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グラフト薄膜を用いた光電素子及び太陽電池

国内特許コード P140010281
整理番号 302
掲載日 2014年2月19日
出願番号 特願2004-039116
公開番号 特開2005-235794
登録番号 特許第4824913号
出願日 平成16年2月17日(2004.2.17)
公開日 平成17年9月2日(2005.9.2)
登録日 平成23年9月16日(2011.9.16)
発明者
  • 伊藤 紳三郎
  • 辻井 敬亘
  • 大北 英生
出願人
  • 国立大学法人京都大学
  • 日本電信電話株式会社
発明の名称 グラフト薄膜を用いた光電素子及び太陽電池
発明の概要 【課題】 有機薄膜を用いた光電変換技術に関し、グラフト薄膜で薄膜層を形成することにより、構造を精密に制御して構成させることを可能とし、特性が安定した光電素子及び太陽電池を提供することを目的とするものである。
【解決手段】 薄膜層20と、この薄膜層20の両面に配置した基板電極11および対向電極12と、を有し、入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電素子10であって、薄膜層20は、電子供与基(正孔輸送層P)、光増感基(光増感基A)、電子受容基(電子輸送層N)のいずれか少なくとも一つを有し、これらを構成する高分子鎖21、22、23の末端が、基板電極11に化学結合してなることを特徴とする。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要


従来より、有機薄膜を用いた光電素子として、支持体に蒸着された透明電極の上に、電子供与性を有する有機半導体膜と入射する光を吸収する色素と電子受容性を有する有機半導体膜とからなる薄膜層を積層させ、さらにその上に対向電極を配置して構成されたものが知られている。このように薄膜層を透明基板上へ積層する従来の方法としては、これら有機半導体膜を構成する物質を透明基板上に真空蒸着させる方法や、有機半導体膜を構成する物質を揮発性溶媒に分散させ高速に回転する透明基板上に滴下したのち溶媒を除去して有機半導体膜を得るスピンコーティング法や、有機半導体膜を構成する物質を含む溶液に透明基板を浸漬・引き上げ・乾燥処理することにより有機半導体膜を得るディップコーティング法等がある(例えば、特許文献1、2)。
【特許文献1】
特開平7-240530号公報(段落0011)
【特許文献2】
特開平5-259493号公報(段落0027)

産業上の利用分野



本発明は、有機薄膜を用いた光電変換技術に関し、特に、グラフト薄膜を用いた光電素子及び太陽電池に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した基板電極および対向電極とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、
光エネルギーを光吸収する光吸収層と、
この光吸収により発生した正孔を受容して前記基板電極に引き渡す正孔輸送層とを少なくとも含み、
前記正孔輸送層は、電子供与基を有する第1高分子鎖の末端が前記基板電極に化学結合してなり、
前記電子供与基は、チオフェン系、フェロセン系の群から選ばれる一の物質を少なくとも含むことを特徴とする光電素子。

【請求項2】
前記光吸収層は、光増感基を有する第2高分子鎖からなり、その末端が前記第1高分子鎖の先端に化学結合していることを特徴とする請求項1に記載の光電素子。

【請求項3】
前記光吸収により発生した電子を受容して前記対向電極に引き渡す電子輸送層を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電素子。

【請求項4】
前記電子輸送層は、電子受容基を有する第3高分子鎖からなり、その末端が前記第2高分子鎖の先端に化学結合していることを特徴とする請求項3に記載の光電素子。

【請求項5】
薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した基板電極および対向電極とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、
前記光エネルギーを光吸収する光吸収層と、
この光吸収により発生した前記電子を受容して前記基板電極に引き渡す電子輸送層とを少なくとも含み、
前記電子輸送層は、電子受容基を有する第3高分子鎖の末端が前記基板電極に化学結合してなり、
前記電子受容基は、フラーレン及びその誘導体、またはペリレン及びその誘導体を少なくとも含むことを特徴とする光電素子。

【請求項6】
前記光吸収層は、光増感基を有する第2高分子鎖からなり、その末端が前記第3高分子鎖の先端に化学結合していることを特徴とする請求項5に記載の光電素子。

【請求項7】
前記光吸収により発生した正孔を受容して前記対向電極に引き渡す正孔輸送層を含むことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の光電素子。

【請求項8】
前記正孔輸送層は、電子供与基を有する第1高分子鎖からなり、その末端が前記第2高分子鎖の先端に化学結合していることを特徴とする請求項7に記載の光電素子。

【請求項9】
薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した基板電極および対向電極とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、
前記光エネルギーを光吸収する光吸収層と、
この光吸収により発生した前記電子を受容して前記対向電極に引き渡す電子輸送層とを少なくとも含み、
前記光吸収層は、光増感基を有する第2高分子鎖の末端が前記基板電極に化学結合してなり、
前記光増感基は、ルテニウム錯体系、クマリン系、カルバゾール系、フタロシアニン系、チオフェン系の群から選ばれる一の物質を少なくとも含むことを特徴とする光電素子。

【請求項10】
前記電子輸送層は、電子受容基を有する第3高分子鎖からなり、その末端が前記第2高分子鎖の先端に化学結合していることを特徴とする請求項9に記載の光電素子。

【請求項11】
薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した基板電極および対向電極とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、
前記光エネルギーを光吸収する光吸収層と、
この光吸収により発生した正孔を受容して前記対向電極に引き渡す正孔輸送層とを少なくとも含み、
前記光吸収層は、光増感基を有する第2高分子鎖の末端が前記基板電極に化学結合してなることを特徴とする光電素子。

【請求項12】
前記正孔輸送層は、電子供与基を有する第1高分子鎖からなり、その末端が前記第2高分子鎖の先端に化学結合していることを特徴とする請求項11に記載の光電素子。

【請求項13】
薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した基板電極および対向電極とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、電子供与基、光増感基、電子受容基のいずれか少なくとも一つを有する高分子鎖の末端が、前記基板電極に化学結合してなり、
前記電子供与基は、チオフェン系、フェロセン系の群から選ばれる一の物質を少なくとも含み、
前記光増感基は、ルテニウム錯体系、クマリン系、カルバゾール系、フタロシアニン系、チオフェン系の群から選ばれる一の物質を少なくとも含み、
前記電子受容基は、フラーレン及びその誘導体、またはペリレン及びその誘導体を少なくとも含むことを特徴とする光電素子。

【請求項14】
前記光吸収層は、前記光吸収により発生した電子を前記対向電極に輸送する機能を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電素子。

【請求項15】
前記光吸収層は、前記光吸収により発生した正孔を前記対向電極に輸送する機能を有していることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の光電素子。

【請求項16】
前記光吸収層は、前記光吸収により発生した正孔を前記基板電極に輸送する機能を有していることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の光電素子。

【請求項17】
前記光吸収層は、前記光吸収により発生した電子を前記基板電極に輸送する機能を有していることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の光電素子。

【請求項18】
前記電子輸送層は、電解液を含んでなることを特徴とする請求項3または請求項9に記載の光電素子。

【請求項19】
前記正孔輸送層は、電解液を含んでなることを特徴とする請求項7または請求項11に記載の光電素子。

【請求項20】
前記電子輸送層は、液晶物質から構成されることを特徴とする請求項3または請求項9に記載の光電素子。

【請求項21】
前記正孔輸送層は、液晶物質から構成されることを特徴とする請求項7または請求項11に記載の光電素子。

【請求項22】
前記電子輸送層は、前記第2高分子鎖の先端がフラーレンにより装飾されて形成されることを特徴とする請求項3または請求項9に記載の光電素子。

【請求項23】
前記基板電極にはフラーレンが化学結合していることを特徴とする請求項5~請求項8、請求項11~請求項13、請求項15、請求項17、請求項19、請求項21のいずれか一項に記載の光電素子。

【請求項24】
前記対向電極にはフラーレンが化学結合していることを特徴とする請求項1~請求項4、請求項9、請求項10、請求項13、請求項14、請求項16、請求項18、請求項20、請求項22のいずれか一項に記載の光電素子。

【請求項25】
前記基板電極は、IZO、ZnO、ITO、TiO2、SnO2、金、白金、アルミニウム、マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一の物質より構成されることを特徴とする請求項1~請求項24のいずれか一項に記載の光電素子。

【請求項26】
前記対向電極は、IZO、ZnO、ITO、TiO2、SnO2、金、白金、アルミニウム、マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一の物質より構成されることを特徴とする請求項1~請求項24のいずれか一項に記載の光電素子。

【請求項27】
前記基板電極に末端が化学結合する前記第1高分子鎖、前記第2高分子鎖または前記第3高分子鎖の密度は、0.01本/nm2以上1本/nm2以下の範囲に含まれることを特徴とする請求項1~請求項26のいずれか一項に記載の光電素子。

【請求項28】
前記第1高分子鎖により構成される前記正孔輸送層、前記第2高分子鎖により構成される前記吸収層、前記第3高分子鎖により構成される前記電子輸送層は、それぞれ分子量分布が(重量平均分子量)/(数平均分子量)の値で1.0以上2.0以下の範囲に含まれることを特徴とする請求項1~請求項12、請求項14~請求項27のいずれか項に記載の光電素子。

【請求項29】
請求項1~請求項28のいずれか一項に記載の光電素子を用い、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力として外部に取りだす機能を有することを特徴とする太陽電池。
国際特許分類(IPC)
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