JP2012195382A - 有機薄膜太陽電池モジュール及びサブモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電効率を達成し得る有機薄膜太陽電池モジュール及びサブモジュールを提供する。
【解決手段】実施形態の有機薄膜太陽電池モジュールは、複数の太陽電池パネルと複数の反射面とを含む。太陽電池パネルは、基板と、第１電極と、第２電極と、光電変換層とを含む。反射面は、前記太陽電池パネルそれぞれの他主面の一部に斜めに向き合っている。前記反射面を含む各平面を第１平面とし、前記第１平面と前記基板の表面との交線を第１交線とし、前記第１交線を通り前記基板の表面に対して４５°の角度をなす平面のうち前記第１平面に対してなす角度がより小さい平面を第２平面としたとき、前記光電変換層の端が前記第２平面に接しているか、または前記第２平面が前記光電変換層を横切る。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、有機薄膜太陽電池モジュール及びサブモジュールに関する。

有機薄膜太陽電池は、導電性ポリマー、フラーレン等を組み合わせた有機薄膜半導体を用いた太陽電池である。有機薄膜太陽電池では、光電変換膜を塗布や印刷といった簡便な方法で生産でき、シリコン、ＣＩＧＳ、ＣｄＴｅ等の無機系材料を用いた太陽電池に比べて製造コストを下げることができる。その反面、有機薄膜太陽電池の光電変換効率および寿命は、従来の無機系太陽電池と比較して低い。これは、有機薄膜太陽電池に用いられる有機半導体の特性は、半導体材料の純度、分子量分布、配向性等といった制御が困難なパラメータに影響を受けやすいことが理由の１つと考えられる。そのため、有機薄膜太陽電池の発電効率を向上させるための種々の工夫が必要となる。

特開２００８−１４１１４３号公報

本発明が解決しようとする課題は、高い発電効率を達成し得る有機薄膜太陽電池モジュール及びサブモジュールを提供することである。

実施形態の有機薄膜太陽電池モジュールは、複数の太陽電池パネルと、複数の反射面とを含んでいる。太陽電池パネルは、基板と、前記基板の一主面に向き合って設けられた第１電極と、前記基板と前記第１電極との間に設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた光電変換層とを含む。反射面は、前記太陽電池パネルそれぞれの他主面の一部に斜めに向き合っている。前記反射面を含む各平面を第１平面とし、前記第１平面と前記基板の表面との交線を第１交線とし、前記第１交線を通り前記基板の表面に対して４５°の角度をなす平面のうち前記第１平面に対してなす角度がより小さい平面を第２平面としたとき、前記光電変換層の端が前記第２平面に接しているか、または前記第２平面が前記光電変換層を横切る。

図１は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールを示す斜視図である。 図２は、実施形態に係る太陽電池パネルおよび反射面を概念的に示す断面図である。 図３は、実施形態に係る太陽電池パネルおよび反射面を概念的に示す断面図である。 図４は、比較例の太陽電池パネルを概念的に示す断面図である。 図５は、実施形態に係る太陽電池パネルを示す断面図である。 図６は、実施形態に係る補助電極の例を示す図である。 図７は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの製造の一例を示すフローチャートである。 図８は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの製造途中の状態を示す図である。 図９は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの製造途中の状態を示す図である。 図１０は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの製造途中の状態を示す図である。 図１１は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの製造途中の状態を示す図である。 図１２は、実施形態に係るサブモジュールを示す図である。 図１３は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールを示す側面図である。

以下、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００を示す斜視図である。有機薄膜太陽電池モジュール１００は、太陽電池パネル１および反射面２を有する複数のサブモジュール１０から構成される。複数の太陽電池パネル１は、一辺に対して垂直な第１方向６１に対して受光面が傾くように配列している。また、複数の反射面２は、第１方向６１に配列しており、太陽電池パネル１の受光面に対して斜めに向き合っている。なお、図１には、有機薄膜太陽電池モジュール１００において太陽電池パネル１および反射面２を第１方向に対して垂直に配置した場合が示されているが、この配置は一例にすぎない。太陽電池パネル１同士を非平行に設けることも可能であり、同様に、反射面２同士を非平行に設けることも可能である。

図２は、実施形態に係る太陽電池パネル１および反射面２を概念的に示す断面図である。図２は、向かい合う一対の太陽電池パネル１および反射面２を示している。太陽電池パネル１は、反射面２に垂直な平面に対して角度θだけ傾斜している。太陽電池パネル１は、基板３と積層体４とを含んでいる。積層体４は、１対の電極と、１対の電極の間に設けられた光電変換層等を含む。

図３は、実施形態に係る太陽電池パネル１および反射面２を概念的に示す断面図である。反射面２を含む平面を第１平面６３とし、第１平面６３と基板３の表面との交線を第１交線とする。第１交線を通り基板３の表面に対して４５°の角度をなす平面のうち第１平面６３に対してなす角度がより小さい平面を第２平面６４とする。積層体４に含まれる光電変換層の端は第２平面６４に接しているか、または第２平面６４が光電変換層を横切る。図２においては、第２平面６４が光電変換層を横切る。

実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００では、太陽電池パネル１の受光面を光源に対して傾斜させて用いることができる。例えば、図１に示される有機薄膜太陽電池モジュール１００は、光源が紙面上部に位置するように用いることができる。この場合、各々の太陽電池パネル１は、主に斜め方向から入射光を受けることになる。また、入射光の一部は反射面２で反射されて太陽電池パネル１に入射する。入射光の主な進行方向に対して太陽電池パネル１を傾斜させることで、光電変換層の厚さを増大させることなく、光が光電変換層を通過するときの光路を長くすることができる。これにより、生じるエキシトンの量が増大し、得られる電流を増加させることができる。さらに、光電変換層の膜厚を薄く維持できるため、膜抵抗の増大を抑制することができ、発生したキャリアが失活することなく効率よく電極に輸送される。結果として、有機薄膜太陽電池モジュール１００の発電効率は向上する。

しかしながら、太陽電池パネルを入射光の向きに対して傾斜させる場合、入射光のロスが生じ得る。図４は、比較例の太陽電池パネルを概念的に示す断面図である。図４では、互いに斜めに向き合う１対の太陽電池パネル３１が示される。各々の太陽電池パネル３１は、電極、光電変換層等を含む積層体３３と基板３２とが積層されて成る。紙面右から水平方向に光を入射させた場合、その光に対して太陽電池パネル３１は傾斜しているため、上述したように光路を長くすることができ、電流を増加させることができる。しかしながら、この場合、光の無効範囲３７が生じる。すなわち、入射光のうち符号３７に示される範囲を通る光は積層体３３内の光電変換層を通過することができず、発電に寄与しない。なお、入射光が基板３２に入射し、屈折光３６が生じたとき、その屈折光３６が積層体３３に到達しない範囲が光の無効範囲３７となる。

これに対し、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００では、上述するような光の無効範囲３７がほとんど生じない。図２および３に示されるように、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００では、太陽電池パネル１の一部は、光源に対して反射面２よりも深い位置に設けられている。反射面２を含む第１平面６３は太陽電池パネル１の光電変換層を通過するように構成されている。このような配置とすることで、太陽電池パネル１と反射面２との間に対して反射面２に平行に入射した全ての光が、光電変換層に照射される。また、反射面２に非平行に入射した光および基板３の表面で反射した光は、反射面２において反射されて光電変換層に照射される。このようにして、反射面２と太陽電池パネル１の接する部分の付近を通過する光を光電変換層に照射することができ、光の無効範囲をなくすことができる。この結果、入射した光を無駄なく光電変換に利用することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。

さらに、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００では、太陽電池パネル１において、少なくとも入射光が到達し得る領域に光電変換層を設ける。上記のように、光の無効範囲３７を無くすために、太陽電池パネル１の一部を光源に対して反射面２よりも深い位置に設けた場合、太陽電池パネル１において入射光がほとんど到達し得ない領域が生じる。この領域は、太陽電池パネル１のうち光源から見て反射面２よりも深い部分である。基板３における屈折を考慮して、反射面２と太陽電池パネル１の間に入射する全ての光が到達する光電変換層の領域を特定することで、不要な光電変換層等の作製を回避することができる。

そのような領域とは、図３において、第２平面６４よりも紙面左側の領域である。実用的な範囲において角度θを設定した場合、反射面２と平行に且つ第１交線に垂直に基板３に入射した光は、基板３がガラスである場合、その屈折率を考慮すると屈折角略４５°で屈折する。この入射光は必ず第１平面６３よりも紙面右側を通るため、屈折した光は第２平面６４よりも紙面右側を通る。したがって、積層体４に含まれる光電変換層の端が第２平面６４に接するように構成することで、入射光が到達しえない領域に光電変換層を設けることを回避できる。なお、伸縮による部材の破壊を防ぐために、反射面２の端を基板３の表面に接触させない場合には、それらの間に隙間が設けられる。なお、基板３としてガラス以外の材料を使用した場合、当該材料の屈折率を考慮すれば、その基板３を通る屈折光は第２平面６４よりも紙面右側を通ると考えられる。

図２に示されるように、反射面２に垂直な平面と太陽電池パネル１が成す鋭角θは、実用的な範囲で設定することができる。例えば、角度θは４５°から８９°の範囲の角度にすることができる。角度θが４５°以上であると光路長が十分長くなり、光電変換効率の改善が見られる。一方、角度θを８９°より大きくすると、入射光が基板３や透明電極を通過する際の光吸収が大きくなりすぎ、効率の低下につながる。より好ましくは、角度θは６０°から７５°の範囲の角度とすることができる。

次に、図５を用いて、太陽電池パネル１について説明する。

実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００において、太陽電池パネル１は、基板３と、基板３に向き合って設けられた第１電極と、基板３と第１電極との間に設けられた第２電極と、第１電極と第２電極との間に設けられ、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とを含むバルクへテロ接合型の光電変換層１９とを含む。

図５には、太陽電池パネル１の一例の断面図が示されている。図示されるように、太陽電池パネル１は、反射面２と対向する側から、基板３、第２電極としてのＩＴＯ電極１１、補助電極１２、正孔輸送層１３、光電変換層１９、電子輸送層１６および陰極１７が順に積層されて構成されている。光電変換層１９は、ｐ型半導体１４およびｎ型半導体１５から構成されている。

実施形態に係る太陽電池パネル１は、バルクへテロ接合型である。バルクへテロ接合型の光電変換層１９の特徴は、ｐ型有機半導体１４とｎ型有機半導体１５とがブレンドされ、ナノオーダーのｐｎ接合が光電変換層１９全体に広がっていることである。そのため、従来の積層型有機薄膜太陽電池よりもｐｎ接合領域が広く、実際に発電に寄与する領域も光電変換層１９全体に広がっている。従って、バルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池における発電に寄与する領域は、積層型有機薄膜太陽電池と比べ圧倒的に厚くなり、それに伴い光子の吸収効率も向上し、取り出せる電流も増加する。

有機薄膜太陽電池の光電変換プロセスは、ａ）有機分子が光を吸収して励起子を発生する過程、ｂ）励起子の移動および拡散の過程、ｃ）励起子の電荷分離の過程、およびｄ）両極への電荷輸送の過程に大きく分けられる。

ステップａ）では、ｐ型有機半導体またはｎ型有機半導体が光を吸収することにより励起子が発生する。次に、ステップｂ）では、発生した励起子がｐ／ｎ接合面へ拡散により移動する。ステップｃ）では、ｐ／ｎ接合面に到達した励起子がエレクトロン２２とホール２１とに分離される。最後にステップｄ）にて、それぞれの光キャリアはｐ／ｎ材料中を通じて電極へと輸送され、外部回路に取り出される。

光電変換層１９の光透過率は、１０％以上８５％以下であることが好ましい。ここから逸脱した範囲の場合、傾斜角度θを上げても光電変換効率の改善効果は小さい。

太陽電池パネル１には、任意にバスバー１８および補助電極１２を設けることができる。これらは第２電極における電気伝導率の低さを補うために設けられるものであり、第２電極に電気的に接続され、第２電極よりも電気伝導率の高い材料からなる。バスバー１８は、例えば、太陽電池パネル１において光が入射しない領域に設けることとする。一方、補助電極１２は、例えば光が入射する領域に設けることとする。

例えば第２電極としてＩＴＯ電極１１を用いる場合、ＩＴＯ電極１１は透明電極であるため、入射光６５を光電変換層１９へと透過させることができるものの、一般的な金属電極と比較して電気伝導率が低い。そのため、ＩＴＯ電極１１内の抵抗によって、光電変換層１９によって生じた電流が一定量消費される。そこで、バスバー１８や補助電極１２をＩＴＯ電極１１に電気的に接続して電流をバイパスすることで、電流の消費を抑制し、発電効率を高めることができる。バスバー１８および補助電極１２は、第２電極よりも電気伝導率の高い材料からなる。例えば、銅、銀といった金属を材料とすることができる。但し、これらの材料は光を透過しないため、これらは入射光６５の透過を可能な限り遮らないように配置される。

実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００において、バスバー１８は、基板３または第２電極の表面のうち光電変換層１９に向き合う表面上に設けることができる。バスバー１８の電気抵抗は低いほど好ましく、例えばシート抵抗では０．１Ω以下（好ましくは０．０１Ω以下）で形成する。

一方、補助電極１２は、第２電極１１と光電変換層１９との間に設けられる。図５に示されるように、正孔輸送層１３を設ける場合には、補助電極１２は、第２電極１１と正孔輸送層１３との間に設けられる。図６（ａ）から（ｄ）に、補助電極１２の例を示す。図６は、バスバー１８および補助電極１２の両方を備えた太陽電池パネル１について、バスバー１８および補助電極１２を受光面側から見た状態を示す。補助電極１２は、平面全体を覆うことなく、その隙間から光が透過できるように設けられている。補助電極１２は、図６（ａ）および（ｂ）のようにライン状に設けるか、または図６（ｃ）および（ｄ）のように網目状に設けることができる。また、補助電極１２は、バスバー１８に電気的に接続することができる。図６（ａ）では、補助電極１２ａは、短辺方向に対して平行な複数のラインとして設けられている。これにより、光の遮断を最小限に抑えつつ、ＩＴＯ電極１１における抵抗による電力消費を抑制することができる。あるいは、図６（ｂ）から（ｄ）に示されるように、短辺方向の断面において、補助電極１２が存在する領域と存在しない領域とが幅方向に交互に存在することが好ましい。図６（ｂ）には、短辺方向に対して傾斜した互いに平行な複数のラインからなる補助電極１２ｂが示されている。図６（ｃ）には、短辺方向に対して傾斜した互いに平行な複数なライン同士が所々で橋渡しされた補助電極１２ｃが示されている。補助電極１２ｃは、網目状、レンガ状または梯子状と表現することもできる。図６（ｄ）には、短辺方向に対して傾斜した複数の波型のライン同士が所々で橋渡しされた補助電極１２ｄが示されている。補助電極１２ｄは、網目状と表現することもできる。光電変換層に入射する光は補助電極１２で反射される場合があるが、補助電極１２で反射された光は、反射面２で反射されて再び光電変換層に入射する。図６（ｂ）から（ｄ）に示されるように、短辺方向の断面において、補助電極１２が存在する領域と存在しない領域とが幅方向に交互に存在する場合、補助電極１２の表面で一度光が反射されても、その光が反射面２と光電変換層の間で反射の繰り返しを生じ、最終的にほとんどの光が補助電極１２の存在しない部位から光電変換層１９に吸収される。

図６（ｅ）には、基板にはバスバーのみ形成して補助電極は省略した例が示されている。

次に、反射面２について説明する。

反射面２は、高い光反射率を有していることが好ましい。例えば、反射面２の光反射率は９０から１００％の範囲とすることが好ましく、１００％に近いほど有機薄膜太陽電池モジュール１００の発電効率は高まる。反射面２は、このような光反射率を達成できる材料によって作ることができる。例えば、表面が良く研磨されたアルミニウム、クロムといった金属からなる金属板、ガラス、樹脂等の表面に銀メッキ等により反射膜を設けた鏡状の反射板、ガラス、樹脂等の表面にアルミを蒸着した反射板、または各種金属からなる金属箔等を反射面２として使用することができる。具体的には、例えば３Ｍ社製の反射フィルムであるビキュイティＥＳＲ、麗光社製のルイルミラー等を使用して、９７％以上の反射率を有する反射板を作製することができる。また、反射面２を拡散反射面とすることができる。拡散反射面は、太陽電池パネル１に対して光を分散して反射させることができる。拡散反射面を使用すれば、上述したような補助電極１２と反射面２との間で入射光が反射を繰り返すという問題を軽減できる。拡散反射面としては、例えば、上述した材料の表面に微細な凹凸を形成したものを使用することができる。

次に、サブモジュールについて説明する。

実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール１００は、複数のサブモジュール１０から構成されてよい。複数のサブモジュール１０からなる有機薄膜太陽電池モジュール１００は、サブモジュール１０の数を調整することでその大きさを任意に変更することができる。したがって、設置場所の広さに応じた有機薄膜太陽電池モジュール１００を製造する必要がなくなる。図１には、複数のサブモジュール１０から構成された有機薄膜太陽電池モジュール１００の一例が示されている。図１の有機薄膜太陽電池モジュール１００では、複数のサブモジュール１０が第１方向６１に配列している。このような配列の他に、サブモジュール１０を種々の方向に配列させて有機薄膜太陽電池モジュール１００を形成することもできる。サブモジュール１０には、１つの太陽電池パネル１と１つの反射面２とを設けることができる。１つのサブモジュールにおいて、太陽電池パネル１と反射面２とが向き合って設けられてもよいが、図１０に示されるサブモジュール１０のように、太陽電池パネル１と反射面２とが互いに背中合わせに斜めに向き合って設けることもできる。背中合わせに設けられる場合、そのサブモジュール１０を組み合わせると、１つのサブモジュール１０に設けられた太陽電池パネル１は、隣接する別のサブモジュール１０に設けられた反射面２と斜めに向かい合う。

以下に、本発明の実施形態に係る有機薄膜太陽電池の各構成部材について説明する。

（基板）
基板は、電極や光電変換層といったその他の構成部材を支持する。基板は、電極の形成および熱や有機溶剤の処理によって変質しないものが好ましい。基板の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン等の金属基板等が挙げられる。基板の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度があれば、特に限定されない。

基板の光入射面には、例えばモスアイ構造の反射防止膜を設置することができる。これにより、光を効率的に取り込み、セルのエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。モスアイ構造とは表面に１００ｎｍ程度の規則的な突起配列を有する構造であり、この突起構造により厚み方向の屈折率が連続的に変化するため、無反射フィルムを媒介させることで屈折率の不連続的な変化面が無くなり、光の反射が減少し、セル効率が向上する。

（第２電極）
第２電極は、基板３上に積層される。第２電極の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明または半透明の導電性を有する材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。透明または半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡ等）や、金、白金、銀、銅等が用いられる。特に、ＩＴＯまたはＦＴＯが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてもよい。第２電極の膜厚は、ＩＴＯの場合、３０〜３００ｎｍであることが好ましい。３０ｎｍより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、光電変換効率低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が作用するとひび割れてしまう場合がある。第２電極のシート抵抗は可能な限り低いことが好ましく、１０Ω／□以下であることが好ましい。第２電極は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。

（正孔輸送層）
正孔輸送層は、任意に、第２電極と光電変換層との間に配置される。正孔輸送層の機能は、下部の電極の凹凸をレベリングして太陽電池素子の短絡を防ぐこと、正孔のみを効率的に輸送すること、光電変換層の界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐこと等である。正孔輸送層の材料としては、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））等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーを使用することができる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１が挙げられる。

正孔輸送層の材料としてＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００を使用する場合、膜厚は２０〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎる場合は、下部電極の短絡を防止する作用がなくなり、ショートが発生してしまう。厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため、光変換効率が低下する。

正孔輸送層の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えばスピンコート法等で塗布することが可能である。正孔輸送層の材料を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレート等で加熱乾燥する。１４０〜２００℃で数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

（光電変換層）
光電変換層は、第１電極と第２電極との間に配置される。実施形態に係る太陽電池は、バルクへテロ接合型の太陽電池である。バルクヘテロ接合型の太陽電池は、ｐ型半導体とｎ型半導体が光電変換層中で混合してミクロ層分離構造をとることが特徴である。バルクへテロ接合型は、混合されたｐ型半導体とｎ型半導体が光電変換層内でナノオーダーのサイズのｐｎ接合を形成し、接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。ｐ型半導体は、電子供与性の性質を有する材料で構成される。一方、ｎ型半導体は、電子受容性の性質を有する材料で構成される。実施形態においては、ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方が有機半導体であってよい。

ｐ型有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を使用することができ、これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が挙げられる。

好ましいｐ型有機半導体は、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体である。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、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、ポリ３−ドデシルチオフェン等のポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェン、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等のポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等のポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。

また近年では、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９”−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体が、優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法等により、安価な設備にて低コストで製造できるという利点がある。

ｎ型有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。ここで使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基等のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６等の水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。

上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。

光電変換層におけるｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合比率は、ｎ型有機半導体の含有率をｐ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合、およそｎ：ｐ＝１：１とすることが好ましい。またｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、およそｎ：ｐ＝４：１とすることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解する必要があるが、それに用いる溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

溶液を塗布し成膜する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

（電子輸送層）
電子輸送層は、任意に、第１電極と光電変換層との間に配置される。電子輸送層は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、および光電変換層と電子輸送層との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。

電子輸送層の材料としては、金属酸化物、たとえばゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えば、スピンコート法が挙げられる。電子輸送層の材料として酸化チタンを使用する場合、膜厚は５〜２０ｎｍの厚さに成膜する事が望ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、ホールブロック効果が減少してしまうため、発生したエキシトンが電子とホールに解離する前に失活してしまい、効率的に電流を取り出すことができない。膜厚が厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため光変換効率が低下する。塗布溶液は、あらかじめフィルターで濾過したものを使用することが望ましい。規定の膜厚に塗布した後、ホットプレートなどを用いて加熱乾燥する。５０℃〜１００℃で数分〜１０分間程度、空気中にて加水分解を促進しながら加熱乾燥する。

（第１電極）
第１電極は、光電変換層（または電子輸送層）の上に積層される。導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。電極材料としては、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜等が挙げられる。第２電極を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、第１電極には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、およびこれらの合金を挙げることができる。

第１電極は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。また、前記仕事関数の低い材料のうちの１つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫などとの合金でもよい。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

第１電極の膜厚は、１ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。膜厚が上記範囲より薄い場合は、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。膜厚が厚い場合には、第１電極の成膜に長時間を要するため材料温度が上昇し、有機層にダメージを与えて性能が劣化してしまう。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

図７に、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法の一例をフローチャートとして示す。このフローチャートに基づいて、実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールを製造した。

概要として、ガラス基板上に電極、光電変換層等を順次製膜して太陽電池パネルを作製し、そのように作製した太陽電池パネルおよび反射面を用いてサブモジュールを作製した。最後に、そのサブモジュールを組み合わせて、有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。

詳細を、図７に示すフローチャートに沿って説明する。

（Ｓ１：ガラス基板準備）
無アルカリガラス基板を適当なサイズに切断した。ここでは、３つの太陽電池パネルを含むサイズとした。切断後、基板を洗浄した。

（Ｓ２：ＩＴＯ電極形成）
ガラス基板の片面に、スパッタリングによりＩＴＯを製膜した。さらに、フォトエッチングプロセス（ＰＥＰ）によりパターニングした。すなわち、ＩＴＯ上にレジストを製膜し、レジストにパターンを形成した後、それをマスクとしてエッチングを行った。その後、レジストを除去し、さらに基板を洗浄した。これによって作製されたＩＴＯ電極１１を図８に示す。

（Ｓ３：ＭＡＭ電極形成）
ＩＴＯ電極上にバスバーおよび補助電極を作製した。すなわち、スパッタリング法により、パターニング後のＩＴＯ電極上にＭｏ／Ａｌ／Ｍｏ膜を積層した。さらに、ＰＥＰによりＭｏ／Ａｌ／Ｍｏ膜をパターニングした。パターニング後、基板を洗浄した。このようにして作製したバスバー１８および補助電極１２ａを図９に示す。バスバー１８は、各ＩＴＯ電極の長辺の一方に平板状に設けられている。補助電極１２ａは、短辺方向に平行な複数のライン状の電極として作製されており、バスバー１８に電気的に接続されている。

（Ｓ４：カッティング）
第２電極形成後、ガラス基板を、続く処理に適切なサイズに切り出した。

（Ｓ５；正孔輸送層形成）
第２電極上に正孔輸送層の材料をスピンコーティングし、乾燥および熱処理により定着させて、正孔輸送層を形成した。

（Ｓ６：活性層形成）
正孔輸送層上に予め作製した材料混合溶液をスピンコーティングし、乾燥および熱処理により定着させて、光電変換層を形成した。

（Ｓ７：電子輸送層形成）
光電変換層上に電子輸送層の材料をスピンコーティングし、乾燥および熱処理により定着させて、電子輸送層を形成した。

（Ｓ８：Ａｌ電極形成）
電子輸送層上にアルミニウムを真空蒸着法によりマスク蒸着し、第１電極を形成した。Ａｌ蒸着膜厚は約７００ｎｍとした。図１０に、そのようにして作製した第１電極１７を示す。

（Ｓ９：封止）
第１電極上に裁断した機能性ＰＥＴフィルムを加熱圧着し、封止した。この機能性ＰＥＴフィルムは、シリカ膜等の防湿層と加熱接着層（ＥＶＡ）を有する。

（Ｓ１０：セル分離）
ガラス基板をカッティングラインに沿って切断して、各々の太陽電池パネルに分離した。図１１に、カッティングライン６６の例を示す。このカッティングライン６６に沿って分離することで３つの太陽電池パネルが得られる。

（Ｓ１１：電極部樹脂の除去）
ポリッシングにより第２電極を表面に出したのち、導電ペーストで被覆した。

（Ｓ１２：サブモジュール組立）
シリカ微粒子を高充填（８５ｗｔ％以上）した防湿性に優れた熱硬化型エポキシ樹脂で成型したサブモジュール基体に、光反射シートを接着した。さらに、上記のように作製した太陽電池パネルおよびダイオードをサブモジュール基体にマウントし、銀ペーストで導電性を確保しつつ、接着剤で固定した。

このようにして作製したサブモジュール１０を図１２（ａ）から（ｃ）に示す。図１２（ａ）は、太陽電池パネル１を設けた側から見たサブモジュール１０を示す。このサブモジュール１０には３つの太陽電池パネル１が設けられている。また、サブモジュール１０は、ボルト等を通して複数のサブモジュール１０を固定するための固定用貫通孔５１を有する。さらに、銅線等を通して複数のサブモジュール１０を電気的に接続するための電極用貫通孔５２を有する。この電極用貫通孔５２は、銀ペースト５３により太陽電池パネル１の電極と電気的に接続されている。図１２（ｂ）は、反射面２を設けた側から見たサブモジュール１０を示す。反射面２は、太陽電池パネル１と背中合わせに、太陽電池パネル１の位置に対応させて設けられていることがわかる。図１２（ｃ）は、サブモジュール１０の側面を短辺側から見た状態を示す。太陽電池パネル１と反射面２とが背中合わせに斜めに向かい合って配置されていることがわかる。また、固定用貫通孔５１および電極用貫通孔５２の存在する位置が破線によって示される。

（Ｓ１３：モジュール組立）
作製した複数のサブモジュールを組み合わせ、固定用貫通孔５１にボルトを通し、および電極用貫通孔５２に銅線を通して有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。図１３に、そのようにして組み立てた有機薄膜太陽電池モジュール１００の側面図を示す。固定用貫通孔５１には固定用具５４としてのボルトが、電極用貫通孔５２には銅線５５がそれぞれ通され、複数のサブモジュール１０が１つに固定され且つ電気的に接続されている。

（Ｓ１４：コネクター取り付け）
最後に、コネクターを銅線に取り付けて、有機薄膜太陽電池モジュール１００を完成させた。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…太陽電池パネル、２…反射面、３…基板、４…積層体、１０…サブモジュール、１１…ＩＴＯ電極、１２…補助電極、１３…正孔輸送層、１４…ｐ型有機半導体、１５…ｎ型有機半導体、１６…電子輸送層、１７…陰極、１８…バスバー、１９…光電変換層、２１…ホール、２２…エレクトロン、３１…太陽電池パネル、３２…基板、３３…積層体、３６…屈折光、３７…光の無効範囲、５１…固定用貫通孔、５２…電極用貫通孔、５３…銀ペースト、５４…固定用具、５５…銅線、６１…第１方向、６３…第１平面、６４…第２平面、６５…入射光、６６…カッティングライン、１００…有機薄膜太陽電池モジュール。

Claims (8)

1. 基板と、前記基板の一主面に向き合って設けられた第１電極と、前記基板と前記第１電極との間に設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた光電変換層とを含む複数の太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルそれぞれの他主面の一部に斜めに向き合う複数の反射面と
   を含み、前記反射面を含む各平面を第１平面とし、前記第１平面と前記基板の表面との交線を第１交線とし、前記第１交線を通り前記基板の表面に対して４５°の角度をなす平面のうち前記第１平面に対してなす角度がより小さい平面を第２平面としたとき、前記光電変換層の端が前記第２平面に接しているか、または前記第２平面が前記光電変換層を横切る有機薄膜太陽電池モジュール。
2. 前記太陽電池パネルの前記基板または前記第２電極の前記光電変換層に向き合う表面上に設けられ、前記第２電極に電気的に接続され、前記第２電極よりも電気伝導率の高い材料からなるバスバーを更に備え、
   前記太陽電池パネルは、前記第２平面と前記太陽電池パネルの交線を境にして反射面と対向する第１部分と、前記第１部分を除いた第２部分を有し、
   前記バスバーは前記第２部分に設けられている請求項１に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
3. 前記第１部分において前記第２電極と前記光電変換層との間に設けられ、前記第２電極よりも電気伝導率の高い材料からなる補助電極を更に備え、
   前記太陽電池パネルの前記第１交線と垂直な方向において、前記補助電極が存在する領域と存在しない領域とが幅方向に交互に存在する請求項２に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
4. 前記反射面は拡散反射面である請求項１乃至３に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
5. 前記光電変換層は、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とを含むバルクへテロ接合型である請求項１乃至４に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
6. 前記複数の太陽電池パネルの１つと前記複数の反射面の１つとを各々が含んだ複数のサブモジュールを配列してなる請求項１乃至５に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
7. 各々の前記サブモジュールは、互いに背中合わせに斜めに向き合う１つの前記太陽電池パネルと１つの前記反射面とを備える請求項６に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
8. 基板と、前記基板の一主面に向き合って設けられた第１電極と、前記基板と前記第１電極との間に設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた光電変換層とを含む太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルそれぞれの他主面の一部に斜めに向き合う複数の反射面と
   を含み、前記反射面を含む各平面を第１平面とし、前記第１平面と前記基板の表面との交線を第１交線とし、前記第１交線を通り前記基板の表面に対して４５°の角度をなす平面のうち前記第１平面に対してなす角度がより小さい平面を第２平面としたとき、前記光電変換層の端が前記第２平面に接しているか、または前記第２平面が前記光電変換層を横切る有機薄膜太陽電池サブモジュール。

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