[发明专利]光电转换元件及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2010年10月22日提交的在先日本专利申请号2011-237405的优先权，在此将其整个内容引入作为参考。

技术领域

本申请的实施方案主要涉及光电转换元件及其制造方法。

背景技术

人们已经研制出了光电转换元件如光电电池、有机EL(电致发光)元件、或光学传感器。

光电转换元件具有光电转换层、设置于该光电转换层的一个表面上的阴极、和设置于该光电转换层的另一个表面上的阳极。通常使用氧化铟锡(ITO)薄膜作为阳极。使用具有小逸出功的铝(Al)或使用逸出功比Al小的镁合金(Mg)作为阴极。

现有技术中公开了一种光电转换元件，其使用ITO薄膜作为阴极以及使用具有大逸出功的金属作为阳极。

现有技术中公开了一种碳纳米管作为廉价的稳定的柔性透明电极。这种电极没有使用在上述ITO薄膜中使用的稀有金属铟(In)。使用具有未取代石墨烯结构的碳纳米管薄膜或平面石墨烯薄膜作为透明电极。

发明内容

本发明提供了一种稳定和高效的光电转换元件及其制造方法。

附图说明

当阅读以下详细的说明和参考附图时，本发明的内容将会清晰可见。

图1显示了第二实施方案的光电电池的剖视图。

图2显示了第三实施方案的有机EL元件的剖视图。

具体实施方式

以下参考附图说明本发明的实施方案。只要可能，在这些图中使用相同的参考数字或标记表示相同或相似的部分。附图是概念性的。因而，每个部分的厚度和宽度之间的关系以及各个部分之间的比例不一定与实物相同。

如下所述，根据一个实施方案，光电转换元件包括光电转换层、阴极、和阳极。将所述阴极设置于所述光电转换层的一个表面上，该阴极包括一部分碳原子至少被氮原子取代的单层石墨烯和/或多层石墨烯。将所述阳极设置于所述光电转换层的另一个表面上。

根据另一个实施方案，光电转换元件的制造方法包括在基板上形成阴极，在该阴极上形成光电转换层，和在该光电转换层上形成阳极。该阴极包括一部分碳原子至少被氮原子取代的单层石墨烯和/或多层石墨烯。

以下参考附图说明本发明的实施方案。

通常使用ITO薄膜作为光电转换元件的阳极。使用Al或者使用Mg合金作为阴极。ITO薄膜、Al、和Mg合金容易受到水分或氧的氧化。特别是金属界面容易被氧化。同时，氧化的金属界面显著抑制了由此通过的电荷的注入性能，尽管保持了体积导电率。

因此，通过混合除水剂、除氧剂等进行密封，从而防止氧化。然而，难以从由施涂形成的光电转换层中完全去除水分。为了去除水分和氧，这导致短的持续性和复杂的元件结构，从而导致成本增加和形成易弯曲的问题。

一种光电转换元件包括作为阴极的ITO薄膜和作为阳极的具有大逸出功的金属。这种光电转换元件在ITO薄膜和光电转换层之间具有n型透明半导体层如氧化锌(ZnO)。所述透明半导体层使得电荷很容易从阴极注入到光电转换层。然而，该透明半导体层产生的问题是电阻的增加、效率的降低、ZnO层的不稳定性等。另外，ITO薄膜在化学稳定性上也有限。该ITO薄膜还具有脆裂和薄膜状态下柔性较小的缺点。

当利用碳纳米管或平面石墨烯薄膜代替ITO薄膜作为稳定的柔性透明阳极时，需要使用具有小逸出功的金属进行密封。这种碳纳米管具有未取代的石墨烯结构。所述密封防止石墨烯薄膜发挥其性能，即廉价和柔性。

为了解决传统的问题，本发明提供了一种稳定、高效的光电转换元件及其制造方法。

第一实施方案

根据第一实施方案，光电转换元件包括光电转换层、阴极和阳极。该阴极包括一部分碳原子至少被氮原子取代的单层石墨烯和/或多层石墨烯。将阳极设置于光电转换层的另一个表面上。

在这个实施方案，使用单层石墨烯和/或多层石墨烯作为光电转换元件的阴极。在该石墨烯中一部分碳原子至少被氮原子(N)取代。这种具有用氮原子取代的单层石墨烯和/或多层石墨烯的结构体是n型半导体。该结构体的逸出功小于未取代的石墨烯，所述未取代的石墨烯没有被除了碳原子之外的原子如氮原子取代。这是因为用五价氮原子取代四价碳原子使该氮原子带正电荷，电子从氮原子逸出到石墨烯的骨架中。因此，当使用该结构体用作阴极时，减少了与光电转换层的n型半导体层的能量壁垒，由此能够有效交换电子。