JP2006332380A - 有機太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上することができ、且つ前記光電変換層を塗布法にて容易に形成することができる有機太陽電池の製造を提供する。
【解決手段】基板１の片面に第一電極２、有機半導体にて構成される光電変換層３、第二電極４をこの順に積層成形することで基板１とその片面に設けられた光電変換素子５とで構成される二つの太陽電池ブロック６を作製するブロック作製工程を含む。前記二つの太陽電池ブロック６を光電変換素子５が設けられた面同士を対向させて接合する接合工程とを含む。これにより、ブロック作製工程において各太陽電池ブロック６に別個に形成された光電変換層３を、接合工程により有機太陽電池における入射光の入射側と背面側とに配置することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子供与性の材料又は電子受容性の材料を含有する有機半導体を光電変換層とする有機太陽電池及びその製造方法に関するものである。

近時、産業の発展に伴いエネルギーの使用量が飛躍的に増加している。その中で地球環境に負荷を与えない、経済的で高性能な新しいクリーンエネルギーの生産技術の開発が求められている。太陽電池は無限にあるといって良い太陽光を利用することから新しいエネルギー源として注目されている。

現在実用化されている太陽電池の大部分は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いた無機太陽電池である。しかし、これら無機シリコン系太陽電池は、その製造プロセスが複雑でコストが高いという欠点を持ち合わせているため、広く一般家庭に普及するには至っていない。

このような欠点を解消するために、簡単なプロセスで低コスト、大面積化が可能な有機材料を用いた有機太陽電池の研究が盛んになってきている。このような有機太陽電池としては、大きく分類すると、ポーラスＴｉＯ₂上に色素を担持させて、これに電解質を満たした色素増感型、固体有機薄膜と金属薄膜とに生じるショットキー障壁を利用するショットキー障壁型、Ｐ型有機半導体薄膜とＮ型有機半導体薄膜を積層したバイレイヤＰＮ接合型、Ｐ型有機半導体材料（ドナー材料）とＮ型半導体材料（アクセプタ材料）を溶媒に溶かして溶液状態でブレンド液を調製し塗布するバルクヘテロジャンクション型等がある（特許文献１，２参照）。

このうち色素増感型は既に変換効率が１０％を超えているが、液体電解質を用いており信頼性が低いこと、高効率を得るためにルテニウム色素、白金電極等の高価な材料が必要で低コスト化が難しいこと、安価な材料に変更するとエネルギー効率が低下することなどの問題点がある。

一方で、全固体のポリマー型有機半導体を用いるタイプでは塗布法により安価に製造できる可能性があり、特に導電性高分子とフラーレン誘導体をブレンドしてなるバルクジャンクション型有機太陽電池は変換効率が３〜５％を超え、低コストで高効率を得る可能性がある太陽電池として開発が活発に行われている。この例では、アクセプタとしてフラーレン誘導体、ドナーとして導電性高分子がそれぞれ機能している。この構造ではナノサイズのフラーレンが膜全体に亘って均一に分散しているため、膜全体にエキシトンが電荷分離を起こすＰＮ接合部が分散していることになる。これによってポリマー中のエキシトンの移動距離が短くても、エキシトンの移動距離内に必ずＰＮ接合部が存在するため、エキシトンの消滅を軽減することができる。接合部で電荷分離を起こした後は、エネルギー準位に従い電子はフラーレン誘導体へ移動し、フラーレン間をホッピング伝導して負極まで到達する。一方、正孔はポリマー中を伝導し、正極に達する。
特開２００４−２０７４０１号公報 特開平８−２２２２８１号公報

しかし、このようなポリマー型有機半導体を用いるタイプでは、有機半導体材料中においてはキャリア、すなわち電子や正孔を輸送可能な距離は現状では約１００ｎｍ程度であり、この厚みが厚すぎると電子や正孔が電極まで到達できず、再結合により消滅する確率が増大して、発電効率が低下してしまう。一方、膜厚が薄くなりすぎると吸光量が不足し、やはり高い発電効率は望めなくなってしまう。このように従来の有機太陽電池には、キャリア輸送能力が低いために膜厚を大きくすることができず、光吸収量が不足するという問題がある。

このような問題を解決するための手段の一つとしては、有機半導体材料の移動度やキャリア寿命を高めることが考えられるが、これには多大な開発期間を要することが予測される。

またもう一つの手段として、複数の光電変換層を０．５ｎｍから５ｎｍ程度の金属層を介して積層する取り組み（A.Yakimov and S.R.Forrest,Appl.Phys.Lett.80,1667(2002)）が検討されている。

しかし、この手法では真空蒸着法により光電変換層の成膜を行うものであり、塗布法により安価且つ容易に製造することが困難であるという問題がある。すなわち、一般に塗布法は有機半導体を有機溶媒で希釈するので、光電変換層の上に他の光電変換層を形成して前記のような積層構造を構成しようとしても下側の光電変換層が上の光電変換層を形成するための有機溶媒に溶解してしまい、下側の光電変換層の構造が破壊されたりその機能が劣化したりして理想的な構造が構成できないおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、発電効率を向上することができ、且つ前記光電変換層を塗布法にて容易に形成することができる有機太陽電池の製造方法及び有機太陽電池を提供することを目的とするものである。

本発明に係る有機太陽電池の製造方法は、基板１の片面に第一電極２、有機半導体にて構成される光電変換層３、第二電極４をこの順に積層成形することで基板１とその片面に設けられた光電変換素子５とで構成される太陽電池ブロック６を作製するブロック作製工程と、二つの前記太陽電池ブロック６を光電変換素子５が設けられた面同士を対向させて接合する接合工程とを含むことを特徴とするものである。これにより、ブロック作製工程において各太陽電池ブロック６に別個に形成された光電変換層３を、接合工程により有機太陽電池における入射光の入射側と背面側とに配置することができる。

この有機太陽電池の製造方法においては、上記ブロック作製工程において基板１の片面に光電変換素子５に導通する引出電極７を形成し、上記接合工程において二つの太陽電池ブロック６の引出電極７同士を接触させて導通させるようにしても良い。この場合、二つの太陽電池ブロック６間で引出電極７を介して光電変換素子５を導通させることができ、有機太陽電池の開放端電圧を向上することができる。

また、上記ブロック作製工程において二つの太陽電池ブロック６の基板１のうち少なくとも一方を熱融着性を有するフレキシブルな材料にて形成し、上記接合工程において前記基板１を加熱することで基板１同士を融着することにより二つの太陽電池ブロック６を接合しても良い。このようにすると、太陽電池ブロック６同士の接合を容易に行うことができ、またフレキシブルな基板１をロールトゥロール工法により搬送しながら光電変換素子５の形成と基板１の接合を行うことも可能となって製造効率が向上する。更に、二つの太陽電池ブロック６同士を接合する際に、剛性の高い基板１では一度に全ての面を接合しなければならないために一回の位置合わせで接合を行わなければならず、位置合わせの基準位置から離れるほど位置ずれが発生するおそれが高くなるのに対し、フレキシブルな基板１はこれを撓らせながらその一方の端から順に接合することができ、位置合わせを順次行いながら接合を行うことが可能となって、位置ずれの発生を抑制することができる。

また、上記ブロック作製工程において、光電変換層３を電子供与性材料又は電子受容性材料を含有する有機半導体の溶液を塗布成膜することにより形成することができる。これにより、光電変換層３を塗布法により安価且つ容易に形成することができる。

本発明によれば、入射光の入射側と背面側とにそれぞれ光電変換層を備える有機太陽電池を得ることができて、これにより光電変換層の厚みを増大させることなく、入射光に対する発電効率を向上することができるものであり、しかも、前記光電変換層は各太陽電池ブロックに別個に形成されたものであるから光電変換層を塗布法にて形成する場合に他の光電変換層に溶剤が作用することがなく、溶剤により光電変換層の構造が破壊されたり機能が低下したりすることを防止することができ、光電変換層を塗布法により安価且つ容易に形成することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明にて提供される有機太陽電池は、入射光の入射側に配置される入射側ブロック６ａと、前記入射側とは反対側に配置される背面側ブロック６ｂの二つの太陽電池ブロック６から構成される。各太陽電池ブロック６は、基板１の片面に第一電極２、光電変換層３、第二電極４がこの順に積層して構成される光電変換素子５が形成されており、この各太陽電池ブロック６が光電変換素子５が形成されている面を対向させて接合して構成されている。

まず本発明の第一の実施の形態について、図１を示して説明する。

上記各太陽電池ブロック６を形成するブロック作製工程においては、基板１（１ａ，１ｂ）の片面に第一電極２（２ａ，２ｂ）、光電変換層３（３ａ，３ｂ）、第二電極４（４ａ，４ｂ）を順次積層させて形成する。

入射側ブロック６ａについては、基板１ａは、絶縁性を有し、可視光を透過するものが用いられるものであり、無色透明のほか、多少着色されているものであっても、すりガラス状のものであっても良いが、特に４００〜８００ｎｍの波長域の光の透過率が８０％以上のものが好ましい。具体的な材料としてはソーダライムガラス、無アルカリガラス、各種透明プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＡＳ、ＡＢＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＣ、ＰＥＳ等）などを挙げることができる。

この入射側ブロック６ａの基板１ａに形成される第一電極２ａは正極又は負極として機能するものであり、導電性を有し、可視光を透過するものを形成するものであり、良好な太陽電池特性を有するためにはシート抵抗が２０Ω／□以下であることが好ましく、また４００〜８００ｎｍの波長域の光の透過率が８０％以上であることが好ましい。またこの第一電極２ａを正極として形成する場合には、正孔を効率良く収集するために仕事関数が大きいものであることが好ましく、特に仕事関数が４．９〜５．１ｅＶの範囲のものが好ましい。このような第一電極２ａの具体的な材料としては、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、ＡＺＯ、ＧＺＯ等の導電性透明材料が挙げられる。この第一の透明電極の膜厚は特に制限されないが、良好な導電性と光透過性を確保するためには５０〜２００ｎｍの範囲であることが好ましい。

このような第一電極２ａは、例えば上記のような電極材料を基板１ａの表面に物理的気相蒸着法や塗布法等により成膜して形成することができ、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の方法で薄膜に形成することによって作製することができる。

入射側ブロック６ａにおける光電変換層３ａは、電子供与性材料（ドナー材料）と電子受容性材料（アクセプタ材料）とを含むものであり、そのうちの少なくとも一方は有機半導体から構成される。

電子受容性材料としては、化合物半導体粒子を挙げることができ、特に化合物半導体ナノ結晶を用いることができる。ここで、ナノ結晶とは、サイズが１〜１００ｎｍのものである。また、ナノ結晶の形状にはロッド状、球状、テトラポット状が含まれる。具体的な材料としてはＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等のIII〜Ｖ族化合物半導体結晶、ＣａＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ等のIII〜Ｖ族化合物半導体結晶等を挙げることができる。また、フラーレン、フラーレン誘導体等も用いることができる。

また、電子供与性材料としては、π共役型ポリマー等が好ましく、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリアニリン等を主骨格にもつものが正孔伝導性の面で好ましい。このような電子供与性材料としては、例えばフタロシアニン系顔料、インジゴ、チオインジゴ系顔料、キナクリドン系顔料、メロシアニン化合物、シアニン化合物、スクアリウム化合物や、また有機電子写真感光体に用いられる電荷移動剤、電気伝導性有機電荷移動錯体などを挙げることができ、更には導電性高分子を挙げることができる。

このような電子供与性材料と電子受容性材料にて光電変換層３ａを形成するにあたっては、物理的気相蒸着法や塗布法等により成膜して形成することができ、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の方法で薄膜に形成することによって作製することができる。特に本発明では塗布法により光電変換層３ａを形成することが好ましい。この場合の電子供与性材料と電子受容性材料としては上記のようなものを用いることができるが、溶媒に溶解或いは分散するものであれば特に限定されない。この溶媒としては、クロロホルム、クロロベンゼン、１，２−ジクロロベンゼン、１，２，４−トリクロロベンゼン、トルエン等の極性溶媒を用いることができる。そして、第一電極２ａの上に電子供与性材料と電子受容性材料を含有する溶液を塗布し、加熱乾燥等により溶媒を除去することによって光電変換層３ａを形成することができる。

この光電変換層３ａの厚みは適宜設定されるものであるが、良好な発電効率を維持するためには、光電変換層３ａの組成にもよるが５０〜１００ｎｍの範囲とすることが好ましい。

また、第二電極４ａは、本実施形態では後述する背面側ブロック６ｂにおける第二電極４ｂと一体となって、入射側ブロック６ａにおける光電変換層３ａと背面側ブロック６ｂにおける光電変換層３ｂからそれぞれ供給される電子と正孔とを結合させて二つの光電変換層３ａ，３ｂを導通させるキャリア再結合層として機能するものであり、導電性を有し、且つ可視光を透過するものを形成することが好ましい。特に４００〜８００ｎｍの波長域の光の透過率が８０％以上のものであることが望ましい。このような第二電極４ａの具体的な材料としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ等を挙げることができる。また良好な光透過性を確保するためには第二電極４ａの膜厚を０．５〜５ｎｍの範囲に形成することが好ましい。この第二電極４ａは、例えばこれらの電極材料を用い、物理蒸着法による成膜や、電極材料を溶剤に分散させて塗布成膜することなどにより形成することができ、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の適宜の手法で形成することができる。

このような入射側ブロック６ａにおける第一電極２ａ、光電変換層３ａ及び第二電極４ａから構成される光電変換素子５ａは、基材に一つだけ形成するほか、複数の光電変換素子５ａを形成するようにしても良く、本実施形態では二つの光電変換素子５ａを形成している。

また、背面側ブロック６ｂの基板１ｂは絶縁性を有するものであれば良く、具体的な材質としては、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、各種プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＡＳ、ＡＢＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＣ、ＰＥＳ等）、表面に絶縁被覆を施したアルミニウム箔、ステンレス箔等のフィルム状の金属などを挙げることができる。

この背面側ブロック６ｂに形成される第一電極２ｂは、導電性が良好な材質にて形成するものであり、特に良好な太陽電池特性を得るためにはシート抵抗が２０Ω／□以下であることが好ましい。またこの第一電極２ｂを負極として形成する場合には、電子を効率良く収集するために仕事関数が小さいものであることが好ましく、特に仕事関数が３〜４．５ｅＶの範囲のものが望ましい。このような第一電極２ｂの具体的な材料としては、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等を挙げることができる。

このような第一電極２ｂは、例えば上記のような電極材料を基板１ｂの表面に真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の方法で薄膜に形成することによって作製することができる。この第一の透明電極の膜厚は特に制限されないが、良好な導電性を確保するためには１００ｎｍ程度とすることが好ましい。

背面側ブロック６ｂにおける光電変換層３ｂは、上記の入射側ブロック６ａにおける光電変換層３ａと同様のものを同様の手法により形成することができる。

また、第二電極４ｂは、入射側ブロック６ａにおけるものと同様に良好な導電性を有し、且つ可視光を透過するものを形成することが好ましく、特に４００〜８００ｎｍの波長域の光の透過率が８０％以上のものであることが望ましい。このような第二電極４ｂの材料としては適宜の導電性材料を用いることができるが、例えば入射側ブロック６ａの第二電極４ａと同様の材料にて形成することができる。このとき良好な光透過性を確保するためには膜厚を０．５〜５ｎｍの範囲に形成することが好ましい。この第二電極４ｂは、例えばこれらの電極材料を用い、物理蒸着法による成膜や、電極材料を溶剤に分散させて塗布成膜することなどにより形成することができ、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スピンコート法、印刷法等の適宜の手法で形成することができる。

このような背面側ブロック６ｂにおける第一電極２ｂ、光電変換層３ｂ及び第二電極４ｂから構成される光電変換素子５ｂは、基板１ｂに一つだけ形成するほか、複数の光電変換素子５ｂを配列して形成するようにしても良く、本実施形態では二つの光電変換素子５ｂを形成している。

また、上記のように太陽電池ブロック６を形成する際に、各太陽電池ブロック６に、太陽電池ブロック６間で対向し合わない光電変換素子５同士を導通させる引出電極７や、外部接続端子８を形成しても良い。本実施形態では各太陽電池ブロック６に形成される二つの光電変換素子５のうち一方に引出電極７を接続して形成し、他方に外部接続端子８を接続して形成している。

引出電極７は適宜の手法で形成することができるが、本実施形態では第一電極２を形成した後に、基板１上に引出電極７を前記第一電極２と接続するように形成している。このとき例えば第一電極２を形成する際に、その面積を、光電変換素子５や第二電極４の面積よりも大きくなるように形成することで、この第一電極２における光電変換素子５や第二電極４が積層されない領域を、引出電極７との接続端子１０として形成する。そして、第一電極２を形成した後、或いは更に光電変換層３（或いは更に第二電極４）を形成した後に、基板１における光電変換素子５が形成されていない領域に引出電極７を形成すると共に、この引出電極７の一部を前記接続端子１０と接触させて導通させるものである。図示の例では引出電極７は第一電極２の厚みよりも厚く形成され、その一部が第一電極２の接続端子１０と接触するように積層して形成されることで、引出電極７と第一電極２とが導通しているものである。このようにして引出電極７を形成すると、引出電極７は光電変換素子５の第一電極２から引き出されて基板１表面上に露出するように形成される。この引出電極７の厚みは適宜設定されるものであるが、基板１からの引出電極７の突出寸法が光電変換素子５の基板１からの突出寸法と略同一となるようにすることが好ましく、また引出電極７が僅かに光電変換素子５よりも突出するなど突出寸法に僅かな相違が生じていても良い。

また、外部接続端子８も適宜の手法で形成することができるが、例えば第一電極２を形成する際に、この第一電極２を形成する場合と同様の手法により、第一電極２と外部接続端子８とが一体となった導体膜を形成することができる。このとき、前記導体膜における光電変換層３及び第二電極４が積層される領域が第一電極２として形成され、それ以外の領域が外部接続端子８として形成されるものであり、この外部接続端子８は光電変換素子５の第一電極２から引き出されて基板１の表面上に露出するように形成される。

次に、このように形成された各太陽電池ブロック６ａ，６ｂを、接合工程において光電変換層３ａ，３ｂが形成されている面同士を対向させて接合すると共に各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの第二電極４同士を電気的に接続して、有機太陽電池を得る。

この接合に際しては、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの光電変換素子５ａ，５ｂの第二電極４ａ，４ｂ同士が対向すると共に、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの引出電極７同士も対向するように配置する。このとき各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける引出電極７に接続されている光電変換素子５ａ，５ｂ同士は対向し合わないように配置する。また、各基板１における外部接続端子８が形成されている部位は他の基板１よりも外方に突出して外部接続端子８が外部に露出するようにしている。

そして、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ間における対向する第二電極４ａ，４ｂ間及び対向する引出電極７，７間を除く領域にエポキシ系等の適宜の接着剤１３を介在させ、前記第二電極４ａ，４ｂ間及び引出電極７，７間を密接させた状態で前記接着剤１３により各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ同士を接合する。このとき基板１からの光電変換素子５の引出電極７の突出寸法に僅かな違いが生じていても、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂを構成する部材自体の厚みがごく薄ければ、これらの部材が僅かに変形するだけで第二電極４ａ，４ｂ間及び引出電極７，７間がそれぞれ密接されることとなる。これにより有機太陽電池が得られる。

また、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける基板１ａ，１ｂの少なくとも一方として、熱融着性を有するフレキシブルな材料からなる熱融着性のものを用いると、上記のように接着剤１３を介在させることなく太陽電池ブロック６ａ，６ｂ同士を位置合わせして対向させて配置し、第二電極４ａ，４ｂ間及び引出電極７，７間を密接させた状態で基板１ａ，１ｂ同士を加熱融着させることで各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ同士を接合し、これにより有機太陽電池を得ることもできる。この熱融着過程においては基板１がフレキシブルに変形可能なことから、光電変換素子５や引出電極７が基板１から突出していても基板１が変形して基板１の露出面同士が密着し、熱融着させることができる。

上記フレキシブルな材料としては、シート状の各種透明プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＡＳ、ＡＢＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＣ、ＰＥＳ等）や、アルミニウム箔、ステンレス箔等のフィルム状の金属などを挙げることができる。このとき、熱融着性を有しない透明プラスチックを用いる場合やフィルム状の金属などのようにそれ自体熱融着性を有しない材料や導電性材料からなるものを用いる場合には、これらの表面に熱可塑性樹脂（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＡＳ、ＡＢＳ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＣ、ＰＥＳ等）等からなる熱融着性の層を形成して熱融着性を付与したり絶縁性を確保したりすることができる。

また、基板１としてフレキシブルな材料を用いる場合には、基板１からの光電変換素子５と引出電極７の突出高さに相違があっても基板１が変形することにより光電変換素子５ａ，５ｂ同士と引出電極７，７同士をそれぞれ密接させることができる。

例えば図２に示すものでは、第一電極２を形成する際に、第一電極２を形成する場合と同様の手法により、第一電極２と引出電極７とが一体となった導体膜を形成したものである。このとき、前記導体膜における光電変換層３及び第二電極４が積層される領域が第一電極２として形成され、それ以外の領域が引出電極７として形成されるものであり、この引出電極７は光電変換素子５の第一電極２から引き出されて基板１表面上に露出するように形成される。このように第一電極２の突出寸法が光電変換素子５の突出寸法よりも小さく形成される場合でも、基板１としてフレキシブルな材料を用いれば、太陽電池ブロック６ａ，６ｂ同士を接合する際に基板１の変形により光電変換素子５ａ，５ｂ同士と引出電極７，７同士をそれぞれ密接させて導通させることができるものである。

ここで、上記の例では入射側ブロック６ａにおける第一電極２ａを透明電極からなる正極として形成し、背面側ブロック６ｂにおける第一電極２ｂを負極として形成したが、入射側ブロック６ａにおける第一電極２ａを透明電極からなる負極として、背面側ブロック６ｂにおける第一電極２ｂを正極として形成しても良い。また、公知の有機太陽電池の構成と同様に、光電変換層３とこれに積層される各電極２，４との間には、光電変換層３の正極側に正孔輸送層を形成したり、光電変換層３の負極側に電子輸送層を形成したりしても良い。

このようにして形成される有機太陽電池は、入射光の入射側には入射側ブロック６ａにおける光電変換素子５ａが、背面側には背面側ブロック６ｂにおける光電変換素子５ｂがそれぞれ形成されることとなるため、入射側ブロック６ａの基板１ａから光が入射された場合、この光は入射側ブロック６ａの光電変換層３ａに到達した後、第二電極４ａ，４ｂを透過して背面側ブロック６ｂの光電変換層３ｂへと到達することとなる。このため、光電変換層３自体の光電変換効率を向上させたり光電変換層３の厚みを大きくしたりすることなく、入射光に対する発電効率が高くなるものである。

また、本実施形態では各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの光電変換素子５ａ，５ｂは各第二電極４ａ，４ｂ同士が導通されていることにより直列に接続された状態となっているため、有機太陽電池の開放端電圧が向上されるものである。

また、上記のような引出電極７を設けて、この各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける引出電極７，７同士を導通させると、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける互いに積層されていない光電変換素子５ａ，５ｂの第一電極２ａ，２ｂ同士が引出電極７を介して導通し、この光電変換素子５ａ，５ｂ同士が直列に接続されることとなる。このことによっても有機太陽電池の開放端電圧が向上されるものである。

ここで、本実施形態では、積層して形成された光電変換素子５ａ，５ｂ同士が第二電極４ａ，４ｂを介して直列に接続されていると共に、この直列に接続された二組の光電変換素子５が更に引出電極７を介して直列に接続され、この直列に接続された四個の光電変換素子５のうちの両端の各光電変換素子５に外部接続端子８が接続されている。これにより直列に接続された四個の太陽電池から外部に電力を供給することができる。また、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂに適宜複数の光電変換素子５を形成し、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの光電変換素子５ａ，５ｂ同士を対向させて第二電極４ａ，４ｂを介して接続すると共に、引出電極７を介して各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける光電変換素子５ａ，５ｂ間を順次接続することで、適宜の個数の光電変換素子５を順次直列に接続することもできる。これにより更なる開放端電圧の向上を図ることもできるものである。この場合も、直列に接続された両端の光電変換素子５に外部接続端子８を接続して形成し、外部に電力を供給することができる。

次に、本発明の第二の実施形態について、図３を示して説明する。

本実施形態における、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂを形成する工程においては、基板１ａの片面に第一電極２ａ、光電変換層３ａ、第二電極４ａを順次積層させて形成する。

まず、入射側ブロック６ａの基板１ａは、絶縁性を有し、可視光を透過するものが用いられるものであり、上記第一の実施形態と同様のものを用いることができるが、本実施形態では更にフレキシブルな熱溶着性のものが用いられる。

この入射側ブロック６ａの基板１ａに形成される第一電極２ａは、第一の実施形態の場合と同様に導電性を有し、可視光を透過するものを形成するものである。また、第一電極２ａを正極として形成する場合には、正孔を効率良く収集するために仕事関数が大きいものであることが好ましく、特に仕事関数が４．９〜５．１ｅＶの範囲のものが好ましい。

また第一電極２ａと同時に、入射側ブロック６ａにおける光電変換素子５ａ，５ａ同士を導通させるブロック内導通電極９と、太陽電池ブロック６ａ，６ｂ間で光電変換素子５ａ，５ｂ同士を導通させる引出電極７と、外部接続端子８とを形成する。本実施形態では第一電極２ａと外部接続端子８とが一体となった導電膜と、第一電極２ａとブロック内導通電極９とが一体となった導電膜と、引出電極７のみを構成する導電膜とを形成している。

これらの導体膜は、上記第一の実施形態における入射側ブロック６ａの第一電極２ａの場合と同様の材料及び同様の手法にて形成することができる。

光電変換層３ａも、上記第一の実施形態におけるものと同様の材料及び同様の手法にて形成することができる。このとき光電変換層３ａは第一電極２ａに積層して形成し、ブロック内導通電極９、外部接続端子８及び引出電極７を基板１ａの片面に露出させるようにする。またこの光電変換層３ａはその一部が第一電極２ａからはみ出すように形成し、前記一部を基板１ａ上面に直接積層する接続部１１として形成する。

また、第二電極４ａは、第一の実施形態の場合と同様に導電性を有し、可視光を透過するものを形成するものであり、また、上記のように第一電極２ａを正極として形成する場合には、第二電極４ａは負極として形成され、この場合は電子を効率良く収集するために仕事関数が小さいものであることが好ましく、特にこの仕事関数が３〜４．５ｅＶの範囲であることが好ましい。具体的には第一の実施形態における第二電極４ａの場合と同様のものを同様の手法により形成することができる。

このとき第二電極４ａは、この第二電極４ａと積層されていない導電膜と接触するように形成することで、入射側ブロック６ａにおける光電変換素子５と外部接続端子８と引出電極７とを導通させるように形成する。図示の例では二つの光電変換素子５ａ，５ａのうち外部接続端子８と一体となった第一電極２ａを有するものでは、第二電極４ａは光電変換層３ａに積層して設けると共に、この光電変換層３ａの接続部１１の表面から基板１ａの表面に至り、ブロック内導通電極９と接触して導通するように形成する。また、前記ブロック内導通電極９と一体となった第一電極２ａを有する光電変換素子５では、第二電極４は光電変換層３ａに積層して設けると共に、この光電変換層３ａの接続部１１の表面から基板１ａの表面に至り、引出電極７と接触して導通するように形成する。

また、背面側ブロック６ｂの基板１ｂは絶縁性を有するものであれば良く、第一の実施形態の場合と同様のものにて形成することができるが、本実施形態では更にフレキシブルな熱溶着性のものが用いられる。

この背面側ブロック６ｂに形成される第一電極２ｂは、上記第一の実施形態の場合と同様に導電性が良好な材質にて形成するものであり、またこの第一電極２ｂを負極として形成する場合には、電子を効率良く収集するために仕事関数が小さいものであることが好ましい。

また第一電極２ｂと同時に、背面側ブロック６ｂにおける光電変換素子５ｂ，５ｂ同士を導通させるブロック内導通電極９と、太陽電池ブロック６ａ，６ｂ間で光電変換素子５ａ，５ｂ同士を導通させる引出電極７と、外部接続端子８とを形成する。本実施形態では第一電極２ｂと引出電極７とが一体となった導電膜と、第一電極２ｂとブロック内導通電極９とが一体となった導電膜と、外部接続端子８のみを構成する導電膜とを形成している。

これらの導体膜は、上記第一の実施形態での背面側ブロック６ｂの第一電極２ｂと同様の材料及び同様の手法にて形成することができる。

光電変換層３ｂは、上記第一の実施形態におけるものと同様の材料及び同様の手法にて形成することができる。このとき光電変換層３ｂは第一電極２ｂに積層して形成し、ブロック内導通電極９、外部接続端子８及び引出電極７を基板１ｂの片面に露出させるようにする。またこの光電変換層３ｂはその一部が第一電極２ｂからはみ出すように形成し、前記一部を基板１ｂ上面に直接積層する接続部１１として形成する。

また、第二電極４ｂは、本実施形態の入射側ブロック６ａにおける第一電極２ａと同様に導電性を有し、可視光を透過するものを形成するものであり、またこの第二電極４ｂを正極として形成する場合には、正孔を効率良く収集するために仕事関数が大きいものであることが好ましい。具体的には前記入射側ブロック６ａの第一電極２ａと同様の材料にて同様の手法で形成することができる。

このとき第二電極４ｂは、この第二電極４ｂと積層されていない導電膜と接触するように形成することで、背面側ブロック６ｂにおける光電変換素子５ｂと外部接続端子８と引出電極７とを導通させるように形成する。図示の例では二つの光電変換素子５ｂ，５ｂのうち引出電極７と一体となった第一電極２ｂを有するものでは、第二電極４ｂは光電変換層３ｂに積層して設けると共に、この光電変換層３ｂの接続部１１の表面から基板１ｂの表面に至り、ブロック内導通電極９と接触して導通するように形成する。また、前記ブロック内導通電極９と一体となった第一電極２ｂを有する光電変換素子５ｂでは、第二電極４ｂは光電変換層３ｂに積層して設けると共に、この光電変換層３ｂの接続部１１の表面から基板１ｂの表面に至り、外部接続端子８と接触して導通するように形成する。

次に、このように形成された各太陽電池ブロック６ａ，６ｂを、接合工程において光電変換層３が形成されている面同士を対向させて接合して、有機太陽電池を得る。

この接合に際しては、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの引出電極７，７同士が対向するように配置すると共に、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ間に適宜の透明樹脂フィルム等からなる絶縁性の透明保護層１２を配置して、この透明保護層１２により太陽電池ブロック６の光電変換素子５及びブロック内導通電極９を他の太陽電池ブロック６側から遮蔽する。このとき引出電極７は透明保護層１２により遮蔽されず、且つ各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける引出電極７，７同士が対向するように位置合わせして配置される。また、外部接続端子８同士が対向するように配置される場合にはこの外部接続端子８の間にも透明保護層１２を配置したり、エポキシ系等の接着剤を介在させたりするなどして外部接続端子８同士が密接しないようにする。

この状態で各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ及び透明保護層１２を積層し、基板１ａ，１ｂ同士を加熱融着させることで各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ同士を接合し、これにより有機太陽電池を得ることができる。この熱融着過程においては基板１がフレキシブルに変形可能なことから、光電変換素子５や引出電極７が基板１から突出していたり太陽電池ブロック６ａ，６ｂ間に透明保護層１２が介在していても基板１が変形して基板１の露出面同士や基板１と透明保護層１２とが密着し、熱融着させることができる。また、このように基板１が変形することにより各太陽電池ブロック６ａ，６ｂの引出電極７，７同士が密接して導通されることとなる。これにより有機太陽電池が得られる。

ここで、上記の例では入射側ブロック６ａにおける第一電極２ａと、背面側ブロック６ｂにおける第二電極４ｂとを透明電極からなる正極として形成すると共に、入射側ブロック６ａにおける第二電極４ａを透明電極からなる負極として形成しているが、いずれの電極２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを正極あるいは負極とするかは任意に設定できる。また、公知の有機太陽電池の構成と同様に、光電変換層３とこれに積層される各電極２，４との間には、光電変換層３の正極側に正孔輸送層を形成したり、光電変換層３の負極側に電子輸送層を形成したりしても良い。

このようにして形成される有機太陽電池は、第一の実施形態の場合と同様に入射光の入射側に入射側ブロック６ａにおける光電変換素子５ａが、背面側に背面側ブロック６ｂにおける光電変換素子５ｂが、それぞれ形成されることとなるため、入射側ブロック６ａの基板１ａから光が入射された場合、この光は入射側ブロック６ａの光電変換層３ａに到達した後、第二電極４ａ，４ｂや透明保護層１２を透過して背面側ブロック６ｂの光電変換層３ｂへと到達することとなる。このため、光電変換層３自体の光電変換効率を向上させたり光電変換層３の厚みを大きくしたりすることなく、入射光に対する発電効率が高くなるものである。

また、本実施形態では各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおいて光電変換素子５ａ，５ａ（５ｂ，５ｂ）同士がブロック内導通電極９を介して直列に接続された状態となっているため、有機太陽電池の開放端電圧が向上されるものである。

また、上記のような引出電極７を設けて、この各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける引出電極７，７同士を導通させると、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける光電変換素子５ａ，５ｂの第一電極２ａ，２ｂ同士が引出電極７を介して導通し、この光電変換素子５ａ，５ｂ同士が直列に接続されることとなる。このことによっても有機太陽電池の開放端電圧が向上されるものである。

ここで、本実施形態では、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ内の光電変換素子５ａ，５ａ（５ｂ，５ｂ）同士がブロック内導通電極９を介して直列に接続されていると共に、この直列に接続された二組の光電変換素子５が更に引出電極７を介して直列に接続され、この直列に接続された四個の光電変換素子５のうちの両端の各光電変換素子５に外部接続端子８が接続されている。これにより有機太陽電池から外部に電力を供給することができる。また、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂに適宜複数の光電変換素子５を形成し、各太陽電池ブロック６ａ，６ｂ内の光電変換素子５ａ，５ａ（５ｂ，５ｂ）同士をブロック内導通電極９を介して接続すると共に、引出電極７を介して各太陽電池ブロック６ａ，６ｂにおける光電変換素子５ａ，５ｂ間を接続することで、適宜の個数の光電変換素子５を順次直列に接続することもできる。これにより更なる開放端電圧の向上を図ることもできるものである。この場合も、直列に接続された両端の光電変換素子５に外部接続端子８を接続して形成し、外部に電力を供給することができる。

（実施例）
図１に示される構成を有する有機太陽電池を作製した。

このとき、入射側ブロック６ａの作製にあたっては、まず基板１ａに無アルカリガラス基板１ａ（１４ｍｍ×１６ｍｍ×０．７ｍｍ）を用い、この基板１ａの片面にスパタリング法によりＩＴＯからなる厚み１５０ｎｍ、シート抵抗１０Ω／□の第一電極２ａ及び外部接続端子８を形成した後、同一の手法により引出電極７を形成した。

この第一電極２ａの表面に第一電極２ａの平滑性を向上させるためにＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルフォネート；バイエル社製「ＰＡＩ４９８３」）を大気中で５００μＬ滴下し、スピンコート法（３０００ｒｐｍ、６０秒）にて塗布し、２００℃のホットプレート上で６０分間乾燥して水分を揮発させることによって成膜した。

次に、不活性雰囲気（アルゴンガス雰囲気）中でπ共役型有機半導体であるＭＤＭＯ−ＰＰＶ（ポリ（２−メトキシ−５−（２，７−ジメチルオクチルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン；アメリカンダイソース社製）と、電子受容性材料としてフラーレン誘導体であるＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ６１−ブチリックアシッドメチルエステル；Ｎａｎｏ−Ｃ社製）とを、前者対後者が１：４の重量比となるように配合してクロロベンゼンにて希釈した。この溶液を不活性雰囲気中で８０μＬマイクロディスペンサで抽出し、上記第一電極２ａ上に滴下してスピンコート法（２５００ｒｐｍ、３０秒）で塗布した後、５０℃のホットプレート上で１５分間加熱乾燥することでクロロベンゼンを揮発させて、厚み８０ｎｍの光電変換層３ａを形成した。

次に、上記光電変換層３ａにＡｇを抵抗加熱による真空蒸着法により積層成形して厚み５ｎｍの第二電極４ａを設けることで光電変換素子５ａを形成し、入射側ブロック６ａを得た。

また、背面側ブロック６ｂの作製にあたっては、入射側ブロック６ａの場合と同一の基板１ｂの片面にＡｌを抵抗加熱による真空蒸着法により積層成形して厚み１００ｎｍの第一電極２ｂ及び外部接続端子８を形成した後、同一の手法により引出電極７を形成した。

次に、第一電極２ｂに入射側ブロック６ａの場合と同一の手法により光電変換層３ｂ及び第二電極４ｂを設けることで光電変換素子５ｂを形成し、背面側ブロック６ｂを得た。

そして、エポキシ系の接着剤を用いて入射側ブロック６ａと背面側ブロック６ｂを接合し、図１に示す構成の有機太陽電池を得た。

この有機太陽電池の入射側ブロック６ａの基板１ａに向けてＡＭ１．５、１００ｍＡ／ｃｍ²の条件で疑似太陽光を照射し、太陽電池特性を測定したところ、開放端電圧（Ｖｏｃ）が１．３Ｖ、短絡電流（Ｉｓｃ）が４ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子（ＦＦ）が０．５６、エネルギー変換効率が３．０％であった。

（比較例）
上記実施例における入射側ブロック６ａと同一の材料及び同一の手法により、基板１の片面に光電変換素子５を設けることで、有機太陽電池を得た。このとき基板１上の光電変換素子５を直列に導通接続した。

そして、実施例の場合と同一の条件でこの有機太陽電池の特性を測定したところ、開放端電圧（Ｖｏｃ）が０．８Ｖ、短絡電流（Ｉｓｃ）が４，２ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子（ＦＦ）が０．６０、エネルギー変換効率が２．０％であった。

本発明の第一の実施形態の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は断面図である。 同上の他例を示す断面図である。 本発明の第二の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第一の電極
３ 光電変換層
４ 第二の電極
５ 光電変換素子
６ 太陽電池ブロック
７ 引出電極

Claims (5)

1. 基板の片面に第一電極、有機半導体にて構成される光電変換層、第二電極をこの順に積層成形することで基板とその片面に設けられた光電変換素子とで構成される太陽電池ブロックを作製するブロック作製工程と、二つの前記太陽電池ブロックを光電変換素子が設けられた面同士を対向させて接合する接合工程とを含むことを特徴とする有機太陽電池の製造方法。
2. 上記ブロック作製工程において基板の片面に光電変換素子に導通する引出電極を形成し、上記接合工程において二つの太陽電池ブロックの引出電極同士を接触させて導通させることを特徴とする請求項１に記載の有機太陽電池の製造方法。
3. 上記ブロック作製工程において二つの太陽電池ブロックの基板のうち少なくとも一方を熱融着性を有するフレキシブルな材料にて形成し、上記接合工程において前記基板を加熱することで基板同士を融着することにより二つの太陽電池ブロックを接合することを特徴とする請求項１又は２に記載の有機太陽電池の製造方法。
4. 上記ブロック作製工程において、光電変換層を電子供与性材料又は電子受容性材料を含有する有機半導体の溶液を塗布成膜することにより形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の有機太陽電池の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかの方法で製造されたことを特徴とする有機太陽電池。

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