JP2014060222A

JP2014060222A - 有機太陽電池システム

Info

Publication number: JP2014060222A
Application number: JP2012203425A
Authority: JP
Inventors: Tatsushi Maeda; 竜志前田; Hiroshi Shoji; 弘東海林
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-04-03

Abstract

【課題】耐久性の高い有機太陽電池システムを提供する。
【解決手段】一対の電極間に１以上の有機薄膜層を有する有機太陽電池と、前記有機薄膜層の電荷を放電する放電回路と、を有する有機太陽電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は有機太陽電池システムに関する。

有機太陽電池（有機薄膜太陽電池）は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードや撮像素子、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に代表されるように、光入力に対して電気出力を示す装置である。
太陽電池は、化石燃料の枯渇問題や地球温暖化問題を背景に、クリーンエネルギー源として近年大変注目されてきており、研究開発が盛んに行なわれるようになってきた。従来、実用化されてきたのは、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ等に代表されるシリコン系太陽電池であるが、高価であることや原料Ｓｉの不足問題等が表面化するにつれて、次世代太陽電池への要求が高まりつつある。
このような背景の中で、有機太陽電池は、安価で毒性が低く、原材料不足の懸念もないことから、シリコン系太陽電池に次ぐ次世代の太陽電池として大変注目を集めている。

有機太陽電池は、材料や素子構成を改善することによって変換効率が向上されてきた。しかしながら、実用化を図る上で、耐久性に問題があった。
特許文献１には、有機太陽電池の耐久性を向上させる手段として、酸素や水分を除去して光照射による変換効率等の特性の低下を抑える技術を開示されている。

特許文献２には、加熱手段を有する有機太陽電池が開示され、加熱手段によって有機太陽電池の混合層を加熱することで蓄積された電荷を取り出し、特性低下を抑える技術が開示されている。

特開２００９−９９４１７号公報特開２０１０−２１９２４０号公報

上述したように、有機太陽電池の実用化には、光を電気に効率よく変換し、その特性を長時間維持すること、即ち耐久性が必要である。上記の特許文献には耐久性を高める技術が開示されているが、さらに高い耐久性が求められていた。
本発明の目的は、耐久性の高い有機太陽電池システムを提供することである。

本発明者らは、有機太陽電池の素子内部に蓄積された電荷によって特性劣化がもたらされていることに着目し、蓄積された電荷を放電可能な有機太陽電池システムとすることで耐久性を向上できることを発見し、本発明を完成させた。
本発明によれば、以下の有機太陽電池システムが提供される。
１．一対の電極間に１以上の有機薄膜層を有する有機太陽電池と、
前記有機薄膜層の電荷を放電する放電回路と、を有する有機太陽電池システム。
２．前記有機太陽電池の非発電時に、前記放電回路と有機太陽電池が接続するようにスイッチ機構を設けた、１に記載の有機太陽電池システム。
３．前記スイッチ機構のｏｎ−ｏｆｆを、タイマー、照度センサー、磁場センサー、温度センサー及び光波長センサーのいずれかによって制御する、２に記載の有機太陽電池システム。
４．前記放電回路が、前記有機太陽電池に並列に接続された抵抗回路である、１〜３のいずれかに記載の有機太陽電池システム。
５．前記抵抗回路の抵抗が１００ＧΩ以下である、４に記載の有機太陽電池システム。

本発明によれば、耐久性の高い有機太陽電池システムを提供できる。

本発明の有機太陽電池システムの一実施形態を示す回路図である。実施例１及び比較例１での耐久性試験における測定時間と相対効率の関係を示す図である。

本発明の有機太陽電池（有機薄膜太陽電池）システムは、一対の電極間に１以上の有機薄膜層を有する有機太陽電池と、上記有機薄膜層の電荷を放電する放電回路とを有する。
放電回路により有機薄膜層の電荷を放電することで、有機太陽電池の特性を回復し、長く維持できる。これにより、長寿命化を図ることができる。

放電回路としては、例えば抵抗回路が挙げられる。
抵抗回路を設ける場合、抵抗の抵抗値は、有機太陽電池の大きさや蓄電量によって適宜変更すればよく、１００ＧΩ以下であると好ましく、１０ＧΩ以下であるとより好ましい。下限値は特に制限されないが、通常、１ＭΩ以上である。また、抵抗は可変抵抗でも固定抵抗でもよい。尚、抵抗回路を設ける場合、通常、有機太陽電池に対して、負荷（電流供給対象）と並列に接続する。

また、本発明の有機太陽電池システムは、放電回路への電流のｏｎ／ｏｆｆを切り替えるスイッチ機構を有すると好ましい。
スイッチ機構を設ける場合、有機太陽電池の発電時には放電回路との接続を遮断（ｏｆｆ）し、非発電時には有機太陽電池と放電回路を接続（ｏｎ）するように用いることが好ましい。非発電時にｏｎにすることで、発電時に蓄積された電荷を放電回路へ導入し、放出することができる。

スイッチ機構としては特に制限はなく、通常の電気回路で用いられるスイッチを用いることができる。
また、スイッチ機構としてスキャナーを用いてもよい。スキャナーを用いることにより、多チャンネルに対応してスイッチングが可能となり、有機太陽電池素子及び有機太陽電池モジュールにおいて集積化単位ごとに放電回路を直列接続することができる。
スキャナーとしては、Ａｇｉｌｅｎｔ社やＫｅｉｔｈｌｅｙ社製のものが挙げられる。

また、スイッチ機構は、スイッチ（ｏｎ／ｏｆｆ）を制御する装置を有することが好ましい。スイッチ制御装置には特に制限はないが、タイマーや各種センサー等が好ましい。

タイマーとしては、例えば、時刻に応じてスイッチをｏｎ／ｏｆｆするものが挙げられる。タイマーで回路切り替えスイッチングを制御する場合、放電回路に対して、直列にタイマースイッチ素子を接続すればよい。

センサーとしては、物理情報・検出原理・形態等によって、多種多様なセンサーが挙げられるが、目的とする物理情報が同一であっても、検出原理として様々な手段があり、特に限定されるものではない。

センサーとしては、例えば、照度センサー、磁場センサー、温度センサー及び光波長センサー等が挙げられる。

例えば、照度センサーを用いる場合、日中、太陽光照射下の高照度時には、スイッチをｏｆｆとし、夕刻から朝にかけての太陽光の光照度が低下した時間帯にはスイッチｏｎとするように用いることができる。

例えば、光波長センサーを用いる場合、日中、太陽が白色光を照射時にはスイッチをｏｆｆとし、夕刻や朝の太陽光の長波長割合が上昇した時や、太陽光を感知しない夜間にスイッチｏｎとするように用いることができる。

例えば、温度センサーを用いる場合、日中、太陽光照射下の高温時には、スイッチをｏｆｆとし、気温が低下した夜間にはスイッチｏｎとするように用いることができる。

温度センサーは、特に限定されず、通常のものを用いることができ、例えば、サーミスタが挙げられる。
サーミスタとは、温度変化に対して電気抵抗の変化が生じる抵抗体のことであり、この現象を利用して、温度を測定するセンサーとして利用できる。サーミスタとしては、ＰＴＣ(positive temperature coefficient)サーミスタ、ＮＴＣ(negative temperature coefficient)サーミスタ、ＣＴＲ(critical temperature resistor)サーミスタ等が挙げられる。

ＰＴＣサーミスタとしては、例えばセラミックＰＴＣ、ポリマーＰＴＣが挙げられる。
セラミックＰＴＣは、チタン酸バリウムに添加物を加えたセラミックを用いたサーミスタであり、チタン酸バリウムのキュリー温度付近で急激に電気抵抗が増大する性質を利用している。

ポリマーＰＴＣは、低融点のポリマー中にカーボンブラック、ニッケル等の導電性粒子を分散させたサーミスタであり、ポリマーが溶融することによって導電性粉末の接触が絶たれ、電気抵抗が増大する。ポリエチレン等の結晶性ポリマーにカーボンブラック等の導電性粒子を均一に分散させることで良好なＰＴＣ特性を得ることができる。

ＮＴＣサーミスタは、通常、ニッケル、マンガン、コバルト、鉄等の酸化物を混合して焼結して製造したものである。

本発明に用いる有機太陽電池は、一対の電極間に１以上の有機薄膜層を有するものであればよく、その構成や材料については限定されず、公知のものを採用できる。

本発明の有機太陽電池システムの一実施形態（回路図）を図１に示す。尚、有機太陽電池１０は等価回路として示す。
有機太陽電池システム１は、有機太陽電池１０、放電回路２０及び負荷３０からなる。放電回路２０及び負荷３０は有機太陽電池１０に接続されている。

有機太陽電池１０は、等価回路において、電流源１１、ダイオード１２、並列抵抗１３（抵抗値ｒ_ｓｈ）及び直列抵抗１４（抵抗値ｒ_ｓ）で表される。並列抵抗１３はｐｎ接合界面の不整合等により生じる抵抗であり、直列抵抗１４は素子各部を電流が流れるときの抵抗である。
電流源１１で生じた電流ｉ_ｐｈは、その一部がダイオード１２及び並列抵抗１３へ流れる（ｉ_ｄ、ｉ_ｓｈ：内部損失）。従って、実際の出力電流ｉはｉ＝ｉ_ｐｈ−ｉ_ｄ−ｉ_ｓｈで表される。

放電回路２０は抵抗２１及びスイッチ２２からなり、これらが直列に接続されたものである。抵抗２１は、有機太陽電池１０内の蓄積電荷を放電し、スイッチ２２は抵抗２１への電流のｏｎ／ｏｆｆを行う。尚、図示していないが、スイッチ２２にはスイッチ制御装置が設けられていてもよい。
負荷３０は、有機太陽電池１０で生じた電流の供給対象（駆動体）である。

太陽光が得られる日中は、スイッチ２２をｏｆｆとし、有機太陽電池１０で生じた出力電流を負荷３０に供給する。太陽光が得られない夕方・夜間から朝方の時間帯は、スイッチ２２をｏｎとし、有機太陽電池１０に蓄積された電荷を放電回路２０に導き、これを放出する。これにより、蓄積された電荷による有機太陽電池の特性劣化を抑制し、即ち耐久性を向上し、長寿命化を図ることができる。
尚、スイッチ２２のｏｎ／ｏｆｆを、タイマーや温度センサー等の制御手段で制御してもよい。

本発明の有機太陽電池システムは、時計、携帯電話及びモバイルパソコン等の各種装置、電化製品等の電源又は補助電源として使用できる。充電機能のある二次電池と組み合わせ、暗所においても使用可能とし、適用用途を拡げることも可能である。

製造例１
［有機太陽電池の作製］
２５ｍｍ×７５ｍｍ×０．７ｍｍ厚のＩＴＯ透明電極付きガラス基板を、イソプロピルアルコール中で超音波洗浄を５分間行なった後、ＵＶオゾン洗浄を３０分間実施した。洗浄後の透明電極ライン付きガラス基板を真空蒸着装置の基板ホルダーに装着し、まず下部電極である透明電極ラインが形成されている側の面上に、前記透明電極を覆うようにして膜厚３０ｎｍの化合物Ａ（ｐ層化合物）を抵抗加熱蒸着により、１Å／ｓで成膜した。

続けて、この化合物Ａ膜上に膜厚６０ｎｍのＣ６０（ｎ層化合物）を加熱蒸着により１Å／ｓで成膜した。さらに、バッファー層として１０ｎｍのバソクプロイン（ＢＣＰ）を１Å／ｓで成膜した。最後に対向電極として金属Ａｌを膜厚８０ｎｍ蒸着させ、有機太陽電池を形成した。面積は１ｃｍ^２であった。

このように作製した有機太陽電池をＡＭ１．５条件下（光強度（Ｐｉｎ）１００ｍＷ／ｃｍ^２）でＩ−Ｖ特性を測定した。開放端電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流密度（Ｊｓｃ）、曲線因子（ＦＦ）、光電変換効率（η）は次式によって求めた。
（式中、Ｖｏｃは開放端電圧、Ｊｓｃは短絡電流密度、ＦＦは曲線因子、Ｐｉｎは入射光エネルギーである。）
上記式から分かるように、同じＰｉｎに対して、Ｖｏｃ、Ｊｓｃ及びＦＦがいずれも大きな化合物ほど優れた変換効率を示す。

実施例１
製造例１で作製した有機薄膜太陽電池素子に、蓄積電荷の放電回路としてのソースメーター（１００ＧΩ以下の抵抗）と、タイマーによるスイッチングスキャナー（タイマーにより制御されたスイッチ機構）を組み合わせたＩ−Ｖ測定装置を素子に対して直列に設けた。

ソースメータとしてエーディーシー（ＡＤＣ）社の型番６２４１Ａを用い、スキャナーとしてエーディーシー社の型番７２１０を用いた。
また、複数の素子を同時に耐久試験評価する場合は、スキャナーにマルチプレクサカード（エーディーシー社型番７２１０９Ａ）を設置し、スイッチングしながら評価した。

この有機太陽電池システムについて、以下のように連続光照射試験による耐久性試験を実施した。

［連続光照射による耐久性試験］
作製した有機太陽電池システムを、Ｘｅ促進耐候性試験機ＳＯＬＡＲＢＯＸ３０００ｅ（ＣＯ．ＦＯ．ＭＥ．ＧＲＡ社製）に設置した。試験条件は、ＪＩＳ−Ｃ８９３８（アモルファスシリコン太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久試験方法）に記載の光照射試験Ａ−５に準拠した。

放電回路のスイッチはタイマーにより制御し、１時間おきにｏｎとｏｆｆを繰り返した。
相対効率を定期的に測定し、耐久試験の経過日数でプロットした。結果を図２に示す。尚、相対効率とは、初期の光電変換効率（η_０）に対する測定時点における光電変換効率（η_ｔ）の相対値（η_ｔ／η_０）を示す。

比較例１
製造例１で作製した有機太陽電池に放電回路を設けなかった他は、実施例１と同様に耐久性試験を行った。放電回路を設けなかったため、有機太陽電池セルは完全にオープンであった。結果を図２に示す。

図２から分かるように、連続光照射試験の２１日経過時（ＪＩＳ−Ｃ８９３８規定：光照射試験Ａ−５、５００時間相当）において、比較例１の相対効率が約１０％減衰した一方、実施例１の相対効率の低下は５％以内であった。
このことから、有機薄膜太陽電池素子に蓄積された電荷を放出することで、素子の特性を回復でき、長寿命化を図ることができるという効果が明らかとなった。

本発明の有機太陽電池システムは時計、携帯電話及びモバイルパソコン等の各種装置、電化製品等の電源又は補助電源として使用できる。

１有機太陽電池システム
１０有機太陽電池等価回路
１１電流源
１２ダイオード
１３並列抵抗
１４直列抵抗
２０放電回路
２１抵抗
２２スイッチ
３０負荷

Claims

一対の電極間に１以上の有機薄膜層を有する有機太陽電池と、
前記有機薄膜層の電荷を放電する放電回路と、を有する有機太陽電池システム。
前記有機太陽電池の非発電時に、前記放電回路と有機太陽電池が接続するようにスイッチ機構を設けた、請求項１に記載の有機太陽電池システム。
前記スイッチ機構のｏｎ−ｏｆｆを、タイマー、照度センサー、磁場センサー、温度センサー及び光波長センサーのいずれかによって制御する、請求項２に記載の有機太陽電池システム。
前記放電回路が、前記有機太陽電池に並列に接続された抵抗回路である、請求項１〜３のいずれかに記載の有機太陽電池システム。
前記抵抗回路の抵抗が１００ＧΩ以下である、請求項４に記載の有機太陽電池システム。