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光電変換素子およびその素子を用いた太陽電池

国内特許コード P110004197
整理番号 E079P22
掲載日 2011年7月8日
出願番号 特願2008-174166
公開番号 特開2009-206470
登録番号 特許第5548933号
出願日 平成20年7月3日(2008.7.3)
公開日 平成21年9月10日(2009.9.10)
登録日 平成26年5月30日(2014.5.30)
優先権データ
  • 特願2007-179271 (2007.7.9) JP
  • 特願2008-022919 (2008.2.1) JP
発明者
  • 中村 栄一
  • 佐藤 佳晴
  • 新実 高明
  • 松尾 豊
  • 橋口 昌彦
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
  • 三菱化学株式会社
発明の名称 光電変換素子およびその素子を用いた太陽電池
発明の概要 【課題】低コストで製造できる光電変換素子の提供、および、変換効率の高い光電変換素子を提供する。
【解決手段】 1対の電極間に、少なくとも、電子受容体のフラーレン誘導体と、電子供与体の化合物とを有する光電変換素子であって、当該フラーレン誘導体は、それぞれ独立して炭素数1~50の有機基を2~4個有するフラーレン誘導体であり、当該フラーレン誘導体が有機基を2個有する場合、これらの有機基が互いに結合して環を形成することはないことを特徴とする光電変換素子。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



現在、実用化されている太陽電池はシリコンをはじめとする無機材料を用いた光電変換素子を用いた太陽電池である。多結晶シリコンを用いた光電変換素子の製造において、高純度シリコンが不可欠であるが、そのコストは比較的高い。





これに対して、一般的に、有機材料を用いた光電変換素子は、無機材料を用いた光電変換素子と比べて製造方法が容易なため、製造コストを低減することができる。有機材料を用いた光電変換素子を含む太陽電池としては、色素増感型太陽電池や有機薄膜型太陽電池と呼ばれている有機半導体材料を用いた太陽電池などがある。

しかしながら、代表的な色素増感型太陽電池で用いられる電解質は主に液体(電解液)なので、その電解液が作用電極と対極のすき間等から漏れ出したり、揮発してしまうという問題が生じ得る。このように、有機材料を用いた光電変換素子は無機材料を用いた光電変換素子に比べて、耐久性に問題があった。





また、有機材料を用いた光電変換素子としては、電子供与体である銅フタロシアニンと電子受容体であるペリレン誘導体を組み合わせた光電変換素子[C.W.Tang著,「Two-Layer organic photovoltaic cell」,Applied Physics Letters,1986年,48巻(非特許文献1)]、電子供与体としてポリフェニレンビニレンとフラーレン誘導体を組み合わせた光電変換素子[G.Yuら著,「Polymer Photovoltaic Cells:Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions」,Science,1995年,270巻(非特許文献2),特表平8-500701号公報(特許文献1)]がある。





しかしながら、これらの光電変換素子は、変換効率がまだまだ低く実用化に向けて、更なる変換効率の向上が求められている。

【特許文献1】

表平8-500701号公報

【非特許文献1】

.W.Tang著,「Two-Layer organic photovoltaic cell」,Applied Physics Letters,1986年,48巻

【非特許文献2】

.Yuら著,「Polymer Photovoltaic Cells:Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions」,Science,1995年,270巻

産業上の利用分野



本発明は、光電変換素子およびその素子を用いた太陽電池に関する。具体的には、電子受容体のフラーレン誘導体と、電子供与体の化合物とを含む光電変換素子と、その素子を用いた太陽電池に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
1対の電極間に、少なくとも、電子受容体のフラーレン誘導体と、電子供与体の化合物とを有する光電変換素子であって、
当該フラーレン誘導体は、それぞれ独立し炭素数1~50の有機基を2~4個有、当該フラーレン誘導体が有機基を2個有する場合、これらの有機基が互いに結合して環を形成することはなく、これらの有機基の少なくとも1つは下記式(3) で表されることを特徴とする光電変換素子。
【化1】



(式(3)中、Wは周期律表の第4B族に属する原子であり、R



、R



およびR



はそれぞれ独立して、水素原子、炭素数1~50の炭化水素基、アルコキシまたはアミノであり、nは1~10の整数である。)

【請求項2】
前記フラーレン誘導体が、下記式(1)
60(R)(R) (1)
(式(1)中、RとRはそれぞれ独立して炭素数1~50の有機基であり、とRの少なくとも1つは、前記式(3)で表される有機基であり、とRは互いに結合して環を形成することはない。)
で表される請求項1に記載の光電変換素子。

【請求項3】
前記フラーレン誘導体が、下記式(1A)~(1G)のいずれか1つの式
【化2】



(式(1A)~(1G)中、RとRはそれぞれ独立して炭素数1~50の有機基であり、RとRは互いに結合して環を形成することはない。)
で表される請求項1に記載の光電変換素子。

【請求項4】
前記フラーレン誘導体が、前記式(1A)で表されるフラーレン誘導体である請求項3に記載の光電変換素子。

【請求項5】
炭素数1~50の有機基の少なくとも1つが、それぞれ独立して芳香環を含む基である、請求項1~4のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項6】
、RおよびRはそれぞれ独立して、炭素数1~20の炭化水素基である、請求項1~4のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項7】
とRが炭素数1~3のアルキル基であり、Rが炭素数1~20の炭化水素基である請求項1~4のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項8】
nは1~5の整数であり、WがSiである、請求項1~7のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項9】
前記式(1)または式(1A)~(1G)中、Rは下記式(31)
【化3】



(式(31)中、Rは炭素数1~20のアルキル基またはフェニルである。)
は下記式(32)
【化4】



(式(32)中、Rはメチルまたはフェニルである。)
で表される基である、請求項のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項10】
前記電子供与体の化合物が高分子化合物である、請求項1~のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項11】
前記電子供与体の化合物が複素環高分子化合物である、請求項1~のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項12】
前記電子供与体の化合物がポルフィリン化合物またはフタロシアニン化合物である、請求項1~のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項13】
前記電子供与体の化合物がポリチオフェンまたは銅フタロシアニン錯体である、請求項1~のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項14】
前記電子供与体の化合物がテトラベンゾポルフィリンである、請求項1~のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項15】
前記1対の電極間に、少なくとも、前記電子受容体のフラーレン誘導体と前記電子供与体の化合物とを含む混合物層を有する、請求項1~14のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項16】
前記電子受容体のフラーレン誘導体と前記電子供与体の化合物とを含む混合物が溶解した溶液を塗布することによって前記混合物層が形成される、請求項15に記載の光電変換素子。

【請求項17】
前記電子受容体のフラーレン誘導体と前記電子供与体の化合物とを蒸着させることによって前記混合物層が形成される、請求項15に記載の光電変換素子。

【請求項18】
前記電子受容体のフラーレン誘導体と電子供与体を含む前記混合物層と正極との間に、p型半導体層が形成された、請求項1517のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項19】
前記電子受容体のフラーレン誘導体と前記電子供与体を含む前記混合物層と負極との間に、n型半導体層が形成された、請求項1518のいずれかに記載の光電変換素子。

【請求項20】
請求項1~19のいずれかに記載の光電変換素子を含む太陽電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008174166thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 中村活性炭素クラスタープロジェクト 領域
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