JP2016027634A - 有機光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透明基板、透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した有機光電変換素子において、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、有機光電変換素子により課題を解決する。
【選択図】図4
Description
[1]透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した構造を含む有機光電変換素子において、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、有機光電変換素子。
[2]前記金属薄膜層の層厚が5nm以上である、[1]に記載の有機光電変換素子。
[3]透明基板、透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した有機光電変換素子において、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、[1]または[2]に記載の有機光電変換素子。
[4]基板、対向電極、有機半導体層、透明電極を順次積層した有機光電変換素子におい
て、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、[1]または[2]に記載の有機光電変換素子。
[5][1]〜[4]のいずれかに記載の有機光電変換素子を含む有機薄膜太陽電池。
[6][5]に記載の有機薄膜太陽電池モジュールを含む建材用太陽電池。
本発明に係る有機光電変換素子は、透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した構造を含むものであり、透明基板、透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した有機光電変換素子であっても、基板、対向電極、有機半導体層、透明電極を順次積層した有機光電変換素子であってもよい。
基板は有機光電変換素子を支持する支持部材である。基板は有機光電変換素子を構成する層を積層し、支持できる限り制限されないが、本発明の有機光電変換素子を含む有機薄膜太陽電池の設置の自由度の観点から可撓性を有するものが好ましい。可撓性を有する材料は限定されず、例えば金属フォイルやプラスチックフィルムなどがあげられる。
ボネート、ポリ(メタ)アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリアリレート、ポリノルボルネン等の有機材料などが挙げられる。
透明プラスチック基板の厚さは、上記透明度を満たせば特段の制限はないが、取り扱いの容易さの観点からは、通常20μm以上、好ましくは50μm以上であり、一方、通常1000μm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは200μm以下である。
本実施態様に用いる透明電極は、透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層がその順に積層されるものである。
透明導電薄膜層の比抵抗は、三菱化学アナリティックス社製ロレスタ(商標)等の測定装置により測定できる。
対向電極としては導電性を有する任意の材料により形成することが可能である。電極の材料の例を挙げると、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属あるいはそれらの合金;酸化インジウムや酸化錫等の金属酸化物、あるいはその合金(ITO等);ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン等の導電性高分子;前記導電性高分子に、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、FeCl3等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウム、カリウム等の金属原子などのドーパントを含有させたもの;金属粒子、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ等の導電性粒子をポリマーバインダー等のマトリクスに分散した導電性の複合材料、前記透明電極に例示した材料などが挙げられる。
本実施態様に用いる有機半導体層は、後述する活性層以外に、その他の層を備えてもよい。なお、その他の層を形成する位置は有機光電変換素子の発電を阻害しない限り任意である。その他の層としては、バッファ層が例示される。
活性層は、通常p型半導体化合物とn型半導体化合物をと含む。p型半導体化合物とは、p型半導体材料として働く化合物であり、n型半導体化合物とは、n型半導体材料として働く化合物である。有機薄膜太陽電池素子が光を受けると、光が活性層に吸収され、p型半導体化合物とn型半導体化合物との界面で電気が発生し、発生した電気が電極から取り出される。
バッファ層は、例えば有機半導体層側に面した電極界面に電気特性等の改良のために設ける層である。正孔取り出し層及び電子取り出し層に分類することができ、それぞれ、活性層と正孔の捕集する電極もしくは電子の捕集する電極との間に設けることができる。
(MoO3)、ガリウムと亜鉛をドープした酸化インジウム(IGZO)が好ましい。
本実施態様においてアンダーコート層は、主として基板と透明電極との間に配置され、基板と透明電極の密着性を向上させる機能を有する。このような機能を有する材料として、たとえば、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂などや、有機ケイ素化合物の加水分解により生成する物質、シリカなどの無機物質などがある。アクリル樹脂やポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂などを用いる場合は、架橋させて用いてもよいし、非晶質シリカなどの無機物を混合して用いてもよい。
本実施態様に係る有機光電変換素子は、透明基板と透明電極との間にバリア層を有してもよい。該バリア層を有することにより、透明導電薄膜層の成膜時の透明基板からの脱ガスが抑えられ、透明導電薄膜層の成膜性が改善し、かつ透明基板の耐熱性、耐プラズマ性が生じるため好ましい。
本実施態様に係る有機光電変換素子の層構成は、特段の制限はないが、透明基板/透明電極/有機半導体層/対向電極、透明基板/アンダーコート層/透明電極/有機半導体層/対向電極、透明基板/アンダーコート層/バリア層/透明電極/有機半導体層/対向電極、又は、透明基板/バリア層/アンダーコート層/透明電極/有機半導体層/対向電極としてもよい。また、基板/対向電極/有機半導体層/透明電極としてもよい。さらに、上記構成において、透明電極もしくは対向電極と有機半導体層との間にバッファ層(正孔取り出し層もしくは電子取り出し層)が適宜入ってもよい。
本発明の有機光電変換素子は、有機薄膜太陽電池モジュールの太陽電池素子として使用されることが好ましい。
有機薄膜太陽電池モジュール14の用途に制限はなく任意である。例えば、図3に模式的に示すように、何らかの基材12上に有機薄膜太陽電池モジュール14を設けた太陽電池パネル13を用意し、これを使用場所に設置して用いればよい。具定例を挙げると、基材12として建材用板材を使用した場合、この板材の表面に有機薄膜太陽電池モジュール14を設けて太陽電池パネル13を作製し、この太陽電池パネルを建物の外壁等に設置して使用すればよい。
1.1ハウス屋根材として太陽電池
基材として屋根用板材等を使用した場合、この板材の表面に有機薄膜太陽電池を設けて有機薄膜太陽電池モジュールとして太陽電池パネルを作製し、この太陽電池パネルをハウスの屋根の上に設置して使用すればよい。また、基材として瓦を直接用いることもできる。本実施態様に係る太陽電池が柔軟性を有するという特性を生かし、瓦の曲線に密着させることができるので好適である。
ビルの屋上に取り付けることもできる。基材上に有機薄膜太陽電池を設けた有機薄膜太陽電池モジュールを用意し、これをビルの屋上に設置することもできる。この時基材とともに防水シートを併用し、防水作用を有するのが好ましい。さらに、本実施態様に係る有機薄膜太陽電池が柔軟性を有するという特性を生かし、平面ではない屋根、例えば折半屋根に密着させることもできる。この場合も防水シートを併用するのが好ましい。
エントランスや吹き抜け部分に外装として本実施態様に係る有機薄膜太陽電池を用いることもできる。何らかのデザイン処理を施されたエントランス等は曲線が用いられている場合が多く、そのような場合において本実施態様に係る有機薄膜太陽電池の柔軟性が生かされる。またエントランス等ではシースルーである場合があり、このような場合には、有機薄膜太陽電池の緑色系の色合いが、環境対策が重要視される時代において意匠的な美観も得られるので好適である。
基材として建材用板材を使用した場合、この板材の表面に有機薄膜太陽電池を設けて有機薄膜太陽電池モジュールとして太陽電池パネルを作製し、この太陽電池パネルを建物の外壁等に設置して使用すればよい。また、カーテンウオールに設置することもできる。その他、スパンドレルおよび方立等への取り付けも可能である。
この場合、基材の形状に制限はないが、通常は板材を使用する。また、基材の材料および寸法等は、その使用環境に応じて任意に設定すればよい。このような基材の例を挙げると、アルポリック(登録商標;三菱樹脂製)などが挙げられる。
また、シースルーの窓に使用することもできる。有機薄膜太陽電池の緑色系の色合いが、環境対策が重要視される時代において意匠的な美観も得られるので好適である。
その他建築の外装としてひさし、ルーバー、手摺等にも使用できる。このような場合においても、本実施態様に係る有機薄膜太陽電池の柔軟性が、これら用途にとり好適である。
本実施態様に係る有機薄膜太陽電池はブラインドのスラットに取り付けることもできる
。本実施態様に係る有機薄膜太陽電池は軽量であり、柔軟性に富むことから、このような用途が可能となる。また、内装用窓についても有機光電変換素子がシースルーである特性を生かし使用することができる。
蛍光灯、LEDなどの照明光を活用する植物工場の設置件数は増えているが、照明に掛かる電気代や光源の交換費用などによって栽培コストを引き下げにくいというのが現状である。そこで本実施態様に係る有機薄膜太陽電池を野菜工場に設置し、LEDまたは蛍光灯と組み合わせた照明システムを作製することができる。
このとき蛍光灯よりも寿命が長いLEDと本発明の有機薄膜太陽電池を組み合わせた照明システムを用いることで、照明に要するコストを現状に比べて30%程度減らせることができるので好適である。また、野菜等を一定温度で輸送するリーファー・コンテナ(reefer container)の屋根や側壁に本実施態様に係る有機薄膜太陽電池を用いることもできる。
本実施態様に係る有機薄膜太陽電池は、駐車場の外壁、高速道路の遮音壁および浄水場の外壁等にも用いることができる。
本実施態様に係る有機薄膜太陽電池は、自動車のボンネット、ルーフ、トランクリッド、ドア、フロントフェンダー、リアフェンダー、ピラー、バンパーおよびバックミラーなどの表面に用いることができる。得られた電力は走行用モータ、モータ駆動用バッテリー、電装品及び電装品用バッテリーのいずれにも供給することができる。太陽電池パネルにおける発電状況と該走行用モータ、該モータ駆動用バッテリー、該電装品及び該電装品用バッテリーにおける電力使用状況とに合わせて選択する制御手段とを備えることで、得られた電力が適正にかつ効率的に使用することができる 。
本実施態様に係る太陽電池モジュールは、以下のような性能を持つことが特徴である。
評価方法:
測定から得られる電流・電圧曲線から、エネルギー変換効率(PCE)、短絡電流、開放電圧、FF(フィルファクター)、直列抵抗、シャント抵抗を求めることができる。
有機光電変換素子の光反射スペクトルは、専用5度正反射測定ユニットを取り付けた日立ハイテク社製U−4100により測定して得た。
ぎらつきは、晴天時の太陽光を有機光電変換素子の基材側に照射し、反射光に正対して、有機光電変換素子に対して約1mの距離から目視観察して評価した。ぎらつきの評価は下記の通りである。
◎:有機光電変換素子への太陽の映り込みがなく、太陽光の反射も感じない。
〇:有機光電変換素子への太陽の映り込みがほとんどなく、太陽光の反射もほとんど感じない。
×:有機光電変換素子に太陽が映り込んでおり、太陽光の強い反射を感じる。
島津製作所製紫外可視近赤外分光光度計UV−3600とフィルムサンプルホルダーを用いて分光透過率を測定した。ついで、JIS R 3106:1998に従って波長380nmから900nmまでの透過率を算出した。なお、評価結果は平均値で示した。
三菱化学アナリテック社製低抵抗率計ロレスターGPとASPプローブを用いて、透明電極の表面抵抗を測定した。
作製した太陽電池に三永電機製作所製ソーラシュミレーターXES−70S1を用いてAM1.5G条件の光を透明導電フィルムの面から照射強度100mW/cm2で照射しながら電圧(V)を印加して電流密度(mA/cm2)を測定し、得られた電流・電圧曲線から最大電力(電圧×電流の最大値)を求め、次式に従って変換効率を算出した。
変換効率(%)=最大電力÷照射光強度×100
コニカミノルタ社製分光測色計CM−500dを用いて、正反射光除去モードで測定し、JIS8781−4に従ってD65光源10度視野での明度指数L*を算出した。
<有機光電変換素子の作製工程>
PEN樹脂フィルム(帝人デュポン製Q65FA、厚さ125μm)の片面に厚さ160nmの樹脂アンダーコート層をスロットダイ塗布法により形成した。該アンダーコート層の上に、厚さ40nmのITO薄膜層を直流スパッタリング法により形成した。ITO薄膜層の形成には、ターゲットとして酸化スズと酸化インジウムを重量比1:9で混合焼成したものを用いた。チャンバ内の真空度が1×10-4Pa以下に到達した時点で、純度99.9999質量%のアルゴンガスをチャンバ内に導入してガス圧0.6Paとし、酸素を1%成膜ガス中に導入し、基板を加熱せずにスパッタリング成膜した。
銀薄膜層の厚さを10nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池素子を作成した。
比較例1と同様にして透明電極及び有機光電変換素子を作成した。透明電極の透過率、表面抵抗、有機光電変換素子の変換効率、ぎらつき、及び透明電極側からの明度指数を測定した。
ITO薄膜層の代わりに、ターゲットとして酸化亜鉛と酸化インジウムを焼成したもの(IZO)を用いてIZO薄膜層を形成したこと以外は比較例1と同様にして透明電極及び有機光電変換素子を作成した。透明電極の透過率、表面抵抗、有機光電変換素子の変換効率、ぎらつき、及び透明電極側からの明度指数を測定した。
銀薄膜層の膜厚を8nmにした以外は比較例2と同様にして透明電極及び有機光電変換素子を作成した。透明電極の透過率、表面抵抗、有機光電変換素子の変換効率、ぎらつき、及び透明電極側からの明度指数を測定した。
銀薄膜層の膜厚を6nmにした以外は比較例2と同様にして透明電極及び有機光電変換素子を作成した。透明電極の透過率、表面抵抗、有機光電変換素子の変換効率、ぎらつき、及び透明電極側からの明度指数を測定した。
銀薄膜層の膜厚を4nmにした以外は比較例2と同様にして透明電極及び有機光電変換素子を作成した。透明電極の透過率、表面抵抗、有機光電変換素子の変換効率、ぎらつき、及び透明電極側からの明度指数を測定した。
PEN樹脂フィルム側のIZO薄膜層を50nmにした以外は実施例2と同様にして透明電極及び有機光電変換素子を作成した。透明電極の透過率、表面抵抗、有機光電変換素子の変換効率、ぎらつき、及び透明電極側からの明度指数を測定した。
200 透明電極
210 透明導電薄膜層
220 金属薄膜層
230 透明導電薄膜層
300 有機半導体層
310 バッファ層(電子取り出し層)
320 活性層
330 バッファ層(正孔取り出し層)
400 対向電極
1 耐候性保護フィルム
2 紫外線カットフィルム
3、9 ガスバリアフィルム
4、8 ゲッター材フィルム
5、7 封止材
6 有機光電変換素子
10 バックシート
11 シール材
12 基材
13 太陽電池パネル
14 薄膜太陽電池モジュール
Claims (6)
- 透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した構造を含む有機光電変換素子において、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、有機光電変換素子。
- 前記金属薄膜層の層厚が5nm以上である、請求項1に記載の有機光電変換素子。
- 透明基板、透明電極、有機半導体層、対向電極を順次積層した有機光電変換素子において、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、請求項1または2に記載の有機光電変換素子。
- 基板、対向電極、有機半導体層、透明電極を順次積層した有機光電変換素子において、該透明電極が透明導電薄膜層、金属薄膜層、透明導電薄膜層を含み、該金属薄膜層の層厚が10nm未満である、請求項1または2に記載の有機光電変換素子。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を含む有機薄膜太陽電池モジュール。
- 請求項5に記載の有機薄膜太陽電池モジュールを含む建材用太陽電池。
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