JP2002319689A

JP2002319689A - 光電変換素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002319689A
Application number: JP2001122780A
Authority: JP
Inventors: Toru Nunoi; 徹布居; Reigen Kan; 礼元韓
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】大面積化、低コスト化を可能とする光電変換
素子を提供することを課題とする。【解決手段】支持体、第１導電層、光電変換層、キャ
リア輸送層、第２導電層及び可撓性のフィルムをこの順
で構成してなる光電変換機能を有する単位素子からなる
光電変換素子において、支持体にパターニング形成され
た第１導電層と、可撓性のフィルムにパターニング形成
された第２導電層とを部分的に接触させることにより複
数の単位素子が電気的に直列接続されてなることを特徴
とする光電変換素子により、上記の課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機材料の光電変
換機能を用いた光電変換素子、大面積、低コスト、実用
電圧出力の可能な太陽電池及び太陽光発電システムに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】化石燃料に代わるエネルギー源として太
陽光を電力に変換できる太陽電池が注目されている。現
在、一部実用化され始めた太陽電池としては、結晶系シ
リコン基板を用いた太陽電池及び薄膜シリコン太陽電池
があるが、前者ではシリコン基板の製造コストが高いこ
と、後者では多種の半導体ガスや複雑な装置を用いるな
どで依然として製造コストが高いことが問題となってい
る。いずれの太陽電池においても光電変換の高効率化に
よる発電出力当たりのコストを低減する努力が続けられ
ているが、未だ上記の問題を解決するには到っていな
い。

【０００３】かかる状況において、新しいタイプの太陽
電池として、特開平５−５０４０２３号公報、特許公報
第２６６４１９４号には、金属錯体の光誘起電子移動を
応用した湿式太陽電池が示されている。この湿式太陽電
池は、２枚のガラス基板にそれぞれ形成された電極間
に、光電変換材料と電解質材料を用いて構成したもので
ある。この光電変換材料は、光増感色素が吸着されるこ
とで、可視光領域に吸収スペクトルを持つようになる。
このような湿式太陽電池においては、光電変換材料に光
が照射されると電子が発生し、電子は外部電気回路を通
って対向する電極に移動する。そして対向電極に移動し
た電子は、電解質中のイオンによって運ばれ光電変換材
料側にもどる。このようにして、電気エネルギーが取り
出される。

【０００４】この動作原理を基本として、特開２０００
−９１６０９号公報においては、透明導電膜（電極）を
形成したガラス基板と、白金導電膜（電極）及び二酸化
チタンコロイド発電層を形成した巻き取り可能なフレキ
シブル基板とを積層し、積層の際、又は積層後に、電解
質液を含浸させる有機太陽電池の製造方法が開示されて
いる。この方法によれば、単一ユニットの有機太陽電池
が低コストで製造できるとされている。

【０００５】また、特開２０００−２６８８９２号公報
では、二種類の色素材料を用いた有機光電変換素子の製
造方法として、基板上に導電膜などの構成材料を単に順
番に積層する単一ユニットの有機太陽電池の製造方法、
又はガラス基板の片面上に、パターニング技術を用いな
がら導電膜などを順次積層することにより直列接続され
た集積型の有機太陽電池の製造方法が示されている。こ
の方法による有機太陽電池の集積構造は、正極、負極両
方の導電層が１枚のガラス基板上で数個所接続されてい
ることで直列接続して構成されたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】光電変換素子及び太陽
電池においては、光電変換効率が高いこと、低コストで
製造できること、大面積の太陽電池が高速生産できるこ
と等の基本的要件を満たすことが求められている。

【０００７】しかしながら、特開平５−５０４０２３号
公報及び特許公報第２６６４１９４号に記載の太陽電池
は、一定間隔に保持した２枚のガラス基板の間に電解液
を注入するなどして単一セルを作り込んだものである。
従って、小面積の光電変換素子に適用するのは可能であ
っても、１ｍ角のような大面積を必要とする太陽電池へ
の適用は困難となる。このような太陽電池について、単
一セルの面積を大きくすると、発生電流は面積に比例し
て大きくなるものの、電極部分に用いる透明導電性膜の
横方向の抵抗成分が極端に増大し、延いては太陽電池と
しての内部直列電気抵抗が増大する結果、光電変換時の
電流電圧特性における曲線因子（フィルファクタ：Ｆ
Ｆ）が低下し、光電変換効率が低くなるという問題があ
る。

【０００８】また、特開２０００−９１６０９号公報に
おいては、フレキシブル基板を用いるので高速生産が可
能とされるが、単一素子を単に大面積化するものである
ことから、上記と同様に内部直列抵抗が増大して大面積
化が困難である問題があった。

【０００９】また、特開２０００−２６８８９２号公報
の方法によれば、１枚の基板上に光電変換に必要な全て
の層を順次重ねる必要があり、このとき、光電変換層と
なる半導体機能を有する粒子集合体の上から、導電層と
なる薄膜を形成する必要がある。従って、粒子集合体の
凹凸に起因して薄膜自体の抵抗が増大してしまい、実用
化の点で問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記のよ
うな問題に鑑みて鋭意研究した結果、基本構成要素とな
る部分を予め分割して製造し、その後、それらの部分を
組み合わせるというような工程を経ることにより得られ
る複数の光電変換機能を有する単位素子を直列接続する
構造を有する光電変換素子及び１つの単位素子からなる
光電変換素子が、有利であることを見出し、本発明を完
成するに至った。

【００１１】かくして本発明によれば、支持体、第１導
電層、光電変換層、キャリア輸送層、第２導電層及び可
撓性のフィルムをこの順で構成してなる光電変換機能を
有する単位素子からなる光電変換素子において、支持体
にパターニング形成された第１導電層と、可撓性のフィ
ルムにパターニング形成された第２導電層とを部分的に
接触させることにより複数の単位素子が電気的に直列接
続されてなることを特徴とする光電変換素子が提供され
る。

【００１２】このような構成を有することにより、大面
積の支持体上に、複数の単位素子を直列接続した光電変
換素子を、高速多量に、しかも低コストに製造すること
が可能となる。つまり、正極及び負極となる導電層の電
極を、支持体とフィルムに、それぞれ所望のパターンに
形成して、支持体とフィルムを貼り合せるときに、素子
直列の接続点となる電極部分も一括して配線されること
から、複数の単位素子を直列接続した光電変換素子を簡
便で、高速多量に、しかも低コストに製造することがで
きる。

【００１３】また、本発明によれば、支持体、第１導電
層、光電変換層、キャリア輸送層、第２導電層及び可撓
性のフィルムをこの順で構成してなる光電変換機能を有
する単位素子からなる光電変換素子を製造するにあた
り、支持体上に第１導電層をパターニング形成し、第１
導電層上に光電変換層をパターニング形成し、可撓性の
フィルム上に第２導電層をパターニング形成し、第２導
電層上にキャリア輸送層をパターニング形成し、光電変
換層とキャリア輸送層とが接するように支持体と可撓性
のフィルムを貼り合せるとともに第１導電層と第２導電
層を部分的に接触させることを特徴とする、複数の単位
素子が電気的に直列接続されてなる光電変換素子の製造
方法が提供される。

【００１４】この製造方法によれば、ガラスを支持体と
したとき、その耐熱温度は、樹脂製のフィルムよりも高
くすることができる。従って、例えば光電変換層として
チタン酸化物の微粉末を用いた場合には、焼結のため、
支持体は数百度の高温にさらされるが、ガラスを支持体
とすれば問題ない。他方、耐熱温度の低いフィルムに
は、層形成温度が１００℃付近と低い導電層（電極）と
キャリア輸送層（電解質材料や電解質液の機能を有す
る）を形成すればよい。また、キャリア輸送層は、フィ
ルム面に対してスクリーン印刷法又はロールコーティン
グ法により連続塗布できることから低コスト化にも寄与
する。

【００１５】また、本発明によれば、支持体、第１導電
層、光電変換層、キャリア輸送層、第２導電層及び可撓
性のフィルムをこの順で構成してなる光電変換機能を有
する単位素子からなる光電変換素子を製造するにあた
り、支持体上に第１導電層をパターニング形成し、第１
導電層上に光電変換層をパターニング形成し、光電変換
層上にキャリア輸送層をパターニング形成し、可撓性の
フィルム上に第２導電層をパターニング形成し、キャリ
ア輸送層と第２導電層とが接するように支持体と可撓性
のフィルムを貼り合せるとともに第１導電層と第２導電
層を部分的に接触させることを特徴とする、複数の単位
素子が電気的に直列接続されてなる光電変換素子の製造
方法が提供される。

【００１６】この方法によれば、支持体上に、第１導電
層、光電変換層、キャリア輸送層の３層が順に形成され
る。特に、支持体が水平に置かれた状態で、光電変換
層、キャリア輸送層を低コストな方法（スクリーン印刷
法など）によりパターニング形成できるようになる。他
方、フィルム上には第２導電層だけを形成すればよく、
粘着性を有するキャリア輸送層が形成されないので、第
２導電層付きフィルムを巻き取り状態から容易に供給す
ることが可能となり、前記とは異なる点において低コス
トな製造方法を提供できる。

【００１７】また、本発明によれば、支持体、第１導電
層、光電変換層、キャリア輸送層、第２導電層及び可撓
性のフィルムをこの順で構成してなる光電変換機能を有
する単位素子からなる光電変換素子を製造するにあた
り、支持体の片面の略全面に第１導電層及び光電変換層
をこの順で積層形成し、可撓性のフィルムの片面の略全
面に第２導電層及びキャリア輸送層をこの順で積層形成
し、光電変換層とキャリア輸送層とが接するように支持
体と可撓性のフィルムを貼り合せるか、あるいは支持体
の片面の略全面に第１導電層、光電変換層及びキャリア
輸送層をこの順で積層形成し、可撓性のフィルムの片面
の略全面に第２導電層を形成し、キャリア輸送層と第２
導電層とが接するように支持体と可撓性のフィルムを貼
り合せることを特徴とする１つの単位素子からなる光電
変換素子の製造方法が提供される。

【００１８】この方法によれば、支持体とフィルムを貼
り合せて、光電変換素子を製造する方法において、導電
層等にパターニングを行わないときには、１つの光電変
換機能を有する単位素子からなる光電変換素子を低コス
トで製造可能となる。この方法によれば、照度１０００
Ｌｕｘ（直射太陽光のエネルギーの約１／１００）程度
以下で、できるだけ多くの電力を取り出すような、室内
及び低照度用の大面積太陽電池を製造するのに有用であ
る。

【００１９】また、本発明によれば、常圧での圧着方
法、真空又は減圧状態のラミネーション方法のいずれか
を用いて支持体と可撓性のフィルムを貼り合せる上記の
光電変換素子の製造方法が提供される。

【００２０】この方法によれば、防湿性が高く、高信頼
性の太陽電池を高速で製造できるようになる。特に、使
用環境、使用年数等の種々の性能要求に対して、常圧で
の圧着方法、真空又は減圧状態のラミネーション方法を
適宜使い分けることができる。具体的には、常圧での圧
着方法は、貼り合わせ面において微量空気などが含ま
れ、使用状態により光電変換素子の劣化要因になるもの
の、より低コスト化が図れる点において優れている。ま
た、真空又は減圧状態のラミネーション方法では、介在
空気成分をほぼ皆無にできることから、特に長期の信頼
性が必要な場合には有効である。

【００２１】また、本発明によれば、第１導電層及び／
又は第２導電層の一部に、導電性材料をパターニング形
成することにより、導電性材料を介して第１導電層と第
２導電層を電気的に接続し、かつ光電変換機能を有する
単位素子の内部電気抵抗を低減させる上記の光電変換素
子の製造方法が提供される。

【００２２】この方法によれば、導電性材料を介して第
１導電層と第２導電層を電気的に接続するので、導電層
同士の接触抵抗値を大幅に低減できる。また、得られる
光電変換素子及び太陽電池の直列抵抗を低減できること
から、特に高い光エネルギー照射下において、より良好
で高い光電変換効率が得られるようになる。

【００２３】また、本発明によれば、第１導電層及び／
又は第２導電層に、金属を主成分とする細線を併設する
ことにより、光電変換機能を有する単位素子の内部電気
抵抗を低減させる上記の光電変換素子の製造方法が提供
される。導電層は、光透過性を確保する点から厚くする
ことはできず、そのためシート抵抗値が大きくなること
から光電変換素子の大面積化に限界があった。しかしな
がら、この方法によれば、導電層の透明性を維持しなが
ら、実効的なシート抵抗値を下げることができる。従っ
て、単位素子の大面積化が可能になる。なお、この細線
を併設する方法によれば、直列集積の構造を有する光電
変換素子の場合には、単位素子の幅をより大きくするこ
とが可能となり、単位素子周辺の光不感応領域を削除
し、受光面積をより大きくして光電変換効率を高める効
果がある。

【００２４】また、本発明によれば、上記の方法により
製造された光電変換素子及び該光電変換素子を用いてな
る太陽電池又は太陽光発電システムが提供される。上記
の方法により製造される光電変換素子、太陽電池及び太
陽光発電システムは、大面積で、長期信頼性を有し、高
速、安価に製造できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明における光電変換素子と
は、光エネルギーを物質に吸収させ、電子を介して電気
エネルギーに変換できるものを総称する。この光電変換
素子は、光検知装置、光エネルギー測定装置、太陽電池
等に用いることができる。本発明の光電変換素子は、複
数の光電変換機能を有する単位素子が直列接続される集
積型のもの、又は１つの単位素子からなる大面積のもの
である。まず、本発明に用いられる構成材料及びその材
料の準備方法について詳述する。

【００２６】（１）構成材料について支持体は、光電変換素子機能の構成要素を、製造から製
品使用段階まで、機能的に支持することのできる基板で
あり、光透過が可能で、かつ耐熱性の高い材料からなる
ものが好適である。そのような材料としては、例えば、
ガラス、耐熱樹脂板等が挙げられる。

【００２７】支持体は、５０％以上の光透過率を有し、
０．２〜５ｍｍ程度の厚さで、２５０℃以上の耐熱性を
有するのが好ましい。なお、可撓性のフィルムを光入射
側として透明とする場合においては、支持体を構成する
材料は、不透明なステンレス鋼、アルミニウム等であっ
てもよい。また、このような電気伝導を有する支持体に
おいては、導電層を形成しなくてもよい。

【００２８】支持体は、完成した光電変換素子を他の構
造体に取り付けるときに利用することも可能である。つ
まり、ガラスなどの支持体を用いる際には、ガラス周辺
部を、金属加工部品とネジを用いて他の構造体に容易に
取付けることができる。可撓性のフィルム（以下、「フ
ィルム」と略称する）は、例えば樹脂系では、ポリエス
テル、ポリアクリル、ポリイミド、テフロン（登録商
標）、ポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン、ＰＥ
Ｔなど長期耐候性のシートやフィルムが挙げられる。中
でも、導電層堆積時において２００℃近い耐熱性がある
ことから、テフロンが好ましい。また、フィルムは、金
属との積層層であってもく、防湿性強化の観点からＰＥ
Ｔとアルミニウムを積層したものが好ましい。

【００２９】フィルムが可撓性を必要とする理由は、フ
ィルムを、ラミネーション法などにより、光電変換層と
共に、支持体に密着封入させるときに、不要な空隙を少
なくするためである。なお、後述のラミネーション条
件、ＥＶＡシート材質や光電変換素子の耐久性を考慮す
れば、フィルムは、厚さ２００μｍのステンレス板程度
の硬さを有する比較的硬質な材質を用いたものであって
もよい。

【００３０】フィルムは、５０〜５００μｍ程度の厚さ
を有し、フィルムへの導電層形成時などを考慮して１０
０℃以上の耐熱性を有するのが好ましい。また、フィル
ムの光透過性については特に限定されないが、支持体に
不透明な材質を用いる場合においては、５０％以上であ
るのが好ましい。

【００３１】第１導電層及び第２導電層は、支持体とフ
ィルムを貼り合せた後には光電変換層とキャリア輸送層
を挟むように構成される。第１導電層は支持体上に形成
され、第２導電層はフィルム上に形成される。第１導電
層及び第２導電層を構成する材料としては、例えば金、
銀、アルミニウム、白金、インジウム、酸化インジウム
錫（ＩＴＯ膜）、酸化錫が挙げられる。光透過が可能と
なるように、第１導電層又は第２導電層の少なくとも一
方は透明の材料、例えばＩＴＯ膜等により構成される
か、不透明材質（例えば、アルミニウム等の金属材質）
を薄膜にして構成される。

【００３２】光電変換層は、粒子状の無機系半導体材料
に、光増感色素を吸着させたものであり、吸収されるほ
とんどの光がホール及び電子に変換する役割を果たす。
粒子状の無機系半導体材料として、金属酸化物では、例
えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン
酸バリウムなどが挙げられる。中でも化学的に安定性を
有することから、酸化チタンが好ましく、さらに光増感
色素の吸着性が良好であることから多孔質膜状のアナタ
ース型酸化チタンがより好ましい。

【００３３】粒子状の無機系半導体材料を含む懸濁液
を、例えばスクリーン印刷により導電層上にコーティン
グし、乾燥し、焼成することにより、無機系半導体層を
形成することができる。懸濁液に用いられる溶媒として
は、例えば、イソプロピルアルコール系溶媒、エチレン
グリコールモノエチルエーテル等のクライム系溶媒、イ
ソプロピルアルコール／トルエン等の混合溶媒、これら
の溶媒等に水等を含む混合溶媒等が挙げられる。

【００３４】無機系半導体層を形成する他の方法として
は、例えばＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、固体原料を用いるＰＶ
Ｄ法、蒸着法、スパッタリング法又はゾルゲル法などが
挙げられる。無機系半導体層に、光増感色素を吸着する
目的は、無機系半導体材料固有の吸収波長（例えばＴｉ
Ｏ₂の場合では４００ｎｍ）の感度帯域幅が、より長波
長側に広くなるように改善し、光電変換素子の変換効率
を向上させることにある。

【００３５】光増感色素としては、可視光領域に特性を
有するものや、特に太陽電池の場合にはエネルギー変換
効率のよいものを考慮して適宜選択され、例えば、有機
系色素では、ルテニウムビピリジン系色素、アゾ系色
素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン
系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロ
シアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテ
ン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色
素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニ
ン系色素等が挙げられる。

【００３６】無機系半導体層に光増感色素を吸着させる
前に、無機系半導体層の表面を活性化するための処理を
所望により行ってもよい。無機系半導体層に光増感色素
を吸着させるには、光増感色素を含有した溶液に無機系
半導体層を浸漬することにより行われる。ここで用いら
れる溶媒としては、使用する光増感色素を溶解するもの
であれば特に限定されず、例えばアルコール、トルエ
ン、アセトニトリル、クロロホルム、ジメチルホルムア
ミド等の有機溶媒が挙げられる。これらの溶媒は、含有
不純物による光電変換の悪影響を避けるために、精製さ
れたものを用いるのが好ましい。

【００３７】溶液中の光増感色素の濃度は、使用する色
素、溶媒の種類、色素吸着工程のための条件等に応じて
適宜調整することができ、通常、１×１０^-5モル／リッ
トル以上が好ましい。光増感色素を含有した溶液に無機
系半導体層を浸漬する工程において、温度、圧力、浸漬
時間を適宜変更することができる。浸漬は、１回又は複
数回行ってもよい。また、浸漬の工程の後、適宜乾燥を
行ってもよい。

【００３８】なお、一般的に、光増感色素は、インター
ロック基を介して無機系半導体層に固定される。インタ
ーロック基は、励起状態の色素と無機系半導体層の伝導
帯との間で、電子の移動を容易にする電気的結合を提供
する。インターロック基としては、例えばカルボキシル
基、ヒドロキシアルキル基、ヒドロキシル基、スルホン
酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホノ基等が挙げ
られる。上記の方法により、光増感色素が無機系半導体
層に吸着されて光電変換層が形成される。

【００３９】光電変換層の厚みは、特に限定されるもの
ではないが、０．３〜５０μｍ程度が好ましい。キャリ
ア輸送層は、液体ないし高粘度を有する液体を、スクリ
ーン印刷、ロールコーティング等で第１導電層上又は第
２導電層上にパターニングすることにより形成される。

【００４０】キャリア輸送層を構成する材質としては、
導電性を有するもの、換言すれば、電子、ホール、イオ
ンを輸送できるものであればよく、例えばポリビニルカ
ルバゾール等のホール輸送材料、テトラニトロフロオル
レノン等の電子輸送材料、ポリピロール等の導電性ポリ
マー液体電解質、高分子固体電解質等のイオン導電層等
が挙げられる。なお、液体電解質に、Ｉ^-／Ｉ^3-系や、
Ｂｒ^-／Ｂｒ^3-系、Ｆｅ ⁺²／Ｆｅ⁺³系、キノン／ハイド
ロキノン系等の酸化還元種を含有させてもよい。

【００４１】酸化還元種は、従来公知の方法によって得
ることができ、例えば、Ｉ^-／Ｉ^3-酸化還元種は、ヨウ
素のリチウム塩とヨウ素を混合することによって得るこ
とができる。液体電解質の溶媒としては、電気化学的に
不活性なものが用いられ、例えば、アセトニトリル、炭
酸プロピレン、エチレンカーボネート等が挙げられる。

【００４２】高分子固体電解質としては、酸化還元種を
溶解又は酸化還元種を構成する少なくとも１つの物質と
結合することができる固体状の物質であり、例えば、ポ
リエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリエ
チレンサクシネート、ポリ−β−プロピオラクトン、ポ
リエチレンイミン、ポリアルキレンスルフィドなどの高
分子化合物又はそれらの架橋体、ポリフォスファゼン、
ポリシロキサン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル
酸、ポリアルキレンオキサイドなどの高分子官能基に、
ポリエーテルセグメント若しくはオリゴアルキレンオキ
サイド構造を側鎖として付加したもの又はそれらの共重
合体などが挙げられる。中でもポリエーテルセグメント
又はオリゴアルキレンオキサイド構造を側鎖として有す
るものが好ましい。

【００４３】高分子固体電解質に酸化還元種を含有させ
るには、例えば、高分子化合物となるモノマーと酸化還
元種との共存下で重合する方法が挙げられる。また、高
分子化合物などの固体を所望により溶媒に溶解し、次い
で、酸化還元種を加える方法が挙げられる。高分子固体
電解質における酸化還元種の含有量は、必要とするイオ
ン伝導性能に応じて、適宜選定することができる。

【００４４】第１導電層と第２導電層の接触時に、接触
抵抗を下げる目的で、第１導電層及び／又は第２導電層
上の一部に導電性材料をパターニング形成するのが好ま
しい。導電性材料は、例えば銅、アルミニウム又は銀等
の金属を主成分とし、これらの材料の２０μｍ以下の微
粒子に、樹脂、溶剤などを混煉してペースト状にした材
料である。導電性材料を用いないで第１導電層と第２導
電層を機械的接触させたときの接触抵抗値は、１０^-1〜
１０Ωｃｍ²と大きくなり、かつ接触状態が不安定とな
りやすいので好ましくない。

【００４５】導電性材料は、例えばスクリーン印刷法等
を用いて塗布し、８０〜１５０℃で乾燥して固化するこ
とにより形成できる。導電性材料は、主成分金属の１／
１０〜１／３程度の電気伝導が得られるものが好まし
い。第１導電層及び第２導電層と固化した導電性材料
（以下、「固化導電体」と略称する）間の接触抵抗値と
しては、１０^-2Ωｃｍ²程度以下である。固化導電体の
表面は、数１０μｍ程度の凹凸を生じるが、導電層の面
同士、あるいは他の金属表面と圧着すれば、その凹凸は
若干変形し、いずれの接触界面においても接触抵抗値と
しては１０^-3Ωｃｍ ²程度の良好な値が得られる。固体
導電体を形成することにより、本発明の集積型における
単位素子間の電気的な接続を容易にできる。

【００４６】本発明の光電変換素子により発生した電気
は、通常、取出し電極を介して外部に取出される。取出
し電極は、支持体上で、直列接続された集積型から、光
電変換出力を外部の電力消費回路へ接続するための正極
又は負極となる。取出し電極を構成する材質としては、
良好な電気伝導の得られる材質であれば特に限定され
ず、例えば銅薄板が好ましい。なお、取出し電極の厚み
や形状は、取出す電流値を考慮して適宜設計できる。ま
た、取出し電極の取り付けは、市販の各種接着剤により
接着することにより行われる。なお、接着剤は、取出し
電極の耐久性などを考慮して適宜選択することができ
る。

【００４７】金属を主成分とする細線（以下、「金属細
線」と略称する）は、本発明の１つの単位素子からなる
光電変換素子を大面積化する際、導電層と併設すること
で、特に光入射側において導電層の横方向の抵抗、すな
わち、導電層の実効的なシート抵抗（Ω／□）を低減す
る目的で用いられる。

【００４８】金属細線は、銀自体をメタルマスクを用い
て電子ビーム蒸着する方法、又は市販の高温焼成タイプ
の銀系導電性ペーストをスクリーン印刷した後、高温焼
成する方法により形成することができる。金属細線の形
状は、例えば１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさの太陽電池
で、屋外光用には、幅が２００μｍ程度で、ピッチが３
ｍｍ程度が好ましいが、その面積、導電層シート抵抗、
入射光強度、変換効率などにより適宜設計される。金属
細線は、支持体上又はフィルム上に形成されてもよい
し、第１導電層上又は第２導電層上に形成されてもよ
い。

【００４９】（２）構造と製造方法集積型の有機太陽電池の構造と共にその製造方法につい
て以下に説明する。まず、製造の概略フローとしては、
図１で示すように、支持体側では、例えば、ガラス基板
に透明導電層、光電変換層を形成しておき、フィルム側
では、例えばテフロンフィルムに透明導電層、キャリア
輸送層（電解質）を形成しておく。このように、光電変
換素子の構成要素を予め支持体側とフィルム側に分割し
て製造しておき、次いで、支持体とフィルムをラミネー
ション方法などにより貼り合わせることで、１つの単位
素子からなる光電変換素子を製造することができる。

【００５０】この基本プロセスに基づいて、各層を所定
のパターンに形成することにより複数の単位素子が直列
接続されてなる集積型の光電変換素子を製造できる。こ
こでは、２個の単位素子を、支持体とフィルムとの間
に、直列接続した光電変換素子の製造方法について説明
するが、単位素子の数は、光電変換素子の用途により適
宜変更することができる。

【００５１】支持体側の製造は、図２の断面図に示すよ
うに、まず、支持体として厚さ３ｍｍ程度のガラス基板
１の片面に、９００ｎｍ程度のＳｎＯ₂を成膜して、第
１導電層２を形成する。なお、ガラス基板１及び第１導
電層２は４５０℃以上の耐熱性を有する。次に、第１導
電層２の全面を覆うように耐酸性樹脂膜をスクリーン印
刷法で形成するが、このとき、スクリーン版のパターン
は、導電層として残存させる部分にだけ耐酸性樹脂膜が
印刷されるようにする。露出した不要な導電層部分は、
酸を含む水溶液のエッチング液で除去する。次に、パタ
ーニングに用いた耐酸性樹脂膜を有機溶剤で除去し、さ
らに水洗、乾燥することで表面を清浄化する。なお、第
１導電層２のパターニングは、第１導電層２が後述する
第２導電層７と部分的に接触して、複数の単位素子が直
列接続されるように行われるのが好ましい。次に、金属
酸化物であるＴｉＯ₂粉末に調整液を混ぜてスラリー状
あるいはペースト状とする。これを、別途パターン形成
を行ったスクリーン版を用いて、第１導電層２の所定の
位置にスクリーン印刷を行う。これを８０℃のオーブン
中で乾燥、固化させ、さらに４５０℃の空気中で焼成す
ることにより多孔質ＴｉＯ₂を形成する。次に、光増感
色素溶液中に、温度８０℃、３０分間浸漬して多孔質Ｔ
ｉＯ₂に光増感色素を吸着させて光電変換層３を形成す
る。さらに光電変換層３以外の部分の第１導電層２上
に、銀粉末を主成分とする銀ペーストをスクリーン印刷
し、乾燥して固化導電体４を形成する。ガラス基板端面
に厚さ１００μｍの銅板を形状加工することにより、負
極となる取出し電極部５を形成する。次に、支持体側１
１の全周辺に、テープ状（幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ程
度）のＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂３０を
載置する。このＥＶＡ樹脂３０は、１００℃に加温して
ガラス板と仮接着しておいてもよい。なお、ＥＶＡ樹脂
３０は、後記のフィルム６に形成しても、又はガラス板
及びフィルム６の両側に形成してもよい。以上のように
して、支持体側１１を準備する。

【００５２】次に、フィルム側１２の製造について述べ
る。まず、厚さ０．１ｍｍ程度のテフロンをフィルム６
として用い、このフィルム６の片面のほぼ全面に、フィ
ルム温度１００℃付近で、スパッタリング法により厚さ
２００ｎｍ程度の第２導電層７を形成する。次に、第２
導電層７の全面を覆うように耐熱性樹脂膜をスクリーン
印刷法で形成するが、このとき、スクリーン版のパター
ンとしては、導電層として必要部分にだけ印刷する。不
要な導電層部分は酸を含む水溶性のエッチング液で除去
する。次いで、パターニングに用いた耐酸性樹脂膜を有
機溶剤で除去し、さらに水洗、乾燥することで、表面を
清浄化する。なお、第２導電層７のパターニングは、前
記の第１導電層２と部分的に接触することにより複数の
単位素子が直列接続されるように行われるのが好まし
い。次に、アセトニトリル／炭酸プロピレンの混合溶媒
（体積比が１：４）に、テトラプロピルアンモニウムア
イオダイド（０．４６モル／ｌ）、ヨウ素（０．０６モ
ル／ｌ）を溶解して、エチルセルロース（混合溶媒に対
する１０〜５０ｗｔ％）を加え、粘度４０００〜３００
００ｃｐｓのペーストとする。また、ポリマー電解質を
用いキャリア輸送層９を形成するには、炭酸プロピレン
溶媒にヨウ化リチウムＬｉＩ（０．５モル）、ヨウ素
（０．０５モル）、ポリビニリデンクロライド共重合体
（ＥｌｆＡｔｏｃｈｅｍ社製、製品名ＫＹＮＡＲ２８
２１、溶媒に対する５〜３０ｗｔ％）を溶解してペース
トとする。このペーストは常温ではゲルになるが、４０
℃に加熱した状態で印刷すると、粘性溶液状態になり、
印刷が行えるようになる。従って、後述のラミネーショ
ンの際も、真空にしてから３０〜５０℃に加熱する段階
で、多孔質の光電変換層３に浸透可能となる。これらの
ペーストを、パターン形成を行ったスクリーン版を用い
て、第２導電層７の所定の位置に４０℃でスクリーン印
刷を行い、キャリア輸送層９を形成する。さらに、キャ
リア輸送層９以外の部分の第２導電層７上に、銀粉末を
主成分とする銀ペーストを、２０℃以下の室温で同様に
スクリーン印刷し、乾燥して固化導電体８を形成する。
次いで、フィルム端面に厚さ１００μｍの銅板を形状加
工して正極となる取出し電極部１０を形成する。このよ
うにして、フィルム側１２を準備する。

【００５３】次に、支持体側１１とフィルム側１２の貼
り合わせについて説明する。図３は、支持体側１１及び
フィルム側１２をそれぞれ導電層等形成面から見た図で
ある。なお、図３で示した符号は、図２で示した符号に
対応している。光電変換素子として発電を可能とするに
は、図３に示すように、支持体側１１の光電変換層３の
面と、フィルム側１２のキャリア輸送層９の面が、それ
ぞれ対応して密着することで達成される。また、支持体
側１１の２個所の固化導電体４は、フィルム側１２の取
出し電極部１０と固化導電体８−１にそれぞれ密着させ
る。さらに、支持体側１１の取出し電極５の一部の領域
は、フィルム側１２の固化導電体８−２と密着させる。

【００５４】支持体側１１とフィルム側１２を貼り合せ
る方法は、単に加熱して圧着させたり、ラミネーション
方法など公知の方法を用いることができる。以下に、ラ
ミネーション方法を用いた方法を説明する。

【００５５】ラミネーションを行う装置の構成について
図５を用いて説明する。装置本体は、脚が取付けられた
ベース板２０と、上部蓋２１から構成される。ベース板
２０には、排気ポート２２と真空ポンプ（図示せず）が
取付けられ、装置内部中央には、ヒータが組み込まれた
熱板台２３がある。上部蓋２１は上下移動に可動となっ
ており、上部蓋２１の直下にほぼ平行する面で、耐熱ゴ
ム製のダイアフラム２４が取付けられ、空間２５には排
気ポート２６が設けられ、前記真空ポンプと切替弁（図
示せず）を介して配管接続されている。上部蓋２１を下
降させると、ベース板２０とはそれぞれの周辺部２７、
２８が密着して空間２９と空間２５が形成される。これ
ら空間はそれぞれの排気ポート２２、２６でそれぞれ真
空排気が可能となっている。

【００５６】一体化する手順について述べる。図５にお
いて、上部蓋２１が上昇位置にある状態で、熱板台２３
上に、支持体側４０（図２の１１）及びフィルム側５０
（図２の１２）を、光電変換層とキャリア輸送層とが向
かい合い、各々のパターン形状位置を合致させて重ねた
状態で置く。次に、上部蓋２１を下降させ、装置本体の
周辺部２７、２８を密着させる。排気ポート２２、２６
よりそれぞれ大気を排気する。真空度が１０^-2Ｔｏｒｒ
になった付近で、室温から昇温した熱板台２３が１００
℃に加熱されることで、支持体側４０及びフィルム側５
０の周辺部の熱可塑性のＥＶＡ樹脂３０（図示せず）を
軟化させる。この状態で、上部の排気ポート２６の真空
排気を停止して大気を流入させると、ダイアフラム２４
はフィルム側５０を下方の支持体側４０に押さえて、支
持体側４０とフィルム側５０を空気層を挟まない状態で
密着させる。その後、熱板台２３を冷却させながら、排
気ポート２２、２６より大気を導入する。この冷却で、
ＥＶＡ樹脂３０は、支持体側４０及びフィルム側５０の
周辺を完全に封着できる。この後、上部蓋２１を上昇さ
せることにより、ラミネーションを完了した集積型の光
電変換素子あるいは有機太陽電池を取出す。

【００５７】本発明の方法で得られる太陽電池は、蓄電
池、直流−交流変換回路、昇圧回路などの公知技術を用
いて太陽光発電システムを構成することができる。その
特長としては、１枚の太陽電池板は、光電変換素子が既
に多数直列されたもので、１００〜２４０Ｖの高電圧出
力を得ることも可能であり、昇圧回路を不要とすること
や、配線を細かくした低コストな太陽光発電システムを
可能とする。

【００５８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
するが、本発明はこれらにより限定されるものではな
い。なお、実施例において、特に断わりのない場合は、
実施の形態に記載の方法、条件及び材料を用いて光電変
換素子及び太陽電池が製造される。

【００５９】実施例１図４の断面図に示すように、２個の単位素子が直列接続
された集積構造を有する太陽電池を製造した。その製造
工程を以下に示す。支持体として、大きさ１０ｃｍ×１
０ｃｍの日本板ガラス製のＳｎＯ₂（第１導電層２）付
きガラス基板１を用いた。レーザー光を第１導電層２の
不要部分に照射して蒸発させることにより、第１導電層
２をパターニングした。次に、第１導電層２上に、大き
さ２ｃｍ×８ｃｍの光電変換層３を形成した。

【００６０】可撓性のフィルム６として、厚さ０．１ｍ
ｍのテフロンフィルムを用い、フィルム６上に、第２導
電層７を形成した。次に、第２導電層７をパターニング
し、第２導電層７上にキャリア輸送層９を光電変換層３
と同じ大きさに形成した。大きさを５ｍｍ×８０ｍｍの
固化導電体（４−１、４−２、８−１、８−２）を、第
１導電層２及び第２導電層７にそれぞれ形成した。

【００６１】光電変換層３とキャリア輸送層９が重なり
合うように、ガラス基板１とフィルム６とをラミネーシ
ョン法で貼り合わせて、太陽電池を製造した。得られた
太陽電池は、２個の単位素子が直列接続されたもので、
その合計受光面積は３２ｃｍ²となった。

【００６２】また、この太陽電池とは別に、固化導電体
（４−１、８−１）を形成しなかった以外は、上記と同
様にして他の太陽電池を製造した。これら２種類の太陽
電池について、ＡＭ１．５の疑似太陽光照射下の動作特
性をそれぞれ調べた。その結果、表１に示すように、固
化導電体を形成したものは、形成しなかったものに比べ
て、ＦＦが大きくなることから、直列接続個所での接触
抵抗は改善されていることが分かった。

【００６３】

【表１】

【００６４】実施例２図６の断面図に示すように、１つの単位素子からなる低
照度用の大面積太陽電池を製造した。その製造工程を以
下に示す。支持体として、大きさ３５ｃｍ×３５ｃｍ、
厚さ３．５ｍｍの白板強化ガラス１を用いた。白板強化
ガラス１上に、メタルマスク蒸着法により、Ｔｉ膜、Ａ
ｇ膜をこの順に堆積し、合計厚さ１０００ｎｍになるよ
うにして金属細線６０を形成した。なお、Ｔｉ膜は、Ａ
ｇ膜とガラス間の密着性改善のために用いた。金属細線
６０の幅を２００μｍに、細線間ピッチを３ｍｍにパタ
ーニングした。なお、図６の断面図においては、二つの
電極部１０、５を結ぶ方向に対し直交するように金属細
線６０を配置したように示しているが、これは図を見や
すくするためであり、実際には二つの電極部１０、５を
結ぶ方向に対して平行に金属細線６０を配置した。次
に、白板強化ガラス１上及び金属細線６０上に、厚さ２
００ｎｍ程度の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜を公知の
スパッタリング方法で形成し、酸エッチング方法で不要
個所を除去してパターニングすることにより、第１導電
層２を形成した。次に、第１導電層２上に大きさ２８ｃ
ｍ×３０ｃｍ（略正方形状）の光電変換層３を形成し
た。

【００６５】フィルム６として、厚さ０．２ｍｍのテフ
ロンフィルムを用いた。このフィルム６表面に、厚さ１
０００ｎｍ程度のアルミニウム層６１を真空蒸着した。
アルミニウム層上に、第２導電層７を形成した。第２導
電層７上に、光電変換層３と同じ大きさ及び形状のキャ
リア輸送層９を形成した。

【００６６】第１導電層２上及び第２導電層７上に固化
導電体（４、８）を１ｃｍ×３０ｃｍの大きさにそれぞ
れ所定のパターンに形成した。光電変換層３とキャリア
輸送層９が重なり合うように、白板強化ガラス１とフィ
ルム６とをラミネーションにより貼り合わせて、１つの
単位素子からなる太陽電池を製造した。この太陽電池
の、受光面側（支持体側）から見た受光面積（金属細線
を含む）は８４０ｃｍ²となった。

【００６７】また、この太陽電池とは別に、金属細線６
０を形成しなかった以外は、上記と同様にして他の太陽
電池を形成した。また、アルミニウム層６１を形成しな
かった以外は、上記と同様にしてさらに他の太陽電池を
製造した。

【００６８】これら３種類の太陽電池について、疑似太
陽光ＡＭ１．５照射下の動作特性をそれぞれ測定した。
その結果、表２に示すように、アルミニウム層６１を形
成しなかったものは、良好なＦＦが得られるものの、金
属細線が陰になり、短絡電流（ｍＡ／ｃｍ²）が若干低
下する。また、アルミニウム層６１をフィルム側（光入
射及び反対側）を形成することにより、一旦素子を透過
した光が再度裏面からの光反射効果により、短絡電流は
改善され、最も高い変換効率Ｅｆｆ５．８４％が得られ
た。この太陽電池によれば、５００Ｌｕｘ程度の昼光色
蛍光灯下でも１Ｗ近い電気出力が得られた。

【００６９】従って、１つの単位素子からなる太陽電池
であっても、本実施例の構造、製法により大面積化が可
能であり、特に光照射強度が低い室内用に適する。

【００７０】

【表２】

【００７１】実施例３支持体として、大きさ１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ３．３
ｍｍの白板強化ガラスを用い、フィルムとして、厚さ２
９０μｍの、防湿性の高いＰＥＴ／Ａｌ／ＰＥＴの３層
構造のものを用い、耐久性を明確に把握するため、ラミ
ネーション前に、支持体面において、フィルム面と接す
る周辺全体に幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＥＶＡ樹脂シー
ト（図示せず）を形成した以外は、実施例１と同様にし
て、２個の単位素子が直列接続した太陽電池を製造し
た。

【００７２】ＥＶＡ樹脂シートを形成したことにより、
ＥＶＡ樹脂シートがラミネーション時の１００℃、７分
間の加熱で架橋反応を起こし、太陽電池の周辺部を完全
に封着することができた。

【００７３】また、本実施例においては、白板強化ガラ
スとフィルムの貼り合せ方法として、常圧での熱圧着法
と、真空でのラミネーション法との二通りの製法でそれ
ぞれ太陽電池を製造した。これらの２種類の太陽電池に
ついて、製造直後及び５ヶ月後に、ＡＭ１．５の疑似太
陽光照射下の動作特性をそれぞれ調べた。その結果、表
３に示すように、真空でのラミネーション法により貼り
合せた太陽電池は、貼り合せ時に空気を光電変換部分に
含まず、５ヶ月後の変換効率の低下率が１０．９％と、
常圧／熱圧着法により貼り合せた太陽電池よりも少なか
った。これにより、太陽電池として、良好な耐久性が得
られることが明らかになった。

【００７４】

【表３】

【００７５】以上のとおり、本発明によれは、従来の太
陽電池よりも低コストな屋外用の太陽電池あるいは太陽
光発電システムを実現できる。

【００７６】

【発明の効果】有機材料の光電変換機能を用いる光電変
換素子に関し、大面積化、低コスト化が可能になった。
このような光電変換素子を用いることで、従来の太陽電
池よりも低コストな屋外用の実用太陽電池あるいは太陽
光発電システムが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電変換素子の製造フローチャートで
ある。

【図２】本発明の光電変換素子の製造工程を示す模式断
面図である。

【図３】本発明の光電変換素子の製造工程を示す模式平
面図である。

【図４】本発明の複数の単位素子が直列接続されてなる
光電変換素子の断面図である。

【図５】支持体側とフィルム側を貼り合せる装置を示す
模式図である。

【図６】本発明の１つの単位素子からなる光電変換素子
の断面図である。

【符号の説明】

１支持体（ガラス基板、白板強化ガラス）２第１導電層３光電変換層４、4-1、4-2 、８、8-1、8-2 固化導電体５電極部６フィルム７第２導電層９キャリア輸送層１０電極部１１、４０支持体側１２、５０フィルム側２０ベース板２１上部蓋２２、２６排気ポート２３熱板台２４ダイアフラム２５、２９空間２７、２８周辺部３０ＥＶＡ樹脂６０金属細線６１アルミニウム層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F051 AA14 BA18 CB12 FA03 FA06 GA03 JA05 5H032 AA06 AS16 EE03 EE16 EE17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持体、第１導電層、光電変換層、キャ
リア輸送層、第２導電層及び可撓性のフィルムをこの順
で構成してなる光電変換機能を有する単位素子からなる
光電変換素子において、支持体にパターニング形成され
た第１導電層と、可撓性のフィルムにパターニング形成
された第２導電層とを部分的に接触させることにより複
数の単位素子が電気的に直列接続されてなることを特徴
とする光電変換素子。
【請求項２】支持体、第１導電層、光電変換層、キャ
リア輸送層、第２導電層及び可撓性のフィルムをこの順
で構成してなる光電変換機能を有する単位素子からなる
光電変換素子を製造するにあたり、支持体上に第１導電
層をパターニング形成し、第１導電層上に光電変換層を
パターニング形成し、可撓性のフィルム上に第２導電層
をパターニング形成し、第２導電層上にキャリア輸送層
をパターニング形成し、光電変換層とキャリア輸送層と
が接するように支持体と可撓性のフィルムを貼り合せる
とともに第１導電層と第２導電層を部分的に接触させる
ことを特徴とする、複数の単位素子が電気的に直列接続
されてなる光電変換素子の製造方法。
【請求項３】支持体、第１導電層、光電変換層、キャ
リア輸送層、第２導電層及び可撓性のフィルムをこの順
で構成してなる光電変換機能を有する単位素子からなる
光電変換素子を製造するにあたり、支持体上に第１導電
層をパターニング形成し、第１導電層上に光電変換層を
パターニング形成し、光電変換層上にキャリア輸送層を
パターニング形成し、可撓性のフィルム上に第２導電層
をパターニング形成し、キャリア輸送層と第２導電層と
が接するように支持体と可撓性のフィルムを貼り合せる
とともに第１導電層と第２導電層を部分的に接触させる
ことを特徴とする、複数の単位素子が電気的に直列接続
されてなる光電変換素子の製造方法。
【請求項４】支持体、第１導電層、光電変換層、キャ
リア輸送層、第２導電層及び可撓性のフィルムをこの順
で構成してなる光電変換機能を有する単位素子からなる
光電変換素子を製造するにあたり、支持体の片面の略全
面に第１導電層及び光電変換層をこの順で積層形成し、
可撓性のフィルムの片面の略全面に第２導電層及びキャ
リア輸送層をこの順で積層形成し、光電変換層とキャリ
ア輸送層とが接するように支持体と可撓性のフィルムを
貼り合せるか、あるいは支持体の片面の略全面に第１導
電層、光電変換層及びキャリア輸送層をこの順で積層形
成し、可撓性のフィルムの片面の略全面に第２導電層を
形成し、キャリア輸送層と第２導電層とが接するように
支持体と可撓性のフィルムを貼り合せることを特徴とす
る１つの単位素子からなる光電変換素子の製造方法。
【請求項５】常圧での圧着方法、真空又は減圧状態の
ラミネーション方法のいずれかを用いて支持体と可撓性
のフィルムを貼り合せる請求項２〜４のいずれかに記載
の光電変換素子の製造方法。
【請求項６】第１導電層及び／又は第２導電層の一部
に、導電性材料をパターニング形成することにより、導
電性材料を介して第１導電層と第２導電層を電気的に接
続し、かつ光電変換機能を有する単位素子の内部電気抵
抗を低減させる請求項２〜５のいずれかに記載の光電変
換素子の製造方法。
【請求項７】第１導電層及び／又は第２導電層に、金
属を主成分とする細線を併設することにより、光電変換
機能を有する単位素子の内部電気抵抗を低減させる請求
項２〜６のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項８】請求項２〜７のいずれかに記載の方法に
より製造された光電変換素子。
【請求項９】請求項８に記載の光電変換素子を用いて
なる太陽電池又は太陽光発電システム。