JP2010073730A - Tandem type photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
【課題】 優れた光電変換効率を有する光電変換素子を提供する。
【解決手段】 基板(T)上に層状に形成された2つの電極層(Y)間に、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有する光電変換層(E)を有する光電変換素子(P)を2〜4個積層してなるタンデム型光電変換素子(TP)であって、少なくとも2個の光電変換素子(P)の極大吸収波長が異なり、かつ、光電変換素子(P)の吸収バンドの半値幅が150nm以下であり、かつ、各々の光電変換層(E)において導電性高分子(d)の最低空軌道のエネルギー準位の値と電子受容体(a)の最低空軌道のエネルギー準位の値の差が1eV以下であることを特徴とする、タンデム型光電変換素子(TP)。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency.
A photoelectric conversion layer (E) containing a conductive polymer (d) and an electron acceptor (a) is provided between two electrode layers (Y) formed in layers on a substrate (T). It is a tandem photoelectric conversion element (TP) in which 2 to 4 photoelectric conversion elements (P) are laminated, and the maximum absorption wavelength of at least two photoelectric conversion elements (P) is different, and the photoelectric conversion element ( The half width of the absorption band of P) is 150 nm or less, and in each photoelectric conversion layer (E), the value of the energy level of the lowest empty orbit of the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a) A tandem photoelectric conversion element (TP) characterized in that the difference in energy level values of the lowest unoccupied orbit is 1 eV or less.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光電変換素子に関する。詳しくは、例えば、太陽電池素子や光センサー素子に使用される光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element. Specifically, for example, the present invention relates to a photoelectric conversion element used for a solar cell element or an optical sensor element.
有機薄膜太陽電池は、2つの異種電極間に、導電性高分子(正孔受容体)および電子輸送層(電子受容体)を有する光電変換層を配置してなる太陽電池であり、シリコンなどに代表される無機太陽電池に比べ製造工程が容易であり、かつ低コストで大面積化が可能であるという利点を持つ。しかしながら、光電変換効率が低いことから実用に供することは困難であった。 An organic thin film solar cell is a solar cell in which a photoelectric conversion layer having a conductive polymer (hole acceptor) and an electron transport layer (electron acceptor) is disposed between two different electrodes, such as silicon. Compared to a representative inorganic solar cell, there are advantages that the manufacturing process is easy and the area can be increased at low cost. However, since the photoelectric conversion efficiency is low, it has been difficult to put it into practical use.
この低い光電変換効率を改善するための有力な手法として、光電変換層を複数積層した、タンデム型の光電変換素子が挙げられる。 As a promising method for improving this low photoelectric conversion efficiency, a tandem photoelectric conversion element in which a plurality of photoelectric conversion layers are stacked can be given.
タンデム型の光電変換素子として、例えば、一つの光電変換層中に導電性高分子(正孔受容体)と電子輸送層(電子受容体)とを交互に積層した多層膜を含んで形成される素子(特許文献1)、または光電変換層と電極とを交互に積層した素子(特許文献2)が挙げられるが、光の吸収波長領域は単層の場合と等しく、特定の波長領域の光しか発電に利用することができず、光電変換効率を大きく改善することは困難であった。 As a tandem photoelectric conversion element, for example, it is formed to include a multilayer film in which conductive polymers (hole acceptors) and electron transport layers (electron acceptors) are alternately stacked in one photoelectric conversion layer. Examples include an element (Patent Document 1) or an element in which photoelectric conversion layers and electrodes are alternately stacked (Patent Document 2). However, the light absorption wavelength region is the same as that of a single layer, and only light in a specific wavelength region is used. It could not be used for power generation, and it was difficult to greatly improve the photoelectric conversion efficiency.
それに対して、各光電変換層の吸収波長極大が異なるものを積層した、タンデム型光電変換素子(特許文献3)では、太陽光のより広い波長領域の利用が達成できているが、吸収バンドの半値幅が広く、更に導電性高分子(正孔受容体)と電子輸送層(電子受容体)との最低空軌道のエネルギー準位の差が大きいため、この場合においても光電変換効率を大きく改善することは困難であった。 On the other hand, in the tandem photoelectric conversion element (Patent Document 3) in which the layers having different absorption wavelength maxima of each photoelectric conversion layer are stacked, utilization of a wider wavelength region of sunlight can be achieved. The half-width is wide and the difference in the energy level of the lowest vacant orbit between the conductive polymer (hole acceptor) and the electron transport layer (electron acceptor) is large. In this case, the photoelectric conversion efficiency is greatly improved. It was difficult to do.
上記の様に、タンデム型有機薄膜太陽電池素子として、様々な検討が行われているが、吸収バンドの半値幅が広いために、光電変換層内部でのエネルギー移動による、励起電子のエネルギー準位の緩和を防止できておらず、高い光電変換効率を得る事が期待出来ない。つまり、光電変換層内部でのエネルギー移動による、励起電子のエネルギー準位の緩和を防止する(吸収バンドの半値幅を狭くする)事が、有機薄膜太陽電池素子の光電変換効率を向上させる為には不可欠である。 As described above, various studies have been made on tandem organic thin-film solar cell elements. However, since the half-value width of the absorption band is wide, the energy level of excited electrons due to energy transfer inside the photoelectric conversion layer. Cannot be prevented, and high photoelectric conversion efficiency cannot be expected. In other words, in order to improve the photoelectric conversion efficiency of the organic thin-film solar cell element, it is possible to prevent relaxation of the energy level of the excited electrons due to energy transfer inside the photoelectric conversion layer (narrow the half-value width of the absorption band). Is essential.
更に、導電性高分子(正孔受容体)と電子輸送層(電子受容体)の最低空軌道(LUMO)の値の差が過大である事も、高い光電変換効率を得る事が期待出来ない理由であり、この導電性高分子(正孔受容体)と電子輸送層(電子受容体)のLUMOの値の差をより小さくする事での開放電圧向上が、有機薄膜太陽電池素子の光電変換効率を向上させる為には不可欠である。 Furthermore, it is not expected that high photoelectric conversion efficiency can be obtained because the difference between the minimum empty orbital (LUMO) values of the conductive polymer (hole acceptor) and the electron transport layer (electron acceptor) is excessive. This is the reason why the open circuit voltage can be improved by reducing the difference in LUMO between the conductive polymer (hole acceptor) and the electron transport layer (electron acceptor). Indispensable for improving efficiency.
従来のタンデム型光電変換素子においては、光電変換層内部でのエネルギー移動による、励起電子のエネルギー準位の緩和を防止する事、及びより大きな開放電圧を得る事が出来ていないため、未だ、高い光電変換効率を得る事が期待出来ない。
本発明の課題は、高い光電変換効率を得る事ができる光電変換素子を提供することである。
In the conventional tandem photoelectric conversion element, the energy level of the excited electrons is prevented from being relaxed by the energy transfer inside the photoelectric conversion layer, and a larger open circuit voltage cannot be obtained. It cannot be expected to obtain photoelectric conversion efficiency.
The subject of this invention is providing the photoelectric conversion element which can obtain high photoelectric conversion efficiency.
本発明者らは、上記の目的を達成するべく検討を行った結果、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、基板(T)上に層状に形成された2つの電極層(Y)間に、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有する光電変換層(E)を有する光電変換素子(P)を2〜4個積層してなるタンデム型光電変換素子(TP)であって、少なくとも2個の光電変換素子(P)の極大吸収波長が異なり、かつ、光電変換素子(P)の吸収バンドの半値幅が150nm以下であり、かつ、各々の光電変換層(E)において導電性高分子(d)の最低空軌道のエネルギー準位の値と電子受容体(a)の最低空軌道のエネルギー準位の値の差が1eV以下であることを特徴とする、タンデム型光電変換素子(TP)
である。
The inventors of the present invention have reached the present invention as a result of studies to achieve the above object.
That is, the present invention provides a photoelectric conversion layer (E) containing a conductive polymer (d) and an electron acceptor (a) between two electrode layers (Y) formed in layers on a substrate (T). A tandem photoelectric conversion element (TP) formed by laminating 2 to 4 photoelectric conversion elements (P) having different maximum absorption wavelengths of at least two photoelectric conversion elements (P), and photoelectric conversion The half width of the absorption band of the element (P) is 150 nm or less, and the value of the energy level of the lowest empty orbit of the conductive polymer (d) in each photoelectric conversion layer (E) and the electron acceptor (a ) Of the lowest empty orbital energy level is 1 eV or less, a tandem photoelectric conversion element (TP)
It is.
本発明のタンデム型光電変換素子は高い光電変換効率を達成する事ができる。 The tandem photoelectric conversion element of the present invention can achieve high photoelectric conversion efficiency.
本発明のタンデム型光電変換素子が高い光電変換効率を達成する事ができる理由は、
(1)光の吸収領域を有する導電性高分子内部でのエネルギー移動による、励起電子のエネルギー準位の緩和を防止することができること、
(2)導電性高分子(正孔受容体)と電子輸送層(電子受容体)の最低空軌道(LUMO)の値の差をより小さくする事で開放電圧を向上すること
ができるためである。
The reason why the tandem photoelectric conversion element of the present invention can achieve high photoelectric conversion efficiency is as follows:
(1) It is possible to prevent relaxation of energy levels of excited electrons due to energy transfer inside the conductive polymer having a light absorption region,
(2) This is because the open-circuit voltage can be improved by reducing the difference between the minimum empty orbit (LUMO) values of the conductive polymer (hole acceptor) and the electron transport layer (electron acceptor). .
(1)の励起電子のエネルギー準位の緩和防止に関しては、極大吸収波長が異なり、かつ、吸収バンドの半値幅が150nm以下である、光電変換素子(P)を2個以上積層することで達成でき、(2)の開放電圧向上に関しては、導電性高分子(d)と電子受容体(a)における、最低空軌道のエネルギー準位の値の差を1eV以下とすることで、達成できる。 The prevention of relaxation of the energy level of the excited electrons in (1) is achieved by stacking two or more photoelectric conversion elements (P) having different maximum absorption wavelengths and having a half-value width of an absorption band of 150 nm or less. In addition, the improvement of the open circuit voltage of (2) can be achieved by setting the difference in the energy level of the lowest empty orbit between the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a) to 1 eV or less.
本発明のタンデム型光電変換素子(TP)は、基板(T)上に層状に形成された2つの電極層(Y)間に、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有する光電変換層(E)を有する光電変換素子(P)を2〜4個積層してなるタンデム型光電変換素子(TP)である。
光電変換素子(P)を5個以上積層すると、光の透過性の観点から好ましくない。
光電変換素子(P)は光の透過性、及び太陽光のより広い波長領域の利用という理由から3〜4個積層するのが好ましく、4個積層するのがさらに好ましい。
光電変換素子(P)の極大吸収波長については、少なくとも2個の光電変換素子(P)の極大吸収波長が異なり、3個又は4個の光電変換素子(P)が積層してなる場合に少なくとも3個の光電変換素子(P)の極大吸収波長が異なることが好ましく、4個の光電変換素子(P)が積層してなる場合にすべての光光電変換素子(P)の極大吸収波長が異なることがさらに好ましい。
The tandem photoelectric conversion element (TP) of the present invention contains a conductive polymer (d) and an electron acceptor (a) between two electrode layers (Y) formed in layers on a substrate (T). It is a tandem photoelectric conversion element (TP) formed by laminating 2 to 4 photoelectric conversion elements (P) each having a photoelectric conversion layer (E).
When five or more photoelectric conversion elements (P) are stacked, it is not preferable from the viewpoint of light transmittance.
Three to four photoelectric conversion elements (P) are preferably stacked for the reason of light transmittance and utilization of a wider wavelength region of sunlight, and more preferably four.
Regarding the maximum absorption wavelength of the photoelectric conversion element (P), the maximum absorption wavelengths of at least two photoelectric conversion elements (P) are different and at least when three or four photoelectric conversion elements (P) are laminated. It is preferable that the maximum absorption wavelengths of the three photoelectric conversion elements (P) are different, and when the four photoelectric conversion elements (P) are laminated, the maximum absorption wavelengths of all the photoelectric conversion elements (P) are different. More preferably.
光電変換素子(P)の吸収バンドの半値幅は、150nm以下であり、100nm以下が好ましく、80nm以下がさらに好ましい。ここで半値幅とは、ひとつの吸収バンドの極大吸収波長νmaxでの吸光度をεmaxとすると、νmaxの両側でε=(1/2)εmaxをもつ2点の波長ν1、ν2の間隔Δν=ν2−ν1を半値幅というものとする。また、光電変換素子(P)の吸収領域とはν1〜ν2の領域をいうものとする。 The half width of the absorption band of the photoelectric conversion element (P) is 150 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 80 nm or less. Here, the half-value width is the distance Δν = ν2 between two wavelengths ν1 and ν2 having ε = (1/2) εmax on both sides of νmax, where εmax is the absorbance at the maximum absorption wavelength νmax of one absorption band. Let ν1 be the half width. Further, the absorption region of the photoelectric conversion element (P) refers to a region of ν1 to ν2.
各々の光電変換層(E)において導電性高分子(d)の最低空軌道のエネルギー準位の値と電子受容体(a)の最低空軌道のエネルギー準位の値の差は、光電変換層(E)の開放電圧に直接影響を及ぼし、この差が小さい程、開放電圧が大きくなる。該エネルギー準位の値の差は1eV以下であり、0.8eV以下が好ましい。該エネルギー準位の値の差が1eVを超えると十分な開放電圧が得られない。 In each photoelectric conversion layer (E), the difference between the value of the energy level of the lowest empty orbit of the conductive polymer (d) and the value of the energy level of the lowest empty orbit of the electron acceptor (a) is the photoelectric conversion layer. It directly affects the open circuit voltage of (E), and the smaller this difference, the greater the open circuit voltage. The difference in energy level value is 1 eV or less, preferably 0.8 eV or less. If the difference between the energy level values exceeds 1 eV, a sufficient open circuit voltage cannot be obtained.
本発明の光電変換素子は、基板(T)上に形成された2つの電極(Y)間に、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有する光電変換層(E)を有する光電変換素子であって、異なる極大吸収波長を有する光電変換素子(P)を少なくとも2種類以上積層してなり、かつ、各々の光電変換層(E)において導電性高分子(d)の最低空軌道の値と電子受容体(a)の最低空軌道の値の差が1eV以内であることを特徴とする、タンデム型光電変換素子(TP)である。1例として図1にその代表的な構造の概略断面図を示す。以下に各構成部位についてその詳細を説明する。 The photoelectric conversion element of the present invention comprises a photoelectric conversion layer (E) containing a conductive polymer (d) and an electron acceptor (a) between two electrodes (Y) formed on a substrate (T). A photoelectric conversion element having at least two kinds of photoelectric conversion elements (P) having different maximum absorption wavelengths, and a minimum of the conductive polymer (d) in each photoelectric conversion layer (E). The tandem photoelectric conversion element (TP) is characterized in that the difference between the value of the empty orbit and the value of the lowest empty orbit of the electron acceptor (a) is within 1 eV. As an example, FIG. 1 shows a schematic sectional view of a typical structure thereof. Details of each component will be described below.
(1)基板(T)
本発明における基板について説明する。基板は透明、不透明いずれでも良いが、基板面が受光体となる場合には透明基板が望ましい。この透明基板としては、光電変換素子外部から侵入する水分やガスの遮断性、耐溶剤性、耐候性等に優れているものが望ましく、例えば、石英ガラスなどの剛直板、透明樹脂フィルム等のフレキシブル基板が挙げられる。更に、優れた加工性、低コスト、軽量化といった観点から、本発明においては、フレキシブル基板である事が望ましい。透明樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。
(1) Substrate (T)
The substrate in the present invention will be described. The substrate may be either transparent or opaque, but a transparent substrate is desirable when the substrate surface is a photoreceptor. As this transparent substrate, a substrate excellent in moisture and gas barrier properties, solvent resistance, weather resistance and the like entering from the outside of the photoelectric conversion element is desirable. For example, a rigid plate such as quartz glass, a flexible resin such as a transparent resin film, etc. A substrate is mentioned. Furthermore, in the present invention, a flexible substrate is desirable from the viewpoint of excellent workability, low cost, and light weight. Examples of the transparent resin film include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyimide, and polymethyl methacrylate.
(2)電極(Y)
続いて、本発明における電極について説明する。
電極は基板(T)上に層状をなしていても、層状をなしていなくてもよいが、層状であることが好ましい。電極は必ずしも透光性を有する必要はないが、基板(T)上に層状をなしている場合は、少なくとも一方が透光性を有することが好ましい。電極は二つからなり、二つの層状を成していることが好ましい。電極は導電性を有するものであればいずれでも良く、スパッタリング法、イオンプレーティング法等により形成される。光透過性電極としては、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)、フッ素ドープSnO2(FTO)、SnO2等の導電性透明材料からなる金属薄膜が好ましく、光遮光性電極としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の金属薄膜が好ましい。この電極の厚さは、特に限定されないが、例えば80〜100nm程度である。
(2) Electrode (Y)
Then, the electrode in this invention is demonstrated.
The electrode may or may not be layered on the substrate (T), but is preferably layered. The electrode does not necessarily have translucency, but when the electrode is layered on the substrate (T), it is preferable that at least one of the electrodes has translucency. It is preferable that the electrode is composed of two layers and has two layers. Any electrode may be used as long as it has conductivity, and it is formed by sputtering, ion plating, or the like. As the light transmissive electrode, a metal thin film made of a conductive transparent material such as indium-tin composite oxide (ITO), fluorine-doped SnO 2 (FTO), SnO 2 is preferable, and as the light shielding electrode, an alkali metal, Metal thin films such as alkaline earth metals are preferred. Although the thickness of this electrode is not specifically limited, For example, it is about 80-100 nm.
(3)光電変換層(E)
続いて、本発明に用いられる光電変換層について説明する。本発明における光電変換層は、導電性高分子(d)及び電子輸送層(電子受容体)(a)を含有しており、好ましくは正孔輸送層(正孔受容体)(s)を兼ねた導電性高分子(d)、及び電子輸送層(電子受容体)(a)を含有している。
上記、含有される導電性高分子と電子輸送層(電子受容体)の形態は特に限定されるものではないが、好ましくは両者が混在した電子正孔輸送層という単一層構造、つまり、バルクヘテロ接合である。この構造をとることにより分子レベルでのpn接合が可能となり、このため光電変換に関与する体積の増加が可能となるという効果が得られる。
上述のような光電変換層(E)は、導電性高分子(d)と電子受容体(a)の混合溶液から溶媒を除去することで得ることができる。
(3) Photoelectric conversion layer (E)
Then, the photoelectric converting layer used for this invention is demonstrated. The photoelectric conversion layer in the present invention contains a conductive polymer (d) and an electron transport layer (electron acceptor) (a), and preferably also serves as a hole transport layer (hole acceptor) (s). A conductive polymer (d) and an electron transport layer (electron acceptor) (a).
The form of the conductive polymer and the electron transport layer (electron acceptor) contained is not particularly limited, but is preferably a single layer structure of an electron hole transport layer in which both are mixed, that is, a bulk heterojunction. It is. By adopting this structure, a pn junction at the molecular level becomes possible, and thus an effect of increasing the volume involved in photoelectric conversion can be obtained.
The photoelectric conversion layer (E) as described above can be obtained by removing the solvent from the mixed solution of the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a).
本発明においては、異なる極大吸収波長を有する光電変換素子(P)を少なくとも2種類以上積層しているものである。これを用いる事で、光の吸収領域を有する導電性高分子(d)内部でのエネルギー移動による、励起電子のエネルギー準位の緩和を防止することができるため、高い光電変換効率が得られる。 In the present invention, at least two types of photoelectric conversion elements (P) having different maximum absorption wavelengths are laminated. By using this, relaxation of the energy level of the excited electrons due to energy transfer inside the conductive polymer (d) having the light absorption region can be prevented, so that high photoelectric conversion efficiency can be obtained.
上記の理由として、以下のことが推定される。
従来、太陽光の利用のためには幅広い吸収帯を持った導電性高分子(d)が用いられてきたが、光の吸収領域を有する導電性高分子(d)内部でのエネルギー移動速度は電荷分離速度よりはるかに速いため、短波長の光を吸収して高いエネルギー準位に励起された電子は分子内エネルギー移動によって、長波長端の準位に緩和した後に電荷分離が起きる。従って、短波長の光エネルギーにより励起、生成した電子、正孔が本来保持すべきエネルギーの相当部分を失う。しかし、特定波長にのみ吸収域を有する上記導電性高分子(d)を用いた光電変換層(E)では、内部でのエネルギー移動による、励起電子のエネルギー準位の緩和を防止するため、高い光電変換効率が得られると、推測される。
As the above reason, the following is estimated.
Conventionally, a conductive polymer (d) having a wide absorption band has been used for the use of sunlight, but the energy transfer rate inside the conductive polymer (d) having a light absorption region is Since it is much faster than the charge separation rate, electrons that are excited to a high energy level by absorbing light of a short wavelength are relaxed to a level at the long wavelength end by intramolecular energy transfer, and then charge separation occurs. Therefore, a considerable portion of the energy that the electrons and holes excited and generated by the light energy of short wavelength should originally hold is lost. However, in the photoelectric conversion layer (E) using the conductive polymer (d) having an absorption region only at a specific wavelength, it is high in order to prevent relaxation of the energy level of excited electrons due to internal energy transfer. It is estimated that photoelectric conversion efficiency is obtained.
導電性高分子(d)が特定波長にのみ吸収域を有するとは、具体的には、導電性高分子(d)の吸収バンドの半値幅が150nm以下であることをいう。光電変換層(E)は、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有し、光の吸収バンドを有するのは導電性高分子(d)のみであるから、光電変換層(E)の吸収バンドは、導電性高分子(d)の吸収バンドと実質上同じであると考えてよい。
また、光電変換層(E)の光の吸収バンドを測定するために、光電変換素子(P)の光の吸収バンドを測定してもかまわない。
The conductive polymer (d) having an absorption region only at a specific wavelength specifically means that the half-value width of the absorption band of the conductive polymer (d) is 150 nm or less. Since the photoelectric conversion layer (E) contains the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a), and only the conductive polymer (d) has a light absorption band, the photoelectric conversion layer ( It can be considered that the absorption band of E) is substantially the same as the absorption band of the conductive polymer (d).
In addition, in order to measure the light absorption band of the photoelectric conversion layer (E), the light absorption band of the photoelectric conversion element (P) may be measured.
本発明のタンデム型光電変換素子(TP)において、積層された各光電変換素子(P)の接続は、並列、直列いずれでも良いが、取り出す電流を大きくしたい場合には並列が好ましく、取り出す電圧を大きくしたい場合には直列が好ましい。 In the tandem photoelectric conversion element (TP) of the present invention, the stacked photoelectric conversion elements (P) may be connected either in parallel or in series. However, in order to increase the current to be extracted, parallel connection is preferable. In order to increase it, series is preferable.
光電変換素子(P)の積層数を4とした場合は、光電変換素子(P)が、紫外青色領域(300〜449nm)(E1)、緑黄色領域(450〜666nm)(E2)、橙赤色領域(667〜931nm)(E3)、および近赤外領域(932〜1200nm)(E4)の4波長域に各々極大吸収波長を有する層を、4層積層することが好ましい。
ここで各領域の境界値の取り扱いは、小数点1桁の値を四捨五入して判断するものとする。例えば、449.4nm以下は449nmとしてE1とし、449.5nm以上は450nmとしてE2とするものとする。
When the number of stacked photoelectric conversion elements (P) is 4, the photoelectric conversion elements (P) have an ultraviolet blue region (300 to 449 nm) (E1), a green yellow region (450 to 666 nm) (E2), and an orange red region. It is preferable that four layers each having a maximum absorption wavelength in four wavelength regions of (667 to 931 nm) (E3) and near infrared region (932 to 1200 nm) (E4) are laminated.
Here, the handling of the boundary value of each area is determined by rounding off the value of one decimal place. For example, it is assumed that 449.4 nm or less is E1 as 449 nm, and 449.5 nm or more is 450 nm as E2.
光電変換素子(P)の積層数を3とした場合は、紫外青色領域(300〜449nm)(E1)、緑黄色領域(450〜666nm)(E2)、および橙赤色領域(667〜931nm)(E3)の3波長域に各々極大吸収波長を有する層を、3層積層することが好ましい。 When the number of stacked photoelectric conversion elements (P) is 3, the ultraviolet blue region (300 to 449 nm) (E1), the greenish yellow region (450 to 666 nm) (E2), and the orange red region (667 to 931 nm) (E3) It is preferable to laminate three layers each having a maximum absorption wavelength in the three wavelength regions.
光電変換素子(P)の積層数を2とした場合は、紫外青色領域(300〜449nm)(E1)、および緑黄色領域(450〜666nm)(E2)の2波長域、もしくは紫外青色領域(300〜449nm)(E1)、橙赤色領域(667〜931nm)(E3)の2波長域、もしくは緑黄色領域(450〜666nm)(E2)、橙赤色領域(667〜931nm)(E3)の2波長域、に各々極大吸収波長を有する層を、2層積層することが好ましい。 When the number of stacked layers of the photoelectric conversion elements (P) is 2, the two-wavelength region of the ultraviolet blue region (300 to 449 nm) (E1) and the greenish yellow region (450 to 666 nm) (E2), or the ultraviolet blue region (300 ˜449 nm) (E1), two wavelength regions of orange-red region (667-931 nm) (E3), or green-yellow region (450-666 nm) (E2), two wavelength regions of orange-red region (667-931 nm) (E3) It is preferable to laminate two layers each having a maximum absorption wavelength.
上記で説明したように、導電性高分子(d)としては、正孔輸送層(正孔受容体)(s)として機能、かつ各吸収域の特定波長にのみ吸収域を有するものが好ましく、例えば、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体等が挙げられる。一方、電子輸送層(電子受容体)(a)に関しては、電子輸送能に優れたものが好ましく、例えば、フラーレン誘導体等が挙げられる。 As described above, the conductive polymer (d) preferably functions as a hole transport layer (hole acceptor) (s) and has an absorption region only at a specific wavelength of each absorption region, For example, a polythiophene derivative, a polyfluorene derivative, etc. are mentioned. On the other hand, regarding the electron transport layer (electron acceptor) (a), those excellent in electron transport ability are preferable, and examples thereof include fullerene derivatives.
紫外青色領域(300〜449nm)に吸収帯を有する光電変換層(E1)について、導電性高分子(d1)としては、紫外青色領域(300〜449nm)に吸収帯を有するものが好ましく、例えば、ポリフルオレン誘導体、ポリチエノアセン等が挙げられる。 For the photoelectric conversion layer (E1) having an absorption band in the ultraviolet blue region (300 to 449 nm), the conductive polymer (d1) preferably has an absorption band in the ultraviolet blue region (300 to 449 nm). Examples include polyfluorene derivatives and polythienoacenes.
緑黄色領域(450〜666nm)に吸収帯を有する光電変換層(E2)について、導電性高分子(d2)としては、緑黄色領域(450〜666nm)に吸収帯を有するものが好ましく、例えば、ポリチオフェン誘導体等が挙げられる。 Regarding the photoelectric conversion layer (E2) having an absorption band in the green-yellow region (450 to 666 nm), the conductive polymer (d2) preferably has an absorption band in the green-yellow region (450 to 666 nm). For example, a polythiophene derivative Etc.
橙赤色領域(667〜931nm)に吸収帯を有する光電変換層(E3)について、導電性高分子(d3)としては、橙赤色領域(667〜931nm)に吸収帯を有するものが好ましく、例えば、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体等が挙げられる。 For the photoelectric conversion layer (E3) having an absorption band in the orange-red region (667 to 931 nm), the conductive polymer (d3) preferably has an absorption band in the orange-red region (667 to 931 nm). Examples include porphyrin derivatives and phthalocyanine derivatives.
近赤外領域(932〜1200nm)に吸収帯を有する光電変換層(E4)について、導電性高分子(d4)としては、近赤外領域(932〜1200nm)に吸収帯を有するものが好ましく、例えば、シアニン誘導体等が挙げられる。 For the photoelectric conversion layer (E4) having an absorption band in the near infrared region (932 to 1200 nm), the conductive polymer (d4) preferably has an absorption band in the near infrared region (932 to 1200 nm), For example, a cyanine derivative etc. are mentioned.
光電変換素子(P)の積層順はいずれの順番でもよいが、例えば、低波長側から順に積層されたもの(E1、E2、E3、E4の順)等が挙げられる。 Any order may be sufficient as the lamination | stacking order of a photoelectric conversion element (P), For example, what was laminated | stacked in order from the low wavelength side (E1, E2, E3, order of E4) etc. are mentioned.
本発明において、上述した光電変換層に用いる導電性高分子(d)と電子輸送層(電子受容体)(a)の重量比率としては、良好な電子輸送能を有する電子正孔輸送層を形成すれば特に限定されるものでは無いが、例えば(d)/(a)=1/10〜1/1が好ましく、他の各構成材料種の組み合わせによって、最適な混合比に適宜変更する事が好ましい。 In the present invention, as the weight ratio of the conductive polymer (d) and the electron transport layer (electron acceptor) (a) used in the above-described photoelectric conversion layer, an electron hole transport layer having good electron transport ability is formed. Although not particularly limited, for example, (d) / (a) = 1/10 to 1/1 is preferable, and may be appropriately changed to an optimal mixing ratio depending on the combination of other constituent material types. preferable.
本発明において、上述した光電変換層の膜厚は特に限定されるものでは無く、いずれでも良い。ただし、膜厚が薄過ぎると短絡し、厚過ぎると、膜抵抗が高くなる為、一般的な光電変換素子に用いられている膜厚が好ましく、例えば、20〜800nmである。 In the present invention, the film thickness of the above-described photoelectric conversion layer is not particularly limited, and any film thickness may be used. However, if the film thickness is too thin, the film is short-circuited, and if it is too thick, the film resistance becomes high. Therefore, the film thickness used for a general photoelectric conversion element is preferable, for example, 20 to 800 nm.
本発明において、上述した光電変換層の形成法は、所定の膜厚に均一に形成する事が出来る方法であれば特に限定されるものでは無く、いずれでも良い。例えば、スピンコート法またはダイコート法等が挙げられる。 In the present invention, the method for forming the photoelectric conversion layer described above is not particularly limited as long as it can be uniformly formed in a predetermined film thickness, and any method may be used. For example, a spin coating method or a die coating method can be used.
(5)その他の構成
本発明に用いられるその他の構成について説明する。本発明の光電変換素子内部に、電荷の移動を促進する目的で、電荷取出し層(i)を形成しても良い。
構成する化合物、層数は特に限定されるものでは無いが、例えば、正孔取り出し層(i)としては、ポリ(スチレンスルホン酸塩)/ポリ(2,3−ジヒドロチエノ[3,4−b]−1,4−ダイオキシン)(以下「PEDOT/PSS」と呼ぶ)等が挙げられる。
(5) Other structure The other structure used for this invention is demonstrated. A charge extraction layer (i) may be formed in the photoelectric conversion element of the present invention for the purpose of promoting the movement of charges.
The constituent compound and the number of layers are not particularly limited. For example, as the hole extraction layer (i), poly (styrenesulfonate) / poly (2,3-dihydrothieno [3,4-b] -1,4-dioxin) (hereinafter referred to as “PEDOT / PSS”) and the like.
本発明のタンデム型光電変換素子(TP)を太陽電池素子(S)として使用する場合は、基板(T)上に形成された2つの電極(Y)間に、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有する光電変換層(E)であって、異なる極大吸収波長を有する光電変換層(E)を有する光電変換素子を少なくとも2種類以上積層してなり、かつ、各々の光電変換層(E)において導電性高分子(d)の最低空軌道の値と電子受容体(a)の最低空軌道の値の差が1eV以内である太陽電池素子(S)であって、それらの構成等は、上記、タンデム型光電変換素子(TP)で説明したものが好ましい。 When using the tandem photoelectric conversion element (TP) of the present invention as a solar cell element (S), the conductive polymer (d) and the two electrodes (Y) formed on the substrate (T) A photoelectric conversion layer (E) containing an electron acceptor (a), comprising at least two types of photoelectric conversion elements having photoelectric conversion layers (E) having different maximum absorption wavelengths, and each In the photoelectric conversion layer (E), a solar cell element (S) in which a difference between a value of the lowest empty orbit of the conductive polymer (d) and a value of the lowest empty orbit of the electron acceptor (a) is within 1 eV, As for the configuration and the like, those described above for the tandem photoelectric conversion element (TP) are preferable.
本発明のタンデム型光電変換素子(TP)を光センサー素子(U)として使用する場合は、基板(T)上に形成された2つの電極(Y)間に、導電性高分子(d)と電子受容体(a)を含有する光電変換層(E)であって、異なる極大吸収波長を有する光電変換層(E)を有する光電変換素子を少なくとも2種類以上積層してなり、かつ、各々の光電変換層(E)において導電性高分子(d)の最低空軌道の値と電子受容体(a)の最低空軌道の値の差が1eV以内である光センサー素子(U)であって、それらの構成等は、上記、タンデム型光電変換素子(TP)で説明したものが好ましい。 When the tandem photoelectric conversion element (TP) of the present invention is used as a photosensor element (U), a conductive polymer (d) and a conductive polymer (d) are formed between two electrodes (Y) formed on a substrate (T). A photoelectric conversion layer (E) containing an electron acceptor (a), comprising at least two types of photoelectric conversion elements having photoelectric conversion layers (E) having different maximum absorption wavelengths, and each In the photoelectric conversion layer (E), the photosensor element (U) has a difference between the value of the lowest empty orbit of the conductive polymer (d) and the value of the lowest empty orbit of the electron acceptor (a) within 1 eV, As for the configuration and the like, those described above for the tandem photoelectric conversion element (TP) are preferable.
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
以下、特に記載のないかぎり、「部」「wt」は「重量部」、%は重量%を意味する。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to this.
Hereinafter, unless otherwise specified, “parts” and “wt” mean “parts by weight” and% means% by weight.
<導電性高分子(d)の最低空軌道のエネルギー準位の値と電子受容体(a)の最低空軌道のエネルギー準位の値の差δの測定方法>
導電性高分子(d)と電子受容体(a)の第一還元電位をサイクッリックボルタンメトリー(エーエルエス(有)製:Model1000)で測定する事により、導電性高分子(d)と電子受容体(a)の各々の最低空軌道のエネルギー準位を算出する。その両者の最低空軌道のエネルギー準位の値の差がδである。
<Measuring method of difference δ between energy level value of lowest empty orbit of conductive polymer (d) and value of energy level of lowest empty orbit of electron acceptor (a)>
By measuring the first reduction potential of the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a) by cyclic voltammetry (manufactured by ALS: Model 1000), the conductive polymer (d) and the electron acceptor ( The energy level of each lowest empty orbit in a) is calculated. The difference between the energy levels of the lowest empty orbit is δ.
<光電変換素子(P)の極大吸収波長の測定方法>
光電変換素子(P)の極大吸収波長は、紫外可視近赤外分光光度計(島津製作所(株)製;UV−3600)を用いて、光電変換素子(P)に光を透過させて測定した。
<Measurement method of maximum absorption wavelength of photoelectric conversion element (P)>
The maximum absorption wavelength of the photoelectric conversion element (P) was measured by transmitting light to the photoelectric conversion element (P) using an ultraviolet-visible near-infrared spectrophotometer (manufactured by Shimadzu Corporation; UV-3600). .
(製造例1)紫外青色領域(300〜449nm)(E1)用の導電性高分子(d)
導電性高分子として、ペンタチエノアセン(以降、PTAと呼ぶ。一般式(1)で示される化合物)を合成した。
(Production Example 1) Conductive polymer (d) for ultraviolet blue region (300 to 449 nm) (E1)
As the conductive polymer, pentathienoacene (hereinafter referred to as PTA, a compound represented by the general formula (1)) was synthesized.
PTA(一般式(1))の合成
3−ブロモチエノ[3,2−b]チオフェン(東京化成工業(株)製)2.0gをジエチルエーテル30mlに溶解させ、−78℃に冷却した後、1.6mol/ln−ブチルリチウムヘキサン溶液 (和光純薬(株)製)6.3mlを5分かけて滴下し、−78℃を保ったまま、40分攪拌し、ビス(ベンゼンスルホニル)スルフィド(下記記載の手法により合成)1.44gを加え、−78℃で更に1時間攪拌した。25℃に昇温し、12時間攪拌した。水50ml、ジエチルエーテル150mlを加え、有機層を分液した。この有機層を飽和食塩水150mlで洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥した後、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒;ヘキサン)で精製し、ビス(3−ブロモチエノ[3,2−b]チエニル)スルフィド(以降、3BTTSと呼ぶ)584mgを得た。この合成法はJournal of the American Chemical Society, 2005年,127号,13281−13286頁記載の方法に準拠した。
Synthesis of PTA (General Formula (1)) 2.0 g of 3-bromothieno [3,2-b] thiophene (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was dissolved in 30 ml of diethyl ether and cooled to -78 ° C. 6.3 ml of a 6 mol / ln-butyllithium hexane solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added dropwise over 5 minutes, and the mixture was stirred for 40 minutes while maintaining -78 ° C. to give bis (benzenesulfonyl) sulfide (described below). 1.44 g) was added and the mixture was further stirred at -78 ° C for 1 hour. The temperature was raised to 25 ° C. and stirred for 12 hours. 50 ml of water and 150 ml of diethyl ether were added, and the organic layer was separated. This organic layer was washed with 150 ml of saturated brine and dried over anhydrous magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off under reduced pressure. Purification by silica gel column chromatography (developing solvent; hexane) gave 584 mg of bis (3-bromothieno [3,2-b] thienyl) sulfide (hereinafter referred to as 3BTTS). This synthesis method was based on the method described in Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 13281-13286.
3BTTS1.0gをジエチルエーテル100mlに溶解させ、−10℃に冷却した後、1.6mol/ln−ブチルリチウムヘキサン溶液4.7mlを5分かけて滴下し、−10℃を保ったまま、2時間攪拌した。塩化銅(II)(和光純薬(株)製)0.95gをジエチルエーテル30mlに懸濁させた、懸濁液を加え、25℃に昇温し、12時間攪拌した。水50ml、ジエチルエーテル150mlを加え、有機層を分液した。この有機層を飽和食塩水150mlで洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥した後、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒;ヘキサン)で精製し、PTA250mgを得た。この合成法はJournal of the American Chemical Society, 2005年,127号,13281−13286頁記載の方法に準拠した。 After dissolving 1.0 g of 3BTTS in 100 ml of diethyl ether and cooling to −10 ° C., 4.7 ml of 1.6 mol / ln-butyllithium hexane solution was added dropwise over 5 minutes, and kept at −10 ° C. for 2 hours. Stir. Suspension obtained by suspending 0.95 g of copper (II) chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in 30 ml of diethyl ether was added, the temperature was raised to 25 ° C., and the mixture was stirred for 12 hours. 50 ml of water and 150 ml of diethyl ether were added, and the organic layer was separated. This organic layer was washed with 150 ml of saturated brine and dried over anhydrous magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off under reduced pressure. Purification by silica gel column chromatography (developing solvent: hexane) gave 250 mg of PTA. This synthesis method was based on the method described in Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 13281-13286.
上記、ビス(ベンゼンスルホニル)スルフィドは以下の手法により、合成した。
ベンゼンスルフィン酸ナトリウム(和光純薬(株)製)25.0gをベンゼン400mlに懸濁させ、二塩化硫黄4.8mlとベンゼン25mlの混合溶液を、30分かけて滴下した。25℃で2時間攪拌させた後、沈殿物を濾去し、溶媒を減圧留去した。残渣をベンゼンから再結晶することで、ビス(ベンゼンスルホニル)スルフィド19gを得た。この合成法はJournal of Organic Chemistry,1971年,36号,1645−1648頁記載の方法に準拠した。
The above bis (benzenesulfonyl) sulfide was synthesized by the following method.
25.0 g of sodium benzenesulfinate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was suspended in 400 ml of benzene, and a mixed solution of 4.8 ml of sulfur dichloride and 25 ml of benzene was added dropwise over 30 minutes. After stirring at 25 ° C. for 2 hours, the precipitate was removed by filtration, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The residue was recrystallized from benzene to obtain 19 g of bis (benzenesulfonyl) sulfide. This synthesis method was based on the method described in Journal of Organic Chemistry, 1971, 36, 1645-1648.
(製造例2)紫外青色領域(300〜449nm)(E1)用の電子受容体(a)
フラーレン誘導体として、2−フェニル[60]フラーロピロリジン(以降、PFPと呼ぶ。一般式(2)で示される化合物)を合成した。
(Production Example 2) Electron acceptor (a) for ultraviolet blue region (300 to 449 nm) (E1)
As the fullerene derivative, 2-phenyl [60] fulleropyrrolidine (hereinafter referred to as PFP, a compound represented by the general formula (2)) was synthesized.
PFP(一般式(2))の合成
グリシン156mg(和光純薬(株)製)とベンズアルデヒド149mg(和光純薬(株)製)、フラーレン[C60]500mg(和光純薬(株)製)をトルエン200mlに加えた後、この溶液を120℃で16時間攪拌した。溶媒を減圧留去した後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒;トルエン)で精製し、フェニルフラーロピロリジン誘導体PFPを70mg得た。この合成法はJournal of Organic Chemistry,2001年,66号,5033−5041頁、または、Journal of the American Chemical Society,2003年,125号,15093−15100頁記載の方法に準拠した。
Synthesis of PFP (general formula (2)) 156 mg of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 149 mg of benzaldehyde (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 500 mg of fullerene [C60] (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) After adding to 200 ml, the solution was stirred at 120 ° C. for 16 hours. After the solvent was distilled off under reduced pressure, the residue was purified by silica gel column chromatography (developing solvent; toluene) to obtain 70 mg of phenylfulleropyrrolidine derivative PFP. This synthesis method was based on the method described in Journal of Organic Chemistry, 2001, 66, pages 5033-5041, or Journal of the American Chemical Society, 2003, 125, 15093-15100.
(実施例1)光電変換素子(P)を4個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP−1)
(紫外青色領域(300〜449nm)に吸収帯を有する光電変換素子(P1)の作成)
(透明電極(Y)の作成)
透明基板及び透明導電膜として、大きさが25mm角でシート抵抗が10Ω/cm−2のITO膜付きポリエチレンテレフタレート(以降、PETと呼ぶ)フィルムを用いた。そして、そのITO膜上に所定形状のマスクを形成した後、これを1N塩酸に1時間浸漬する事でITO膜のパターニングを行い、透明電極を形成した。
Example 1 Parallel tandem photoelectric conversion element (TP-1) in which four photoelectric conversion elements (P) are stacked.
(Production of photoelectric conversion element (P1) having an absorption band in the ultraviolet blue region (300 to 449 nm))
(Creation of transparent electrode (Y))
As the transparent substrate and the transparent conductive film, a polyethylene terephthalate (hereinafter referred to as PET) film with an ITO film having a size of 25 mm square and a sheet resistance of 10 Ω / cm −2 was used. And after forming the mask of a predetermined shape on the ITO film | membrane, the ITO film | membrane was patterned by immersing this in 1N hydrochloric acid for 1 hour, and the transparent electrode was formed.
(正孔取出し層の作成)
上記の様にしてITO膜からなる透明電極が形成されたPETフィルム上に1.3重量%のポリ(スチレンスルホン酸塩)/ポリ(2,3−ジヒドロチエノ[3,4−b]−1,4−ダイオキシン)(以降、「PEDOT/PSS」と呼ぶ)(バイエル社製、品名BaytronP)をスピンコートし、120℃で30分間乾燥する事で厚さが約100nmのPEDOT/PSS膜を形成し、これを透明導電膜とした。
(Creation of hole extraction layer)
1.3% by weight of poly (styrene sulfonate) / poly (2,3-dihydrothieno [3,4-b] -1, on a PET film on which a transparent electrode made of an ITO film is formed as described above. 4-dioxin) (hereinafter referred to as “PEDOT / PSS”) (product name: BaytronP, manufactured by Bayer), spin-coated at 120 ° C. for 30 minutes to form a PEDOT / PSS film having a thickness of about 100 nm. This was used as a transparent conductive film.
(光電変換層(E1)の作成)
更に、PEDOT/PSS膜よりも少し大きい範囲にPTA(製造例1で合成した導電性高分子)/PFP(製造例2で合成した導電性高分子)(重量比は1/4)の混合溶液(5.0mLのクロロベンゼン中にPTA:PFP=15mg:60mgを溶解させたもの。)を前記透明導電膜上にスピンコートした後、窒素気流下で1時間25℃で乾燥し、さらに25℃で3時間減圧乾燥を行い、光電変換層を形成した。
(Creation of photoelectric conversion layer (E1))
Furthermore, a mixed solution of PTA (conductive polymer synthesized in Production Example 1) / PFP (conductive polymer synthesized in Production Example 2) (weight ratio is 1/4) in a slightly larger range than the PEDOT / PSS film. (PTA: PFP = 15 mg: 60 mg dissolved in 5.0 mL of chlorobenzene) was spin-coated on the transparent conductive film, dried at 25 ° C. for 1 hour under a nitrogen stream, and further at 25 ° C. The film was dried under reduced pressure for 3 hours to form a photoelectric conversion layer.
(対抗電極の作成)
最後に、対抗電極として、厚さ125nmのAl膜を前記光電変換層上に真空蒸着により形成した。以上の様にして光電変換素子(P1)を製造した。
この光電変換素子(P1)の吸収領域について、上記、光電変換素子(P)の極大吸収波長の測定方法に従い測定した所、極大吸収波長は344nmであり、吸収領域は300〜360nm、半値幅は60nmであった。
(Create counter electrode)
Finally, an Al film having a thickness of 125 nm was formed as a counter electrode on the photoelectric conversion layer by vacuum deposition. The photoelectric conversion element (P1) was manufactured as described above.
About the absorption region of this photoelectric conversion element (P1), when measured according to the measurement method of the maximum absorption wavelength of the photoelectric conversion element (P), the maximum absorption wavelength is 344 nm, the absorption region is 300 to 360 nm, and the half width is It was 60 nm.
また上記、導電性高分子(d)の最低空軌道のエネルギー準位の値と電子受容体(a)の最低空軌道のエネルギー準位の値の差δの測定方法に従い測定した所、PTAのLUMOのエネルギー準位の値は−2.0eV、PFPのLUMOのエネルギー準位の値は−2.8eVであり、δは0.8eVであった。 Further, when the difference δ between the value of the energy level of the lowest empty orbit of the conductive polymer (d) and the value of the energy level of the lowest empty orbit of the electron acceptor (a) was measured, The value of the LUMO energy level was −2.0 eV, the value of the LUMO energy level of PFP was −2.8 eV, and δ was 0.8 eV.
(緑黄色領域(450〜666nm)に吸収帯を有する光電変換素子(P2)の作成)
光電変換素子(P1)における、PTA/PFP混合溶液を、ポリ−3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル(以降、P3HTと呼ぶ)(和光純薬株式会社製、品名044746)/PCBM(フロンティアカーボン(株)製)混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P1)と同様にして光電変換素子(P2)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にP3HT:PCBM=15mg:60mgを含むものを用いた。
(Creation of photoelectric conversion element (P2) having an absorption band in a green-yellow region (450 to 666 nm))
The PTA / PFP mixed solution in the photoelectric conversion element (P1) is poly-3-hexylthiophene-2,5-diyl (hereinafter referred to as P3HT) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name 044746) / PCBM (frontier carbon). A photoelectric conversion element (P2) was formed in the same manner as the photoelectric conversion element (P1) except that it was replaced with a mixed solution. As a specific mixed solution, a solution containing P3HT: PCBM = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P2)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は532nmであり、吸収領域は510〜580nm、半値幅は70nmであった。 About the absorption region of this photoelectric conversion element (P2), when measured similarly to (P1), the maximum absorption wavelength was 532 nm, the absorption region was 510 to 580 nm, and the half width was 70 nm.
また、光電変換素子(P2)のδについて、(P1)と同様に測定した所、P3HTのLUMOのエネルギー準位の値は−3.0eVであり、PCBMのLUMOのエネルギー準位の値は−3.7eVであり、δは0.7eVであった。 Further, when δ of the photoelectric conversion element (P2) was measured in the same manner as in (P1), the value of the LUMO energy level of P3HT was −3.0 eV, and the value of the LUMO energy level of PCBM was − 3.7 eV and δ was 0.7 eV.
(橙赤色領域(667〜931nm)に吸収帯を有する光電変換素子(P3)の作成)
光電変換素子(P1)における、PTA/PFP混合溶液を、フタロシアニン銅(以降、CuPcと呼ぶ)(和光純薬(株)製)/PCBM混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P1)と同様にして光電変換素子(P3)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にCuPc:PCBM=15mg:60mgを含むものを用いた。
(Production of photoelectric conversion element (P3) having an absorption band in the orange-red region (667 to 931 nm))
The PTA / PFP mixed solution in the photoelectric conversion element (P1) is replaced with the photoelectric conversion element (P1) except that it is replaced with a phthalocyanine copper (hereinafter referred to as CuPc) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) / PCBM mixed solution. Similarly, a photoelectric conversion element (P3) was formed. As a specific mixed solution, a solution containing CuPc: PCBM = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P3)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は677nmであり、吸収領域は670〜700nm、半値幅は30nmであった。 The absorption region of this photoelectric conversion element (P3) was measured in the same manner as (P1). As a result, the maximum absorption wavelength was 677 nm, the absorption region was 670 to 700 nm, and the half width was 30 nm.
また、光電変換素子(P3)のδについて、(P1)と同様に測定した所、CuPcのLUMOのエネルギー準位の値は−3.6eVであり、PCBMのLUMOのエネルギー準位の値は−3.7eVであり、δは0.1eVであった。 Further, when δ of the photoelectric conversion element (P3) was measured in the same manner as (P1), the value of the LUMO energy level of CuPc was −3.6 eV, and the value of the LUMO energy level of PCBM was − 3.7 eV and δ was 0.1 eV.
(橙赤色領域(932〜1200nm)に吸収帯を有する光電変換素子(P4)の作成)
光電変換素子(P1)における、PTA/PFP混合溶液を、YKR3080(山本化成(株)製)/フラーレン[C60](和光純薬(株)製)混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P1)と同様にして光電変換素子(P4)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にYKR3080:フラーレン[C60]=15mg:60mgを含むものを用いた。
(Preparation of photoelectric conversion element (P4) having an absorption band in the orange-red region (932 to 1200 nm))
The photoelectric conversion element (P1) except that the PTA / PFP mixed solution was replaced with a mixed solution of YKR3080 (manufactured by Yamamoto Kasei Co., Ltd.) / Fullerene [C60] (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). A photoelectric conversion element (P4) was formed in the same manner as in P1). As a specific mixed solution, a solution containing YKR3080: fullerene [C60] = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P4)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は1005nmであり、吸収領域は950〜1030nm、半値幅は80nmであった。 The absorption region of this photoelectric conversion element (P4) was measured in the same manner as in (P1). As a result, the maximum absorption wavelength was 1005 nm, the absorption region was 950 to 1030 nm, and the half width was 80 nm.
また、光電変換素子(P4)のδについて、(P1)と同様に測定した所、YKR3080のLUMOのエネルギー準位の値は−4.0eVであり、フラーレン[C60]のLUMOのエネルギー準位の値は−4.5eVであり、δは0.5eVであった。 Further, when δ of the photoelectric conversion element (P4) was measured in the same manner as in (P1), the value of the LUMO energy level of YKR3080 was −4.0 eV, and the LUMO energy level of fullerene [C60]. The value was −4.5 eV and δ was 0.5 eV.
以上の光電変換素子(P1〜P4)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP−1)を形成した。 The above photoelectric conversion elements (P1 to P4) were stacked and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP-1).
(実施例2)光電変換素子(P)を4個積層した直列のタンデム型光電変換素子(TP−2)
実施例1において、並列を直列に置き換えた以外は、実施例1と同様にしてタンデム型光電変換素子(TP−2)を形成した。
(Example 2) Four tandem photoelectric conversion elements (TP-2) in which four photoelectric conversion elements (P) are stacked
In Example 1, a tandem photoelectric conversion element (TP-2) was formed in the same manner as in Example 1 except that parallel was replaced in series.
(実施例3)光電変換素子(P)を3個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP−3)
実施例1で作製した、光電変換素子(P1〜P3)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP−3)を形成した。
(Example 3) Three tandem photoelectric conversion elements (TP-3) in which three photoelectric conversion elements (P) are stacked.
The photoelectric conversion elements (P1 to P3) produced in Example 1 were stacked and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP-3).
(実施例4)光電変換素子(P)を2個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP−4)
実施例1で作製した、光電変換素子(P1、及びP2)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP−4)を形成した。
(Example 4) Two tandem photoelectric conversion elements (TP-4) in which two photoelectric conversion elements (P) are stacked.
The photoelectric conversion elements (P1 and P2) produced in Example 1 were stacked and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP-4).
(実施例5)光電変換素子(P)を2個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP−5)
実施例1で作製した、光電変換素子(P1、及びP3)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP−5)を形成した。
(Example 5) Two tandem photoelectric conversion elements (TP-5) in which two photoelectric conversion elements (P) are stacked.
The photoelectric conversion elements (P1 and P3) produced in Example 1 were stacked and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP-5).
(実施例6)光電変換素子(P)を2個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP−6)
実施例1で作製した、光電変換素子(P2、及びP3)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP−6)を形成した。
(Example 6) Two tandem photoelectric conversion elements (TP-6) in which two photoelectric conversion elements (P) are stacked.
The photoelectric conversion elements (P2 and P3) produced in Example 1 were stacked and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP-6).
(比較例1)単層型の光電変換素子(P’−1)
実施例1で作製した、光電変換素子(P1)のみによる、単層型の光電変換素子(P’−1)を用いて評価を行った。
(Comparative example 1) Single layer type photoelectric conversion element (P'-1)
Evaluation was performed using the single-layer photoelectric conversion element (P′-1) made only in the photoelectric conversion element (P1) manufactured in Example 1.
(比較例2)単層型の光電変換素子(P’−2)
実施例1で作製した、光電変換素子(P2)のみによる、単層型の光電変換素子(P’−2)を用いて評価を行った。
(Comparative example 2) Single layer type photoelectric conversion element (P'-2)
Evaluation was performed using the single-layer photoelectric conversion element (P′-2) made only in the photoelectric conversion element (P2) manufactured in Example 1.
(比較例3)単層型の光電変換素子(P’−3)
実施例1で作製した、光電変換素子(P3)のみによる、単層型の光電変換素子(P’−3)を用いて評価を行った。
(Comparative example 3) Single layer type photoelectric conversion element (P'-3)
Evaluation was performed using the single-layer photoelectric conversion element (P′-3) made only in the photoelectric conversion element (P3) manufactured in Example 1.
(比較例4)導電性高分子(d)と電子受容体(a)のLUMOのエネルギー準位の値の差が1eV以上である光電変換素子(P)を、2個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP’−4)
光電変換素子(P1)における、PTA/PFP混合溶液を、PTA/フラーレン[C60]混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P1)と同様にして光電変換素子(P5)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にPTA:フラーレン[C60]=15mg:60mgを含むものを用いた。
Comparative Example 4 Parallel tandem type in which two photoelectric conversion elements (P) having a difference in LUMO energy level between the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a) of 1 eV or more are stacked. Photoelectric conversion element (TP'-4)
A photoelectric conversion element (P5) was formed in the same manner as the photoelectric conversion element (P1) except that the PTA / PFP mixed solution in the photoelectric conversion element (P1) was replaced with a PTA / fullerene [C60] mixed solution. As a specific mixed solution, a solution containing PTA: fullerene [C60] = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P5)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は344nmであり、吸収領域は300〜360nm、半値幅は60nmであった。
また、PTAのLUMOのエネルギー準位の値は−2.0eVであり、フラーレン[C60]のLUMOのエネルギー準位の値は−4.5eVであり、δは−2.5eVである。
About the absorption region of this photoelectric conversion element (P5), when measured in the same manner as (P1), the maximum absorption wavelength was 344 nm, the absorption region was 300 to 360 nm, and the half width was 60 nm.
The LUMO energy level of PTA is −2.0 eV, the LUMO energy level of fullerene [C60] is −4.5 eV, and δ is −2.5 eV.
更に、光電変換素子(P2)における、P3HT/PCBM混合溶液を、P3HT/フラーレン[C60]混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P2)と同様にして光電変換素子(P6)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にP3HT:フラーレン[C60]=15mg:60mgを含むものを用いた。 Further, a photoelectric conversion element (P6) was formed in the same manner as the photoelectric conversion element (P2) except that the P3HT / PCBM mixed solution in the photoelectric conversion element (P2) was replaced with a P3HT / fullerene [C60] mixed solution. . As a specific mixed solution, a solution containing P3HT: fullerene [C60] = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P6)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は532nmであり、吸収領域は510〜580nm、半値幅は70nmであった。
また、P3HTのLUMOのエネルギー準位の値は−3.0eVであり、フラーレン[C60]のLUMOのエネルギー準位の値は−4.5eVであり、δは−1.5eVである。
About the absorption region of this photoelectric conversion element (P6), when measured similarly to (P1), the maximum absorption wavelength was 532 nm, the absorption region was 510 to 580 nm, and the half-value width was 70 nm.
The LUMO energy level of P3HT is −3.0 eV, the LUMO energy level of fullerene [C60] is −4.5 eV, and δ is −1.5 eV.
以上の光電変換素子(P5、及びP6)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP’−4)を形成した。 The above photoelectric conversion elements (P5 and P6) were stacked and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP′-4).
(比較例5)吸収バンドの半値幅が150nm以上である光電変換素子(P)を、2個積層した並列のタンデム型光電変換素子(TP’−5)
光電変換素子(P1)における、PTA/PFP混合溶液を、ペンタセン(和光純薬(株)製)/PFP混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P1)と同様にして光電変換素子(P7)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にペンタセン:PFP=15mg:60mgを含むものを用いた。
(Comparative example 5) Two tandem photoelectric conversion elements (TP′-5) in which two photoelectric conversion elements (P) each having a half width of an absorption band of 150 nm or more are stacked.
The photoelectric conversion element (P7) is the same as the photoelectric conversion element (P1) except that the PTA / PFP mixed solution in the photoelectric conversion element (P1) is replaced with a pentacene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) / PFP mixed solution. ) Was formed. As a specific mixed solution, a solution containing pentacene: PFP = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P7)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は670nmであり、吸収領域は400〜700nm、半値幅は300nmであった。
また、ペンタセンのLUMOのエネルギー準位の値は−3.0eVであり、PFPのLUMOのエネルギー準位の値は−2.8eVであり、δは−0.2eVである。
About the absorption region of this photoelectric conversion element (P7), when measured in the same manner as (P1), the maximum absorption wavelength was 670 nm, the absorption region was 400 to 700 nm, and the half width was 300 nm.
The value of LUMO energy level of pentacene is −3.0 eV, the energy level value of LUMO of PFP is −2.8 eV, and δ is −0.2 eV.
更に、光電変換素子(P2)における、P3HT/PCBM混合溶液を、ルブレン(シグマアルドリッチジャパン(株)製)/PCBM混合溶液に置き換えた以外は、光電変換素子(P2)と同様にして光電変換素子(P8)を形成した。具体的な混合溶液としては、5.0mLのクロロベンゼン中にルブレン:PCBM=15mg:60mgを含むものを用いた。 Furthermore, the photoelectric conversion element was the same as the photoelectric conversion element (P2) except that the P3HT / PCBM mixed solution in the photoelectric conversion element (P2) was replaced with a rubrene (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) / PCBM mixed solution. (P8) was formed. As a specific mixed solution, a solution containing rubrene: PCBM = 15 mg: 60 mg in 5.0 mL of chlorobenzene was used.
この光電変換素子(P8)の吸収領域について、(P1)と同様に測定した所、極大吸収波長は540nmであり、吸収領域は430〜590nm、半値幅は160nmであった。
また、ルブレンのLUMOのエネルギー準位の値は−3.2eVであり、PCBMのLUMOのエネルギー準位の値は−3.7eVであり、δは−0.5eVである。
The absorption region of this photoelectric conversion element (P8) was measured in the same manner as in (P1). As a result, the maximum absorption wavelength was 540 nm, the absorption region was 430 to 590 nm, and the half width was 160 nm.
The LUMO energy level of rubrene is −3.2 eV, the energy level of the LUMO of PCBM is −3.7 eV, and δ is −0.5 eV.
以上の光電変換素子(P7、及びP8)を重ね、並列に接続し、タンデム型光電変換素子(TP’−5)を形成した。 The above photoelectric conversion elements (P7 and P8) were overlapped and connected in parallel to form a tandem photoelectric conversion element (TP'-5).
(光電変換素子の評価方法)
ソーラーシュミレーター(関西科学機械(株)製:XES−502S)の擬似光(空気通過量AM1.5G、入射エネルギー100mW/cm2)を光電変換素子に照射し、光電変換素子特性を測定した。照射条件:温度25℃
(Evaluation method of photoelectric conversion element)
The photoelectric conversion element was measured by irradiating the photoelectric conversion element with simulated light (air passage amount AM1.5G, incident energy 100 mW / cm 2 ) of a solar simulator (manufactured by Kansai Scientific Machinery Co., Ltd .: XES-502S). Irradiation conditions: Temperature 25 ° C
KEITHLEY MODEL2400ソースメーターを使用して、I(電流)−V(電圧)曲線を測定し、Isc(短絡電流)、Voc(開放電圧)、IMAX(最大出力点における電流)、VMAX(最大出力点における電圧)を得た。
一般に光電変換素子の光電変換効率は次式で示される。
光電変換効率η=Jsc(短絡電流密度)×Voc(開放電圧)×ff(形状因子)/入射エネルギー
ここで、Jsc(短絡電流密度)、およびff(形状因子)は次式で求めた。
形状因子ff=(IMAX×VMAX)/(Isc×Voc)
短絡電流密度Jsc=Isc/S(有効受光面積)
ただし、S=2.5cm×2.5cm=6.25cm2
測定結果を表1に示した。
Using a KEITHLEY MODEL 2400 source meter, an I (current) -V (voltage) curve was measured, and I sc (short circuit current), V oc (open voltage), I MAX (current at the maximum output point), V MAX ( Voltage at the maximum output point).
Generally, the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion element is represented by the following formula.
Photoelectric conversion efficiency η = J sc (short circuit current density) × V oc (open circuit voltage) × ff (form factor) / incident energy Here, J sc (short circuit current density) and ff (form factor) are obtained by the following equations. It was.
Form factor ff = (I MAX × V MAX ) / (I sc × V oc )
Short-circuit current density J sc = I sc / S (effective light receiving area)
However, S = 2.5 cm × 2.5 cm = 6.25 cm 2
The measurement results are shown in Table 1.
実施例1〜4と比較例1〜3を比較する事で、タンデム型光電変換素子(TP)が、従来の単一層の光電変換素子(P)よりも優れた光電変換効率を示すことが分かる。
また、実施例4と比較例4を比較する事で、導電性高分子(d)と電子受容体(a)のLUMOのエネルギー準位の値の差を1eV以内にした場合、開放電圧の向上が見られる。
更に、実施例4と比較例5を比較する事で、光電変換素子(P)の吸収バンドの半値幅を150nm以内とした場合、光電変換効率ηの向上が見られる。
By comparing Examples 1-4 and Comparative Examples 1-3, it can be seen that the tandem photoelectric conversion element (TP) exhibits a photoelectric conversion efficiency superior to that of the conventional single-layer photoelectric conversion element (P). .
Further, by comparing Example 4 with Comparative Example 4, the open circuit voltage is improved when the difference in the LUMO energy level between the conductive polymer (d) and the electron acceptor (a) is within 1 eV. Is seen.
Furthermore, by comparing Example 4 and Comparative Example 5, when the half-value width of the absorption band of the photoelectric conversion element (P) is within 150 nm, an improvement in photoelectric conversion efficiency η can be seen.
本発明は、太陽電池やカラーセンサー等としての利用に限らず、光電変換素子を備える電子機器、電子部品に広く適用する事ができる。 The present invention is not limited to use as a solar cell, a color sensor, and the like, but can be widely applied to electronic devices and electronic components that include photoelectric conversion elements.
(T1)〜(T4) 基板
(Y1)〜(Y4)、および(Y’1)〜(Y’4) 電極
(i1)〜(i4) 正孔取出し層
(E1)〜(E4) 光電変換層
(T1) to (T4) Substrate (Y1) to (Y4) and (Y′1) to (Y′4) Electrode (i1) to (i4) Hole extraction layer (E1) to (E4) Photoelectric conversion layer
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