JP2011192761A - 有機薄膜太陽電池素子及びその作製方法、並びに有機薄膜太陽電池素子形成用基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができる有機薄膜太陽電池素子及びその作製方法、並びにこの有機薄膜太陽電池素子を作製するための有機薄膜太陽電池素子形成用基板を提供する。
【解決手段】 有機薄膜太陽電池素子１０は、基板１と、基板の一方面に、平面方向に所定の間隔をあけて形成された陽極２及び陰極３と、各陽極及び各陰極との間に少なくとも形成された光電変換層４と、陽極及び陰極並びに光電変換層を封止する封止部材６とが設けられている。有機薄膜太陽電池素子形成用基板１１は、基板と、基板の一方面に、平面方向に所定の間隔をあけて形成された陽極及び陰極を備える。有機薄膜太陽電池素子の作製方法は、基板の一方面に所定の間隔をあけて陽極及び陰極を形成した後、光電変換層を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】 有機薄膜太陽電池素子１０は、基板１と、基板の一方面に、平面方向に所定の間隔をあけて形成された陽極２及び陰極３と、各陽極及び各陰極との間に少なくとも形成された光電変換層４と、陽極及び陰極並びに光電変換層を封止する封止部材６とが設けられている。有機薄膜太陽電池素子形成用基板１１は、基板と、基板の一方面に、平面方向に所定の間隔をあけて形成された陽極及び陰極を備える。有機薄膜太陽電池素子の作製方法は、基板の一方面に所定の間隔をあけて陽極及び陰極を形成した後、光電変換層を形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は有機薄膜太陽電池素子及びその作製方法、並びに有機薄膜太陽電池素子形成用基板に関する。
従来、太陽電池素子としては、光電変換層としてシリコン薄膜を用いたシリコン系太陽電池素子、光電変換層に色素を用いた色素増感型太陽電池素子や、光電変換層に有機薄膜を用いた有機薄膜太陽電池素子などがある。有機薄膜太陽電池素子は、軽量化が可能であり、また、光電変換層を湿式塗布法により比較的簡易に形成できるため、注目されている。
このような有機薄膜太陽電池素子としては、基板上に、第１電極層と、ポリチオフェン誘導体またはポリフェニレンビニレン誘導体の少なくとも一方及びポリフルオレン誘導体またはフラーレン誘導体の少なくとも一方を備える光電変換層と、第２電極層とをこの順で積層したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、このような積層構造の有機薄膜太陽電池素子の場合、第１電極又は第２電極の少なくとも一方が光透過性を有してないと、光電変換を行うことができないため、電極材料が限定されてしまうという問題がある。また、第１電極及び第２電極はそれぞれ真空プロセスによって形成しなければならないため、第１電極を真空装置内で形成した後、一度真空装置から基板を搬送し、大気中で光電変換層を湿式塗工法により形成した後、第２電極を作製するために、再度基板を真空装置内に搬送する必要がある。従って、真空プロセスを一度に行うことができず、製造が簡易ではなく、かつ、製造コストがかかるという問題がある。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができる有機薄膜太陽電池素子及びその作製方法、並びに電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができる有機薄膜太陽電池素子を作製するための有機薄膜太陽電池素子形成用基板を提供しようとするものである。
本発明の有機薄膜太陽電池素子は、基板と、該基板の一方面に、平面方向に所定の間隔をあけて形成された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に少なくとも形成された光電変換層と、前記第１電極及び前記第２電極並びに前記光電変換層を封止する封止部材とが設けられていることを特徴とする。本発明では、基板の一方面に第１電極及び第２電極が設けられており、光電変換層が両電極により上下方向に挟まれた積層構造とはなっていない。したがって、第１電極及び第２電極のいずれも透明電極材料で形成する必要が無く、電極材料が限定されない。
前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ、銀、アルミニウム、金、クロム、銅、ニッケル、白金、ルテニウム、チタン、タンタル、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、バナジウムのいずれかの金属又はこれらのうちのいずれかを含む合金から選択されることが好ましい。
なお、第１電極と第２電極とは、仕事関数が互いに異なるものである必要がある。第１電極及び第２電極に金属又は合金を用いることで、第１電極及び第２電極間に入射した太陽光が第１電極及び第２電極で反射され、より光電変換効率を高めることが可能である。
なお、第１電極と第２電極とは、仕事関数が互いに異なるものである必要がある。第１電極及び第２電極に金属又は合金を用いることで、第１電極及び第２電極間に入射した太陽光が第１電極及び第２電極で反射され、より光電変換効率を高めることが可能である。
前記第１電極及び第２電極の厚さは、５０ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。この範囲であることで、第１電極及び第２電極を製造しやすく、かつ、光電変換効率を高くすることが可能である。
本発明の好適な実施形態としては、前記光電変換層は、前記第１電極及び前記第２電極を覆うように形成されていることが挙げられる。このように形成する場合には、塗布法により簡易に形成することができる。
本発明の好適な実施形態としては、前記光電変換層は、前記第１電極及び前記第２電極を覆うように形成されていることが挙げられる。このように形成する場合には、塗布法により簡易に形成することができる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子の作製方法は、基板の一方面側に、所定の間隔をあけて第１電極及び第２電極を形成し、その後、少なくとも該第１電極及び第２電極間に光電変換層を形成し、その後、封止部材で封止することを特徴とする。本実施形態では、真空プロセスにより第１電極及び第２電極を形成した後、光電変換層を形成することから、真空処理装置に何度も基板を搬送することがなく、簡易に有機薄膜太陽電池素子を形成することができる。また、第１電極及び第２電極を形成した後に行う電極間のリーク電流の検査を、光電変換層を形成する前に行うことができるので、リークが発生しているものに対して光電変換層を形成することがなく、かつ、光電変換層形成後に製造工程にフィードバックをかけるよりも早く製造工程にフィードバックをかけることができる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子形成用基板は、基板の一方面に所定の間隔をあけて第１電極と第２電極とが形成されたことを特徴とする。このように第１電極と第２電極が形成されることで、この有機薄膜太陽電池素子形成用基板により形成される有機薄膜太陽電池素子は、電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子及びその製造方法によれば、電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができるという優れた効果を奏し得る。また、本発明の有機薄膜太陽電池素子形成用基板によれば、電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができる有機薄膜太陽電池素子を作製するための有機薄膜太陽電池素子形成用基板を提供する。
本発明の実施形態について、図１〜８を用いて説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の有機薄膜太陽電池素子１０は、基板１を有する。基板１の一方面上には、平面方向（面方向）に、複数の陽極（正極）２及び陰極（負極）３（これらは、請求項における第１電極及び第２電極に相当する）が、所定の間隔をあけて交互に配されるように形成されている。なお、陽極２の表面には、後述するようにバッファ層２３が設けられている。基板１と、陽極２及び陰極３とから、有機薄膜太陽電池素子形成用基板１１が構成されている。
図１に示すように、本実施形態の有機薄膜太陽電池素子１０は、基板１を有する。基板１の一方面上には、平面方向（面方向）に、複数の陽極（正極）２及び陰極（負極）３（これらは、請求項における第１電極及び第２電極に相当する）が、所定の間隔をあけて交互に配されるように形成されている。なお、陽極２の表面には、後述するようにバッファ層２３が設けられている。基板１と、陽極２及び陰極３とから、有機薄膜太陽電池素子形成用基板１１が構成されている。
また、この有機薄膜太陽電池素子形成用基板１１上には、光電変換層４が設けられている。即ち、光電変換層４は、陽極２及び陰極３との間の溝部５に埋設されていると共に、陽極２及び陰極３の上面を覆って設けられている。この光電変換層４では、溝部５に入射された太陽光により光電変換が行われる。光電変換により生じた電子は陽極２に、正孔は陰極３に入力され、電流が発生する。
この光電変換層４は、必ずしも陽極２及び陰極３の上面を覆う必要はない。光電変換層４は、溝部５内に陽極２及び陰極３に接触するように設けられていればよい。本実施形態では、後述するように塗布法により光電変換層４が設けられているために、陽極２及び陰極３の間の溝部５だけでなく、陽極２及び陰極３上面にも光電変換層４が形成されているものである。このように塗布法により光電変換層４が設けられていることで、製造コストを抑制することが可能である。光電変換層４上には、封止膜６が設けられ、有機薄膜太陽電池素子１０が封止されている。
このように、本実施形態の有機薄膜太陽電池素子１０は、陽極２及び陰極３がそれぞれ基板１の同一平面上に設けられているために、入射光を得るために、どちらか一方の電極をＩＴＯ等を用いた透明電極とする必要がない。即ち、従来の有機薄膜太陽電池素子においては、陽極及び陰極が異なる平面に積層されていることから、光電変換層に光を入射させるためには、一方の電極が少なくとも透明である必要があった。しかしながら、本実施形態においては、上述のように陽極２及び陰極３、並びに陽極２及び陰極３の間の光電変換層４がそれぞれ基板１の同一平面上に設けられている。従って、基板１、又は封止膜６のいずれかから光電変換層４に太陽光が入射すればよいため、電極のどちらか一方を透明電極とする必要がなく、電極材料が限定されない。
また、従来のように陽極及び陰極が積層構造とされている場合には、有機薄膜太陽電池素子を曲折させたりすると、非常に薄いものであっても壊れる可能性があった。しかし、本実施形態では、基板１としてフレキシブル基板を用いれば、基板１の一方面側に陽極２及び陰極３が所定の間隔で並設されていることから、有機薄膜太陽電池素子１０を曲折させることも可能である。従って、本実施形態の有機薄膜太陽電池素子１０は、曲面への適用が可能であると共に、ロール状として搬送することも可能である。
以下、有機薄膜太陽電池素子１０について詳細に説明する。
基板１は、有機薄膜太陽電池素子に一般的に用いられている基板であればよく、例えば、ガラス基板や、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル、ポリスチレンなどのプラスチックフィルムを用いることができる。上述のように、曲折可能な有機薄膜太陽電池素子１０を作製する場合には、フレキシブルなプラスチックフィルムを用いることが好ましい。光電変換層４に太陽光を入射させるために、この基板１又は封止膜６の少なくとも一方は光透過性を有するものであり、好ましくは透明である。なお、基板１としてプラスチックフィルムを用いる場合には、水蒸気や酸素等の侵入を防ぐために、基板１の少なくとも片面に、シリカやチッ化ケイ素などからなるガスバリア層を設けることが好ましい。
陽極２及び陰極３についてさらに図２を用いて説明する。陽極２は、上面視において略矩形状であり、所定の間隔をあけて基板１上にその幅方向に並設されている。各陽極２は、その長手方向の一端側に設けられた陽極用共通電極２１に接続されている。各陽極用共通電極２１は、それぞれ、その外側に延設された陽極用集電電極２２に接続されている。
陰極３は、上面視において略矩形状であり、所定の間隔をあけて基板１上にその幅方向に並設されており、それぞれが隣接する２つの陽極２の間に配されている。従って、陽極２及び陰極３は、それぞれ交互に基板１上に並設されている。各陰極３は、その長手方向の一端側に設けられた陰極用共通電極３１に接続されている。陰極用共通電極３１は、それぞれ、その外側に延設された陰極用集電電極３２に接続されている。
これらの陽極２及び陰極３は、本実施形態では、それぞれ公知の導電性材料から選択することができる。公知の導電性材料としては、銀、アルミニウム、金、クロム、銅、ニッケル、白金、ルテニウム、チタン、タンタル、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、バナジウム、鉄、コバルト、タングステン等の金属や、これらのうちの少なくとも１種を含んだ合金、また、酸化錫、酸化亜鉛、酸化チタン、ＩＴＯ（錫ドープ酸化インジウム）、ＩＺＯ（インジウムドープ酸化亜鉛）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＩＷＯ（インジウムドープ酸化タングステン）等の金属酸化物が挙げられる。本実施形態では、上述のように電極材料として必ずしもＩＴＯ等の透明電極材料を用いる必要がないので、所望の電気抵抗が小さい金属を用いることができる。上述した金属のうち、特にアルミニウムについては、電気抵抗が極めて小さいので導電性が高く、かつ製造にかかるコストが低いため、電極材料として特に使用が求められていたものである。また、陽極２及び陰極３に金属又は合金を用いることで、陽極２及び陰極３の間の光電変換層４に入射した光が反射して陽極２及び陰極３の間の溝部５から逃がさないようにし、これによりさらに変換効率をあげることができるので好ましい。
陽極２及び陰極３は、上記の材料のうち、仕事関数の差が０．３〜１．６ｅＶとなるように適宜材料を選択することができ、仕事関数の差が大きい方が好ましい。なお、仕事関数の大きい方の電極が陽極２となる。陽極２及び陰極３の好ましい組み合わせとしては、陽極２としてインジウムドープ酸化亜鉛、陰極３としてアルミニウムを用いる組み合わせ（仕事関数の差が１．２ｅＶ）、また、陽極２としてクロム、陰極３としてアルミニウムを用いる組み合わせ（仕事関数の差が１．０ｅＶ）、さらにまた、陽極として金、陰極としてアルミニウムを用いる組み合わせ（仕事関数の差が１．６ｅＶ）が挙げられる。これらは、仕事関数の差が大きいだけでなく、比較的作製コストが低く、また、成膜しやすいという利点がある。
陽極２及び陰極３は、上記の材料のうち、仕事関数の差が０．３〜１．６ｅＶとなるように適宜材料を選択することができ、仕事関数の差が大きい方が好ましい。なお、仕事関数の大きい方の電極が陽極２となる。陽極２及び陰極３の好ましい組み合わせとしては、陽極２としてインジウムドープ酸化亜鉛、陰極３としてアルミニウムを用いる組み合わせ（仕事関数の差が１．２ｅＶ）、また、陽極２としてクロム、陰極３としてアルミニウムを用いる組み合わせ（仕事関数の差が１．０ｅＶ）、さらにまた、陽極として金、陰極としてアルミニウムを用いる組み合わせ（仕事関数の差が１．６ｅＶ）が挙げられる。これらは、仕事関数の差が大きいだけでなく、比較的作製コストが低く、また、成膜しやすいという利点がある。
これらの陽極２及び陰極３の厚さは、好ましくは５０ｎｍ〜１μｍである。この範囲であれば、光電変換層４と陽極２及び陰極３との接触面積が十分であり、変換効率を高めることができ、かつ、後述するように成膜がしやすい。なお、溝部５以外で光電変換が行われても電子又は正孔が陽極２及び陰極３に到達しにくいため、十分な変換効率を得ることができない。従って、これらの陽極２及び陰極３の厚さは特に変換効率の上昇に寄与する。なお、電極の厚さが５０ｎｍより薄いと、光電変換層４との十分な接触面積が得られず変換効率が低く、陽極２及び陰極３の厚さが１μｍより厚いと、作製が容易でない。
また、隣接する陽極２と陰極３との間隔、即ち溝部５の幅は、後述する光電変換層４における電子（正孔）の移動度によるが、０．０５〜１．０μｍが好ましい。陽極２と陰極３との間隔が０．０５μｍより小さいと、陽極２と陰極３との間隔が狭すぎて陽極２と陰極３との間の太陽光の受光領域が小さくなるからである。他方で１．０μｍより大きいと、電子（正孔）が陽極２（陰極３）に到達しにくい。
この光電変換層４を挟む陽極２及び陰極３のそれぞれの幅は、電極として機能する導電性が獲得できればよいが、大きすぎると、有機薄膜太陽電池素子１０全体として光電変換層４の面積が減りすぎて低下するため、例えば、０．１〜１．０μｍであることが好ましい。
また、陽極２及び陰極３は、その少なくとも一方の表面が、表面活性化処理され、バッファ層が形成されている。本実施形態では、陽極２の表面には、正孔導電性の高いバッファ層２３が設けられている。このように表面活性化処理を行い、かつ、バッファ層２３を設けることで、より変換効率を高めることが可能である。また、表面活性化処理を行うことで、陽極２とバッファ層２３との密着性が向上する。
また、陽極２及び陰極３は、その少なくとも一方の表面が、表面活性化処理され、バッファ層が形成されている。本実施形態では、陽極２の表面には、正孔導電性の高いバッファ層２３が設けられている。このように表面活性化処理を行い、かつ、バッファ層２３を設けることで、より変換効率を高めることが可能である。また、表面活性化処理を行うことで、陽極２とバッファ層２３との密着性が向上する。
光電変換層４は、有機半導体からなり、本実施形態では、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体が含まれる混合有機物を用いることが好ましい。混合有機物を用いることで、本実施形態の有機薄膜太陽電池素子１０を形成することができる。即ち、本実施形態のように基板１の一方面に陽極２及び陰極３を形成する場合には、これらの陽極２及び陰極３の間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とを別個に形成することが困難である。従って、本実施形態のように、光電変換層４を、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体が含まれる混合有機物を用いて塗布法により形成すれば、簡易に有機薄膜太陽電池素子１０を構成することができるのである。
混合有機物に含有されるｐ型有機半導体としては、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ（３−ブチルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）、ポリ（３−デシルチオフェン）などのポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリフェニレンビニレンペリレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、フタロシアニン誘導体などが挙げられる。混合有機物に含有されるｎ型有機半導体としては、フラーレン誘導体が挙げられる。ここで、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合割合は（ｎ型有機半導体：ｐ型有機半導体）は、モル比で２：８〜８：２が好ましい。
封止膜６としては、ガラスや、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等のプラスチックフィルムを用いることができる。プラスチックフィルムを用いる場合は、水蒸気や酸素等の侵入を防ぐために封止膜６の上面にガスバリア層を設けることが好ましい。封止膜６の厚さは、特に限定されないが、通常１〜５００μｍ程度である。
上記の有機薄膜太陽電池素子１０の作製方法について、図を用いて説明する。
初めに、図３（ａ）に示すように、基板１上に、陽極用電極膜５１を形成する。陽極用電極膜５１の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法や熱化学蒸着法等の化学気相成長法や、真空蒸着法やスパッタリング法等の物理蒸着法を用いることができ、陽極材料に応じて適宜選択する。
次に、図３（ｂ）に示すように、例えばスピンコート法によりポジ型フォトレジストを陽極用電極膜５１表面に塗布し、乾燥してレジスト膜５２を形成する。
次いで、レジスト膜５２上に、フォトマスクを配置して露光し、図３（ｃ）に示すように、現像液を用いて露光部のレジスト膜５２を除去する。
その後、図４（ａ）に示すようにレジスト膜５２に覆われずに露出した陽極用電極膜５１をウェットエッチングし、陽極２、陽極用共通電極２１（図２参照）、陽極用集電電極２２（図２参照）を形成する。本実施形態では、ウェットエッチングによりエッチングを行っているため、陽極２等がオーバーエッチングされ、レジスト膜５２に覆われていない陽極２等の外周部もエッチングされている。これにより、後述するように陰極用電極膜を形成した場合に、陰極３と陽極２とが接触してリークすることを抑制している。
次に、図４（ｂ）に示すように、陰極用電極膜５３を陽極２等が形成された基板１上に形成する。陰極用電極膜５３の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法や熱化学蒸着法等の化学気相成長法や、真空蒸着法やスパッタリング法等の物理蒸着法を用いることができる。
次いで、図４（ｃ）に示すように、レジスト膜５２をリフトオフすることで、基板１上に陰極３、陰極用共通電極３１（図２参照）、及び陰極用集電電極３２（図２参照）を形成する。この場合に、陽極２がオーバーエッチングされていることから、陰極３と陽極２とは所定の間隔があいており、両電極が接触することを簡易に抑制している。このようにして、有機薄膜太陽電池素子形成用基板１１を得る。
次いで、図４（ｄ）に示すように、プラズマ処理装置などを用いてプラズマ処理を行うことにより、陽極の表面活性化処理を行った後、陽極側にバッファ層２３を設ける。バッファ層２３の形成方法としては、スピンコート法等の塗布法や真空蒸着法が挙げられる。本実施形態では、基板１の全面に対してバッファ層膜を例えばスピンコート法によりバッファ材料を塗布して形成し、陽極２上のみに選択的にバッファ層膜を残してバッファ層２３とする。このようにバッファ層２３を陽極２上のみに選択的に形成することができるのは、バッファ材料が、親水性を有しているために親水性である陽極２の材料とは密着性がよく、撥水性である陰極３の材料とは密着性が低いからである。さらにプラズマ処理を行って陰極３上に残留したバッファ層膜をより除去してもよい。バッファ材料としては、例えばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート））が挙げられる。また、ＳＡＭ（Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ、自己組織化単分子層）構造を形成可能なＮ型有機材料の塗布により、バッファ層膜を形成することも可能である。このＮ型有機材料としては、フラーレン誘導体等が挙げられる。
次いで、図４（ｄ）に示すように、プラズマ処理装置などを用いてプラズマ処理を行うことにより、陽極の表面活性化処理を行った後、陽極側にバッファ層２３を設ける。バッファ層２３の形成方法としては、スピンコート法等の塗布法や真空蒸着法が挙げられる。本実施形態では、基板１の全面に対してバッファ層膜を例えばスピンコート法によりバッファ材料を塗布して形成し、陽極２上のみに選択的にバッファ層膜を残してバッファ層２３とする。このようにバッファ層２３を陽極２上のみに選択的に形成することができるのは、バッファ材料が、親水性を有しているために親水性である陽極２の材料とは密着性がよく、撥水性である陰極３の材料とは密着性が低いからである。さらにプラズマ処理を行って陰極３上に残留したバッファ層膜をより除去してもよい。バッファ材料としては、例えばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート））が挙げられる。また、ＳＡＭ（Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ、自己組織化単分子層）構造を形成可能なＮ型有機材料の塗布により、バッファ層膜を形成することも可能である。このＮ型有機材料としては、フラーレン誘導体等が挙げられる。
次に、図５（ａ）に示すように基板上に光電変換層４を形成する。光電変換層４の形成方法としては、例えば光電変換層４を構成する混合有機物の前駆体溶液をスピンコート法により塗布し、その後加熱することで光電変換層４を形成することが挙げられる。本実施形態では、このようにｐ型有機半導体とｎ型有機半導体が含まれる混合有機物を塗布することで簡易に光電変換層４を形成することができる。即ち、本実施形態のように基板１の一方面に陽極２及び陰極３を両方形成し、これらの陽極及び陰極の間に光電変換層を形成する場合、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層とを別々に作製することは難しいので、本実施形態のように混合有機物を塗布することが好ましいのである。
最後に、図５（ｂ）に示すように、光電変換層４上に封止膜６を形成して有機薄膜太陽電池素子１０を形成する。
このように、本実施形態においては、光電変換層４を形成する前に陽極２及び陰極３を形成することができ、真空プロセスを先に終えることができる。真空プロセスを先に終了させることにより、基板１を何度も真空処理装置に搬送する必要がなく、簡易に、かつ効率よく有機薄膜太陽電池素子１０を形成することができる。
また、一般に有機薄膜太陽電池素子を形成する場合には、電極間にリークが発生しているかどうかを検査する必要があるが、本実施形態では、陽極２及び陰極３を光電変換層４を作製するより先に作製することができることから、この検査を製造工程の初期の段階で行うことができる。即ち、従来の積層構造の有機薄膜太陽電池素子においては、陽極を作製し、光電変換層を作製した後に陰極を作製して、その後検査工程を行う必要があった。しかし、本実施形態では、基板の一方面に、平面方向に陽極及び陰極を形成した後、すぐにリークの検査を行うことができる。従って、製造工程の初期の段階でリークの検査を行うことができる。また、製造工程の初期の段階でリークの検査を行うことができることにより、すぐに電極の形成工程に対してフィードバックをかけることができる。そして、検査工程に合格したものについてはその後の光電変換層の形成工程を行うことができるので、リークが発生している場合にはその後の工程を中止することができ、余計なコストをかけることがない。
（実施形態２）
以下に説明する本実施形態２の有機薄膜太陽電池素子１０Ａは、実施形態１とはその製造方法が異なることにより、得られた構造が異なるものである。初めに、実施形態２にかかる有機薄膜太陽電池素子１０Ａの製造方法について説明する。なお、以下実施形態１と同一の構成については、同じ参照番号を付している。
以下に説明する本実施形態２の有機薄膜太陽電池素子１０Ａは、実施形態１とはその製造方法が異なることにより、得られた構造が異なるものである。初めに、実施形態２にかかる有機薄膜太陽電池素子１０Ａの製造方法について説明する。なお、以下実施形態１と同一の構成については、同じ参照番号を付している。
初めに、図６（ａ）に示すように、基板１に陰極用電極膜５３を形成する。この陰極用電極膜５３についても、実施形態１と同様に形成することができる。
次いで、例えばスピンコート法によりフォトレジストを陰極用電極膜５３表面に塗布し、乾燥して別のレジスト膜を形成する。得られた別のフォトレジスト膜上に、フォトマスクを配置して露光し、図６（ｂ）に示すように、現像液を用いて不要なレジスト膜を除去し、マスク５４のパターンを形成する。
次に、マスク５４を介して陰極用電極膜５３をドライエッチングし、エッチング後、マスク５４を除去する。これにより、図６（ｃ）に示すように基板１上に陰極３、陰極用共通電極３１（図２参照）、及び陰極用集電電極３２（図２参照）を形成する。この場合に、基板１の一方面（上面）もドライエッチングによりマスク５４の形状に併せて除去されてしまう。
次に、図７（ａ）に示すように、陰極３等が形成された基板１上に絶縁膜５５を形成する。これは、先に形成された陰極３等と陽極等が接触してリークが発生するのを抑制するためである。また、基板１がエッチングされてしまったことにより、絶縁膜５５を設けずに陰極を形成すると、陽極２と陰極３との高さに差ができてしまう。従って、本実施形態では、マスク５４の除去後、絶縁膜５５を設けている。絶縁膜５５としては、公知の絶縁材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等の無機絶縁酸化物、又は有機ポリマー系を用いることができる。このような絶縁膜の形成方法としては、湿式塗布法、斜方真空蒸着法、自公転式スパッタリング法等が挙げられる。
次いで、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜５５上に、実施形態１と同様に陽極用電極膜５１を形成する。
次いで、図７（ｃ）に示すように、絶縁膜５５のエッチングを行うと共に絶縁膜５５上の陽極用電極膜５１を除去して、陽極２、陽極用共通電極２１（図２参照）、陽極用集電電極２２（図２参照）を形成する。エッチング方法としては、ウェットエッチング法が挙げられ、エッチング液は電極材料等を考慮して適宜選択することができる。なお、本実施形態では図示しないが、この後表面活性化処理を行った後に陽極２の表面にバッファ層を形成する。
次に、図８に示すように、実施形態１と同様に、陽極２及び陰極３が形成された基板上に光電変換層４を形成し、その後封止膜６を形成して封止する。これにより、実施形態２にかかる絶縁体層を含んだ有機薄膜太陽電池素子１０Ａが形成される。
このようにして得られた有機薄膜太陽電池素子１０Ａは、実施形態１にかかる有機薄膜太陽電池素子１０と同様に、基板１の一方面に、平面方向に陽極２及び陰極３が形成されており、積層構造ではない。従って、陽極２及び陰極３のどちらにも透明電極材料を用いる必要がなく、上述した電極材料を適宜選択することができる。
また、実施形態１にかかる有機薄膜太陽電池素子１０と同様に、有機薄膜太陽電池素子１０Ａは、光電変換層４を形成する前に陽極２及び陰極３を形成することができるので、真空プロセスを製造工程の初期段階で終了させることができ、かつ、製造工程の初期段階で製造工程にフィードバックをかけることが可能である。
以上の実施形態１、２の有機薄膜太陽電池素子について、実施例を用いてさらに説明する。
スパッタリングにより、陽極用電極膜５１として、厚さ１００ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜を形成したガラス基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）を、アセトン及びイソプロピルアルコールを用いて洗浄、乾燥した。次にポジ型フォトレジスト（東京応化工業（株）製、商品名「ＯＦＰＲ−８００」）をスピンコート法によりＣｒ膜表面に塗布し、乾燥して厚さ１．０μｍのレジスト膜５２を形成した。得られたレジスト膜５２上に、フォトマスクを配置して、紫外線（光量３００ｍＪ／ｃｍ２）を照射して露光し、現像液（東京応化工業（株）製、商品名「ＮＭＤ−３」）を用いて露光部のレジスト膜５２を除去し、１００℃で５分間乾燥した。次に、クロム膜エッチング専用液（日本化学産業（株）製）を用いてＣｒ膜をエッチングし、陽極２等を形成した。なお、陽極２の形成数は２００本、陽極２の幅は２μｍ、陽極２上のレジスト幅は２．４μｍとした。
次に、真空蒸着法により、陰極用電極膜５３として、厚さ１００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜を形成した後、リフトオフ法によりレジスト及びレジスト上のＡｌ膜を除去し、幅２μｍの陰極３等を形成した。なお、陰極３の形成数は２００本、陰極３の幅は２μｍ、陽極２の長さは２ｍｍであり、隣接する陽極２と陰極３との間の溝幅は０．２μｍであった。従って、素子の有効面積は、８×１０―３ｃｍ２であった。
次いで、プラズマ処理装置（ヤマトマテリアル（株）製、型式：ＰＤＣ−２１０特）を用いてアルゴンプラズマ処理を行うことにより、陽極２及び陰極３の表面活性化処理を行った。次に、スピンコート法によりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布し、１４０℃で１０分間のベーク処理を行ってバッファ層膜を形成した。続いてプラズマ処理装置（ヤマトマテリアル（株）製、型式：ＰＤＣ−２１０特）を用いてバッファ層膜に対してアルゴンプラズマ処理を行って、陽極２の表面のみにバッファ層２３を形成した。
次に、スピンコート法により、ｐ型有機半導体であるＰ３ＨＴ[ポリ（３−ヘキシルチオフェン）]と、ｎ型有機半導体であるＰＣＢＭ(６，６−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル)の混合物（モル比＝１：０．８）のクロロベンゼン溶液（４質量％）を塗布し、１５０℃で１０分間乾燥処理し、有機半導体からなる光電変換層４を形成した。その後、封止膜としての厚さ０.７ｍｍの透明な薄いガラス板により封止して、有機薄膜太陽電池素子１０を得た。
次いで、プラズマ処理装置（ヤマトマテリアル（株）製、型式：ＰＤＣ−２１０特）を用いてアルゴンプラズマ処理を行うことにより、陽極２及び陰極３の表面活性化処理を行った。次に、スピンコート法によりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布し、１４０℃で１０分間のベーク処理を行ってバッファ層膜を形成した。続いてプラズマ処理装置（ヤマトマテリアル（株）製、型式：ＰＤＣ−２１０特）を用いてバッファ層膜に対してアルゴンプラズマ処理を行って、陽極２の表面のみにバッファ層２３を形成した。
次に、スピンコート法により、ｐ型有機半導体であるＰ３ＨＴ[ポリ（３−ヘキシルチオフェン）]と、ｎ型有機半導体であるＰＣＢＭ(６，６−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル)の混合物（モル比＝１：０．８）のクロロベンゼン溶液（４質量％）を塗布し、１５０℃で１０分間乾燥処理し、有機半導体からなる光電変換層４を形成した。その後、封止膜としての厚さ０.７ｍｍの透明な薄いガラス板により封止して、有機薄膜太陽電池素子１０を得た。
実施例１とは、陽極２として金を用いた点以外は同一の工程により有機薄膜太陽電池素子１０を得た。
実施例１とは、陽極２としてＩＺＯを用いた点、及び光電変換層４としてＭＤＭＯ−ＰＰＶ（ポリ [2-メトキシ-5-(3´,7´-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]）を用いた以外は同一の工程により有機薄膜太陽電池素子１０を得た。
得られた有機薄膜太陽電池素子１０に対して、ソーラーシミュレーター（株式会社ワコム電創製、ＷＸＳ−５０Ｓ−１．５ ＡＭ１．５Ｇ）により擬似太陽光（ＡＭ１．５）を照射して、出力特性を評価した。実施例１〜３のいずれにおいても、電流が流れた。従って、全ての実施例において、光電変換が行われたことが確認された。
（他の実施形態）
上述した各実施形態においては、陽極２及び陰極３の表面活性化処理を行ったが、表面活性化処理を行わなくてもよい。また、陽極２の表面にバッファ層２３を設けたが、バッファ層２３を設けなくてもよい。また、バッファ材料も限定されず、上述したような材料（例えばＳＡＭ構造のＮ型有機半導体材料）を用いることができる。
上述した各実施形態においては、陽極２及び陰極３の表面活性化処理を行ったが、表面活性化処理を行わなくてもよい。また、陽極２の表面にバッファ層２３を設けたが、バッファ層２３を設けなくてもよい。また、バッファ材料も限定されず、上述したような材料（例えばＳＡＭ構造のＮ型有機半導体材料）を用いることができる。
上述した各実施形態において、さらに封止膜６上に集光膜を形成しても良い。また、基板１の他方面側（陽極２及び陰極３が設けられているのとは反対側）に、反射膜を形成してもよい。集光膜や反射膜を設けることにより、光電変換層に入射する光が増えるので光電変換効率が向上する。
本発明の有機薄膜太陽電池素子は、電極材料が限定されず、かつ、簡易で製造コストを抑制して作製することができ、有機薄膜太陽電池素子製造分野において利用可能である。
１ 基板
２ 陽極
３ 陰極
４ 光電変換層
５ 溝部
６ 封止膜
１０ 有機薄膜太陽電池素子
１１ 有機薄膜太陽電池素子形成用基板
２１ 陽極用共通電極
２２ 陽極用集電電極
３１ 陰極用共通電極
３２ 陰極用集電電極
５１ 陽極用電極膜
５２ レジスト膜
５３ 陰極用電極膜
５４ マスク
５５ 絶縁膜
２ 陽極
３ 陰極
４ 光電変換層
５ 溝部
６ 封止膜
１０ 有機薄膜太陽電池素子
１１ 有機薄膜太陽電池素子形成用基板
２１ 陽極用共通電極
２２ 陽極用集電電極
３１ 陰極用共通電極
３２ 陰極用集電電極
５１ 陽極用電極膜
５２ レジスト膜
５３ 陰極用電極膜
５４ マスク
５５ 絶縁膜
Claims (6)
- 基板と、該基板の一方面に、平面方向に所定の間隔をあけて形成された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に少なくとも形成された光電変換層と、
前記第１電極及び前記第２電極並びに前記光電変換層を封止する封止部材とが設けられていることを特徴とする有機薄膜太陽電池素子。 - 前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ、銀、アルミニウム、金、クロム、銅、ニッケル、白金、ルテニウム、チタン、タンタル、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、バナジウムのいずれかの金属又はこれらのうちのいずれかを含む合金から選択されることを特徴とする請求項１記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記第１電極及び前記第２電極の厚さは、５０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記光電変換層は、前記第１電極及び前記第２電極を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 基板の一方面側に、所定の間隔をあけて第１電極及び第２電極を形成し、その後、少なくとも該第１電極及び該第２電極間に光電変換層を形成し、その後、封止部材で封止することを特徴とする有機薄膜太陽電池素子の作製方法。
- 基板の一方面に所定の間隔をあけて第１電極と第２電極とが形成されたことを特徴とする有機薄膜太陽電池素子形成用基板。
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-
2010
- 2010-03-12 JP JP2010056793A patent/JP2011192761A/ja active Pending
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