JP2014093367A - 薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の厚みの発電材層を容易に形成でき、発電効率のよい薄膜太陽電池を容易に製造できる製造方法を提供する。
【解決手段】電極層１７を有するベース膜１１及びカバー膜１３を、電極層１７，１７同士が対向するように配置すると共に電極層１７，１７間に発電材を配置して薄膜太陽電池を製造するにあたり、発電材が分散した導電性ゲル１９を一対の電極層１７，１７間に配置して電極層１７，１７間に所定の間隔を設け、発電材が分散した導電性ゲル１９を固体化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極層を有する一対の膜間に発電材を配置した薄膜太陽電池を製造する方法に関する。

従来、薄膜太陽電池として、有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池や色素増感型太陽電池などが知られている。有機薄膜太陽電池は簡易な成膜法により形成できるため、製造が容易で大量生産に適した太陽電池として知られている。この有機薄膜太陽電池として、所謂バルクヘテロジャンクション構造やナノ相分離構造を有するものが種々提案されている。例えば下記特許文献１には、基板の一方面上に陽極、バルクヘテロジャンクション構造を有する発電材層、陰極が順に積層された有機薄膜太陽電池が提案されている。

このような有機薄膜太陽電池は、例えば正孔輸送材料及び電子輸送材料を各種の溶媒に溶解して材料含有液を調製し、電極表面に材料含有液を付着させ、付着させた材料からｐ型有機半導体やｎ型有機半導体を備えた発電材層を形成することで製造されていた。

ここで、電極表面に材料含有液を付着させて発電材層を形成する際、例えば材料含有液を基板や電極層に均一に付着させて乾燥するなどにより、できるだけ均一な厚みに形成することで発電効率を向上させていた。

特開２０１１−１２４４６８号公報

しかしながら、従来の薄膜太陽電池では、発電材層を均一な厚みに形成するのに手間を要していた。広い面積を有する薄膜太陽電池では、製造時に自重や外力による変形が容易に生じるため、発電材層を均一な厚みに形成することが容易でなかった。

例えば材料含有液をできるだけ均一に付着させるために、基板に滴下した材料含有液を遠心力により薄く広げるスピンコート法、基板に付着させた材料含有液をローラーにより押し広げるローラーコート法、材料含有液を基板に噴霧して付着させるスプレーコート法などが利用されていた。

ところがこれらの方法では、膜厚を厚くするには重ね塗りが必要であった。またスプレーコート法では膜厚にムラが生じることがあり、ローラーコート法やスピンコート法では膜厚のむらは抑えられるものの、膜厚を厚くすると材料含有液中の発電材粒子の沈降などにより分散状態を保てなかった。その結果、発電効率がその分低下していた。

そこで本発明では、所望の厚みの発電材層を容易に形成でき、発電効率のよい薄膜太陽電池を容易に製造できる製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、電極層を有する一対の膜を、電極層同士が対向するように配置すると共に電極層間に発電材を配置する、薄膜太陽電池の製造方法であって、発電材が分散した導電性ゲルを一対の電極層間に配置して電極層間に所定の間隔を設け、発電材が分散した導電性ゲルを固体化することで薄膜太陽電池を製造する。

この製造方法では、好ましくは一対の膜の一方又は双方に可撓性を有する膜を用いる。
またこの製造方法では、一対の電極層間に導電性ゲルを配置した後、一対の膜を外側から加圧して電極層間に所定の間隔を設けるのが好適である。

本発明によれば、発電材が分散した導電性ゲルを一対の電極層間に配置して電極層間に所定の間隔を設けるので、液体に比べ流動性が低くて変形し難い導電性ゲルを一対の膜で挟んで所定の厚みに形成することが容易であり、その後固体化するまでの間も導電性ゲルの変形が生じ難く、膜の重さや自重による厚みのばらつきが生じ難い。そのため所定の厚みの導電性ゲル層を広い範囲に容易に形成でき、一対の電極層間の間隔を広い範囲で均一化できる。

また、液体に比べて流動性が低い導電性ゲルに発電材が分散しているので、発電材の分散状態を保ち易く、固体化するまでの間に発電材が沈降するなどにより、不均一な分布状態になることを防止できる。その結果、所望の厚みの発電材層を容易に形成でき、発電効率のよい薄膜太陽電池を容易に製造できる製造方法を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池を示す部分断面図である。 本発明の実施形態における製造方法を説明する斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態で製造する薄膜太陽電池は、有機薄膜太陽電池、色素増感型太陽電池などの薄膜状の形態、即ち受光面に対して厚みが格段に薄い形態を有する太陽電池である。この薄膜太陽電池は、図１に示すように、上下一対の膜、すなわちベース膜１１及びカバー膜１３と、ベース膜１１とカバー膜１３との間に配置された発電材層１５と、を備えている。発電材層１５は発電材が分散した導電性ゲルを固体化したものである。

ベース膜１１及びカバー膜１３はそれ自体が導電性を有する電極層であってもよいが、この実施形態では、ベース膜１１はベース層１１ａの表面に電極層１７が設けられて形成され、カバー膜１３はカバー層１３ａの表面に電極層１７が設けられて形成されている。ベース膜１１及びカバー膜１３の電極層１７，１７は発電材層１５と接する面に互いに対向し接触しないように設けられている。なお、各電極層１７，１７には外部回路と接続可能な、図示しない端子部がそれぞれ接続されている。

このような薄膜太陽電池を本実施形態で製造するには、発電材が分散した導電性ゲルを、シート状に形成された一対のベース膜１１及びカバー膜１３の電極層１７，１７間に配置し、この電極層１７，１７間を所定の間隔に調整し、発電材が分散した導電性ゲルを固体化することで行う。

まず、本実施形態で使用されるベース膜１１及びカバー膜１３は、ベース層１１ａ又はカバー層１３ａに電極層１７が積層されたものであり、ベース膜１１及びカバー膜１３の一方又は双方が可撓性を有している。これらのベース膜１１及びカバー膜１３は、互いに同一の材料からなるものであっても、異なる材料からなるものであってもよい。

ベース膜１１及びカバー膜１３のうち、使用時に外光が照射される側に配置されるカバー膜１３は、光透過性を有するものであることが必要である。光透過性は、発電材で発電可能な波長の光が透過可能であればよい。その場合、カバー層１３ａ及び電極層１７ともに光透過性であることが必要で、できるだけ高い光透過性を有することが望ましい。

ベース層１１ａ及びカバー層１３ａは導電性がなく電極層１７を積層可能な材料からなる。ベース層１１ａ及びカバー層１３ａとして柔軟性を有する層を用いる場合には、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ビニル樹脂など、各種の樹脂シートを用いることができる。
硬質なベース層１１ａ又はカバー層１３ａとしては、ガラス基板、シリコン基板等を用いてもよい。
透明性を有するベース層１１ａ及びカバー層１３ａとしては、これらの樹脂シートや基板のうち発電材に応じた光透過性を有するものを適宜選択することができる。

本実施形態で使用される電極層１７，１７は少なくとも一方が光透過性を有する透明電極からなる。
透明電極としては、フッ素又はアンチモンをドープした酸化スズ（NESA）、スズをドープした酸化インジウム（ITO）、アルミニウムをドープした酸化亜鉛などの酸化物半導体薄膜を用いてもよい。不透明な電極としては各種の金属薄膜等を用いてもよい。

本実施形態で使用される発電材が分散した導電性ゲルは、導電性を有するゲル内に発電材が分散した材料であり、光透過性が過剰に悪化しない範囲で、より多くの発電材がより均一に分散しているものが好適である。

発電材は光が照射されることで発電可能な材料である。ここでは微粒子又は結晶等の微粒子状の物質からなる。例えば有機薄膜太陽電池の場合には、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とが微粒子状の物質として存在している。接触界面で接合されてｐｎ接合を形成している。

ｐ型有機半導体は正孔輸送材料からなる。正孔輸送材料としては、例えば芳香族アミン、チオフェン、フェニレン−ビニレン、チエニレン−ビニレン、カルバゾール、ビニルカルバゾール、ピロール、アセチレン、フタロシアニン、アセン、ポルフィリン、トリフェニレン、ベンゾフェノン、これらの誘導体、錯体、オリゴマー又はポリマーなど、有機半導体として使用可能な電子受容性を有する公知の有機化合物を使用できる。

ｎ型有機半導体は電子輸送材料からなる。電子輸送材料としては、例えばシロール、フラーレン、カーボンナノチューブ、ペリレン、ナフタレン、ピリジン、フタロシアニン、キノリン、オキサジアゾール、トリアゾール、ジスチリルアリーレン、テトラシアノキノジメタン、テトラシアノエチレン、これらの誘導体、錯体、オリゴマー又はポリマーなど、有機半導体として使用可能な電子供与性を有する公知の有機化合物を使用できる。

色素増感型太陽電池の場合、Ｒｕ系増感色素等の色素を吸着した酸化チタン等の金属酸化物のような微粒子状の物質であってもよい。

導電性ゲルは、発電材で生じた電荷の移動をできるだけ阻害しないか、発電材で生じた電荷を移動可能なものである。この導電性ゲルは、分散媒中に分散質が分散し、分散質間が化学的に結合したり、分子間力、極性等により物理的に結合したりすることで架橋し、分散媒に比べて格段に流動性が低下したものである。

このような導電性ゲルとしては、分散媒として電解質溶液やイオン液体等を用い、分散質に導電性を阻害しない又は向上できる材料を用いてゲル化させたものを使用でき、例えばヨウ素系、臭素系等の電解質溶液に、ピリジニウムの窒素原子にハロゲン原子が配位した構造を有するオリゴマー等のゲル化剤を混合してゲル化して用いてもよい。

導電性ゲルは、発電材で発電可能な波長の光が透過可能であることが必要である。光透過性はできるだけ高いことが望ましい。また導電性ゲルの導電性もできるだけ高いことが望ましい。また導電性ゲルは、少なくとも液体に比べて流動性が低いことが必要であり、発電材の微粒子又は結晶の配列整列状態を保持してその微粒子又は結晶同士が直接接触して短絡しないようにするものがよい。導電性ゲルの流動性が低ければ、ベース膜１１とカバー膜１３との間に介在させた状態で、各膜１１，１３の重量や自重などにより導電性ゲルが変形することを防止でき、製造段階で導電性ゲルを均一な厚みに安定して維持することができる。
なお、この導電性ゲルは、使用時に太陽光が照射されることで劣化が少ないものが望ましく、これらの各特性を向上できるように分散媒及び分散質を選択して使用することが好適である。

このような導電性ゲルに発電材を分散する方法は、特に限定されない。例えば予め分散媒として、発電材の分散液や発電材の前駆体の溶液又は分散液を用い、この分散媒に分散質であるゲル化剤を混合してゲル化させてもよい。また、予め形成された導電性ゲルに発電材の微粒子状の物質をできるだけ均一に混合することで作製してもよい。

このように発電材が分散した導電性ゲルは、ベース膜１１とカバー膜１３との間に配置した状態で固体化できることが必要である。導電性ゲルを固体化するとは、固化や硬化させて硬くすることである。固体化する方法は、例えば乾燥させて固化させたり、熱、光、紫外線等により硬化させたり、各種の硬化剤を用いて反応硬化させてもよい。
導電性ゲルは、固体化された状態で発電材層１５となる。ベース膜１１及びカバー膜１３と共に固体化された発電材層１５が変形可能な程度の可撓性を有すれば、変形自在な柔軟性を有する薄膜太陽電池を製造することができる。

本実施形態において、このようなベース膜１１及びカバー膜１３と、発電材が分散した導電性ゲルとを用いて薄膜太陽電池を製造するには、例えば図２に示すように、まずベース膜１１及びカバー膜１３を、発電材が分散した導電性ゲル１９を介在させた状態で重ねて配置する。このときベース膜１１、導電性ゲル１９、カバー膜１３を順に重ねて載置してもよく、ベース膜１１及びカバー膜１３を縁部で接合した状態にして内側に導電性ゲル１９を収容してもよい。この状態では、導電性ゲル１９がベース膜１１の電極層１７とカバー膜１３の電極層１７との間に、不均一な厚みで配置されている。また一部に導電性ゲル１９が存在しない状態となっていてもよい。

次に、ベース膜１１及びカバー膜１３の両外側となる位置にローラ２１，２１を配置し、ローラ２１，２１間の間隔を一定に保ったまま一方の縁部から他方の縁部側へ移動させる。するとベース膜１１及びカバー膜１３が外側から加圧され、内部の導電性ゲル１９がその圧力で変形し、ベース膜１１の電極層１７とカバー膜１３の電極層１７との間で略一定の厚みに押し広げられる。
これにより、ベース膜１１及びカバー膜１３の間の全体に略一定の厚みの導電性ゲル１９の層が形成される。ベース膜１１及びカバー膜１３の厚みや弾性等を考慮してローラ２１，２１間の間隔を設定しておけば、ベース膜１１の電極層１７とカバー膜１３の電極層１７との間の全体で所定の間隔が設けられる。
その後、発電材が分散した導電性ゲル１９を固体化することで、所定の厚みの発電材層１５が形成される。これにより薄膜太陽電池が製造される。

以上のような薄膜太陽電池の製造方法によれば、発電材が分散した導電性ゲル１９を一対の電極層１７，１７間に配置して電極層１７，１７間に所定の間隔を設けるので、液体に比べ流動性が低くて変形し難い導電性ゲル１９をベース膜１１とカバー膜１３とで挟んで所定の厚みに形成することが容易である。その後、固体化するまでの間も導電性ゲル１９の変形が生じ難く、カバー膜１３やベース膜１１の重さや自重による厚みのばらつきが生じ難い。そのため、所定の厚みの導電性ゲル１９の層を広い範囲に容易に形成でき、一対の電極層１７，１７間の間隔を広い範囲で均一化できる。

また液体に比べて流動性が低い導電性ゲル１９に発電材が分散しているので、発電材の分散状態を保ち易く、固体化するまでの間に発電材が沈降するなどにより、不均一な分布状態になることを防止できる。しかも導電性ゲル層は固体と違い、変形可能であるため、導電性ゲル層と両電極層との間を広い範囲で容易に密着させられる。その結果、所望の厚みの発電材層１５を容易に形成でき、発電効率のよい薄膜太陽電池を容易に製造できる。

さらにこの製造方法では、ベース膜１１及びカバー膜１３が可撓性を有していても、一対の電極層１７，１７間に流動性の低い導電性ゲル１９が配置されているため、重力等の外力の作用により変形が生じることを防止できる。その結果、ベース膜１１及びカバー膜１３としてより薄肉のものを使用することが可能で、ベース膜１１又はカバー膜１３の光透過性を向上して、より発電効率の高い薄膜太陽電池を製造することができる。

またこの製造方法では、一対の電極層１７，１７間に導電性ゲル１９を配置し、ベース膜１１及びカバー膜１３を外側から加圧して所定の間隔を設けるので、導電性ゲル１９を押し広げたり、一対の電極間を所定の間隔に設けたりする作業が容易である。しかも電極間に所定の間隙を設ける作業により、一対の電極層１７，１７と導電性ゲル１９とを密着させることができるので、一層容易に薄膜太陽電池を製造することができる。

なお、上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
上記実施形態では、ベース膜１１とカバー膜１３との間に発電材が分散した導電性ゲル１９を単層で配置して厚みを調整した例について説明したが、特に限定されるものではない。例えば発電材が分散した導電性ゲル１９の上に発電材を含有しない導電性ゲル１９を積層して配置して厚みを調整してもよい。このようにして導電性ゲル層を固体化すれば、図１に示すように、一方の電極層１７の表面に発電材を密集して配置した層１５ａを設け、他方の電極層１７の表面に発電材が存在しない層１５ｂを設けた発電材層１５を形成することが可能である。

上記では、ベース膜１１及びカバー膜１３がそれぞれ可撓性を有するものについて説明したが、一方又は双方が変形不能な硬質のものであっても本発明は適用可能である。その場合、導電性ゲル１９を一方の膜１１，１３上に載置して、他方の膜１１，１３を略平行となるように重ねることで導電性ゲル１９を略均一な厚みでベース膜１１とカバー膜１３との間に配置することができる。
上記では、導電性ゲルの厚みを調整するために一対のローラ１７，１７を用いたが、板等により挟んだり、平坦な基台に載置して他の部材で加圧してもよい。

１１ ベース膜
１１ａ ベース層
１３ カバー膜
１３ａ カバー層
１５，１５ａ，１５ｂ 発電材層
１７ 電極層
１９ 導電性ゲル
２１ ローラ

Claims (3)

1. 電極層を有する一対の膜を、該電極層同士が対向するように配置すると共に該電極層間に発電材を配置する、薄膜太陽電池の製造方法であって、
   上記発電材が分散した導電性ゲルを上記一対の電極層間に配置して該電極層間に所定の間隔を設け、上記発電材が分散した導電性ゲルを固体化する、薄膜太陽電池の製造方法。
2. 前記一対の膜の一方又は双方が可撓性を有する、請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
3. 前記一対の電極層間に前記導電性ゲルを配置した後、前記一対の膜を外側から加圧して上記電極層間に所定の間隔を設ける、請求項１又は２に記載の薄膜太陽電池の製造方法。

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