JP2015015431A - 透明電極およびそれを備える有機薄膜太陽電池 - Google Patents
透明電極およびそれを備える有機薄膜太陽電池 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】表面電極と対向電極の電極間での短絡が起こり難く、大面積であっても光電変換効率の良好な有機薄膜太陽電池を構成可能とする電極を提供する。【解決手段】光透過性を有する電極であって、透明基材の上に、金属配線と透明導電膜とが交互に形成されており、金属配線の膜厚と透明導電膜の膜厚との差が５０ｎｍ以下である。【選択図】図２
Description
本発明は、透明電極およびそれを備える有機薄膜太陽電池に関する。
太陽電池は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、地球温暖化防止および枯渇資源代替対策などの観点から、近年注目されている。現在の市場主流である結晶Ｓｉ太陽電池に比較して有機薄膜太陽電池は製造工程が容易で低コスト化が可能となり、軽量、印刷が可能といった特徴から、次世代太陽電池として注目されている。
有機薄膜太陽電池はｐ型とｎ型の二つの異なる有機半導体の接触界面に励起子が到達、分離することにより、光電流を生む。有機太陽電池においては、光を吸収するため、少なくとも片側が透明電極となる。現在、透明電極の材料として、ＩＴＯが主に使われている。しかし、１００ｎｍのＩＴＯのシート抵抗は２０Ω／□（□は無次元数）程度と大きく、発生した電流が透明電極であるＩＴＯ電極を通過する際に消費され、発電効率が低下する問題が存在している。特に、有機薄膜太陽電池の面積が大きくなるにつれてこの現象が顕著に現れる。
この問題を解決するため、特許文献１（図３）によれば透明基板２上にメッシュ電極３と透明電極４を積層する方法を提案している。
メッシュ電極３と透明電極４とを積層したものを、便宜上ここでは表面電極と呼ぶ。具体的には、透明基板２の上にメッシュ電極３を形成した後に、メッシュ電極３の上に透明電極４を形成する。低抵抗のメッシュ電極３を生かし、表面電極全体のシート抵抗を低くする。
メッシュ電極３と透明電極４とを積層したものを、便宜上ここでは表面電極と呼ぶ。具体的には、透明基板２の上にメッシュ電極３を形成した後に、メッシュ電極３の上に透明電極４を形成する。低抵抗のメッシュ電極３を生かし、表面電極全体のシート抵抗を低くする。
しかし、特許文献１の方法では、透明基板２上にメッシュ電極３を形成し、更にその上に透明電極４を形成するため、透明基板２上にメッシュ電極３が存在する場所と、しない場所とで透明電極４の高さが異なることになり、表面電極全体の膜厚に凹凸が発生する。凹凸を有する表面電極上に正孔取出し層６や光電変換層７などの有機層を形成すると、表面電極の凹凸に起因して、表面電極の凸部分（メッシュ電極３が存在する部分）では有機層の膜厚が薄くなる。
特許文献１のメッシュ電極３の厚みは２００ｎｍ〜３００ｎｍあるため、光電変換層等の有機層の厚みが５０ｎｍ〜２００ｎｍであるとされる有機薄膜太陽電池では、表面電極と対向電極８との間で短絡しやすいという課題が生じる。また、短絡が生じなくても、メッシュ電極３が存在する場所では、有機層の膜厚が薄くなり、そのため電流が流れにくくなり、発電効率が低下するという課題が発生する。
透明基板に柔軟性を有する樹脂等を用いた有機薄膜太陽電池とした場合、表面電極と対向電極８との間での短絡が発生しやすくなるという課題も発生する。
透明基板に柔軟性を有する樹脂等を用いた有機薄膜太陽電池とした場合、表面電極と対向電極８との間での短絡が発生しやすくなるという課題も発生する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、表面電極と対向電極の電極間での短絡が起こり難く、大面積であっても光電変換効率の良好な有機薄膜太陽電池を構成可能とする電極、およびこれを備える有機薄膜太陽電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第１の局面は光透過性を有する電極であって、透明基材の上に、金属配線と透明導電膜とが交互に形成されており、前記金属配線の膜厚と前記透明導電膜の膜厚との差が５０ｎｍ以下であることを特徴とする電極である。
本発明の第２の局面は、前記金属配線の膜厚（ｔ金属）と前記透明導電膜（ｔ透明）の膜厚との関係が０ｎｍ≦ｔ金属−ｔ透明≦２０ｎｍであることを特徴とする電極である。
本発明の第３の局面は、前記金属配線は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種類以上を含むことを特徴とする電極である。
本発明の第４の局面は、前記金属配線の開口部の比率が８０％〜９８％の範囲内にあることを特徴とする電極である。
本発明の第５の局面は、前記透明導電膜が製膜された後に６０℃〜３５０℃の範囲内の温度で熱処理が行われることを特徴とする電極である。
本発明の第６の局面は、前記透明導電膜が結晶性であることを特徴とする電極である。
本発明の第７の局面は、前記電極を具備することを特徴とする有機薄膜太陽電池である。
本発明によれば、金属配線および透明導電膜を備えた表面電極における表面凹凸が大きく、短絡が生じやすいという欠点を改善し、従来の方法に比較し有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率が向上する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明の有機薄膜太陽電池２０は透明基材１０、金属配線１１、透明導電膜１２、正孔輸送層１３、有機発電層（光電変換層）１４、電子輸送層１５、裏面電極（対向電極）１６からなる。金属配線１１と透明導電膜１２をあわせて、表面（透明）電極１７と呼ぶ。
本実施形態では、光電変換層に対して表面電極１７側から光が入射する形で説明を行うが、光の入射面はこれに限られない。
本実施形態の説明の便宜上、光が入射する側を表面、その反対側を裏面として説明する。
本発明の有機薄膜太陽電池２０は透明基材１０、金属配線１１、透明導電膜１２、正孔輸送層１３、有機発電層（光電変換層）１４、電子輸送層１５、裏面電極（対向電極）１６からなる。金属配線１１と透明導電膜１２をあわせて、表面（透明）電極１７と呼ぶ。
本実施形態では、光電変換層に対して表面電極１７側から光が入射する形で説明を行うが、光の入射面はこれに限られない。
本実施形態の説明の便宜上、光が入射する側を表面、その反対側を裏面として説明する。
透明基材１０の材料としては、ガラス、石英などの無機物およびプラスチックフィルム（樹脂）が挙げられる。プラスチックフィルムとしては、例えば、ポリオレフィン、ポリエーテルサルフォン、ポリスルホン、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリアリレート、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート、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、およびポリエチレンナフタレート等が挙げられる。
プラスチック（樹脂）フィルムを透明基材１０として使用する場合、後述する熱処理温度範囲内に、ガラス転移点（ガラス転移温度）や融点（溶融温度）がない材料を選定することが好ましい。
プラスチック（樹脂）フィルムを透明基材１０として使用する場合、後述する熱処理温度範囲内に、ガラス転移点（ガラス転移温度）や融点（溶融温度）がない材料を選定することが好ましい。
また、透明基材１０の材料としては、これらのうちのいずれか１種類を単独で用いても良いし２種類以上を併用しても良い。透明基材１０の厚みとしては、特に限定しないが、１０μｍ以上１０００μｍ未満の範囲内であることが好ましく、５０μｍ以上２５０μｍ未満の範囲内であることがより好ましい。また、透明基材１０の光透過率としては、可視光領域における平均透過率が８０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましい。また、透明基材１０には、各種安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、酸化防止剤および難燃剤等の各種機能を付与する物質が添加されていても良い。
透明基材１０の上に形成される有機薄膜太陽電池２０における表面電極１７は、金属配線１１と透明導電膜１２とからなる。図２に示すように透明導電膜１２は金属配線１１の間に製膜される。透明導電膜１２を金属配線１１の間に製膜すれば、従来のメッシュ電極と透明導電層との積層からなる表面電極における表面凹凸が大きいという問題が解決でき、表面電極１７の抵抗を低減するとともに、短絡も生じにくくなる。
金属配線１１と透明導電膜１２とからなる表面透明電極１７においては、表面凹凸が５０ｎｍ以下であることが望ましい。最も望ましいのは２０ｎｍ以下である。有機薄膜太陽電池では、有機発電層１４の膜厚が５０ｎｍ〜２５０ｎｍとなる。表面凹凸が低いほど、薄い有機発電層１４であっても、短絡が生じにくくなる。また、金属配線１１の膜厚は透明導電膜１２より厚いことが望ましい。
金属配線の膜厚（ｔ金属）と透明導電膜（ｔ透明）の膜厚との関係は０≦ｔ金属−ｔ透明≦２０ｎｍであることが好ましい。
ここで、ｔ金属−ｔ透明とは、透明基材１０の上に形成された金属配線１１の膜厚と透明導電膜１２の膜厚との差である。この差を表面凹凸と呼ぶ。
ｔ金属−ｔ透明＝０とは、金属配線１１の膜厚と透明導電膜１２の膜厚が等しいことを示し、２つの膜厚（高さ）が等しくなることである。
ここで、ｔ金属−ｔ透明とは、透明基材１０の上に形成された金属配線１１の膜厚と透明導電膜１２の膜厚との差である。この差を表面凹凸と呼ぶ。
ｔ金属−ｔ透明＝０とは、金属配線１１の膜厚と透明導電膜１２の膜厚が等しいことを示し、２つの膜厚（高さ）が等しくなることである。
また、有機薄膜太陽電池２０の積層方向に見て、金属配線１１が配置されるレイヤにおいて金属配線１１の間に開けられた開口部の比率（開口率）は、例えば８０％〜９８％の範囲内にある。当該開口部に上記透明導電膜１２が配置されている。
金属配線１１の材料としては、公知のアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム合金、チタン合金およびニッケルクロム合金（Ｎｉ−Ｃｒ）等の金属が挙げられる。金属配線１１は前記金属の１種類からなることができるし、また前記金属の２種類以上の混合からなることもできる。金属配線１１の作製方法として、公知のスパッタ法、蒸着法を使用することができる。また、金属インクを塗布してから熱処理で形成することもできる。
透明導電膜１２としては、例えば、金属複合酸化物膜、金属酸化物や金属の微粒子をエポキシ樹脂やアクリル樹脂等に分散した、導電性微粒子が分散された導電性樹脂膜が単層または複数積層された透明樹脂層、導電性樹脂等が挙げられる。金属複合酸化物膜としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウムスズ複合酸化物）、インジウム亜鉛複合酸化物、亜鉛アルミニウム複合酸化物等からなる膜が挙げられる。また、カーボン系透明導電膜、例えば、カーボンナノチューブ導電膜、グラフェン導電膜が挙げられる。
金属配線１１の間の透明導電膜１２の製造方法として、例えば、インクジェット式塗布やディスペンサー式塗布などを用いて、金属配線１１のパターンの間に塗布した後に、熱処理で形成することができる。熱処理温度は６０℃〜３５０℃の範囲内の温度であることが望ましい。熱処理を行うことにより、透明導電膜１２の結晶性が向上し、抵抗が低くなる。より好ましいのは１００℃〜２５０℃の範囲内の温度で熱処理することである。
正孔輸送層１３の材料としては、導電性高分子材料を使用することができる。例えば、チオフェン誘導体、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等が挙げられる。より好ましいのは、ポリ（３，４− エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホン酸）、（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ）である。
また、正孔輸送層１３には金属酸化物を使用することもできる。例えばＶ２Ｏ５、ＭｏＯ３などを用いることができる。正孔輸送層１３の製造方法は公知のスピンコート、スプレー塗布、マイクログラビア塗布、ダイコート、ディスペンサー塗布などの塗布方法を使用することができる。
有機発電層１４としては、電子ドナー分子のｐ型半導体と電子アクセプター分子のｎ型半導体を混合したバルクヘテロ接合でも良いし、ｐ型半導体とｎ型半導体が平面へテロ接合になっても良い。電子ドナー分子のｐ型半導体としては、例えば、ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ：Ｐ３ＨＴ）を用いることができる。電子アクセプター分子のｎ型半導体としては、（６，６）−Ｐｈｅｎｙｌ−Ｃ６１−Ｂｕｔｙｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｍｅｔｈｙｌ Ｅｓｔｅｒ（フェニルＣ６１酪酸メチルエステル：ＰＣＢＭ）が挙げられる。有機発電層１４の製造方法は公知のスピンコート、スプレー塗布、マイクログラビア塗布、ダイコート、ディスペンサー塗布など用いることができる。
本発明においては、必要に応じて電子輸送層１５を設けても良い。電子輸送層１５の材料として、金属フッ化物のＬｉＦ、ＣａＦ２を用いることができる。また、ｎ型の金属酸化物の使用することも可能である。例えば、ＺｎＯ，ＴｉＯ２が挙げられる。電子輸送層１５の製造方法としては、公知の蒸着技術やスパッタ技術で作製することができる。
裏面電極１６としては、アルミ（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などの金属を用いることができる。また、カーボンおよびグラフェンなどのカーボン系電極、またはＩＴＯおよびＺｎＯなどの透明導電膜を、裏面電極１６として用いてもよい。裏面電極１６の製造方法としては、蒸着やスパッタなどの技術で作製することができる。
以上のように構成される太陽電池は、金属配線１１と透明導電膜１２とからなる表面電極１７において、透明導電膜１２は金属配線１１のパターンの間に製膜することにより、表面電極１７の抵抗を低くするとともに、従来法における表面凹凸が大きいとの問題を改善し、短絡しにくい有機薄膜太陽電池の作製ができる。
得られた表面電極のシート抵抗は、三菱化学株式会社製の表面抵抗計（ロレスタ（登録商標）ＭＣＰ：四探針プローブ）を用い、ＪＩＳ Ｒ１６３７−１９９８（ファインセラミックス薄膜の抵抗率試験方法：４探針法による測定方法）により測定することができる。
本願発明による表面電極は、透明性を要求される電極として利用が可能であり、有機薄膜太陽電池の電極として利用することができる。
１…有機薄膜太陽電池
２…基板
３…メッシュ電極
４…透明電極
６…正孔取出し層
７…光電変換層
８…対向電極
１０…透明基材
１１…金属配線
１２…透明導電膜
１３…正孔輸送層
１４…有機発電層（光電変換層）
１５…電子輸送層
１６…裏面電極（対向電極）
１７…表面電極
２０…有機薄膜太陽電池
２…基板
３…メッシュ電極
４…透明電極
６…正孔取出し層
７…光電変換層
８…対向電極
１０…透明基材
１１…金属配線
１２…透明導電膜
１３…正孔輸送層
１４…有機発電層（光電変換層）
１５…電子輸送層
１６…裏面電極（対向電極）
１７…表面電極
２０…有機薄膜太陽電池
Claims (7)
- 光透過性を有する電極であって、
透明基材の上に、金属配線と透明導電膜とが交互に形成されており、
前記金属配線の膜厚と前記透明導電膜の膜厚との差が５０ｎｍ以下であることを特徴とする電極。 - 前記金属配線の膜厚（ｔ金属）と前記透明導電膜（ｔ透明）の膜厚との関係が０ｎｍ≦ｔ金属−ｔ透明≦２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の電極。
- 前記金属配線は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種類以上を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電極。
- 前記金属配線の開口部の比率が８０％〜９８％の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極。
- 前記透明導電膜が製膜された後に６０℃〜３５０℃の範囲内の温度で熱処理が行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極。
- 前記透明導電膜が結晶性であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極を具備することを特徴とする有機薄膜太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013142621A JP2015015431A (ja) | 2013-07-08 | 2013-07-08 | 透明電極およびそれを備える有機薄膜太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2013142621A JP2015015431A (ja) | 2013-07-08 | 2013-07-08 | 透明電極およびそれを備える有機薄膜太陽電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015015431A true JP2015015431A (ja) | 2015-01-22 |
Family
ID=52436942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2013142621A Pending JP2015015431A (ja) | 2013-07-08 | 2013-07-08 | 透明電極およびそれを備える有機薄膜太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2015015431A (ja) |
-
2013
- 2013-07-08 JP JP2013142621A patent/JP2015015431A/ja active Pending
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