光电转换元件、太阳能电池和光传感器制造技术

本发明专利技术提供一种光电转换元件和具有此光电转换元件的太阳能电池，它们都具有较高载体产生率。此外，本发明专利技术提供一种光电转换元件和具有该光电转换元件的太阳能电池，它们具有较高的能量转换效率。依据本发明专利技术，光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池的特征在于，一对电极中间夹着包括电荷产生层和电荷接受层的混合层。电荷产生层由第一有机化合物和无机化合物组成。有机接受层由第二有机化合物组成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光电转换元件、一种太阳能电池和一种光传感器。
技术介绍
作为光电转换元件和具有将光能转换为电能的光电转换元件的太阳能电池，已提出了第一代的单晶硅太阳能电池、第二代的由多个晶体形成的多晶硅太阳能电池和第三代的使用镓砷等的复合半导体太阳能电池，尽管它们在成本等方面还存在许多问题。考虑到这些，提出了由有机半导体形成的太阳能电池。有机半导体太阳能电池通常是染料薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。染料薄膜太阳能电池具有p-n异质结结构，其中用二萘嵌苯衍生物作为n型染料，铜钛菁作为p型染料。另一方面，染料敏化太阳能电池被称为第四代电池，此类电池价格不贵，转换效率高，作为光电转换元件是研究的热点。染料敏化太阳能电池是湿型太阳能电池，其中工作电极是半导体电极，是通过向多孔二氧化钛薄膜中加入光敏染料并将光敏染料保持于其中来制备的，半导体电极随后浸入电解质溶液中，并且形成一个相对电极(例如，参见专利文献1)。在可见光范围内有一定吸收的钌复合物用作光敏染料。电解质溶液通过向乙腈和碳酸亚乙酯的混合溶液中加入碘来制得。当光敏化染料被光激发后，电子从光敏染料中射出进入到工作电极二氧化钛半导体电极中。另一方面，空穴氧化具有空穴传送性能(hole transporting property)的电解质溶液，氧化了的具有空穴传送性能的电解质溶液接受来自相对电极的电子。太阳能电池通过上述步骤的连续进行来运行。染料敏化太阳能电池不同于p-n异质结太阳能电池，因为在染料敏化太阳能电池中只有电子被射入到电极中。因此，有这样一些优点，即电子和空穴的再结合不那么容易发生，电荷分离能够有效的进行。因此，光能转换为电能的转换效率超过10％。日本特许公开平1-220380号。
技术实现思路
但是，染料薄膜太阳能电池是有缺陷的，因为光能转换为电能的转换效率仅过1％，是较低的。已开发出了光能转换为电能的转换效率超过10％的染料敏化太阳能电池，但是，也存在一些缺点，因为适宜作为光敏染料的钌复合物中的中心原子钌是一种稀有资源，因此成本相应提高。而且，有机半导体太阳能电池在很多方面已得到发展以进行有效的光诱导电子转移，诸如分别控制p型有机半导体和n型有机半导体的HOMO级和LUMO级和控制异质结界面的混合，以拓宽载流子产生的位置。尽管如此，载流子的产生率不够高。鉴于以上所述，本专利技术提供一种光电转换元件和具有该光电转换元件的太阳能电池，它们都具有载流子产生率高的结构。而且，本专利技术提供能量转换效率高的一种光电转换元件和一种具有该光电转换元件的太阳能电池。本专利技术提供一种光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池，它们都包括有机/无机混合层，其中电荷接受层叠在由无机化合物和有机化合物形成的电荷产生层上。也就是说，依据本专利技术，光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池都具有一对电极，电极中间夹着包括电荷产生层和电荷接受层的混合层。电荷产生层由第一有机化合物和无机化合物形成，而电荷接受层由第二有机化合物形成。依据本专利技术的第一结构，形成电荷产生层的第一有机化合物优选具有空穴传送性能的化合物，更优选的是具有芳香胺结构的有机化合物。此时，优选用作无机化合物的是对于具有空穴传送性的有机化合物表现出电子接受性能的金属氧化物或金属氮化物，更优选的是元素周期表中族4至族10中的任一过渡金属的氧化物。在它们中，元素周期表中族4至族8中的任一过渡金属的氧化物大都具有较好的电子接受性能。特别地，优选使用诸如氧化钼、氧化钒、氧化钌和氧化铼之类的金属氧化物。除此之外，也可使用诸如氧化钛、氧化铬、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化钨和氧化银之类的金属氧化物。而且，优选使用具有电子传送性能的有机化合物作为第二有机层，形成电荷接受层，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精(methyl viologen)、富勒烯(fullerene)等。依据本专利技术的第二结构，优选具有电子传送性能的有机化合物作为第一有机化合物，形成电荷产生层，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精、富勒烯等。此时，优选使用对于第一有机化合物表现出电子供给性能的金属氧化物或金属氮化物作为无机化合物，更优选碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物和稀土金属氮化物。这些金属氧化物和金属氮化物大部分具有高电子供给性能，优选的是氧化锂、氧化钙、氧化钠、氧化钡、氮化锂、氮化镁、氮化钙等。形成电荷接受层的有机化合物优选具有空穴传送性能的有机化合物，更优选的是具有芳香胺结构的有机化合物。依据本专利技术，提供一种光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池，在其中的混合层包括一对电极，这一对电极中夹着第一电荷产生层和第二电荷产生层。第一电荷产生层由第一有机化合物和第一无机化合物形成。第二电荷产生层由第二有机化合物和第二无机化合物形成。形成第一电荷产生层的第一有机化合物优选具有空穴传送性能的有机化合物，更优选的是具有芳香胺结构的有机化合物。此时，第一无机化合物优选金属氧化物或金属氮化物，更优选的是元素周期表中族4至族10中的任一过渡金属的氧化物。在它们中，元素周期表中族4至族8中的任一过渡金属的氧化物大都具有较好的电子接受性能。特别地，优选使用诸如氧化钒、氧化钼、氧化铼和氧化钨之类的金属氧化物。而且，形成第二电荷产生层的第二有机化合物优选具有电子传送性能的有机化合物，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物。此时，第二无机化合物优选金属氧化物或金属氮化物，更优选的是碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物和稀土金属氮化物。这些金属氧化物和金属氮化物大部分具有较好的电子供给性能，优选的是氧化锂、氧化钡、氮化锂、氮化镁、氮化钙等。要注意到的是，可通过配备放大电路来提供能量转换效率高的光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池。放大电路是例如由运算放大器和薄膜晶体管(下文中称为TFT)等形成的电路。依据光电转换元件和具有本专利技术的光电转换元件的太阳能电池，电荷产生层中的无机化合物和有机化合物都处于电荷分离状态，这是由于具有特定波长的自然光、激光、日光等光的光辐射引起的电子转移所造成的。另一方面，由混合无机化合物和有机化合物形成的电荷转移复合物在被光辐射激发后产生，由此建立电荷分离态。因此，通过混合无机化合物和有机化合物，可以提高电荷分离态中电子和空穴的产生效率。而且，通过提供电荷接受层，使其与电荷产生层配对，则在电荷产生层中产生的处于电荷分离态的电子和空穴可为电子载流子和空穴载流子，形成光电流。结果光能转换为电能的转换效率得到提高。其结果是，可提供能量转换效率高的一种光电转换元件和一种具有光电转换元件的太阳能电池。而且，通过使用能量效率高的光电转换元件，能耗得到抑制的光传感器得以实现。附图说明图1是光电转换元件的局部剖面示意图。图2是光电转换元件的局部剖面示意图。图3是光电转换元件的局部剖面示意图。图4A和图4B是电荷分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电转换元件，其包含：　　　　电极对；　　　　电荷产生层；和　　　　电荷接受层；　　　　其中，所述电荷产生层和所述电荷接受层夹在所述电极对之间，　　　　其中，所述电荷产生层包含第一有机化合物以及无机化合物，且　　　　其中，所述电荷接受层包含第二有机化合物。

【技术特征摘要】
JP 2004-12-6 2004-3534371.一种光电转换元件，其包含电极对；电荷产生层；和电荷接受层；其中，所述电荷产生层和所述电荷接受层夹在所述电极对之间，其中，所述电荷产生层包含第一有机化合物以及无机化合物，且其中，所述电荷接受层包含第二有机化合物。2.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述电极对中的至少一个透光。3.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第一有机化合物是具有空穴传送性的有机化合物。4.如权利要求3所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有空穴传送性的有机化合物具有芳香胺骨架。5.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述无机化合物是金属氧化物或金属氮化物。6.如权利要求5所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物是属于元素周期表中第4-10族中的任一过渡金属的氧化物。7.如权利要求5所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物是选自下组的金属氧化物氧化钼、氧化钒、氧化钌和氧化铼。8.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第二有机化合物是具有电子传送性的有机化合物。9.如权利要求8所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有电子传送性的有机化合物是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精或富勒烯。10.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第一有机化合物是具有电子传送性的有机化合物。11.如权利要求10所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有电子传送性的有机化合物是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精或富勒烯。12.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述无机化合物是金属氧化物或金属氮化物，诸如碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物或稀土金属氮化物。13.如权利要求12所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物选自下组氧化锂、氧化钙、氧化钠和氧化钡。14.如权利要求12所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氮化物选自下组氮化锂、氮化镁和氮化钙。...

【专利技术属性】
技术研发人员：岩城裕司，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]