf der anderen Seite eine Erhöhung des Leckstroms hervorgerufen. Zur Verhinderung einer Trägerrekombination und einer Erhöhung des Leckstroms ist es bevorzugt, wenn der Unterschied zwischen der Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht 2 und der organischen Halbleiterschicht 3 und der obersten Oberfläche der organischen Halbleiterschicht 3 in Richtung der Schichtabscheidung mindestens 30 bis 50 nm und höchstens 80 bis 100 nm beträgt.
  • Die 3A bis 3D sind Querschnittsansichten von Proben, die jeweils eine mustergemäß mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht aufweisen. Es ist bevorzugt, wenn die Querschnittsflächen der Konkavitäten und der Konvexitäten solcher Proben im Wesentlichen gleich sind, sowie, wenn die Konkavitäten und Konvexitäten in im Wesentlichen regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Formen der Querschnitte unterliegen keiner besonderen Beschränkung auf die in den 3A bis 3D dargestellten Formen, sondern können auch beliebige planare Formen wie Kreise, Rechtecke oder Dreiecke aufweisen.
  • Zur Abscheidung der photovoltaischen Umwandlungsschicht ist es wirkungsvoll, ein Verfahren mit abwechselnder Adsorption anzuwenden, wenn die organische Halbleiterschicht A aus PEDOT/PSS besteht. Durch dieses Verfahren mit abwechselnder Adsorption werden auf der Schichtoberfläche vorliegende kationische Species verwendet, und ein anionisches organisches Material wird potentiell daran adsorbiert und abgeschieden. Danach werden anionische Species verwendet, und ein kationischer organischer Halbleiter wird wiederum adsorbiert, um so die photovoltaische Umwandlungsschicht abzuscheiden. Als anderes Verfahren ist das Vakuumaufdampfverfahren günstig, mit dem es möglich ist, eine Schichtabscheidung in Entsprechung mit einer mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht zu erzielen. In jedem Fall sollte die Schichtabscheidung zur Erzeugung der photovoltaischen Umwandlungsschicht in Entsprechung mit der mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht der organischen Halbleiterschicht A vorgenommen werden.
  • Nach dem Abscheiden der photovoltaischen Umwandlungsschicht unter Beibehaltung der mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht wird die organische Halbleiterschicht B abgeschieden. Wenn die organische Halbleiterschicht A eine Lochtransportschicht ist, ist die organische Halbleiterschicht B eine Elektronentransportschicht, die durch Vornahme einer Dünnschichtabscheidung erzeugt wird. Die Elektronentransportschicht kann aus einem Fulleren-Derivat bestehen und sollte vorzugsweise eine Schichtdicke von etwa 30 nm von der Obergrenze der Trägerdiffusionslänge aufweisen.
  • Als oberste Schicht wird eine Metallelektrode abgeschieden; die Schichterzeugung wird hierfür normalerweise durch ein Vakuumaufdampfverfahren oder durch das Sputter-Verfahren durchgeführt. Das hier verwendete Metallmaterial sollte vorzugsweise ein Material sein, das eine Austrittsarbeit besitzt, die sich nicht sehr von der der organischen Halbleiterschicht B unterscheidet und in ohmschem Kontakt mit der organischen Halbleiterschicht B sein kann.
  • Bei den Solarzellen mit organischen dünnen Schichten, die in der obigen Weise erzeugt wurden, werden Excitonen erzeugt, wenn die Lichtabsorptionsschicht Licht absorbiert und elektronisch angeregt wird. Aufgrund des inneren Feldes der Lichtabsorptionsschicht oder aufgrund der Ladungstrennung an den Grenzflächen mit der benachbarten Lochtransportschicht und Elektronentransportschicht disoziieren die Excitonen zu Löchern und Elektronen. Die Löcher bewegen sich durch die Lochtransportschicht und erreichen die Substratelektrode. Demgemäß dient die Substratelektrode, die an die Lochtransportschicht angrenzt, als positive Elektrode. Die Elektronen bewegen sich durch die Elektronentransportschicht und erreichen die Gegenelektrode. Demgemäß dient die Gegenelektrode, die an die Elektronentransportschicht angrenzt, als negative Elektrode. Als Ergebnis wird eine Potentialdifferenz zwischen der Substratelektrode und der Gegenelektrode hervorgerufen. Die gleichmäßige Bewegung von Löchern und Elektronen wird durch den Gradienten des höchsten besetzten Elektronenniveaus der Lichtabsorptionsschicht und der Substratelektrode über die Lochtransportschicht oder den Gradienten des niedrigsten unbesetzten Elektronenniveaus der Lichtabsorptionsschicht und der Gegenelektrode über die Elektronentransportschicht realisiert, wie oben beschrieben wurde. Wenn die Lichtabsorptionsschicht Licht absorbiert, werden Löcher und Elektronen erzeugt. Die Löcher erreichen die Substratelektrode, und die Elektronen bewegen sich durch die Elektronentransportschicht und erreichen die Gegenelektrode.
  • Die photovoltaischen Zellen dieser Ausführungsform bilden eine räumliche Struktur, das heißt, eine dreidimensionale Struktur mit einer gemäß einem Muster mit Ausnehmung versehenen Zwischenschicht in der organischen Halbleiterschicht A, die auf der transparenten Elektrode abgeschieden ist. Dementsprechend wird die spezifische Oberfläche größer, und die Fläche des pn-Übergangs wird vergrößert, sodass eine Erhöhung der Anzahl der erzeugten Ladungsträger erleichtert wird. Die organische Halbleiterschicht, die eine dreidimensionale Struktur aufweist, wobei ein vorgegebener Abstand von der transparenten Elektrode aufrechterhalten wird, ist von der photovoltaischen Umwandlungsschicht bedeckt. Demgemäß kann die Schichtdicke der organischen Halbleiterschicht leicht kontrolliert werden, und der Leckstrom kann zurückgedrängt werden, da kaum Rekombination auftritt. Somit kann die Effizienz der Energieumwandlung der photovoltaischen Zellen verbessert werden.
  • [Erste Ausführungsform]
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben (wobei, wo dies erforderlich ist, auf 1 Bezug genommen wird).
  • Eine Substratelektrode 1 besteht aus einem durchscheinenden Glassubstrat, auf dem durch Abscheidung ITO (Indium-Zinnoxid) als transparente Elektrode abgeschieden ist (im Folgenden als ITO-Substrat bezeichnet). Das ITO-Substrat wird unter Verwendung einer Toluol-Lösung, einer Aceton-Lösung bzw. einer Ethanol-Lösung während 10 bis 15 Minuten einer Ultraschallreinigung unterzogen. Das ITO-Substrat wird dann mit reinem Wasser oder ultrareinem Wasser gewaschen und mit Stickstoffgas getrocknet.
  • Danach wird unter Verwendung einer UV-Bestrahlungsvorrichtung wie etwa einer Ozon-Reinigungsvorrichtung eine UV-Ozon-Behandlung durchgeführt, um auf der Substratoberfläche eine hydrophile Grundlage zu erzeugen. Auf diese Weise wird ein hydrophiles Substrat gebildet, auf dem eine organische Halbleiterschicht leicht abgeschieden werden kann.
  • Eine gemischte Lösung, die PEDOT/PSS für eine Lochtransportschicht und Ethylenglycol im Mischungsverhältnis 5:1 enthält, wird durch ein Rotationsbeschichtungsverfahren auf die Oberfläche der dünnen ITO-Schicht des ITO-Substrats aufgebracht, das der hydrophilen Behandlung unterzogen wurde. Die Rotationsbeschichtung wird 10 Sekunden bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 400 U/min und 100 Sekunden bei einer Endgeschwindigkeit von 3000 U/min durchgeführt, um eine Schicht von ungefähr 100 nm Dicke aufzubringen. Danach wird an der Atmosphäre bei Atmosphärendruck eine Calcinierung bei 70°C während 15 Stunden durchgeführt. Schließlich wird im Hochvakuum eine Stunde lang eine Calcinierung bei 140°C durchgeführt, um so eine dünne Schicht zu erzeugen.
  • An diesem Punkt wird unter Erhitzen auf eine Temperatur, die fast gleich der Übergangstemperatur von PEDOT ist, eine Nanodruck- Metallform mit dem in 2D dargestellten Muster mit Vertiefungen gegen die dünne Schicht gepresst, wobei die dünne Schicht gleichzeitig abgekühlt wird. Auf diese Weise wird eine Zwischenschicht mit mustergemäßen Vertiefungen erzeugt. Die Abstände der Vertiefungen des Musters betragen 50 nm. Die kleinste Schichtdicke zur Oberfläche des PEDOT mit den mustergemäßen Ausnehmungen beträgt 30 bis 50 nm, und die größte Schichtdicke beträgt 80 bis 100 nm.
  • Zur Erzeugung einer dünnen Schicht als Lichtabsorptionsschicht durch ein Verfahren mit abwechselnder Adsorption werden eine PPV-Lösung und eine PSS-Lösung hergestellt. Die Lösungen werden mit ultrareinem Wasser so erzeugt, dass die Konzentration an Prä-PPV 1 mmol beträgt, und der pH-Wert wird mit NaOH so eingestellt, dass er 8 bis 9 beträgt. Danach wird mit ultrareinem Wasser so eingestellt, dass die Konzentration an PSS 10 mmol beträgt. Auf diese Weise werden Lösungen hergestellt.
  • Da an der PEDOT/PSS-Oberfläche anionische Species vorliegen, wird die PEDOT/PSS-Oberfläche in eine kationische PPV-Lösung und dann in eine anionische PSS-Lösung eingetaucht. Auf diese Weise wird unter Anwendung alternierender Adsorptionsschichten eine dünne Schicht erzeugt. Hierbei beträgt die Adsorptionsdauer 5 Minuten; die Trockenzeit beträgt 4 Minuten und 30 Sekunden. Vor dem Eintauchen in die beiden verschiedenen Lösungen beträgt die Eintauchdauer (Spüldauer) in ultrareinem Wasser 3 Minuten, und die Trockenzeit beträgt 4 Minuten und 30 Sekunden. Dieses Verfahren wird 5 Mal wiederholt, sodass die erwünschte Schichtdicke erzielt wird, und die Abscheidung einer Elektronentransportschicht wird durch den Abschluss mit kationischem PPV erleichtert. Da die photovoltaische Umwandlungsschicht durch ein Adsorptionsverfahren wie ein LB-Verfahren erzeugt wird, erfolgt die Adsorption in Entsprechung zu der mustergemäß mit Vertiefungen versehenen Zwischenschicht.
  • Die Elektronentransportschicht kann aus Fulleren (C60) oder dergleichen hergestellt werden. Fulleren wird mit einem Polymermaterial wie Polystyrol (PS) in eine o-Dichlorbenzol-Lösung eingebracht. Das Mischungsverhältnis ist hierbei:
    o-Dichlorbenzol:C60:PS = 217:4:1. Das Lösen wird durch ausreichendes Bewegen der gemischten Lösung mit Ultraschall vorgenommen.
  • Nach dem Lösen wird durch ein Beschichtungsverfahren unter Verwendung eines 0,45 μm-Filters oder dergleichen eine dünne Schicht erzeugt. Eine Schicht von 30 nm wird während 10 Sekunden bei einer anfänglichen Geschwindigkeit von 400 U/min und während etwa 100 Sekunden bei einer Endgeschwindigkeit von 3000 U/min erzeugt. Die Calcinierung wird dann 2 Stunden im Vakuum bei 100°C durchgeführt, um so eine dünne Schicht zu erzeugen.
  • Schließlich wird ein Metallmaterial wie etwa Aluminium zur Erzeugung einer Elektrode durch ein Vakuumaufdampfverfahren abgeschieden. Eine geeignete Menge an Aluminiumdraht wird auf eine Wolframplatte aufgebracht, und eine dünne Aluminiumschicht einer Schichtdicke von etwa 50 nm wird im Hochvakuum von etwa 2 × 10–6 Torr bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 2 bis 3 Å/s erzeugt, wobei die Substrattemperatur gleich der Raumtemperatur ist und die Rotationsgeschwindigkeit des Substrats ungefähr 30 U/min beträgt. Auf diese Weise werden die photovoltaischen Zellen erzeugt.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • Photovoltaische Zellen werden in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform erzeugt mit dem Unterschied, dass eine Nanodruck-Metallform mit dem in 2A gezeigten Muster mit Ausnehmungen verwendet wird, um die mustergemäß mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht der Lochtransportschicht zu erzeugen.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Die photovoltaische Umwandlungsschicht wird durch ein gleichzeitiges Aufdampfverfahren anstelle der Erzeugung einer dünnen Schicht durch das Verfahren mit abwechselnder Adsorption hergestellt, das zur Erzeugung der photovoltaischen Umwandlungsschicht der ersten Ausführungsform herangezogen wurde. Durch das Verfahren der gleichzeitigen Aufdampfung werden eine organische Halbleiterschicht vom p-Typ und eine organische Halbleiterschicht vom n-Typ gleichzeitig durch Vakuumaufdampfung erzeugt. Abgesehen davon werden die gleichen Verfahren durchgeführt, die bei der ersten Ausführungsform angewandt wurden, um photovoltaische Zellen zu erzeugen.
  • [Vierte Ausführungsform]
  • Die Elektronentransportschicht wird durch ein Aufdampfverfahren unter Verwendung von Fulleren-Partikeln zur Reinigung durch Sublimation anstelle des Verfahrens der Erzeugung einer dünnen aufbeschichteten Fulleren-Schicht als Elektronentransportschicht bei der ersten Ausführungsform erzeugt. Bei dieser Ausführungsform werden die Fulleren-Partikel zur Reinigung durch Sublimation in einer Vakuumaufdampfvorrichtung auf eine Wolfram-Platte gebracht, und Fulleren wird durch ein Widerstandsheizungsverfahren abgeschieden, um die Elektronentransportschicht zu erzeugen. Abgesehen von der Erzeugung der Elektronentransportschicht werden die gleichen Verfahren, wie sie bei der ersten Ausführungsform angewandt wurden, zur Erzeugung von photovoltaischen Zellen durchgeführt.
  • [Fünfte Ausführungsform]
  • Die photovoltaische Umwandlungsschicht wird durch das Verfahren der gleichzeitigen Aufdampfung der dritten Ausführungsform hergestellt, bei dem eine organische Halbleiterschicht vom p-Typ und eine organische Halbleiterschicht vom n-Typ gleichzeitig durch Vakuumaufdampfung erzeugt werden, und die Elektronentransportschicht wird durch das Vakuumaufdampfverfahren der vierten Ausführungsform erzeugt, bei dem Fulleren-Partikel zur Reinigung durch Sublimation eingesetzt werden. Abgesehen von der Erzeugung der photovoltaischen Umwandlungsschicht und der Elektronentransportschicht werden die gleichen Verfahren wie bei der ersten Ausführungsform zur Erzeugung von photovoltaischen Zellen durchgeführt.
  • [Sechste Ausführungsform]
  • Eine erste Elektrode wird als dünne Schicht auf einem Substrat durch ein Verfahren wie ein Metall-Aufdampfverfahren erzeugt, und zur Erzeugung der Elektronentransportschicht wird Fulleren durch Beschichtung oder durch Aufdampfen auf der ersten Elektrode aufgebracht. Die in 2D dargestellte Zwischenschicht mit mustergemäßen Ausnehmungen wird anschließend in der Elektronentransportschicht durch ein Nanodruckverfahren erzeugt. Die photovoltaische Umwandlungsschicht wird auf der Elektronentransportschicht mit der Zwischenschicht mit mustergemäßen Ausnehmungen durch ein Verfahren mit abwechselnder Adsorption ausgebildet. Die aus PEDOT oder dergleichen bestehende Lochtransportschicht wird dann auf der photovoltaischen Umwandlungsschicht durch ein Beschichtungsverfahren oder dergleichen erzeugt. Schließlich wird ein durchscheinender Leiter aus Oxid erzeugt, um photovoltaische Zellen herzustellen.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Photovoltaische Zellen werden durch Durchführung der gleichen Verfahren wie bei der ersten Ausführungsform erzeugt mit dem Unterschied, dass keine mit mustergemäßen Ausnehmungen versehene Zwischenschicht auf der Lochtransportschicht ausgebildet wird. In gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform werden die photovoltaische Umwandlungsschicht, die Elektronentransport schicht und die Elektrode auf der Lochtransportschicht, die eine Schichtdicke der PEDOT/PSS-Schicht von 80 bis 100 nm aufweist und keine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht aufweist, erzeugt.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
  • Photovoltaische Zellen werden durch Durchführung der gleichen Verfahren wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt mit dem Unterschied, dass die Lochtransportschicht mit einer PEDOT/PSS-Schicht erzeugt wird, die eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Oberfläche aufweist, deren kleinste Schichtdicke 30 nm oder weniger und deren größte Schichtdicke 80 bis 100 nm beträgt.
  • [Vergleichsbeispiel 3]
  • Photovoltaische Zellen werden durch Durchführung der gleichen Verfahren wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt mit dem Unterschied, dass die Lochtransportschicht mit einer PEDOT/PSS-Schicht erzeugt wird, die eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Oberfläche aufweist, deren kleinste Schichtdicke 30 bis 50 nm und deren größte Schichtdicke 100 nm oder mehr beträgt.
  • [Vergleichsbeispiel 4]
  • Photovoltaische Zellen werden durch Durchführung der gleichen Verfahren wie bei der fünften Ausführungsform hergestellt mit dem Unterschied, dass die photovoltaische Umwandlungsschicht eine Bulk-Heterostruktur aufweist, die durch ein Rotationsbeschichtungsverfahren hergestellt wird.
  • [Vergleichsbeispiel 5]
  • Solarzellen mit organischen dünnen Schichten werden durch Durchführung der gleichen Verfahren wie bei der sechsten Ausführungsform hergestellt mit dem Unterschied, dass keine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht auf der Elektronentransportschicht erzeugt wird und die Elektronentransportschicht ohne eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht bleibt.
  • Aus einem Sonnensimulator wird Pseudo-Sonnenlicht (AM 1,5) auf die Solarzellen der ersten bis sechsten Ausführungsform und die Solarzellen der Vergleichsbeispiele 1 bis 6, die auf die oben beschriebenen Arten hergestellt wurden, aufgestrahlt. Die Ausgangsleistungseigenschaften wurden ermittelt, wobei die in den Tabellen 1 und 2 aufgeführten Ergebnisse erhalten wurden. [Tabelle 1]
    Erste Ausführungsform Zweite Ausführungsform Dritte Ausführungsform Vierte Ausführungsform Fünfte Ausführungsform Sechste Ausführungsform
    Kurzschlussstrom [Ma/Cm2]* 3,0 1,6 2,8 3,1 3,2 2,9
    Leerlaufspannung [V] 0,80 0,79 0,80 0,79 0,78 0,78
    Formfaktor 0,51 0,54 0,52 0,52 0,53 0,51
    Umwandlungseffizienz [%] 1,23 0,68 1,16 1,27 1,18 1,15
    [Table 2]
    Vergleichsbeispiel 2 Vergleichsbeispiel 2 Vergleichsbeispiel 3 Vergleichsbeispiel 4 Vergleichsbeispiel 5
    Kurzschlussstrom [Ma/Cm2]* 0,85 1,2 1,3 2,6 0,80
    Leerlaufspannung [V] 0,83 0,81 0,79 0,8 0,78
    Formfaktor 0,35 0,28 0,40 0,38 0,41
    Umwandlungseffizienz [%] 0,24 0,27 0,41 1,06 0,26
    • *Anmerkung des Übersetzers: Die Einheit sollte korrekt [mA/cm2] lauten
  • Wie aus den Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, tragen Erhöhungen der Kurzschlussstromdichte zur Erhöhung der Umwandlungseffizienz bei den photovoltaischen Zellen bei, die eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht aufweisen. Die spezifischen Oberflächen der PEDOT/PSS-Schichten der ersten und der zweiten Ausführungsform sind fünffach größer als die spezifische Oberfläche der PEDOT/PSS-Schicht von Vergleichsbeispiel 1. Dementsprechend ist in Betracht zu ziehen, dass die erhöhte Lichtabsorptionsrate zu einer Erhöhung des Stromwerts führt.
  • In Vergleichsbeispiel 2 beträgt die kleinste Schichtdicke der PEDOT/PSS-Schicht 30 nm oder weniger, und die Formfaktoren scheinen aufgrund des Einflusses des Leckstroms abzunehmen. In Vergleichsbeispiel 3 beträgt die größte Schichtdicke der mustergemäß mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht 100 nm oder mehr. Als Ergebnis wird die Transportrate der Ladungsträger geringer, und es ist zu berücksichtigen, dass hierdurch auch die Effizienz geringer wird.
  • Die photovoltaischen Zellen der dritten Ausführungsform weisen eine photovoltaische Umwandlungsschicht auf, die durch gleichzeitige Aufdampfung erzeugt ist. Die photovoltaischen Zellen der vierten Ausführungsform besitzen eine Transportschicht, die durch ein Aufdampfverfahren erzeugt ist. Bei beiden Ausführungsformen ist die Effizienz höher als bei Vergleichsbeispiel 4. Die photovoltaischen Zellen der fünften Ausführungsform besitzen eine photovoltaische Umwandlungsschicht und eine Elektronentransportschicht, die beide durch ein Aufdampfverfahren erzeugt sind, und bei der fünften Ausführungsform werden die gleichen Ergebnisse wie bei der ersten Ausführungsform erzielt.
  • Die photovoltaischen Zellen von Vergleichsbeispiel 4 besitzen eine abgeschiedene photovoltaische Umwandlungsschicht vom Bulk-Heterotyp. Da die photovoltaische Umwandlungsschicht durch ein Beschichtungsverfahren aufgebracht ist, ist die Oberfläche der photovoltaischen Umwandlungsschicht geglättet, was zu einer Abnahme der Lichtabsorptionsrate führt. Als Ergebnis wird die Effizienz der photovoltaischen Umwandlung geringer.
  • Die photovoltaischen Zellen der sechsten Ausführungsform weisen eine Struktur auf, die der Struktur der ersten Ausführungsform entgegengesetzt ist, wobei die Elektronentransportschicht eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht aufweist. Im Vergleich zu den photovoltaischen Zellen von Vergleichsbeispiel 5, bei dem die gleiche Schichtstruktur wie bei der sechsten Ausführungsform vorliegt, jedoch keine mustergemäß mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht, wird bei der sechsten Ausführungsform eine erheblich höhere Effizienz der photovoltaischen Umwandlung erzielt. Dies beruht darauf, dass die spezifische Oberfläche, die durch die Konkavitäten und Konvexitäten vergrößert ist, zu einer Erhöhung der Lichtabsorptionsrate führt, die wiederum zur Erhöhung der Effizienz der Umwandlung beiträgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44, Seiten 1978–1981, Y. Hashimoto, T. Umeda, et al., 2005 [0008]

Claims (15)

  1. Photovoltaische Zellen, die aufweisen: eine transparente leitende Schicht (2), eine organische Halbleiterschicht A (3), die auf der transparenten leitenden Schicht (2) ausgebildet ist, eine photovoltaische Umwandlungsschicht (4), die auf der organischen Halbleiterschicht A (3) ausgebildet ist, eine organische Halbleiterschicht B (5), die auf der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) ausgebildet ist, und eine Elektrode (6), die auf der organischen Halbleiterschicht B (5) ausgebildet ist, wobei eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) ausgebildet ist.
  2. Photovoltaische Zellen nach Anspruch 1, bei denen die organische Halbleiterschicht A (3) eine Lochtransportschicht oder eine Elektronentransportschicht umfasst.
  3. Photovoltaische Zellen nach Anspruch 1 oder 2, bei denen die organische Halbleiterschicht A (3) eine Lochtransportschicht ist, während die organische Halbleiterschicht B (5) eine Elektronentransportschicht ist, oder bei denen die organische Halbleiterschicht A (3) eine Elektronentransportschicht ist, während die organische Halbleiterschicht B (5) eine Lochtransportschicht ist.
  4. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei denen der Abstand zwischen zwei benachbarten vertieften Abschnitten oder hervorstehenden Abschnitten der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht jeweils 100 nm oder weniger beträgt.
  5. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei denen die photovoltaische Umwandlungsschicht (4) aus einem organischen Halbleiter besteht, der Lichtempfindlichkeit für Licht einer Wellenlänge von 300 nm bis 1000 nm besitzt.
  6. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei denen der kleinste Abstand von der Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht (2) und der organischen Halbleiterschicht A (3) zur Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) 30 bis 50 nm beträgt.
  7. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei denen die photovoltaische Umwandlungsschicht (4) in Entsprechung mit der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht ausgebildet ist.
  8. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei denen die Oberflächen sowohl der organischen Halbleiterschicht A (3) als auch der organischen Halbleiterschicht B (5) im Kontakt mit der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) jeweils eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht aufweisen.
  9. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei denen die Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) eine spezifische Oberfläche besitzt, die 1,5-fach bis 10-fach größer ist als die Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht (2) und der organischen Halbleiterschicht A (3).
  10. Photovoltaische Zellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei denen die Grenzfläche zwischen der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) und der organischen Halbleiterschicht B (5) eine spezifische Oberfläche besitzt, die 1,5-fach bis 10-fach größer ist als die Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht (2) und der organischen Halbleiterschicht A (3).
  11. Solarzellen vom Typ mit pn-Übergang, die aufweisen: eine transparente leitende Schicht (2), eine organische Halbleiterschicht A (3), die auf der transparenten leitenden Schicht (2) ausgebildet ist, eine photovoltaische Umwandlungsschicht (4), die auf der organischen Halbleiterschicht A (3) ausgebildet ist, eine organische Halbleiterschicht B (5), die auf der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) ausgebildet ist, und eine Elektrode (6), die auf der organischen Halbleiterschicht B (5) ausgebildet ist, wobei eine gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht auf der Oberfläche der organischen Halbleiterschicht A (3) in der Richtung der Schichtabscheidung ausgebildet ist und die Grenzfläche zwischen der organischen Halbleiterschicht A (3) und der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) eine spezifische Oberfläche aufweist, die 1,5-fach bis 10-fach größer ist als die Grenzfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht (2) und der organischen Halbleiterschicht A (3).
  12. Verfahren zur Herstellung von photovoltaischen Zellen, das folgende Schritte umfasst: Abscheiden einer organischen Halbleiterschicht A (3) auf einer transparenten Elektrode, die durch Abscheiden einer transparenten leitenden Schicht (2) erzeugt wurde, Erzeugen einer gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht auf der Oberfläche der organischen Halbleiterschicht A (3), Erzeugen einer photovoltaischen Umwandlungsschicht auf der Oberfläche der organischen Halbleiterschicht A (3), Abscheiden einer organischen Halbleiterschicht B (5) auf der Oberfläche der photovoltaischen Umwandlungsschicht (4) und Erzeugen einer Elektrode (6) auf der Oberfläche der organischen Halbleiterschicht B (5).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die photovoltaische Umwandlungsschicht (4) in Entsprechung mit der gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehenen Zwischenschicht der organischen Halbleiterschicht A (3) erzeugt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die photovoltaische Umwandlungsschicht (4) durch ein Verfahren mit abwechselndem Aufbringen durch Adsorption erzeugt wird.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die gemäß einem Muster mit Ausnehmungen versehene Zwischenschicht durch ein Druckverfahren auf der Oberfläche der organischen Halbleiterschicht A (3) erzeugt wird.
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