JP2010232351A - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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- Y02E10/549—Organic PV cells
Abstract
【解決手段】本発明は、透明基板と、上記透明基板の一方の面にパターン状に形成された内側補助電極と、上記内側補助電極上に形成された透明電極と、上記透明電極上に形成された光電変換層と、上記光電変換層上に形成された対向電極と、上記透明基板の他方の面にパターン状に形成され、透明電極よりも抵抗値の低い外側補助電極と、上記透明基板を貫通し、上記外側補助電極および上記内側補助電極を電気的に接続する接続導電部と、上記外側補助電極上に形成され、上記外側補助電極および上記内側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を上記光電変換層に導く光学部材とを有することを特徴とする有機薄膜太陽電池を提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図1
Description
しかしながら、シリコン太陽電池や色素増感太陽電池に用いられる金属メッシュの厚みは2μm〜20μm程度と非常に厚い。一方、有機薄膜太陽電池では、光電変換層等の有機層の厚みは100nm〜200nmと非常に薄い。そのため、有機薄膜太陽電池に、シリコン太陽電池や色素増感太陽電池に用いられる金属メッシュをそのまま適用すると、光電変換層等の有機層の厚みが薄いために、厚い金属メッシュによる凹凸を有機材料で均一にコーティングすることが難しく、結果として電極間で短絡が生じるという問題がある。
本発明の有機薄膜太陽電池は、補助電極の構成により3つの実施態様に分けることができる。以下、各実施態様に分けて説明する。
本発明の有機薄膜太陽電池の第1実施態様は、透明基板と、上記透明基板の一方の面にパターン状に形成された内側補助電極と、上記内側補助電極上に形成された透明電極と、上記透明電極上に形成された光電変換層と、上記光電変換層上に形成された対向電極と、上記透明基板の他方の面にパターン状に形成され、透明電極よりも抵抗値の低い外側補助電極と、上記透明基板を貫通し、上記外側補助電極および上記内側補助電極を電気的に接続する接続導電部と、上記外側補助電極上に形成され、上記外側補助電極および上記内側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を上記光電変換層に導く光学部材とを有することを特徴とするものである。
図1は、本実施態様の有機薄膜太陽電池の一例を示す概略断面図である。図1に示す例において、有機薄膜太陽電池1は、透明基板2と、透明基板2の一方の面にメッシュ状に形成された内側補助電極3と、内側補助電極3上に形成された透明電極4と、透明電極4上に形成された正孔取出し層5と、正孔取出し層5上に形成された光電変換層6と、光電変換層6上に形成された対向電極7と、透明基板2の他方の面にメッシュ状に形成され、透明電極4よりも抵抗値の低い外側補助電極8と、透明基板2を貫通し、外側補助電極8および内側補助電極3を電気的に接続する接続導電部9と、外側補助電極8上に形成され、外側補助電極8および内側補助電極3が設けられている遮光領域10に入射した光を光電変換層6に導く凸レンズ11aとを有している。
また、遮光領域とは、外側補助電極および内側補助電極が設けられている領域をいう。
図2に例示する有機薄膜太陽電池1においては、まず、入射光Lが凹レンズ11bに入射し、この凹レンズの光の発散作用により拡散されて透明基板2、透明電極4および正孔取出し層5を透過し、光電変換層6に入射する。この際、遮光領域10の凹レンズ11bに入射した光Lは、凹レンズの光の発散作用により拡散されるので、外側補助電極8および内側補助電極3によって遮られることなく光電変換層6に効率的に入射することができる。
図3に例示する有機薄膜太陽電池1においては、まず、入射光Lがプリズム11cに入射し、このプリズムの光の分散・屈折作用により光の進行方向が曲げられて透明基板2、透明電極4および正孔取出し層5を透過し、光電変換層6に入射する。この際、遮光領域10のプリズム11cに入射した光Lは、プリズムの光の分散・屈折作用により光の進行方向が曲げられるので、外側補助電極8および内側補助電極3によって遮られることなく光電変換層6に効率的に入射することができる。
以下、本実施態様の有機薄膜太陽電池における各構成について説明する。
本実施態様に用いられる光学部材は、外側補助電極上に形成され、外側補助電極および内側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を光電変換層に導くものである。
また、光学部材が凸レンズまたは凹レンズである場合であって、外側補助電極および内側補助電極のパターン形状が六角形の格子状(ハニカム状)である場合には、光学部材は凸レンズおよび凹レンズがハニカム状に配列されたレンズアレイであることが好ましい。このようなレンズアレイであれば、凸レンズおよび凹レンズの端部を遮光領域10に位置させることができるからである。
光学部材が凸レンズまたは凹レンズである場合であって、外側補助電極および内側補助電極のパターン形状が四角形の格子状である場合には、例えば、四角形の開口部に外接するようなレンズ形状とすることができる。
本実施態様に用いられる接続導電部は、透明基板を貫通し、外側補助電極および内側補助電極を電気的に接続するものである。
接続導電部が金属箔上に形成された導電性バンプ(突起物)を由来とするものである場合、導電性バンプの形成工程に依拠して、接続導電部の形状は厚み方向に径が変化した円錐状となる。この場合、図4に例示するように、接続導電部9の形状は、内側補助電極3側が小径、外側補助電極8側が大径となる円錐状であることが好ましい。導電性バンプが形成されている金属箔をパターニングすることにより、外側補助電極を形成することができるからである。
図5に例示するように接続導電部9が透明基板2に設けられた貫通孔の壁面を覆うように形成されている場合、貫通孔の壁面以外の部分は、例えば樹脂12等で充填されていることが好ましい。内側補助電極を形成するために透明基板全面にスパッタリング法等の蒸着法により金属薄膜を成膜する場合には、樹脂等が充填されていないと、金属薄膜の形成材料が孔を通過してしまい、透明基板全面に金属薄膜を形成するのが困難になるからである。
中でも、接続導電部は、透明基板に設けられた貫通孔をすべて埋めるように形成されていることが好ましい。導電性を高めることができるからである。
本実施態様に用いられる外側補助電極は、透明基板の他方の面にパターン状に形成され、透明電極よりも抵抗値の低いものである。
なお、上記シート抵抗は、三菱化学株式会社製 表面抵抗計(ロレスタMCP:四端子プローブ)を用い、JIS R1637(ファインセラミックス薄膜の低効率試験方法:4探針法による測定方法)に基づき、測定した値である。
本実施態様に用いられる内側補助電極は、透明基板の一方の面にパターン状に形成されるものである。
なお、内側補助電極に用いられる金属については、上記外側補助電極に用いられる金属と同様であるので、ここでの説明は省略する。
金属薄膜のパターニング方法としては、所望のパターンに精度良く形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、例えばフォトエッチング法等を挙げることができる。
本実施態様に用いられる透明電極は、上記内側補助電極上に形成されるものである。本発明においては、外側補助電極側が受光面となるため、透明電極は、通常、光電変換層で発生した正孔を取り出すための電極(正孔取出し電極)とされる。
なお、上記全光線透過率は、可視光領域において、スガ試験機株式会社製 SMカラーコンピュータ(型番:SM−C)を用いて測定した値である。
なお、上記シート抵抗は、三菱化学株式会社製 表面抵抗計(ロレスタMCP:四端子プローブ)を用い、JIS R1637(ファインセラミックス薄膜の低効率試験方法:4探針法による測定方法)に基づき、測定した値である。
この透明電極の膜厚としては、単層である場合はその膜厚が、複数層からなる場合は総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内であることが好ましく、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄いと、透明電極のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない可能性があり、一方、膜厚が上記範囲より厚いと、全光線透過率が低下し、光電変換効率を低下させる可能性があるからである。
本実施態様に用いられる光電変換層は、透明電極および対向電極の間に形成されるものである。なお、「光電変換層」とは、有機薄膜太陽電池の電荷分離に寄与し、生じた電子および正孔を各々反対方向の電極に向かって輸送する機能を有する部材をいう。
本実施態様における光電変換層の第1態様は、電子受容性および電子供与性の両機能を有する単一の層であり、電子供与性材料および電子受容性材料を含有するものである。この光電変換層では、光電変換層内で形成されるpn接合を利用して電荷分離が生じるため、単独で光電変換層として機能する。
導電性高分子はいわゆるπ共役高分子であり、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系から成り立っており、半導体的性質を示すものである。導電性高分子材料は、高分子主鎖内にπ共役が発達しているため主鎖方向への電荷輸送が基本的に有利である。また、導電性高分子の電子伝達機構は、主にπスタッキングによる分子間のホッピング伝導であるため、高分子の主鎖方向のみならず、光電変換層の膜厚方向への電荷輸送も有利である。さらに、導電性高分子材料は、導電性高分子材料を溶媒に溶解もしくは分散させた塗工液を用いることで湿式塗工法により容易に成膜可能であることから、大面積の有機薄膜太陽電池を高価な設備を必要とせず低コストで製造できるという利点がある。
なお、例えばフェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体(Poly[1,4-phenyleneethynylene-1,4-(2,5-dioctadodecyloxyphenylene)-1,4-phenyleneethene-1,2-diyl-1,4-(2,5-dioctadodecyloxyphenylene)ethene-1,2-diyl])の合成方法については、Macromolecules, 35, 3825 (2002) や、Mcromol. Chem. Phys., 202, 2712 (2001) に詳しい。
また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばFeCl3(III)、AlCl3、AlBr3、AsF6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。
乾燥処理の方法として、例えば、加熱乾燥、送風乾燥、真空乾燥等、一般的な方法を用いることができる。
本実施態様における光電変換層の第2態様は、電子受容性の機能を有する電子受容性層と電子供与性の機能を有する電子供与性層とが積層されたものである。以下、電子受容性層および電子供与性層について説明する。
本実施態様に用いられる電子受容性層は、電子受容性の機能を有するものであり、電子受容性材料を含有するものである。
本実施態様に用いられる電子供与性層は、電子供与性の機能を有するものであり、電子供与性材料を含有するものである。
本実施態様に用いられる対向電極は、上記透明電極と対向する電極である。通常、対向電極は、光電変換層で発生した電子を取り出すための電極(電子取出し電極)とされる。本実施態様においては、外側補助電極側が受光面となるので、対向電極は透明性を有さなくともよい。
対向電極の膜厚は、単層である場合にはその膜厚が、複数層からなる場合には各層を合わせた総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、対向電極のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない可能性があり、一方、膜厚が上記範囲より厚い場合には全光線透過率が低下し、光電変換効率を低下させる可能性があるからである。
本実施態様に用いられる透明基板としては、特に限定されるものではなく、例えば石英ガラス、パイレックス(登録商標)、合成石英板等の可撓性のない透明なリジット材、あるいは透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材を挙げることができる。
本実施態様においては、図1に例示するように、光電変換層6と透明電極4(正孔取出し電極)との間に正孔取出し層5が形成されていることが好ましい。正孔取出し層は、光電変換層から正孔取出し電極への正孔の取出しが容易に行われるように設けられる層である。これにより、光電変換層から正孔取出し電極への正孔取出し効率が高められるため、光電変換効率を向上させることが可能となる。
これらの中でも、特にポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、トリフェニルジアミン(TPD)が好ましく用いられる。
本実施態様においては、光電変換層と対向電極(電子取出し電極)との間に電子取出し層が形成されていてもよい。電子取出し層は、光電変換層から電子取出し電極への電子の取出しが容易に行われるように設けられる層である。これにより、光電変換層から電子取出し電極への電子取出し効率が高められるため、光電変換効率を向上させることが可能となる。
本実施態様の有機薄膜太陽電池は、大面積であっても良好な発電効率を示すものである。有機薄膜太陽電池の面積としては、特に限定されるものではないが、50mm□以上であることが好ましい。
なお、これらの機能層については、特開2007−73717号公報等に記載のものと同様とすることができる。
本実施態様の有機薄膜太陽電池の製造方法には、接続導電部の形成工程により好ましい2つの態様がある。以下、各態様に分けて説明する。
本実施態様の有機薄膜太陽電池の製造方法の第1態様は、透明基板に貫通孔を形成し、上記貫通孔に導電ペーストを充填して、上記透明基板を貫通する接続導電部を形成する接続導電部形成工程と、上記接続導電部が形成された透明基板の一方の面に内側補助電極用金属薄膜を形成し、上記接続導電部が形成された透明基板の他方の面に外側補助電極用金属箔膜を形成し、上記外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜をパターニングして、上記透明基板の一方の面に接続導電部と接するように内側補助電極用導電パターンを形成し、上記透明基板の他方の面に接続導電部と接するように外側補助電極用導電パターンを形成するパターン形成工程、および、上記内側補助電極用導電パターン上に保護層を配置し、上記外側補助電極用導電パターン上にめっきを施すめっき工程を有し、上記透明基板の一方の面に内側補助電極を形成し、上記透明基板の他方の面に外側補助電極を形成する補助電極形成工程と、上記補助電極形成工程後、上記内側補助電極上に透明電極を形成する透明電極形成工程とを有するものである。
まず、透明基板2にレーザーにより貫通孔21を形成する(図9(a)、(b))。次いで、貫通孔21にスクリーン印刷法により導電ペースト9aを充填し、透明基板を貫通する接続導電部9を形成する(図9(c))。
次に、接続導電部9が設けられた透明基板2の一方の面に内側補助電極用金属薄膜3aを形成し、透明基板2の他方の面に外側補助電極用金属薄膜8aを形成する(図9(d))。次いで、外側補助電極用金属薄膜8aおよび内側補助電極用金属薄膜3aの上にそれぞれレジスト22a,23aを配置し(図9(e))、露光および現像を行い、レジスト画像22b,23bを形成する(図9(f))。続いて、レジスト画像22b,23bをマスクとして露出している外側補助電極用金属薄膜8aおよび内側補助電極用金属薄膜3aをエッチングし(図9(g))、レジスト画像22b,23bを除去して、透明基板2の一方の面に接続導電部9に接するようにメッシュ状の内側補助電極用導電パターン3bを形成し、透明基板2の他方の面に接続導電部9に接するようにメッシュ状の外側補助電極用導電パターン8bを形成する(図10(a))。これにより、内側補助電極用導電パターン3bから構成される内側補助電極3を得る。
次に、透明基板2の他方の面に形成された内側補助電極3上に保護層25を配置し(図10(b))、透明基板2の一方の面に形成された外側補助電極用導電パターン8b上に電解めっきを施してめっき層8cを形成し、外側補助電極用導電パターン8bおよびめっき層8cから構成される外側補助電極8を得る(図10(c))。続いて、保護層25を除去する(図10(d))。
次に、内側補助電極3上に透明電極4を形成する(図10(e))。
以下、本態様の有機薄膜太陽電池の製造方法における各工程について説明する。
本態様における接続導電部形成工程は、透明基板に貫通孔を形成し、上記貫通孔に導電ペーストを充填して、上記透明基板を貫通する接続導電部を形成する工程である。
レーザーとしては、エキシマレーザー、YAGレーザー等の短波長のレーザーを用いることができる。
本態様における補助電極形成工程は、上記接続導電部が形成された透明基板の一方の面に内側補助電極用金属薄膜を形成し、上記接続導電部が形成された透明基板の他方の面に外側補助電極用金属箔膜を形成し、上記外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜をパターニングして、上記透明基板の一方の面に接続導電部と接するように内側補助電極用導電パターンを形成し、上記透明基板の他方の面に接続導電部と接するように外側補助電極用導電パターンを形成するパターン形成工程と、上記内側補助電極用導電パターン上に保護層を配置し、上記外側補助電極用導電パターン上にめっきを施すめっき工程とを有しており、上記透明基板の一方の面に内側補助電極を形成し、上記透明基板の他方の面に外側補助電極を形成する工程である。
以下、補助電極形成工程における各工程について説明する。
本態様におけるパターン形成工程は、上記接続導電部が形成された透明基板の一方の面に内側補助電極用金属薄膜を形成し、上記接続導電部が形成された透明基板の他方の面に外側補助電極用金属箔膜を形成し、上記外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜をパターニングして、上記透明基板の一方の面に接続導電部と接するように内側補助電極用導電パターンを形成し、上記透明基板の他方の面に接続導電部と接するように外側補助電極用導電パターンを形成する工程である。
外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜の上にレジストを配置する方法としては、例えば、外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜の上にレジスト材料を塗布してもよく、外側補助電極用金属薄膜および内側補助電極用金属薄膜の上にドライレジストフィルムを積層してもよい。
レジストの露光方法および現像方法としては、一般的な方法を適用することができる。
本態様におけるめっき工程は、上記内側補助電極上に保護層を配置し、上記外側補助電極用導電パターン上にめっきを施す工程である。
本態様における透明電極形成工程は、上記補助電極形成工程後、上記内側補助電極上に透明電極を形成する工程である。
なお、透明電極の形成方法については、上記透明電極の項に記載したので、ここでの説明は省略する。
本実施態様の有機薄膜太陽電池の製造方法の第2態様は、金属箔上に導電性バンプを形成し、上記金属箔の上記導電性バンプが形成された面に透明基板を積層して、上記導電性バンプを上記透明基板に貫通させ、上記透明基板を貫通する接続導電部を形成する接続導電部形成工程と、上記透明基板の金属箔が設けられている面とは反対側の面に内側補助電極用金属薄膜を形成し、上記金属箔および内側補助電極用金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記金属箔および内側補助電極用金属薄膜をパターニングして、上記透明基板の一方の面に上記接続導電部と接するように内側補助電極を形成し、上記透明基板の他方の面に上記接続導電部と接するように外側補助電極を形成する補助電極形成工程と、上記内側補助電極上に透明電極を形成する透明電極形成工程とを有するものである。
まず、金属箔8d上に導電ペーストを用いてスクリーン印刷法により導電性バンプ9bを形成する(図11(a))。次いで、金属箔8dの導電性バンプ9bが形成された面に透明基板2を積層して、加圧し、導電性バンプ9bの頂部が露出するように導電性バンプ9bを透明基板2に貫通させる(図11(b))。続いて、導電性バンプ9bの頂部を研磨し、透明基板2表面を平坦化し、接続導電部9を形成する(図11(c))。
次に、透明基板2の金属箔8dが形成された面とは反対側の面に内側補助電極用金属薄膜3aを形成する(図11(d))。次いで、金属箔8dおよび内側補助電極用金属薄膜3aの上にそれぞれレジスト22a,23aを配置し(図11(e))、パターン露光および現像を行い、レジスト画像22b、23bを形成する(図12(a))。続いて、レジスト画像22b,23bをマスクとして露出している金属箔8dおよび内側補助電極用金属薄膜3aをエッチングし(図12(b))、レジスト画像22b,23bを除去して、透明基板2の一方の面に接続導電部9に接するようにメッシュ状の内側補助電極3を形成し、透明基板2の他方の面に接続導電部9に接するようにメッシュ状の外側補助電極8を形成する(図12(c))。
次に、内側補助電極3上に透明電極4を形成する(図12(d))。
以下、本態様の有機薄膜太陽電池の製造方法における各工程について説明する。
本態様における接続導電部形成工程は、金属箔上に導電性バンプを形成し、上記金属箔の上記導電性バンプが形成された面に透明基板を積層して、上記導電性バンプを上記透明基板に貫通させ、上記透明基板を貫通する接続導電部を形成する工程である。
導電性ペーストとしては、上記第1実施態様に記載のものを用いることができる。
本態様における補助電極形成工程は、上記透明基板の金属箔が設けられている面とは反対側の面に内側補助電極用金属薄膜を形成し、上記金属箔および内側補助電極用金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記金属箔および内側補助電極用金属薄膜をパターニングして、上記透明基板の一方の面に上記接続導電部と接するように内側補助電極を形成し、上記透明基板の他方の面に上記接続導電部と接するように外側補助電極を形成する工程である。
本態様における透明電極形成工程は、上記内側補助電極上に透明電極を形成する工程である。
なお、透明電極の形成方法については、上記透明電極の項に記載したので、ここでの説明は省略する。
本発明の有機薄膜太陽電池の第2実施態様は、透明基板と、上記透明基板の一方の面に形成された透明電極と、上記透明電極上に形成された光電変換層と、上記光電変換層上に形成された対向電極と、上記透明基板の他方の面にパターン状に形成され、透明電極よりも抵抗値の低い外側補助電極と、上記透明基板を貫通し、上記外側補助電極および上記透明電極を電気的に接続する接続導電部と、上記外側補助電極上に形成され、上記外側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を上記光電変換層に導く光学部材とを有することを特徴とするものである。
図13は、本実施態様の有機薄膜太陽電池の一例を示す概略断面図である。図13に示す例において、有機薄膜太陽電池1は、透明基板2と、透明基板2の一方の面に形成された透明電極4と、透明電極4上に形成された正孔取出し層5と、正孔取出し層5上に形成された光電変換層6と、光電変換層6上に形成された対向電極7と、透明基板2の他方の面にメッシュ状に形成され、透明電極4よりも抵抗値の低い外側補助電極8と、透明基板2を貫通し、外側補助電極8および透明電極4を電気的に接続する接続導電部9と、外側補助電極8上に形成され、外側補助電極8が設けられている遮光領域10に入射した光を光電変換層6に導く凸レンズ11aとを有している。
また、遮光領域とは、外側補助電極が設けられている領域をいう。
本実施態様に用いられる接続導電部は、透明基板を貫通し、外側補助電極および透明電極を電気的に接続するものである。
本実施態様に用いられる外側補助電極は、透明基板の他方の面にパターン状に形成され、透明電極よりも抵抗値の低いものである。
本実施態様の有機薄膜太陽電池の製造方法には、接続導電部の形成工程により好ましい2つの態様がある。
まず、透明基板2にレーザーにより貫通孔21を形成する(図14(a)、(b))。次いで、貫通孔21にスクリーン印刷法により導電ペースト9aを充填し、透明基板を貫通する接続導電部9を形成する(図14(c))。
次に、接続導電部9が設けられた透明基板2の一方の面に外側補助電極用金属薄膜8aを形成する(図14(d))。次いで、外側補助電極用金属薄膜8a上にレジスト22aを配置し、透明基板2の他方の面に保護層24を配置し(図14(e))、レジスト22aに対してパターン露光および現像を行い、レジスト画像22bを形成する(図14(f))。続いて、レジスト画像22bをマスクとして露出している外側補助電極用金属薄膜8aをエッチングし(図14(g))、レジスト画像22bおよび保護層24を除去して、透明基板2の一方の面に接続導電部9に接するようにメッシュ状の外側補助電極用導電パターン8bを形成する(図15(a))。
次に、透明基板2の他方の面に再度保護層25を配置し(図15(b))、外側補助電極用導電パターン8b上に電解めっきを施してめっき層8cを形成し、外側補助電極用導電パターン8bおよびめっき層8cから構成される外側補助電極8を得る(図15(c))。続いて、保護層25を除去する(図15(d))。
次に、透明基板2の他方の面に透明電極4を形成する(図15(e))。
まず、金属箔8d上に導電ペーストを用いてスクリーン印刷法により導電性バンプ9bを形成する(図16(a))。次いで、金属箔8dの導電性バンプ9bが形成された面に透明基板2を積層して、加圧し、導電性バンプ9bの頂部が露出するように導電性バンプ9bを透明基板2に貫通させる(図16(b))。続いて、導電性バンプ9bの頂部を研磨し、透明基板2表面を平坦化し、接続導電部9を形成する(図16(c))。
次に、金属箔8d上にレジスト22aを配置し、透明基板2の他方の面に保護層24を配置し(図16(d))、レジスト22aに対して露光および現像を行い、レジスト画像22bを形成する(図16(e))。続いて、レジスト画像22bをマスクとして露出している金属箔8dをエッチングし(図17(a))、レジスト画像22bおよび保護層24を除去して、透明基板2の一方の面に接続導電部9に接するようにメッシュ状の外側補助電極8を形成する(図17(b))。
次に、透明基板2の他方の面に透明電極4を形成する(図17(c))。
上記態様においては、補助電極形成工程後に透明電極形成工程を行ってもよく、接続導電部形成工程後で補助電極形成工程前に透明電極形成工程を行ってもよい。
本発明の有機薄膜太陽電池の第3実施態様は、透明基板と、上記透明基板の一方の面に順不同に積層された透明電極およびパターン状の内側補助電極と、上記透明電極および内側補助電極の上に形成された光電変換層と、上記光電変換層上に形成された対向電極と、上記透明基板の他方の面に形成され、上記内側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を上記光電変換層に導く光学部材とを有し、上記内側補助電極の厚みが、上記透明電極および内側補助電極と上記対向電極との間で短絡が生じない厚みであることを特徴とするものである。
図18は、本実施態様の有機薄膜太陽電池の一例を示す概略断面図である。図18に示す例において、有機薄膜太陽電池1は、透明基板2と、透明基板2の一方の面にメッシュ状に形成された内側補助電極3と、内側補助電極3上に形成された透明電極4と、透明電極4上に形成された正孔取出し層5と、正孔取出し層5上に形成された光電変換層6と、光電変換層6上に形成された対向電極7と、透明基板2の他方の面に形成され、内側補助電極3が設けられている遮光領域10に入射した光を光電変換層6に導く凸レンズ11aとを有している。そして、内側補助電極3は、内側補助電極3および透明電極4と対向電極8との間で短絡が生じないような厚みを有している。
また、遮光領域とは、内側補助電極が設けられている領域をいう。
本実施態様に用いられる内側補助電極はパターン状の電極であり、内側補助電極の厚みは内側補助電極および透明電極と対向電極との間で短絡が生じない厚みとなっている。
また、内側補助電極は、上述のような導電性金属からなる単層であっても良く、また透明基板や透明電極との密着性向上のために、導電性金属層とコンタクト層とを適宜積層したものであっても良い。コンタクト層の形成材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)等が挙げられる。コンタクト層は所望の内側補助電極と透明基板や透明電極との密着性を得るために導電性金属層に積層されるものであり、導電性金属層の片側にのみ積層してもよく、導電性金属層の両側に積層してもよい。
なお、上記シート抵抗は、三菱化学株式会社製 表面抵抗計(ロレスタMCP:四端子プローブ)を用い、JIS R1637(ファインセラミックス薄膜の低効率試験方法:4探針法による測定方法)に基づき、測定した値である。
金属薄膜のパターニング方法としては、所望のパターンに精度良く形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、例えばフォトエッチング法等を挙げることができる。
[実施例1]
外形サイズ60mm□のPEN基材を用い、所望の位置にレーザー照射にて直径100μmの貫通孔を形成した。貫通孔内部にスクリーン印刷にてAgペーストを充填し、接続導電部とした。その後、スパッタリング法(成膜圧力:0.1Pa、成膜パワー:180W、時間:3分/12分/3分)にて、基板の両側にNi/Cu/Niを厚み20nm/300nm/20nmで積層し、基板の表裏で同じ位置にパターンが来るようにエッチング加工を実施し、メッシュ状補助電極を形成した。また、その際、貫通孔は、接続導電部の上下面が基板の両側に形成されたメッシュ状補助電極に接するような形状とした。
次に、ポリチオフェン(P3HT:poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))とC60PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid mettric ester)をブロモベンゼンに溶解させ、固形分濃度1.4wt%の光電変換層用塗工液を準備した。次いで、光電変換層用塗工液を正孔取出し層上にスピンコート法にて回転数600rpmの条件で塗布して、光電変換層を形成した。その後、上記光電変換層が形成された基板を大気曝露した。
次に、温度150℃のホットプレート上で上記光電変換層等が形成された基板を加熱乾燥した。最後に、封止用ガラス材および接着性封止材により金属電極上から封止して有機薄膜太陽電池とした。
凸レンズ形状を形成しない以外は、実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
凸レンズ形状を形成せず、PEN基材の両側にメッシュ状補助電極を形成しない以外は、実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
実施例1および比較例1の50mm□サイズの有機薄膜太陽電池(ITO電極の見かけシート抵抗:0.1Ω/□)と、比較例2の50mm□サイズの有機薄膜太陽電池(ITO電極のシート抵抗:20Ω/□)とについて、発電評価を実施した。評価方法として、A.M1.5、擬似太陽光(100mW/cm2)を照射光源とし、ソースメジャーユニット(HP社製、HP4100)で電圧印加により電流電圧特性の評価を行った。
比較例2の有機薄膜太陽電池の発電効率が0.05%であったのに対し、比較例1の有機薄膜太陽電池の発電効率は1.5%にまで向上した。さらに、実施例1の有機薄膜太陽電池では、発電効率が1.8%まで向上した。ITO電極上にメッシュ状補助電極を配置することで、光透過性は低減するが、ITO電極の見かけの抵抗値が低減したことによる電力ロスは低減され、結果として変換効率が向上することが確認された。さらに、受光面側に凸レンズを配置し、入射光を遮光領域となるメッシュ状補助電極ではなく、メッシュ状補助電極の開口部に効率的に照射することで、発電効率はさらに向上することが確認された。実施例1では、透明基板の両面に遮光領域となるメッシュ状補助電極が形成されているため、透明基板の受光面に凸レンズを配置して、メッシュ状補助電極が設けられた遮光領域に入射する光をメッシュ状補助電極の開口部に集光することにより、入射光量を確保することができた。
外形サイズ50mm□のPEN基材を用い、所望の位置にレーザー照射にて直径100μmの貫通孔を形成した。貫通孔内部にスクリーン印刷にてAgペーストを充填し、接続導電部とした。その後、基板の受光面側にのみスパッタリング法(成膜圧力:0.1Pa、成膜パワー:180W、時間:3分/12分/3分)にてNi/Cu/Niを厚み20nm/300nm/20nmで積層し、所望の形状になるようにエッチング加工を実施し、メッシュ状補助電極を形成した。また、基板のメッシュ状補助電極形成面の反対側の面には、圧力勾配型プラズマガンを用いた反応性イオンプレーティング法(パワー:3.7kW、酸素分圧:73%、製膜圧力:0.3Pa、製膜レート:150nm/min、基板温度:20℃)により透明電極であるITO膜(膜厚:150nm、シート抵抗:20Ω/□)を成膜した。メッシュ状補助電極とITO電極が接続導電部を介して接続された基板を得た。
凹レンズ形状を形成しない以外は、実施例2と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
凹レンズ形状を形成せず、PEN基材の受光面側にメッシュ状補助電極を形成しない以外は、実施例2と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
実施例2および比較例3の50mm□サイズの有機薄膜太陽電池(ITO電極の見かけシート抵抗:0.1Ω/□)と、比較例4の50mm□サイズの有機薄膜太陽電池(ITO電極のシート抵抗:20Ω/□)とについて、発電評価を実施した。評価方法として、A.M1.5、擬似太陽光(100mW/cm2)を照射光源とし、ソースメジャーユニット(HP社製、HP4100)で電圧印加により電流電圧特性の評価を行った。
比較例4の有機薄膜太陽電池の発電効率が0.05%であったのに対し、比較例3の有機薄膜太陽電池の発電効率は1.2%にまで向上した。さらに、実施例2の有機薄膜太陽電池では、発電効率が1.6%まで向上した。ITO電極上にメッシュ状補助電極を配置することで、光透過性は低減するが、ITO電極の見かけの抵抗値が低減したことによる電力ロスは低減され、結果として変換効率が向上することが確認された。さらに、受光面側に凹レンズを配置し、入射光を遮光領域となるメッシュ状補助電極の下側に導入することで、発電効率はさらに向上することが確認された。実施例2では、透明基板の受光面側に遮光領域となるメッシュ状補助電極が形成されているため、透明基板の受光面に凹レンズを配置して、メッシュ状補助電極が設けられた遮光領域に入射する光をメッシュ状補助電極の下側に導入することにより、入射光量を確保することができた。
外形サイズ50mm□のPEN基材を用い、PEN基材の受光面の反対側にスパッタリング法(成膜圧力:0.1Pa、成膜パワー:180W、時間:3分/12分/3分)にてNi/Cu/Niを厚み20nm/300nm/20nmで成膜し、所望のメッシュ形状になるようにエッチング加工を実施し、メッシュ状補助電極を形成した。メッシュ状補助電極の上面に、圧力勾配型プラズマガンを用いた反応性イオンプレーティング法(パワー:3.7kW、酸素分圧:73%、製膜圧力:0.3Pa、製膜レート:150nm/min、基板温度:20℃)により透明電極であるITO膜(膜厚:150nm、シート抵抗:20Ω/□)を成膜した。メッシュ状補助電極およびITO電極が形成された透明基材を得た。
その後、PEN基材のメッシュ状補助電極形成面とは反対側の面の全面に透明のUV硬化樹脂を所望の膜厚で塗布した。メッシュ状補助電極の開口部の所定の位置に凸レンズが形成されるように、凸レンズが形成可能なように作製された金型を配し、UV硬化樹脂に押し付け、さらにUV照射によりUV硬化樹脂を成型し、PEN基材の受光面側に凸レンズ形状を形成した。
凸レンズ形状を形成しない以外は、実施例3と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
凸レンズ形状を形成せず、PEN基材の受光面の反対側にメッシュ状補助電極を形成しない以外は、実施例3と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
実施例3および比較例5の50mm□サイズの有機薄膜太陽電池(ITO電極の見かけシート抵抗:0.1Ω/□)と、比較例6の50mm□サイズの有機薄膜太陽電池(ITO電極のシート抵抗:20Ω/□)とについて、発電評価を実施した。評価方法として、A.M1.5、擬似太陽光(100mW/cm2)を照射光源とし、ソースメジャーユニット(HP社製、HP4100)で電圧印加により電流電圧特性の評価を行った。
比較例6の有機薄膜太陽電池の発電効率が0.05%であったのに対し、比較例5の有機薄膜太陽電池の発電効率は1.6%にまで向上した。さらに、実施例3の有機薄膜太陽電池では、発電効率が1.9%まで向上した。ITO電極上にメッシュ状補助電極を配置することで、光透過性は低減するが、ITO電極の見かけの抵抗値が低減したことによる電力ロスは低減され、結果として変換効率が向上することが確認された。さらに、受光面側に凸レンズを配置し、入射光を遮光領域となるメッシュ状補助電極ではなく、メッシュ状補助電極の開口部に効率的に照射することで、発電効率はさらに向上することが確認された。実施例3では、透明基板の受光面の反対側に遮光領域となるメッシュ状補助電極が形成されているため、透明基板の受光面に凸レンズを配置して、メッシュ状補助電極が設けられた遮光領域に入射する光をメッシュ状補助電極の開口部に集光することにより、入射光量を確保することができた。
2 … 基板
3 … 内側補助電極
4 … 透明電極
5 … 正孔取出し層
6 … 光電変換層
7 … 対向電極
8 … 外側補助電極
9 … 接続導電部
10 … 遮光領域
11a … 凸レンズ(光学部材)
11b … 凹レンズ(光学部材)
11c … プリズム(光学部材)
L … 入射光
Claims (8)
- 透明基板と、
前記透明基板の一方の面にパターン状に形成された内側補助電極と、
前記内側補助電極上に形成された透明電極と、
前記透明電極上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された対向電極と、
前記透明基板の他方の面にパターン状に形成され、前記透明電極よりも抵抗値の低い外側補助電極と、
前記透明基板を貫通し、前記外側補助電極および前記内側補助電極を電気的に接続する接続導電部と、
前記外側補助電極上に形成され、前記外側補助電極および前記内側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を前記光電変換層に導く光学部材と
を有することを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 透明基板と、
前記透明基板の一方の面に形成された透明電極と、
前記透明電極上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された対向電極と、
前記透明基板の他方の面にパターン状に形成され、前記透明電極よりも抵抗値の低い外側補助電極と、
前記透明基板を貫通し、前記外側補助電極および前記透明電極を電気的に接続する接続導電部と、
前記外側補助電極上に形成され、前記外側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を前記光電変換層に導く光学部材と
を有することを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 透明基板と、
前記透明基板の一方の面に順不同に積層された透明電極およびパターン状の内側補助電極と、
前記透明電極および内側補助電極の上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された対向電極と、
前記透明基板の他方の面に形成され、前記内側補助電極が設けられている遮光領域に入射した光を前記光電変換層に導く光学部材とを有し、
前記内側補助電極の厚みが、前記透明電極および内側補助電極と前記対向電極との間で短絡が生じない厚みであることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 前記光学部材がレンズ部材であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記補助電極のパターン形状がメッシュ状であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記内側補助電極の厚みが10nm〜1000nmの範囲内であることを特徴とする請求項3に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記透明基板上に前記内側補助電極および前記透明電極の順に積層されていることを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記透明基板上に前記透明電極および前記内側補助電極の順に積層されていることを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。
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