JP2012199273A - Method and device for manufacturing organic thin-film solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機薄膜太陽電池の製造方法およびその製造装置に関し、特に、間歇スリットコート法を用いた有機薄膜太陽電池の製造に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an organic thin film solar cell and a manufacturing apparatus therefor, and particularly to a technique effective when applied to the manufacture of an organic thin film solar cell using an intermittent slit coating method.
近年、次世代の太陽電池として、有機薄膜太陽電池が着目されている。有機薄膜太陽電池は、シリコン系太陽電池と比較して軽量化、薄型化、またはフレキシブル化が可能であり、様々な新しい用途にも対応できるという利点を有している。 In recent years, organic thin-film solar cells have attracted attention as next-generation solar cells. Organic thin-film solar cells can be reduced in weight, thickness, or flexibility as compared with silicon-based solar cells, and have an advantage that they can be used for various new applications.
有機薄膜太陽電池を構成する各有機層の形成方法としては、例えばスピンコート法、インクジェット法、印刷法、または金属蒸着法などが検討されている。 As a method for forming each organic layer constituting the organic thin film solar cell, for example, a spin coating method, an ink jet method, a printing method, a metal vapor deposition method, or the like has been studied.
しかし、スピンコート法は、例えば表示装置の画素に用いられるような小面積のパターンの製造には適しているが、太陽電池に用いられるG6(1500mm×1850mm)サイズのベタ塗りには不適である。さらに、スピンコート法は材料の使用効率が低く、材料のほとんどが再利用されずに廃棄されている。また、インクジェット法も小面積でかつ高精細なパターンの製造には適しているが、G6サイズのベタ塗りには不適である。また、印刷法としては、例えばオフセット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、またはスクリーン印刷などがある。しかし、これらの印刷法も高精細なパターンの製造には適しているが、G6サイズのベタ塗りには不適である。また、金属蒸着法は雰囲気が高温となるため、耐熱性の低い有機材料には不適である。さらに、金属蒸着法は真空技術であるため、G6サイズの適用を可能とする蒸着装置は高価格となってしまう。 However, the spin coating method is suitable for manufacturing a pattern with a small area such as that used for a pixel of a display device, but is not suitable for G6 (1500 mm × 1850 mm) size solid coating used for a solar cell. . Furthermore, the spin coating method has low material use efficiency, and most of the material is discarded without being reused. The ink jet method is also suitable for manufacturing a small area and high-definition pattern, but is not suitable for G6 size solid coating. Examples of the printing method include offset printing, gravure printing, flexographic printing, and screen printing. However, these printing methods are also suitable for the production of high-definition patterns, but are not suitable for G6 size solid coating. In addition, the metal vapor deposition method is not suitable for an organic material having low heat resistance because the atmosphere becomes high temperature. Furthermore, since the metal vapor deposition method is a vacuum technique, a vapor deposition apparatus that can apply the G6 size becomes expensive.
そこで、広範囲に均一な厚さの有機層を効率的に形成する方法として、様々な印刷プロセスまたは塗布プロセスが提案されている。 Therefore, various printing processes or coating processes have been proposed as a method for efficiently forming an organic layer having a uniform thickness over a wide range.
例えば国際特許公開WO 09/057464号パンフレット(特許文献1)には、長尺状の支持体に、複数の塗布液を塗布することにより重層塗布膜を形成する塗布方法が開示されており、支持体を挟み、バックアップロールと対向する位置に複数の塗布手段を配設し、塗布手段で複数の塗布液を支持体に塗布することにより重層塗布膜を形成する塗布方法が記載されている。 For example, International Patent Publication WO 09/057464 (Patent Document 1) discloses a coating method in which a multilayer coating film is formed by coating a plurality of coating liquids on a long support. A coating method is described in which a plurality of coating means are disposed at positions facing a backup roll with a body interposed therebetween, and a plurality of coating liquids are coated on a support by the coating means.
また、特開2010−251303号公報(特許文献2)には、塗布液を上方に吐出するノズルに対して上方に配置される被塗布体に塗布液を塗布する塗布方法が開示されており、ノズルから吐出される塗布液が被塗布体に接液した状態で、ノズルと被塗布体とを所定の塗布方向に相対移動する塗布工程と、塗布液を被塗布体から離液させた状態で、ノズルと被塗布体とを塗布方向に相対移動する非塗布工程とを含み、複数のスリット状吐出口を備えるノズルを用いて、上記塗布工程と上記非塗布工程との2つの工程を交互に繰返す塗布方法が記載されている。 JP 2010-251303 A (Patent Document 2) discloses a coating method in which a coating liquid is applied to an object to be coated disposed above a nozzle that discharges the coating liquid upward. In a state where the coating liquid discharged from the nozzle is in contact with the body to be coated, in a state where the nozzle and the body to be coated are relatively moved in a predetermined coating direction, and in a state where the coating liquid is separated from the body to be coated And a non-application process in which the nozzle and the object to be applied are moved relative to each other in the application direction, and using the nozzle having a plurality of slit-like discharge ports, the two processes of the application process and the non-application process are alternately performed. A repeated application method is described.
図35に示すように、有機薄膜太陽電池は、例えば透明電極52を付けた基板51の上に、正孔輸送層53、バルクヘテロ層(p−n混合層(i層))54、電子輸送層55、および金属電極56が順次積層された多層構造を有している。
As shown in FIG. 35, the organic thin film solar cell includes, for example, a
有機薄膜太陽電池に光が照射されると、バルクへテロ層(i層)54を構成するp型半導体材料の中に励起子と呼ばれる正孔と電子の対が生成される。生成された励起子はp型半導体材料とn型半導体材料との界面まで移動し、界面のエネルギー差により正孔と電子とが分離する。正孔はp型半導体材料を通じて陽極へ流れ、電子はn型半導体材料を通じて陰極へ流れる。そしてこの電極同士を結べば、電流が流れる。正孔輸送層53および電子輸送層55は、正孔と電子とが再結合しないように、また励起子に戻らないように、正孔と電子とを分離するために設けられている。
When the organic thin film solar cell is irradiated with light, a pair of holes and electrons called excitons is generated in the p-type semiconductor material constituting the bulk hetero layer (i layer) 54. The generated excitons move to the interface between the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material, and holes and electrons are separated due to the energy difference between the interfaces. Holes flow to the anode through the p-type semiconductor material, and electrons flow to the cathode through the n-type semiconductor material. When these electrodes are connected, a current flows. The
また、有機薄膜太陽電池の効率を上げるためには、p型半導体材料とn型半導体材料との界面で正孔と電子とが分離した後に、正孔が再結合せずに素早く陽極へ移動するように、また、電子が再結合せずに素早く陰極へ移動するようにする必要がある。 Further, in order to increase the efficiency of the organic thin film solar cell, after holes and electrons are separated at the interface between the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material, the holes move quickly to the anode without recombination. Thus, it is also necessary that the electrons move quickly to the cathode without recombination.
そこで、図36に示すように、正孔輸送層53とバルクヘテロ層(i層)54iとの間にp型有機半導体54pを設け、バルクヘテロ層54iと電子輸送層55との間にn型有機半導体54nを設けたp−i−n構造(p層−i層−n層)の有機薄膜太陽電池もある。
36, a p-type
さらに、図37に示すように、正孔輸送層53とp型有機半導体54pとの間に、インターレイヤ層57を設けても良く、これにより、強酸性のPEDOT:PSSによる有機薄膜太陽電池の劣化を防止できるという効果が得られる。
Furthermore, as shown in FIG. 37, an
このように、前述の図35〜図37に示すように、有機薄膜太陽電池は複数の有機層が重なることにより構成されている。従って、有機薄膜太陽電池を製造する場合は、透明電極を付けた基板の上に各有機層を順次重ねていくことになる。しかし、印刷プロセスまたは塗布プロセスを用いて、基板の上に各有機層を順次重ねていくと、印刷精度または塗布精度の点から、複数の有機層が積層された多層構造の側面においていずれかの有機層が形状不良を生じ、本来は接触してはいけない層同士、例えばバルクへテロ層と透明電極または金属電極、あるいは正孔輸送層と電子輸送層とが接触する場合がある。接触してはいけない層同士が接触すると、正孔および電子の移動が阻害されて電流が流れなくなり、有機薄膜太陽電池として機能しなくなる。そのため、複数の有機層が積層された多層構造の側面における有機層の形状不良は、製品の製造歩留まりの低下を招く要因となる。 As described above, as shown in FIGS. 35 to 37, the organic thin-film solar cell is configured by overlapping a plurality of organic layers. Therefore, when manufacturing an organic thin-film solar cell, each organic layer is laminated | stacked one by one on the board | substrate which attached the transparent electrode. However, if each organic layer is sequentially stacked on the substrate by using a printing process or a coating process, either side of the multilayer structure in which a plurality of organic layers are laminated from the viewpoint of printing accuracy or coating accuracy. In some cases, the organic layer has a defective shape, and layers that should not be in contact with each other, for example, a bulk hetero layer and a transparent electrode or a metal electrode, or a hole transport layer and an electron transport layer may contact each other. When layers that should not be in contact with each other, the movement of holes and electrons is hindered so that no current flows, and the organic thin film solar cell does not function. Therefore, the defective shape of the organic layer on the side surface of the multilayer structure in which a plurality of organic layers are laminated becomes a factor that causes a decrease in product manufacturing yield.
基板の上に各有機層を順次重ねた後に、例えばレーザスクライブを用いて多層構造の側面を切り取り、接触してはいけない層同士の接触を防ぐ方法もあるが、設備投資の増加等により有機薄膜太陽電池を安価に製造できなくなるなどの課題を有している。 After stacking each organic layer sequentially on the substrate, there is a method of cutting the side surfaces of the multilayer structure using, for example, laser scribing to prevent contact between layers that should not be contacted. There are problems such as the inability to manufacture solar cells at low cost.
本発明の目的は、有機薄膜太陽電池を歩留まり良く、かつ安価に製造することのできる技術を提供することにある。 The objective of this invention is providing the technique which can manufacture an organic thin-film solar cell with a sufficient yield and low cost.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in this application, an embodiment of a representative one will be briefly described as follows.
この実施の形態は、基板と第1スリットコータとを相対移動させながら、透明電極を付けた基板の上に、第1スリットコータに備わり、第1吐出幅の第1シムを有する第1ダイを用いて第1溶液を塗布し、正孔輸送層を形成する工程と、基板と第2スリットコータとを相対移動させながら、正孔輸送層の上に、第2スリットコータに備わり、第1吐出幅よりも狭い第2吐出幅の第2シムを有する第2ダイを用いて第2溶液を塗布し、発電層を形成する工程と、基板と第3スリットコータとを相対移動させながら、発電層の上に、第3スリットコータに備わり、第2吐出幅よりも狭い第3吐出幅の第3シムを有する第3ダイを用いて第3溶液を塗布し、電子輸送層を形成する工程と、基板と第4スリットコータとを相対移動させながら、電子輸送層の上に、第4スリットコータに備わり、第3吐出幅よりも狭い第4吐出幅の第4シムを有する第4ダイを用いて第4溶液を塗布し、金属電極を形成する工程と、を含む有機薄膜太陽電池の製造方法であって、基板の走行方向と垂直な方向において、正孔輸送層の両端面よりも発電層の両端面が内側に位置し、発電層の両端面よりも電子輸送層の両端面が内側に位置し、電子輸送層の両端面よりも金属電極の両端面が内側に位置している。 In this embodiment, a first die having a first shim having a first discharge width is provided on a substrate provided with a transparent electrode while the substrate and the first slit coater are moved relative to each other. The first solution is applied to form the hole transport layer, and the second slit coater is provided on the hole transport layer while the substrate and the second slit coater are moved relative to each other. The step of applying the second solution using the second die having the second shim having the second discharge width narrower than the width to form the power generation layer and the power generation layer while relatively moving the substrate and the third slit coater. A step of forming an electron transport layer by applying a third solution using a third die having a third shim having a third discharge width narrower than the second discharge width provided in the third slit coater; While moving the substrate and the fourth slit coater relative to each other, Applying a fourth solution on a layer using a fourth die having a fourth shim having a fourth discharge width narrower than the third discharge width and provided in a fourth slit coater; and forming a metal electrode; A method of manufacturing an organic thin film solar cell including: both end faces of the power generation layer are located on the inner side than both end faces of the hole transport layer in a direction perpendicular to the traveling direction of the substrate, and more than both end faces of the power generation layer Both end faces of the electron transport layer are located inside, and both end faces of the metal electrode are located inside than both end faces of the electron transport layer.
また、この実施の形態は、固定テーブルの上に置かれた基板の走行方向に順次配置された複数のスリットコータと、複数のスリットコータにそれぞれ備わり、溶液を吐出するスリット状の吐出口を有する複数のダイと、複数のダイにそれぞれ備わり、溶液の吐出幅を規定する複数のシムとを含む有機薄膜太陽電池の製造装置であって、基板と複数のスリットコータとは基板の走行方向に相対移動し、複数のシムのそれぞれの吐出幅が、後続のシムになるに従って順に狭くなっている。 In addition, this embodiment includes a plurality of slit coaters sequentially arranged in the running direction of the substrate placed on the fixed table, and a slit-like discharge port that is provided in each of the plurality of slit coaters and discharges the solution. An organic thin-film solar cell manufacturing apparatus including a plurality of dies and a plurality of shims provided on each of the dies and defining a discharge width of the solution, wherein the substrate and the plurality of slit coaters are relative to the traveling direction of the substrate. It moves, and the discharge width of each of the plurality of shims becomes narrower in order as it becomes a subsequent shim.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by one embodiment of a representative one will be briefly described as follows.
有機薄膜太陽電池を歩留まり良く、かつ安価に製造することができる。 Organic thin-film solar cells can be manufactured with good yield and at low cost.
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easy to see even if they are plan views. In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
また、本願において、溶液というときは、液体のみではなく、塗布できる材料であればペースト状の固体も含むものとする。 In the present application, the term “solution” includes not only a liquid but also a pasty solid as long as it is a material that can be applied.
(実施の形態1)
本実施の形態1によるコーティング技術である間歇スリットコート法を用いた有機薄膜太陽電池の製造方法、および有機薄膜太陽電池の製造装置について説明する。
(Embodiment 1)
An organic thin film solar cell manufacturing method and an organic thin film solar cell manufacturing apparatus using the intermittent slit coating method, which is a coating technique according to the first embodiment, will be described.
<有機薄膜太陽電池の構造>
本実施の形態1による有機薄膜太陽電池の具体的構造の一例を、図1に示す要部断面図を用いて説明する。好ましい有機薄膜太陽電池の構成の具体例を以下に示すが、これに限定されるものではない。
<Structure of organic thin film solar cell>
An example of a specific structure of the organic thin film solar cell according to the first embodiment will be described with reference to a cross-sectional view of the main part shown in FIG. Although the specific example of a structure of a preferable organic thin film solar cell is shown below, it is not limited to this.
本実施の形態1による有機薄膜太陽電池は、一対の電極(陽極および陰極)と、この一対の電極の間に配置される積層された複数の有機層とを含んでおり、複数の有機層は、陽極側に設けられた正孔輸送層と、陰極側に設けられた電子輸送層と、両者に挟まれた発電層(i構造)とから構成される。 The organic thin-film solar cell according to the first embodiment includes a pair of electrodes (anode and cathode) and a plurality of stacked organic layers disposed between the pair of electrodes. And a hole transport layer provided on the anode side, an electron transport layer provided on the cathode side, and a power generation layer (i structure) sandwiched between the two.
基板1の上には陽極側の電極である透明電極2が形成されている。基板1には、例えばガラスまたはプラスチックなどが用いられ、透明電極2には、例えばSnO2(酸化錫)などが用いられる。
On the
透明電極2の上には、例えばPEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))からなる正孔輸送層3が形成されている。正孔輸送層3は、分離した後の正孔と電子とが再結合して、再び励起子に戻らないように、正孔と電子とを分離するために設けられている。すなわち、正孔輸送層3は、正孔を選択的に透過させて、正孔注入効率を改善する機能を有している。
On the
正孔輸送層3の上には、例えばP3HT:PCBM(3-hexylthiophene:Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)からなる発電層4が形成されている。ここでは、発電層4にp型半導体材料とn型半導体材料とを混合し、ミクロ層分離構造を有した所謂バルクへテロ層を用いるが、これに限定されるものではない。例えばp型半導体材料とn型半導体材料とを積層したヘテロ層を用いることもできる。 On the hole transport layer 3, a power generation layer 4 made of, for example, P3HT: PCBM (3-hexylthiophene: Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester) is formed. Here, a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed in the power generation layer 4 and a so-called bulk hetero layer having a micro-layer separation structure is used. However, the present invention is not limited to this. For example, a hetero layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are stacked can be used.
発電層4の上には、例えばTiOx(酸化チタン)からなる電子輸送層5が形成されている。電子輸送層5は、分離した後の正孔と電子とが再結合して、再び励起子に戻らないように、正孔と電子とを分離するために設けられている。すなわち、電子輸送層5は、電子を選択的に透過させて、電子注入効率を改善する機能を有している。
On the power generation layer 4, an
電子輸送層5の上には陰極側の電極である金属電極6が形成されている。金属電極6には、例えばAl(アルミニウム)またはAg(銀)などが用いられている。
On the
正孔輸送層3と発電層4との間に、電子の輸送を堰き止める機能を有する電子阻止層を設けても良い。同様に、発電層4と電子輸送層5との間に、正孔の輸送を堰き止める機能を有する正孔阻止層を設けても良い。
An electron blocking layer having a function of blocking electron transport may be provided between the hole transport layer 3 and the power generation layer 4. Similarly, a hole blocking layer having a function of blocking hole transport may be provided between the power generation layer 4 and the
さらに、透明電極2と正孔輸送層3との間に、正孔の注入効率を改善する機能を有する正孔注入層を設けても良い。同様に、電子輸送層5と金属電極6との間に、電子の注入効率を改善する機能を有する電子注入層を設けても良い。
Furthermore, a hole injection layer having a function of improving the hole injection efficiency may be provided between the
但し、このような電子阻止層または正孔阻止層等を重ね合わせることにより、有機薄膜太陽電池の効率を上げることができるが、安価な有機薄膜太陽電池の製造のためには、層数は少ないことが好ましい。 However, it is possible to increase the efficiency of the organic thin film solar cell by superimposing such an electron blocking layer or a hole blocking layer, but the number of layers is small for manufacturing an inexpensive organic thin film solar cell. It is preferable.
<製造装置の構成>
本実施の形態1による有機薄膜太陽電池に含まれる複数の有機層を形成する製造装置(間歇スリットコート法により有機層を塗工する装置)の一例を図2〜図5を用いて説明する。図2は、間歇スリットコート法により有機層を塗工する装置の塗工部の側面からみた概略構成図、図3は、間歇スリットコート法により有機層を塗工する装置の塗工部の上面からみた概略構成図、図4は、間歇スリットコート法により有機層を塗工する装置の制御部の概略構成図、図5は、間歇スリットコート法により有機層を塗工する装置の溶液供給部の概略構成図である。
<Configuration of manufacturing equipment>
An example of a manufacturing apparatus (apparatus for applying an organic layer by an intermittent slit coating method) for forming a plurality of organic layers included in the organic thin-film solar cell according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic configuration diagram seen from the side of the coating part of an apparatus for applying an organic layer by the intermittent slit coating method, and FIG. 3 is an upper surface of the coating part of the apparatus for applying an organic layer by the intermittent slit coating method 4 is a schematic configuration diagram of a control unit of an apparatus for applying an organic layer by an intermittent slit coating method, and FIG. 5 is a solution supply unit of an apparatus for applying an organic layer by an intermittent slit coating method. FIG.
図2および図3に、間歇スリットコート法により有機層を塗工する装置(以下、間歇スリットコータという)の概略構成図を示す。 2 and 3 are schematic configuration diagrams of an apparatus for applying an organic layer by an intermittent slit coating method (hereinafter referred to as an intermittent slit coater).
間歇スリットコータ10は、主に、吸着機構を有する固定テーブル(定盤)11と、固定テーブル11に設けられたスリットコータ12A,12B,12Cと、固定テーブル11に設けられたガイド11aと、各スリットコータ12A,12B,12Cにそれぞれ備わるダイ13A,13B,13Cと、各スリットコータ12A,12B,12Cにそれぞれ備わるカメラ14A,14B,14Cと、制御部15とにより構成されている。間歇スリットコータ10は、さらに、溶液供給部などを備えている。
The
スリットコータ12A、ダイ13A、およびカメラ14Aは、例えば前述した正孔輸送層3を形成するために用いられる設備であり、スリットコータ12B、ダイ13B、およびカメラ14Bは、例えば前述した発電層4を形成するために用いられる設備であり、スリットコータ12C、ダイ13C、およびカメラ14Cは、例えば前述した電子輸送層5を形成するために用いられる設備である。
The
間歇スリットコータ10は、吸着機構を有する固定テーブル11の上面に基板16を吸着し、スリットコータ12A,12B,12Cにそれぞれ備わるダイ13A,13B,13Cの先端と基板16の上面との間隔を所定値に保持し、溶液を供給しながら溶液を基板16の上に塗布して、有機層を形成する装置である。有機層の塗布工程は、大気中または窒素雰囲気中において行う。
The
ここでは、3台のスリットコータ12A,12B,12Cを記載しているが、これに限定されるものではない。4台以上のスリットコータが必要な場合は、例えば有機薄膜太陽電池に必要な有機層の枚数分のスリットコータが連結される、または有機薄膜太陽電池に必要な有機層の枚数分のスリットコータが固定テーブル11の上面に増設される。
Here, three
固定テーブル11は、電動機または油圧器などの変位駆動手段によって走行方向(塗布方向、図2および図3に示すX方向:第1方向)に往復運動をする。従って、固定テーブル11に置かれた基板16と各スリットコータ12A,12B,12Cとは、それぞれ基板16の走行方向(X方向)に相対移動することができる。
The fixed table 11 reciprocates in the traveling direction (coating direction, X direction shown in FIGS. 2 and 3: first direction) by displacement driving means such as an electric motor or a hydraulic device. Accordingly, the
溶液の塗布を開始する前は、固定テーブル11の走行方向(X方向)に沿って、基板16と向かい合うように、スリットコータ12Aを先頭に、スリットコータ12B、スリットコータ12Cの順に設置されている。各スリットコータ12A,12B,12Cは、走行方向(X方向)における各ダイ13A,13B,13Cの塗布速度、および鉛直方向(図2および図3に示すZ方向)における各ダイ13A,13B,13Cの高さを制御する機構であり、走行機構および昇降機構は制御部15により制御される。各スリットコータ12A,12B,12Cの走行機構および昇降機構を制御することにより、各ダイ13A,13B,13Cのそれぞれの塗布開始時の有機層の厚さと塗布終了時の有機層の厚さ、塗布開始位置などとが精密に制御される。
Before starting the application of the solution, the
各ダイ13A,13B,13Cは、それぞれ吐出幅方向(走行方向(X方向)および鉛直方向(Z方向)に垂直な方向、図2および図3に示すY方向:第2方向)に沿って設けられたスリット状の溶液が吐出する吐出口を有している。後に図5を用いて説明するように、各ダイ13A,13B,13Cにはそれぞれ溶液タンクから溶液が供給され、また、塗布に使用されなかった余分な溶液は各ダイ13A,13B,13Cにそれぞれ設けられた吸込口から溶液タンクに戻される。 The dies 13A, 13B, and 13C are provided along the discharge width direction (direction perpendicular to the running direction (X direction) and the vertical direction (Z direction), Y direction shown in FIGS. 2 and 3: second direction), respectively. It has a discharge port for discharging the slit-shaped solution. As will be described later with reference to FIG. 5, each die 13A, 13B, 13C is supplied with a solution from a solution tank, and excess solution not used for coating is supplied to each die 13A, 13B, 13C. The solution is returned to the solution tank through the provided suction port.
さらに、各ダイ13A,13B,13Cは、それぞれ吐出幅方向(Y方向)に沿った溶液の吐出幅を規定するシム17A,17B,17Cを有している。図2に示す各シム17A,17B,17Cの形状は、図2に示す基板16側からみた形状を示し、ダイ13A,13B,13Cから抜き出した形状を示している。シム17Aは吐出幅方向(Y方向)に沿った溶液の吐出幅LAを有し、ダイ13Aの中に挟まれている。同様に、シム17Bは吐出幅方向(Y方向)に沿った溶液の吐出幅LBを有し、ダイ13Bの中に挟まれており、シム17Cは吐出幅方向(Y方向)に沿った溶液の吐出幅LCを有し、ダイ13Cの中に挟まれている。各シム17A,17B,17Cの厚さは、溶液の性質、溶液の状態、および有機層の厚さなどに応じて適宜調整されるが、例えば0.01〜1mm程度である。
Further, the dies 13A, 13B, and 13C have
各シム17A,17B,17Cの吐出幅方向(Y方向)に沿ったそれぞれの溶液の吐出幅LA,LB,LCは、後続のシムになるに従って順に狭くなっている。すなわち、シム17Aの吐出幅LAよりもシム17Bの吐出幅LBは狭く、シム17Bの吐出幅LBよりもシム17Cの吐出幅LCは狭くなっており、LA>LB>LCの順に吐出幅が設定されている。
The discharge widths LA, LB, and LC of the respective solutions along the discharge width direction (Y direction) of each of the
従って、シム17Aを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の幅よりもシム17Bを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の幅は狭く、シム17Bを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の幅よりもシム17Cを用いて塗工された有機層の吐出幅方向(Y方向)の幅は狭くなる。さらに、シム17Aを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の両端面よりもシム17Bを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の両端面は内側に位置し、シム17Bを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の両端面よりもシム17Cを用いて塗布された有機層の吐出幅方向(Y方向)の両端面は内側に位置する。
Accordingly, the width in the discharge width direction (Y direction) of the organic layer applied using the
上層の有機層の塗布に用いるシムの吐出幅は、下層の有機層の塗布に用いるシムの吐出幅よりも塗布精度の2倍または2乗平方根以上狭く設定される。例えば塗布精度が±0.5mmであれば、シム17Aの吐出幅LAよりもシム17Bの吐出幅LBは1.0mm以上短く、シム17Bの吐出幅LBよりもシム17Cの吐出幅LCは1.0mm以上短くする。
The discharge width of the shim used for the application of the upper organic layer is set to be twice or less than the square root of the application accuracy than the discharge width of the shim used for the application of the lower organic layer. For example, if the coating accuracy is ± 0.5 mm, the discharge width LB of the
また、各ダイ13A,13B,13Cから溶液を吐出する際、それぞれの塗布開始位置(溶液の吐出開始位置)PA,PB,PCは、後続のダイになる従って順に基板16の前端面(図2および図3に符号PFLで示す基板16の走行方向(X方向)に向いた端面)からは遠くなっている。さらに、それぞれの塗布終了位置EA,EB,ECは、後続のダイになるに従って順に基板16の前端面PFLからは近くなっている。すなわち、ダイ13Aの塗布開始位置PAよりもダイ13Bの塗布開始位置PBは基板16の前端面PFLから遠く、ダイ13Bの塗布開始位置PBよりもダイ13Cの塗布開始位置PCは基板16の前端面PFLから遠くなっており、基板16の前端面PFLに近い順に、PA、PB、PCとなるように塗布開始位置が設定されている。さらに、ダイ13Aの塗布終了位置EAよりもダイ13Bの塗布終了位置EBは基板16の前端面PFLから近く、ダイ13Bの塗布終了位置EBよりもダイ13Cの塗布終了位置ECは基板16の前端面PFLから近くなっており、基板16の前端面PFLに近い順に、EC、EB、EAとなるように塗布終了位置が設定されている。
Further, when the solution is discharged from each of the dies 13A, 13B, and 13C, the respective coating start positions (solution discharge start positions) PA, PB, and PC become the subsequent dies. And it is far from the traveling direction (X direction) of the board |
従って、ダイ13Aを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の幅よりもダイ13Bを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の幅は狭く、ダイ13Bを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の幅よりもダイ13Cを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の幅は狭くなる。さらに、ダイ13Aを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の両端面よりもダイ13Bを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の両端面は内側に位置し、ダイ13Bを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の両端面よりもダイ13Cを用いて塗布された有機層の走行方向(X方向)の両端面は内側に位置する。
Accordingly, the width in the running direction (X direction) of the organic layer applied using the
上層の有機層と、これに接する下層の有機層との走行方向(X方向)の幅の差は、塗布精度を考慮して決めることができる。例えば塗布精度が±0.5mmであれば、ダイ13Aを用いて形成された有機層の走行方向(X方向)の幅よりもダイ13Bを用いて形成された有機層の走行方向(X方向)の幅は1.0mm以上短く、ダイ13Bを用いて形成された有機層の走行方向(X方向)の幅よりもダイ13Cを用いて形成された有機層の走行方向(X方向)の幅は1.0mm以上短くする。
The difference in the width in the running direction (X direction) between the upper organic layer and the lower organic layer in contact with the upper organic layer can be determined in consideration of coating accuracy. For example, if the coating accuracy is ± 0.5 mm, the traveling direction (X direction) of the organic layer formed using the
このように、本実施の形態1による間歇スリットコータ10により積層した有機層を形成すると、有機層の吐出幅方向(Y方向)の幅および走行方向(X方向)の幅は、上層の有機層になるに従って順に狭くなるように形成され、かつ、下層の全端面(4つの端面)よりも内側に上層の全端面(4つの端面)が位置するので、各有機層をピラミット状に積層することができる。
Thus, when the organic layer laminated | stacked by the
図4に、間歇スリットコータの制御部の概略構成図を示す。ここでは、1台のスリットコータ12Aおよびこれに備わる各設備のみを記載し、他のスリットコータ12B,12Cについての記載は省略しているが、スリットコータ12Aと同様である。
FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of the controller of the intermittent slit coater. Here, only one
スリットコータ12Aは、走行方向(X方向)と、鉛直方向(Z方向)とに動くことができる。これらの動きは、2台のカメラ14Aにより得られる画像に基づき、その駆動部18を介して制御部15により制御される。ダイ13Aの吐出口19と基板16の上面との鉛直方向(Z方向)の距離(ギャップ)Gは、レーザ変位計測量等を使用したクローズドループにより制御される。
The
また、固定テーブル11は、走行方向(X方向)と、吐出幅方向(Y方向)と、θ方向(回転方向)とに動くことができる。これらの動きは、2台のカメラ14Aにより得られる基板16に設けられたアライメントマーク(前述の図3に符号20で示すアライメントマーク)に基づき、その駆動部21を介して制御部15により制御される。固定テーブル11を動かすことにより、基板16の位置調整を行った後、固定テーブル11に基板16を吸着して、基板16の反りを矯正する。
The fixed table 11 can move in the running direction (X direction), the discharge width direction (Y direction), and the θ direction (rotation direction). These movements are controlled by the
図5に、間歇スリットコータの溶液供給部の概略構成図を示す。ここでは、1台のダイ13Aのみを記載し、他のダイ13B,13Cについての記載は省略しているが、ダイ13Aと同様である。
In FIG. 5, the schematic block diagram of the solution supply part of an intermittent slit coater is shown. Here, only one
溶液は、溶液タンク22からポンプP1を介して三方弁23の一方を経由し、ダイ13Aに供給される。ダイ13Aに溶液を供給しないときは、溶液タンク22からポンプP1を介して三方弁23の他方を経由し、さらに背圧弁24を経由して、溶液は溶液タンク22に戻される。基板16への塗布が終了した時には、溶液の吸込動作を行う。吸込動作では、溶液は、ダイ13Aの吸込み口から電磁弁25を経由してポンプP2に吸込まれ、さらに、溶液タンク22に戻される。
The solution is supplied from the
<有機薄膜太陽電池の製造方法>
本実施の形態1による有機薄膜太陽電池の製造方法の一例を図6〜図20を用いて順次説明する。図6は、有機薄膜太陽電池の製造プロセスを説明する工程図、図7〜図9、図11〜図14、および図20は、有機薄膜太陽電池の各製造工程における有機薄膜太陽電池の要部斜視図、図10は、ダイを拡大して示す要部斜視図、図15〜図19は、間歇スリットコータの塗工部を側面からみた概略構成図である。ここでは、前述した間歇スリットコータ10と同様の装置を用いて有機薄膜太陽電池に含まれる複数の有機層、および電極層を形成している。
<Method for producing organic thin-film solar cell>
An example of the manufacturing method of the organic thin-film solar cell by this
(工程P100) 透明電極パターニング
図7に示すように、基板1を用意する。基板1には、例えばガラスまたはプラスチックなどが用いられる。基板1の上には陽極側の電極である、例えばSnO2からなる透明電極2が形成されている。本実施の形態1では透明電極2にSnO2を用いたが、他の透明導電膜(例えばITO(Indium Tin Oxide:インジウム酸化錫)またはIZO(Indium Zinc Oxide:インジウム酸化亜鉛))などを用いても良い。
(Process P100) Transparent electrode patterning As shown in FIG. 7, the
次に、レーザスクライブ26により透明電極2を所定の大きさにパターニングする。
Next, the
(工程P101) 洗浄
図8に示すように、溶液洗浄を行う。
(Process P101) Cleaning As shown in FIG. 8, solution cleaning is performed.
(工程P102) PEDOT:PSS形成
図9に示すように、ダイ13Aを用いた間歇スリットコート法により透明電極2の上にPEDOT:PSS溶液を塗布して、PEDOT:PSS層3aを形成する。PEDOT:PSS溶液の濃度は、例えば1%、塗布厚さは、例えば2μmである。
(Process P102) PEDOT: PSS formation As shown in FIG. 9, a PEDOT:
また、図10に示すように、ダイ13Aに挟まれるシム17Aaは、吐出幅方向(Y方向)のほぼ真ん中に仕切り部HPを有しており、2つの塗布領域が吐出幅方向(Y方向)に形成される。仕切り部HPで分けられたそれぞれの吐出幅が前述した吐出幅LAである。ここでは、シム17Aaに1つの仕切り部HPを設けたが、仕切り部を設けないシム、2つ以上の仕切り部を設けたシムを用いることもできる。 Further, as shown in FIG. 10, the shim 17Aa sandwiched between the dies 13A has a partition part HP in the middle of the discharge width direction (Y direction), and the two application areas are in the discharge width direction (Y direction). Formed. Each discharge width divided by the partition portion HP is the discharge width LA described above. Here, although one partition part HP was provided in shim 17Aa, the shim which does not provide a partition part, and the shim which provided two or more partition parts can also be used.
(工程P103) P3HT:PCBM形成
図11に示すように、ダイ13Bを用いた間歇スリットコート法によりPEDOT:PSS層3aの上にP3HT:PCBM溶液を塗布して、P3HT:PCBM層4aを形成する。P3HT:PCBM溶液の濃度は、例えば10%、塗布厚さは、例えば2μmである。
(Process P103) P3HT: PCBM formation As shown in FIG. 11, a P3HT: PCBM solution is applied on the PEDOT:
(工程P104) TiOx形成
図12に示すように、ダイ13Cを用いた間歇スリットコート法によりP3HT:PCBM層4aの上にTiOx溶液を塗布して、TiOx層5aを形成する。TiOx溶液の濃度は、例えば1%、塗布厚さは、例えば2μmである。
(Process P104) TiOx formation As shown in FIG. 12, a TiOx solution is apply | coated on the P3HT:
(工程P105) 金属電極形成
図13に示すように、ダイ13Dを用いた間歇スリットコート法によりTiOx層5aの上にAl材料またはAg材料(溶液またはペースト)を塗布して、Al層またはAg層6aを形成する。
(Process P105) Metal electrode formation As shown in FIG. 13, Al material or Ag material (solution or paste) is apply | coated on the
(工程P106) アニール処理
図14に示すように、基板1の上に積層された各有機層(PEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、およびTiOx層5a)および電極層(Al層またはAg層6a)にアニール処理を施し、溶剤を揮発させる。アニール処理には、例えばステージ加熱または炉体加熱を用いる。アニール処理の温度は、例えば150℃、アニール時間は、例えば10分である。なお、ここではアニール処理を行わず、有機薄膜太陽電池を樹脂封止する際の加熱と兼用しても良い。
(Process P106) Annealing treatment As shown in FIG. 14, each organic layer (PEDOT:
上記(工程P102)〜(工程P106)では、前述した間歇スリットコータ10を用いて、各有機層(PEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、およびTiOx層5a)および電極層(Al層またはAg層6a)を形成する。本実施の形態1では、電極層(Al層またはAg層6a)も間歇スリットコート法により形成する。
In the above (process P102) to (process P106), using the above-described
以下に、上記(工程P102)〜(工程P106)における間歇スリットコータ10の各機構の動作について図15〜図19を用いて説明する。
The operation of each mechanism of the
図15に示すように、固定テーブル11の上に固定された基板1の位置合わせを行った後、基板1を走行方向(X方向)に移動させる。基板1の上には透明電極2が形成されている。スリットコータ12Aを基板1が移動する方向とは反対方向に移動させながら、スリットコータ12Aに備わるダイ13Aの吐出口からPEDOT:PSS溶液を基板1に間歇塗布する。これにより、基板1の上にPEDOT:PSS層3aを形成する。
As shown in FIG. 15, after aligning the
次に、図16に示すように、スリットコータ12Bを基板1が移動する方向とは反対方向に移動させながら、スリットコータ12Bに備わるダイ13Bの吐出口からP3HT:PCBM溶液を基板1に間歇塗布する。これにより、PEDOT:PSS層3aの上にP3HT:PCBM層4aを形成する。
Next, as shown in FIG. 16, the P3HT: PCBM solution is intermittently applied to the
同様に、スリットコータ12Cを基板1が移動する方向とは反対方向に移動させながら、スリットコータ12Cに備わるダイ13Cの吐出口からTiOx溶液を基板1に間歇塗布する。これにより、P3HT:PCBM層4aの上にTiOx層5aを形成する。
Similarly, the TiOx solution is intermittently applied to the
次に、図17に示すように、スリットコータ12Dを基板1が移動する方向とは反対方向に移動させながら、スリットコータ12Dに備わるダイ13Dの吐出口からAl材料またはAg材料を基板1に間歇塗布する。これにより、TiOx層5aの上にAl層またはAg層6aを形成する。
Next, as shown in FIG. 17, while the
その後、図18に示すように、各有機層(PEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、およびTiOx層5a)および電極層(Al層またはAg層6a)が積層された基板1は、アニール処理装置28へ搬送される。
Thereafter, as shown in FIG. 18, the
次に、図19に示すように、各有機層(PEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、およびTiOx層5a)および電極層(Al層またはAg層6a)が積層された基板1はアニール処理装置28において、アニール処理されて、溶剤を揮発させる。
Next, as shown in FIG. 19, the
前述したように、各ダイ13A,13B,13C,13Dの吐出口にはそれぞれシム17A,17B,17C,17Dが備わっているが、各シム17A,17B,17C,17Dの吐出幅方向(Y方向)のそれぞれの吐出幅LA,LB,LC,LDは、後続のシムになるに従って順に狭くなっている。すなわち、各シム17A,17B,17C,17Dでは、LA>LB>LC>LDの順に吐出幅が設定されている。
As described above, the discharge ports of the dies 13A, 13B, 13C, and 13D are provided with
さらに、前述したように、各ダイ13A,13B,13C,13Dから溶液を吐出する際、各ダイのそれぞれの塗布開始位置PA,PB,PC,PDは、後続のダイになる従って順に基板1の前端面(基板1の走行方向(X方向)に向いた端面)からは遠くなっており、各ダイのそれぞれの塗布終了位置EA,EB,EC,EDは、後続のダイになる従って順に基板1の前端面(基板1の走行方向(X方向)に向いた端面)からは近くなっている。すなわち、各ダイ13A,13B,13C,13Dでは、基板1の前端面に近い順に、PA、PB、PC、PDとなるように塗布開始位置が設定され、基板1の前端面に近い順に、ED、EC、EB、EAとなるように塗布終了位置が設定されている。
Further, as described above, when the solution is discharged from the dies 13A, 13B, 13C, and 13D, the respective coating start positions PA, PB, PC, and PD of the dies become subsequent dies. It is far from the front end surface (the end surface facing the running direction (X direction) of the substrate 1), and the respective coating end positions EA, EB, EC, ED of each die become the subsequent die, so that the
従って、PEDOT:PSS層3aの4つの端面よりも内側にP3HT:PCBM層4aの4つの端面が位置し、P3HT:PCBM層4aの4つの端面よりも内側にTiOx層5aの4つの端面が位置し、TiOx層5aの4つの端面よりも内側にAl層またはAg層6aの4つの端面が位置して、PEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、TiOx層5a、およびAl層またはAg層6aが基板1側から順に積層されている。これにより、間歇スリットコータ10により、PEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、TiOx層5a、およびAl層またはAg層6aを順次積層しても、積層されたPEDOT:PSS層3a、P3HT:PCBM層4a、TiOx層5a、およびAl層またはAg層6aの側面において、本来は接触してはいけない層同士の接触を防止できるので、有機薄膜太陽電池の製造歩留まりが向上する。
Accordingly, the four end faces of the P3HT:
(工程P107) モジュール化
図20に示すように、所定の大きさに分けられた有機薄膜太陽電池をそれぞれ、例えば樹脂シート27などにより封止する。以上説明した製造過程により、有機薄膜太陽電池が略完成する。
(Process P107) Modularization As shown in FIG. 20, the organic thin-film solar cells divided into predetermined sizes are each sealed with, for example, a
このように、本実施の形態1によれば、間歇スリットコート法により複数の有機層および電極層を基板の上に積層しても、下層の全端面(4つの端面)よりも内側に上層の全端面(4つの端面)が位置するので、複数の有機層および電極層が積層された多層構造の側面において、本来は接触してはいけない同士の接触を防止できて、有機薄膜太陽電池の製造歩留まりを向上させることができる。また、真空技術を使用せずに、間接スリットコート法およびアニール処理法のみで有機薄膜太陽電池を製造できるので、安価な有機薄膜太陽電池を提供することができる。 As described above, according to the first embodiment, even if a plurality of organic layers and electrode layers are stacked on the substrate by the intermittent slit coating method, the upper layer is formed on the inner side of all the lower end faces (four end faces). Since all the end faces (four end faces) are located, it is possible to prevent contact between the side surfaces of the multilayer structure in which a plurality of organic layers and electrode layers are stacked. Yield can be improved. Moreover, since an organic thin film solar cell can be manufactured only by an indirect slit coating method and an annealing method without using a vacuum technique, an inexpensive organic thin film solar cell can be provided.
(実施の形態2)
本実施の形態2によるコーティング技術である間歇スリットコート法を用いた有機薄膜太陽電池の製造方法について説明する。
(Embodiment 2)
A method for manufacturing an organic thin-film solar cell using the intermittent slit coating method, which is a coating technique according to the second embodiment, will be described.
<有機薄膜太陽電池の構造>
本実施の形態2による有機薄膜太陽電池の具体的構造の一例を、図21に示す要部断面図を用いて説明する。好ましい有機薄膜太陽電池の構成の具体例を以下に示すが、これに限定されるものではない。
<Structure of organic thin film solar cell>
An example of a specific structure of the organic thin film solar cell according to the second embodiment will be described with reference to a cross-sectional view of the main part shown in FIG. Although the specific example of a structure of a preferable organic thin film solar cell is shown below, it is not limited to this.
本実施の形態2による有機薄膜太陽電池は、一対の電極(陽極および陰極)と、この一対の電極の間に配置される積層された複数の有機層とを含んでおり、複数の有機層は、陽極側に設けられた正孔輸送層と、陰極側に設けられた電子輸送層と、両者に挟まれた発電層(p−i−n構造)とから構成される。 The organic thin-film solar cell according to the second embodiment includes a pair of electrodes (anode and cathode) and a plurality of stacked organic layers disposed between the pair of electrodes. And a hole transport layer provided on the anode side, an electron transport layer provided on the cathode side, and a power generation layer (p-i-n structure) sandwiched between the two.
基板31の上には陽極側の電極である透明電極32が形成されている。透明電極32には、例えばSnO2などが用いられる。
On the
透明電極32の上には、例えばPEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))からなる正孔輸送層33が形成されている。正孔輸送層33は、分離した後の正孔と電子とが再結合して、再び励起子に戻らないように、正孔と電子とを分離するために設けられている。すなわち、正孔輸送層33は、正孔を選択的に透過させて、正孔注入効率を改善する機能を有している。
On the
正孔輸送層33の上には、p型有機半導体34p、i層(バルクへテロ層)34i、およびn型有機半導体34nが積層されてなる発電層34が形成されている。p型有機半導体34pは、例えばBP(Tetrabenzoporphyrin)からなり、i層(バルクへテロ層)34iは、例えばPCBNB:BP(フラーレン誘電体(phenyl C61-butyric acid n-butyl ester):Tetrabenzoporphyrin)からなり、n型有機半導体34nは、例えばPCBM(Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)からなる。発電層34をp−i−n構造とすることにより、分離した後の正孔と電子とが再結合して、再び励起子に戻さないようにすることができる。
On the
発電層34の上には、例えばBCP(2,9-dimenthyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)からなる電子輸送層35が形成されている。電子輸送層35は、分離した後の正孔と電子とが再結合して、再び励起子に戻らないように、正孔と電子とを分離するために設けられている。すなわち、電子輸送層35は、電子を選択的に透過させて、電子注入効率を改善する機能を有している。
On the
電子輸送層35の上には陰極側の電極である金属電極36が形成されている。金属電極36には、例えばAlまたはAgなどが用いられる。
On the
正孔輸送層33と発電層34との間に、電子の輸送を堰き止める機能を有する電子阻止層を設けても良い。同様に、発電層34と電子輸送層35との間に、正孔の輸送を堰き止める機能を有する正孔阻止層を設けても良い。
An electron blocking layer having a function of blocking electron transport may be provided between the
さらに、透明電極32と正孔輸送層33と間に、正孔の注入効率を改善する機能を有する正孔注入層を設けても良い。同様に、電子輸送層35と金属電極36との間に、電子の注入効率を改善する機能を有する電子注入層を設けても良い。
Further, a hole injection layer having a function of improving hole injection efficiency may be provided between the
但し、このような電子阻止層または正孔阻止層等を重ね合わせることにより、有機薄膜太陽電池の効率を上げることができるが、安価な有機薄膜太陽電池の製造のためには、層数は少ないことが好ましい。 However, it is possible to increase the efficiency of the organic thin film solar cell by superimposing such an electron blocking layer or a hole blocking layer, but the number of layers is small for manufacturing an inexpensive organic thin film solar cell. It is preferable.
<有機薄膜太陽電池の製造方法>
本実施の形態2による有機薄膜太陽電池の製造方法の一例を図22〜図34を用いて順次説明する。図22は、有機薄膜太陽電池の製造プロセスを説明する工程図、図23〜図34は、有機薄膜太陽電池の各製造工程における有機薄膜太陽電池の要部斜視図である。ここでは、前述した実施の形態1において説明した間歇スリットコータ10と同様の装置を用いて有機薄膜太陽電池に含まれる複数の有機層、および電極層を形成している。
<Method for producing organic thin-film solar cell>
An example of the manufacturing method of the organic thin-film solar cell by this
(工程P200) 透明電極パターニング
図23に示すように、基板31を用意する。基板31には、例えばガラスまたはプラスチックなどが用いられる。基板31の上には陽極側の電極である、例えばSnO2からなる透明電極32が形成されている。本実施の形態2では透明電極32にSnO2を用いたが、他の透明導電膜(例えばITOまたはIZOなど)を用いても良い。
(Process P200) Transparent electrode patterning As shown in FIG. 23, a
次に、レーザスクライブ37により透明電極32を所定の大きさにパターニングする。
Next, the
(工程P201) 洗浄
図24に示すように、溶液洗浄を行う。
(Process P201) Cleaning As shown in FIG. 24, solution cleaning is performed.
(工程P202) PEDOT:PSS形成
図25に示すように、ダイ13Aを用いた間歇スリットコート法により透明電極32の上にPEDOT:PSS溶液を塗布して、PEDOT:PSS層33aを形成する。PEDOT:PSS溶液の濃度は、例えば1%、塗布厚さは、例えば2μmである。
(Process P202) PEDOT: PSS formation As shown in FIG. 25, a PEDOT:
(工程P203) BP形成
図26に示すように、ダイ13Bpを用いた間歇スリットコート法によりPEDOT:PSS層33aの上にBP溶液を塗布して、BP層34paを形成する。BP溶液の濃度は、例えば1%、塗布厚さは、例えば3μmである。
(Process P203) BP formation As shown in FIG. 26, BP solution is apply | coated on the PEDOT:
(工程P204) 変性処理
図27に示すように、アニール処理を施して、BP層34paの変性処理を行う。アニール処理の温度は、例えば180℃、アニール時間は、例えば20分である。
(Process P204) Modification Treatment As shown in FIG. 27, annealing treatment is performed to perform modification treatment of the BP layer 34pa. The annealing temperature is, for example, 180 ° C., and the annealing time is, for example, 20 minutes.
(工程P205) PCBNB:BP形成
図28に示すように、ダイ13Biを用いた間歇スリットコート法によりBP層34paの上にPCBNB:BP溶液を塗布して、PCBNB:BP層34iaを形成する。PCBNB:BP溶液の濃度は、例えば10%、塗布厚さは、例えば1μmである。
(Process P205) PCBNB: BP formation As shown in FIG. 28, a PCBNB: BP solution is applied on the BP layer 34pa by an intermittent slit coat method using a die 13Bi to form a PCBNB: BP layer 34ia. The concentration of the PCBNB: BP solution is, for example, 10%, and the coating thickness is, for example, 1 μm.
(工程P206) 変性処理
図29に示すように、アニール処理を施して、PCBNB:BP層34iaの変性処理を行う。アニール処理の温度は、例えば180℃、アニール時間は、例えば20分である。
(Process P206) Modification Process As shown in FIG. 29, an annealing process is performed to perform a modification process on the PCBNB: BP layer 34ia. The annealing temperature is, for example, 180 ° C., and the annealing time is, for example, 20 minutes.
(工程P207) PCBM形成
図30に示すように、ダイ13Bnを用いた間歇スリットコート法によりPCBNB:BP層34iaの上にPCBM溶液を塗布して、PCBM層34naを形成する。PCBM溶液の濃度は、例えば1%、塗布厚さは、例えば3μmである。
(Process P207) PCBM formation As shown in FIG. 30, a PCBM solution is applied on the PCBNB: BP layer 34ia by an intermittent slit coat method using a die 13Bn to form a PCBM layer 34na. The concentration of the PCBM solution is, for example, 1%, and the coating thickness is, for example, 3 μm.
(工程P208) BCP形成
図31に示すように、ダイ13Cを用いた間歇スリットコート法によりPCBM層34naの上にBCP溶液を塗布して、BCP層35aを形成する。BCP溶液の濃度は、例えば1%、塗布厚さは、例えば2μmである。
(Process P208) BCP formation As shown in FIG. 31, a BCP solution is applied on the PCBM layer 34na by an intermittent slit coat method using a
(工程P209) 金属電極形成
図32に示すように、ダイ13Dを用いた間歇スリットコート法によりBCP層35aの上にAl材料またはAg材料(溶液またはペースト)を塗布して、Al層またはAg層36aを形成する。
(Process P209) Metal electrode formation As shown in FIG. 32, an Al material or an Ag material (solution or paste) is applied onto the
上記(工程P202)〜(工程P209)では、前述した実施の形態1と同様に、前述した間歇スリットコータ10を用いて、各有機層(PEDOT:PSS層33a、BP層34pa、PCBNB:BP層34ia、PCBM層34na、およびBCP層35a)および電極層(Al層またはAg層6a)を形成する。本実施の形態2では、電極層(Al層またはAg層36a)も間歇スリットコート法により形成する。
In the above (Step P202) to (Step P209), each of the organic layers (PEDOT:
上記(工程P202)〜(工程P209)における間歇スリットコータ10の各機構の動作についての説明は省略するが、前述した実施の形態1と同様に、PEDOT:PSS層33aの4つの端面よりも内側にBP層34paの4つの端面が位置し、BP層34paの4つの端面よりも内側にPCBNB:BP層34iaの4つの端面が位置し、PCBNB:BP層34iaの4つの端面よりも内側にPCBM層34naの4つの端面が位置し、PCBM層34naの4つの端面よりも内側にBCP層35aの4つの端面が位置し、BCP層35aの4つの端面よりも内側にAl層またはAg層36aの4つの端面が位置して、PEDOT:PSS層33a、BP層34pa、PCBNB:BP層34ia、PCBM層34na、BCP層35a、およびAl層またはAg層36aが基板31側から順に積層されている。これにより、間歇スリットコータ10により、PEDOT:PSS層33a、BP層34pa、PCBNB:BP層34ia、PCBM層34na、BCP層35a、およびAl層またはAg層36aを順次積層しても、積層されたPEDOT:PSS層33a、BP層34pa、PCBNB:BP層34ia、PCBM層34na、BCP層35a、およびAl層またはAg層36aの側面において、本来は接触してはいけない層同士の接触を防止できるので、有機薄膜太陽電池の製造歩留まりが向上する。
Although description of the operation of each mechanism of the
(工程P210) アニール処理
図33に示すように、基板31の上に積層された各有機層(PEDOT:PSS層33a、BP層34pa、PCBNB:BP層34ia、PCBM層34na、およびBCP層35a)および電極層(Al層またはAg層36a)にアニール処理を施し、溶剤を揮発させる。アニール処理には、例えばステージ加熱または炉体加熱を用いる。アニールの温度は、例えば150℃、アニール時間は、例えば10分である。なお、ここではアニール処理を行わず、有機薄膜太陽電池を樹脂封止する際の加熱と兼用しても良い。
(Process P210) Annealing treatment As shown in FIG. 33, each organic layer (PEDOT:
(工程P211) モジュール化
図34に示すように、所定の大きさに分けられた有機薄膜太陽電池をそれぞれ、例えば樹脂シート38などにより封止する。以上説明した製造過程により、有機薄膜太陽電池が略完成する。
(Process P211) Modularization As shown in FIG. 34, the organic thin-film solar cells divided into predetermined sizes are each sealed with, for example, a
このように、本実施の形態2によれば、前述した実施の形態1による有機薄膜太陽電池よりも、さらに積層される有機層が増えても、前述した実施の形態1と同様に、下層の全端面(4つの端面)よりも内側に上層の全端面(4つの端面)が位置するので、複数の有機層および電極層が積層された多層構造の側面において、本来は接触してはいけない層同士の接触を防止できて、有機薄膜太陽電池の製造歩留まりを向上させることができる。また、真空技術を使用せずに、間接スリットコート法およびアニール処理法のみで有機薄膜太陽電池を製造できるので、安価な有機薄膜太陽電池を提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, even if the number of organic layers to be stacked is increased as compared with the organic thin film solar cell according to the first embodiment, the lower layer is formed as in the first embodiment. Since all the end faces (four end faces) of the upper layer are located on the inner side of all the end faces (four end faces), layers that should not be in contact with each other on the side surface of the multilayer structure in which a plurality of organic layers and electrode layers are laminated Contact between each other can be prevented, and the production yield of the organic thin film solar cell can be improved. Moreover, since an organic thin film solar cell can be manufactured only by an indirect slit coating method and an annealing method without using a vacuum technique, an inexpensive organic thin film solar cell can be provided.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば前述した実施の形態では、発電層の構成を、「i層」または「p層−i層−n層」としたが、これらに限定されるものではなく、また、これらを構成する各材料についても実施の形態1,2において例示したものに限定されるものではない。また、有機薄膜太陽電池の構造およびこれを構成する各種材料についても、実施の形態1,2において例示したものに限定されるものではない。 For example, in the above-described embodiment, the configuration of the power generation layer is “i-layer” or “p-layer-i-layer-n-layer”, but is not limited thereto, and each material constituting them Is not limited to those exemplified in the first and second embodiments. Further, the structure of the organic thin film solar cell and various materials constituting the organic thin film solar cell are not limited to those exemplified in the first and second embodiments.
本発明は、有機薄膜太陽電池など、複数の有機層が積層されて成る有機素子の製造に適用することができる。 The present invention can be applied to the manufacture of an organic element in which a plurality of organic layers are laminated, such as an organic thin film solar cell.
1 基板
2 透明電極
3 正孔輸送層
3a PEDOT:PSS層
4 発電層
4a P3HT:PCBM層
5 電子輸送層
5a TiOx層
6 金属電極
6a Al層またはAg層
10 間歇スリットコータ
11 固定テーブル(定盤)
11a ガイド
12A,12B,12C,12D スリットコータ
13A,13B,13Bi,13Bn,13Bp,13C,13D ダイ
14A,14B,14C,14D カメラ
15 制御部
16 基板
17A,17Aa,17B,17C,17D シム
18 駆動部
19 吐出口
20 アライメントマーク
21 駆動部
22 溶液タンク
23 三方弁
24 背圧弁
25 電磁弁
26 レーザスクライブ
27 樹脂シート
28 アニール処理装置
31 基板
32 透明電極
33 正孔輸送層
33a PEDOT:PSS層
34 発電層
34i i層(バルクヘテロ層)
34ia PCBNB:BP層
34n n型有機半導体
34na PCBM層
34p p型有機半導体
34pa BP層
35 電子輸送層
35a BCP層
36 金属電極
36a Al層またはAg層
37 レーザスクライブ
38 ダイ
51 基板
52 透明電極
53 正孔輸送層
54,54i バルクへテロ層(i層)
54n n型有機半導体
54p p型有機半導体
55 電子輸送層
56 金属電極
57 インターレイヤ層
G ギャップ
HP 仕切り部
LA,LB,LC 吐出幅
P1,P2 ポンプ
PFL 基板の前端面
DESCRIPTION OF
34ia PCBNB:
54n n-type
Claims (10)
(a)基板を用意する工程;
(b)前記基板の上に、透明電極を形成する工程;
(c)前記基板と第1スリットコータとを、前記基板の走行する第1方向に相対移動させながら、前記透明電極の上に、前記第1スリットコータに備わる第1ダイを用いて第1溶液を塗布し、第1有機層を形成する工程;
(d)前記基板と第2スリットコータとを前記第1方向に相対移動させながら、前記第1有機層の上に、前記第2スリットコータに備わる第2ダイを用いて第2溶液を塗布し、第2有機層を形成する工程;
(e)前記基板と第3スリットコータとを前記第1方向に相対移動させながら、前記第2有機層の上に、前記第3スリットコータに備わる第3ダイを用いて第3溶液を塗布し、第3有機層を形成する工程;
(f)前記第3有機層の上に、金属電極を形成する工程、
ここで、
前記第1ダイは、前記第1方向と垂直な方向である第2方向に沿って設けられた前記第1溶液を吐出するスリット状の吐出口と、第1吐出幅の第1シムとを有し、
前記第2ダイは、前記第2方向に沿って設けられた前記第2溶液を吐出するスリット状の吐出口と、前記第1吐出幅よりも狭い第2吐出幅の第2シムとを有し、
前記第3ダイは、前記第2方向に沿って設けられた前記第3溶液を吐出するスリット状の吐出口と、前記第2吐出幅よりも狭い第3吐出幅の第3シムとを有し、
前記第1有機層の前記第2方向の両端面よりも、前記第2有機層の前記第2方向の両端面が内側に位置し、
前記第2有機層の前記第2方向の両端面よりも、前記第3有機層の前記第2方向の両端面が内側に位置している。 The manufacturing method of the organic thin-film solar cell characterized by including the following processes:
(A) preparing a substrate;
(B) forming a transparent electrode on the substrate;
(C) Using the first die provided in the first slit coater on the transparent electrode while relatively moving the substrate and the first slit coater in the first direction in which the substrate travels, the first solution A step of forming a first organic layer;
(D) A second solution is applied onto the first organic layer using a second die provided in the second slit coater while relatively moving the substrate and the second slit coater in the first direction. Forming a second organic layer;
(E) A third solution is applied onto the second organic layer using a third die provided in the third slit coater while relatively moving the substrate and the third slit coater in the first direction. Forming a third organic layer;
(F) forming a metal electrode on the third organic layer;
here,
The first die has a slit-like discharge port for discharging the first solution provided along a second direction that is perpendicular to the first direction, and a first shim having a first discharge width. And
The second die has a slit-like discharge port for discharging the second solution provided along the second direction, and a second shim having a second discharge width narrower than the first discharge width. ,
The third die has a slit-like discharge port for discharging the third solution provided along the second direction, and a third shim having a third discharge width narrower than the second discharge width. ,
Both end surfaces in the second direction of the second organic layer are located on the inner side than both end surfaces in the second direction of the first organic layer,
Both end surfaces of the third organic layer in the second direction are located on the inner side than both end surfaces of the second organic layer in the second direction.
(f1)前記基板と第4スリットコータとを前記第1方向に相対移動させながら、前記第3有機層の上に、前記第4スリットコータに備わる第4ダイを用いて第4溶液を塗布する工程、
ここで、
前記第4ダイは、前記第2方向に沿って設けられた前記第4溶液を吐出するスリット状の吐出口と、前記第3吐出幅よりも狭い第4吐出幅の第4シムとを有し、
前記第3有機層の前記第2方向の両端面よりも、前記金属電極の前記第2方向の両端面が内側に位置している。 The method for producing an organic thin film solar cell according to claim 1, wherein the step (f) further includes the following substeps:
(F1) Applying a fourth solution on the third organic layer using a fourth die provided in the fourth slit coater while relatively moving the substrate and the fourth slit coater in the first direction. Process,
here,
The fourth die has a slit-like discharge port for discharging the fourth solution provided along the second direction, and a fourth shim having a fourth discharge width narrower than the third discharge width. ,
Both end surfaces of the metal electrode in the second direction are located on the inner side than both end surfaces of the third organic layer in the second direction.
前記基板の前記第1方向の前端面から前記第1溶液の塗布が開始される位置までの第1距離よりも、前記基板の前記第1方向の前記前端面から前記第2溶液の塗布が開始される位置までの第2距離が長く、
前記基板の前記第1方向の前記前端面から前記第2溶液の塗布が開始される位置までの前記第2距離よりも、前記基板の前記第1方向の前記前端面から前記第3溶液の塗布が開始される位置までの第3距離が長く、
前記第1有機層の前記第1方向の両端面よりも、前記第2有機層の前記第1方向の両端面が内側に位置し、
前記第2有機層の前記第1方向の両端面よりも、前記第3有機層の前記第1方向の両端面が内側に位置していることを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the organic thin-film solar cell of Claim 1,
The application of the second solution from the front end surface of the substrate in the first direction is started more than the first distance from the front end surface of the substrate in the first direction to the position where the application of the first solution is started. The second distance to the position to be
Application of the third solution from the front end surface of the substrate in the first direction is more than the second distance from the front end surface of the substrate in the first direction to the position where application of the second solution is started. The third distance to the position where is started is long,
Both end surfaces in the first direction of the second organic layer are located on the inner side than both end surfaces in the first direction of the first organic layer,
The method for producing an organic thin-film solar cell, wherein both end surfaces in the first direction of the third organic layer are located on an inner side than both end surfaces in the first direction of the second organic layer.
(g)前記基板の上に積層された前記第1有機層、前記第2有機層、前記第3有機層、および前記金属層にアニール処理を施す工程。 The method for producing an organic thin film solar cell according to claim 1, further comprising the following steps after the step (f):
(G) A step of annealing the first organic layer, the second organic layer, the third organic layer, and the metal layer laminated on the substrate.
前記固定テーブルの上に、第1方向に順次配置された複数のスリットコータと、
前記複数のスリットコータにそれぞれ備わり、前記第1方向と垂直な方向である第2方向に沿って設けられた溶液を吐出するスリット状の吐出口を有する複数のダイと、
前記複数のダイにそれぞれ備わり、前記溶液の吐出幅を規定する複数のシムと、
を含む有機薄膜太陽電池の製造装置であって、
前記基板と前記複数のスリットコータとは前記第1方向に相対移動し、前記複数のシムのそれぞれの吐出幅が、後続のシムになるに従って順に狭くなっていることを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造装置。 A fixed table;
A plurality of slit coaters sequentially disposed in the first direction on the fixed table;
Each of the plurality of slit coaters, a plurality of dies having a slit-like discharge port for discharging a solution provided along a second direction which is a direction perpendicular to the first direction;
A plurality of shims provided in each of the plurality of dies and defining a discharge width of the solution;
An organic thin film solar cell manufacturing apparatus including
The organic thin-film solar cell, wherein the substrate and the plurality of slit coaters move relative to each other in the first direction, and the discharge width of each of the plurality of shims decreases in order as the subsequent shims become. Manufacturing equipment.
Priority Applications (1)
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JP2011060626A JP2012199273A (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Method and device for manufacturing organic thin-film solar battery |
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