[发明专利]光伏元件用电子给予性有机材料、光伏元件用材料及光伏元件

说明书

技术领域

本发明涉及光伏元件用电子给予性有机材料、使用其的光伏元件用材料及光伏元件。 

背景技术

太阳能电池作为对环境有益的电能源，对于现在日益严峻的能源问题有力的能源受到瞩目。现在，作为太阳能电池的光伏元件的半导体原材料，使用单晶硅、多晶硅、无定形硅、化合物半导体等无机物。但是，使用无机半导体制造的太阳能电池由于与火力发电或原子能发电等发电方式相比成本高，还不能广泛普及到一般家庭。成本高的主要原因在于，在真空且高温下制造半导体薄膜的步骤。因此，作为期待制造步骤简化的半导体原材料，对使用共轭聚合物或有机结晶等有机半导体或有机色素的有机太阳能电池进行了研究。 

但是，使用共轭聚合物等的有机太阳能电池与以往的使用无机半导体的太阳能电池相比，最大的问题是光电转换效率低，还未能得到实用。作为以往使用共轭聚合物的有机太阳能电池的光电转换效率低的原因，主要举出以下2点。第1，通过入射光生成的电子和空穴形成难以分离的激子的束缚状态。第2，由于易形成捕获载流子(电子、空穴)的陷阱，生成的载流子易被陷阱捕获，载流子的迁移率低。即，半导体原材料中，通常对该原材料具有的载流子要求高的迁移率μ，共轭聚合物中存在与以往的无机结晶半导体或无定形硅相比迁移率μ低的问题。 

因此，发现由激子顺利地分离所生成的电子和空穴的方法、可以抑制共轭聚合物的无定形区域、共轭聚合物链间的载流子的散射、由于陷阱所导致的载流子的捕获从而提高迁移率的方法，成为将利用有机半导体的太阳能电池实用化的关键。 

迄今已知的利用有机半导体的光电转换元件现在通常可以分类为下述元件结构。使电子给予性有机材料(p型有机半导体)与功函数小的 金属接合的肖特基型，使电子接受性有机材料(n型有机半导体)与电子给予性有机材料(p型有机半导体)接合的异质结型等。这些元件由于仅接合部的有机层(几个分子层程度)有助于光电流生成，光电转换效率低，其提高成为问题。 

作为提高光电转换效率的一种方法，存在将电子接受性有机材料(n型有机半导体)与电子给予性有机材料(p型有机半导体)混合，使有助于光电转换的接合面增加的本体异质结型(例如，参照非专利文献1)。其中有报告提出了使用共轭聚合物作为电子给予性有机材料(p型有机半导体)，除了具有n型半导体特性的导电性高分子之外，还使用C₆₀等富勒烯或碳纳米管作为电子接受性有机材料的光电转换材料(例如，参照非专利文献2～3、专利文献1～2)。 

此外，为了有效地吸收遍布太阳光谱的宽范围的放射能量，有报告提出了通过在主链上导入电子给予性基团和吸电性基团、减小带隙的共轭聚合物得到的光电转换材料(例如，参照专利文献3)。作为该电子给予性基团，精心研究噻吩骨架，作为电子吸引性基团，精心研究苯并噻二唑骨架(例如，参照非专利文献4、专利文献4～6)。但是，得不到充分的光电转换效率。 

非专利文献1：J.J.M.Halls、C.A.Walsh、N.C.Greenham、E.A.Marseglla、R.H.Frirnd、S.C.Moratti、A.B.Homes著、“Nature”、1995年、376号、498页 

非专利文献2：E.Kymakis、G.A.J.Amaratunga著、“AppliedPhysics Letters”(美国)、2002年、80卷、112页 

非专利文献3：G.Yu、J.Gao、J.C.Hummelen、F.Wudl、A.J.Heeger著、“Science”、1995年、270卷、1789页 

非专利文献4：X.Li、W.Zeng、Y.Zhang、Q.Hou、W.Yang、Y.Cao著、“European Polymer Journal”、2005年、41卷、2923页 

专利文献1：日本特开2003-347565号公报(权利要求1、3) 

专利文献2：日本特开2004-165474号公报(权利要求1、3) 

专利文献3：美国专利申请公开第2006-174937号说明书 

专利文献4：日本特开2003-104976号公报(权利要求1、9) 

专利文献5：美国专利申请公开第2004-115473号说明书 

专利文献6：美国专利申请公开第2006-52612号说明书 

发明内容