JP2016171254A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】本実施形態による太陽電池モジュールは、可撓性の基板と、前記基板上に設けられ直列に接続された複数のセルであって、各セルは、前記基板上に設けられた第１電極と、前記第１電極上に設けられた有機光電変換膜と、前記有機光電変換膜上に設けられた第２電極と、を有する、複数のセルと、隣接する２つのセル間の前記基板の部分が屈曲した屈曲部と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、太陽電池モジュールに関する。

有機光電変換素子として、例えば、有機薄膜太陽電池が知られている。有機薄膜太陽電池は、導電性ポリマー、フラーレン等を組み合わせた有機薄膜半導体を用いた太陽電池である。有機薄膜太陽電池は、シリコン、ＣＩＧＳ(Copper Indium Gallium DiSelenide)、ＣｄＴｅなどの無機系材料をベースとした太陽電池に比べて光電変換膜を塗布または印刷という簡便な方法で生産でき、低コスト化できる可能性がある。その反面、有機薄膜太陽電池の変換効率は、従来の無機系太陽電池と比較して低いという問題を有していた。

有機薄膜太陽電池モジュールの光電変換効率を向上させる方法の１つはモジュールの開口率を上げることである。モジュールの開口率を向上させるために種々の工夫がなされている。例えば、セル間の接続スペースを小さくするために、レーザースクライブ方法またはメカニカルスクライブ方法でセル間の接続のための配線経路を形成する技術が開示されている。

しかしながら、有機薄膜太陽電池では、レーザースクライブ方法またはメカニカルスクライブ方法は未だ有効な手段となっていない。これらの方法では、形成した光電変換層の一部を熱的もしくは機械的に取り除き、そこに接続配線を設ける方法である。レーザースクライブ方法では、有機半導体層でレーザー光を熱に変換する効率が低いことが原因で、有機半導体層を満足に取り除くことができない。また、メカニカルスクライブ方法においても、有機半導体層は無機材料より弾性が大きいため、鋭い刃先で削り取るということができず、微細な接続配線の経路を形成することができない。また、紐状の削り屑が出やすく、これを完全に取り除くことができない。

特開平１１−３１２８１５号公報 特開２００４−１１５３５６号公報 特開２０１３−２２５５４８号公報

本実施形態は、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供する。

本実施形態による太陽電池モジュールは、可撓性の基板と、前記基板上に設けられ直列に接続された複数のセルであって、各セルは、前記基板上に設けられた第１電極と、前記第１電極上に設けられた有機光電変換膜と、前記有機光電変換膜上に設けられた第２電極と、を有する、複数のセルと、隣接する２つのセル間の前記基板の部分が屈曲した屈曲部と、を備えている。

第１実施形態による太陽電池モジュールを示す断面図。 比較例による太陽電池モジュールを示す断面図。 第１実施形態の一変形例による太陽電池モジュールを示す断面図。 図４Ａ乃至図４Ｄは、第１実施形態の太陽電池モジュールの製造方法を示す断面図。 図５Ａおよび図５Ｂは、第１実施形態の太陽電池モジュールの製造方法を示す断面図。 図６Ａおよび図６Ｂは、第１実施形態の太陽電池モジュールの製造方法を示す断面図。 第２実施形態による太陽電池モジュールを示す断面図。 空気とＰＥＴとの界面における入射角度と反射率の関係を示す図。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による太陽電池モジュールを図１に示す。この第１実施形態の太陽電池モジュール１００は、直列に接続された複数のセル１_１、１_２、１_３を有している。各セル１_ｉ（ｉ＝１，２，３）は、基板１０上に設けられた第１電極１２と、第１電極１２上に設けられた第１キャリア輸送層１４_１と、第１キャリア輸送層１４_１上に設けられた光電変換層１４_２と、光電変換層１４_２上に設けられた第２キャリア輸送層１４_３と、第２キャリア輸送層１４_３上に設けられた第２電極１６と、を備えている。第１キャリア輸送層１４_１、光電変換層１４_２、および第２キャリア輸送層１４_３は有機光電変換膜１４を構成する。なお、光電変換層１４_２は、有機Ｐ型半導体と有機Ｎ型半導体が混合したバルクヘテロ接合構造を有する層である。また、太陽電池モジュール１００には、セル１_１〜１_３を覆うように封止膜１８が設けられ、封止膜１８上に保護膜２０が設けられている。

本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、隣接する２つのセルの間には、基板１０が屈曲された逆Ｕ字形状の屈曲部２４が設けられている。セル１_ｉ（ｉ＝１，２）においては、第２電極１６が屈曲部２４の基板１０上に延在し、かつ後段のセル１_ｉ＋１の第１電極１２に接続される。これにより、複数のセル１_１、１_２、１_３が直列に接続される。この屈曲部２４によって隣接する２つのセルの第１電極１２同士、有機光電変換膜１４同士、および第２電極１６同士が分断される。また、屈曲部２４は第２電極側に向かって凸となる形状を有し、この凸となる形状の頂点は、セル１_１〜１_３の有機光電変換膜１４上の第２電極１６の上面よりも上側に位置している。

（比較例）
比較例による太陽電池モジュールを図２に示す。この比較例の太陽電池モジュール２００は、本実施形態の太陽電池モジュール１００において、屈曲部２４を設けない構成を有している。すなわち、太陽電池モジュール２００は、直列に接続された複数のセル２_１、２_２、２_３を有している。各セル２_ｉ（ｉ＝１，２，３）は、基板１０上に設けられた第１電極１２と、第１電極１２上に設けられた第１キャリア輸送層１４_１と、第１キャリア輸送層１４_１上に設けられた光電変換層１４_２と、光電変換層１４_２上に設けられた第２キャリア輸送層１４_３と、第２キャリア輸送層１４_３上に設けられた第２電極１６と、を備えている。第１キャリア輸送層１４_１、光電変換層１４_２、および第２キャリア輸送層１４_３は有機光電変換膜１４を構成する。

この比較例の太陽電池モジュール２００においては、隣接する２つのセルの間には、平坦な基板１０が存在している。そして、各セル２_ｉ（ｉ＝１，２，３）の第２電極１６は、第１電極１２および有機光電変換膜１４の側面にも延在し、かつセル２_ｉ（ｉ＝１，２）においては、第２電極１６が平坦な基板１０上に延在するとともに後段のセル２_ｉ＋１の第１電極１２に接続される。これにより、複数のセル２_１、２_２、２_３が直列に接続される。

このように構成された比較例においては、各セルの第１電極１２、有機光電変換膜１４、および第２電極１６を有する積層膜が占有する領域が発電領域になる。しかし、隣接する２つのセル間の領域、すなわち前段のセルの第１電極１２および有機光電変換膜１４における当該セル側の側面から当該セルの第１電極１２、有機光電変換膜１４、および第２電極１６を有する積層膜における前段セル側の側面までの領域が非発電領域となる。すなわち、非発電領域は発電領域よりも狭いものの、著しく狭くは無い。例えば、後述の製造方法に示す通り、非発電領域＝２ｍｍ、発電領域＝１２ｍｍであり、非発電領域＜発電領域となっている。このため、比較例においては、単位面積当たりの発電面積は減少する。

これに対して、本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、隣接する２つのセル間において基板１０が屈曲された屈曲部２４が設けられているので、比較例の太陽電池モジュール２００に比べて、非発電領域は狭くなる。これにより、本実施形態の太陽電池モジュール１００は、比較例の太陽電池モジュール２００に比べて、単位面積当たりの発電面積が増大している。すなわち、隣接する２つのセル間に屈曲部２４を設けることで開口率を向上させることができる。

なお、基板１０を例えば可撓性基板にし、第２電極１６を金属電極にすることで容易に屈曲部２４を形成することができる。金属の性質の１つである延性により、第２電極１６を屈曲しても、太陽電池モジュールの電気特性に影響を与えない。

なお、本実施形態においては、屈曲加工後に、太陽電池モジュール１００の強度を高くするための封止膜１８と、酸素と水の透過を防止するための保護層２０とを設けている。

比較例において、開口率を上げるためには、非発電領域を十分に狭める必要がある。そのためには、第１電極１２の成膜位置の精度に十分留意する必要があり、位置アライメントのための位置センサーや高精度に基板を搬送する搬送ローラおよび送ステージ等の設備投資が必要であった。これに対して、本実施形態では第１電極１２の成膜位置精度に留意する必要は無いため上述のコストは抑えることができ、かつ非発電領域を屈曲させることで容易に開口率が向上することができる。さらに、屈曲部２４の存在により、発電領域の長辺方向（複数のセルが配列された方向における太陽電池モジュールの強度が増す利点も得られる。

以下、本実施形態の太陽電池モジュールを構成する各部材について詳細に説明する。

（基板１０）
基板１０は、他の構成部材を支持するためのものである。この基板１０は、電極を形成でき、可撓性を有し、熱や有機溶剤によって著しく変質しないものが好ましい。基板１０の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム等が挙げられる。

基板１０は、光が入射する側に配置される場合、透明な材料が使用される。第２電極１６が透明または半透明である場合、基板１０として不透明な基板を使用してもよい。なお、本明細書では、透明であるとは、光の透過率が６０％以上であることを意味し、半透明であるとは、光の透過率が３０％以上６０％未満であることを意味する。基板１０の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度と可撓性があれば、特に限定されない。

光が入射される側に基板１０が配置された場合、例えば、図３に示す一変形例のように、基板１０の光入射面には、例えばモスアイ構造の反射防止膜２２を設けることで光を効率的に取り込み、セルのエネルギー変換効率を向上させることが可能である。モスアイ構造は表面に１００ｎｍ程度の規則的な突起配列を有する構造をしており、この突起構造により厚み方向の屈折率が連続的に変化する。この効果により、光の反射が減少し、光電流がより多く生成するため、太陽電池モジュールの光電変換効率が向上する。

（第１電極１２および第２電極１６）
第１電極１２および第２電極１６のうち、入射光側に配置される電極は、光透過性と導電性を有するもの（透明電極とも云う）であれば特に限定されない。

通常は、透明または半透明の導電性を有する材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、または塗布法等を用いて成膜する。透明または半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ(Fluorine-doped Tin Oxide)）、またはインジウム、亜鉛、およびオキサイド等からなる導電性ガラスを用いて作製された酸化スズ膜等が用いられる。特に、ＩＴＯまたはＦＴＯが好ましい。また、金、白金、銀、銅等の金属を用いてもよい。

また、透明電極の材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてもよい。透明電極の膜厚は、ＩＴＯを用いた場合、３０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。３０ｎｍより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、光電変換効率の低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が透明電極に作用するとひび割れてしまう。

更に、透明電極のシート抵抗は可能な限り低いことが好ましく、１０Ω／□以下であることが好ましい。透明電極は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。

第１電極１２および第２電極１６のうち、入射光側に配置されない電極（対向電極とも云う）は、導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、または塗布法等を用いて成膜する。電極材料としては、導電性の金属膜、金属酸化物膜等が挙げられる。

対向電極は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層した積層構造を有していてもよい。単層としては、例えば、金、銀、または銅が挙げられる。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、またはカルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

対向電極の膜厚は、１ｎｍ〜５００ｎｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。膜厚が上記範囲より薄い場合は、抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない。また、屈曲したときに対向電極が破断する可能性もある。

膜厚が厚い場合には、対向電極の成膜に長時間を要するため、材料温度が上昇し、これにより光電変換層にダメージを与え、性能が劣化してしまう。更に、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

（第１キャリア輸送層１４_１および第２キャリア輸送層１４_３）
第１キャリア輸送層１４_１および第２キャリア輸送層１４_３は、一方が正孔輸送層として機能すれば、他方は電子輸送層として機能する。

順構造型の太陽電池モジュールの場合、第１電極１２が透明電極ならば、第１キャリア輸送層１４_１は正孔輸送層、第２キャリア輸送層１４_３は電子輸送層として機能する。一方、逆構造型の太陽電池モジュールの場合、第１電極１４_１が透明電極ならば、第１キャリア輸送層１４_１は電子輸送層、第２キャリア輸送層１４_３は正孔輸送層として機能する。

正孔輸送層は、電子をブロックして正孔のみを効率的に輸送する機能、および光電変換層と正孔輸送層との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。同様に、電子輸送層は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、および光電変換層と電子輸送層との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。

正孔輸送層および電子輸送層の有機物を含む材料は、ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルホン酸（以下、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ（poly(3,4-ethylenedioxythiopherene)-polystyrene acid）とも云う））、またはゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。無機物ではフッ化リチウム、金属カルシウム、酸化亜鉛、酸化モリブデン、または酸化バナジウムなどが挙げられる。

（光電変換層１４_２）
光電変換層１４_２は、第１キャリア輸送層１４_１上に配置される。本実施形態による光電変換層１４_２は、バルクへテロ接合型の光電変換層である。バルクヘテロ接合型の光電変換層は、Ｐ型半導体とＮ型半導体が光電変換層中で混合してミクロ層分離構造を取ることが特徴である。バルクへテロ接合型は、混合されたＰ型半導体とＮ型半導体が光電変換層内でナノオーダーのサイズのＰＮ接合を形成し、接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。

Ｐ型半導体は、電子供与性の性質を有する材料で構成される。これに対して、Ｎ型半導体は、電子受容性の性質を有する材料で構成される。本実施形態においては、Ｐ型半導体およびＮ型半導体の少なくとも一方が有機半導体であってもよい。

Ｐ型有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を使用することができ、これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が挙げられる。

好ましいＰ型有機半導体は、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体である。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、ポリ３−ドデシルチオフェン等のポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェン、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等のポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等のポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。

また近年では、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９”−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体やチエノチオフェンとベンゾジチオフェンからなる共重合体であるＰＴＢ７（ポリ［［４，８−ビス［（２−エチルヘキシル）オキシ］ベンゾ［１，２−ｂ：４−５−ｂ’］ジチオフェン−２，６−ジル］［３−フルオロ−２−［（２−エチルヘキシル）カルボニル］チエノ［３，４−６］チオフェンジル］）、またはＰＴＢ７−Ｔｈ（ポリ［［４，８−ビス［５−（２−エチルヘキシル）チオフェン−２−イル］ベンゾ［１，２−ｂ：４−５−ｂ’］ジチオフェン−コ−３フルオロチエノ［３，４−ｂ］チオフェン−２−カルボキシレート］）などの誘導体が、優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法等により、安価な設備にて低コストで製造できるという利点がある。

Ｎ型有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。ここで使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基等のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ_６０Ｈ_３６、Ｃ_７０Ｈ_３６等の水素化フラーレン、Ｃ_６０、Ｃ_７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。

上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ_６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ_７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ_７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ_７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。

光電変換層１４_２におけるＮ型有機半導体とＰ型有機半導体の混合比率は、Ｎ型有機半導体の含有率を、Ｐ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合、およそＮ：Ｐ＝１：１とすることが好ましく、Ｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、およそＮ：Ｐ＝４：１とすることが好ましい。また、Ｐ型半導体がＰＴＢ７系の場合、およそＮ：Ｐ＝１：１．５とすることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解する必要があるが、それに用いる溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、Ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

溶液を塗布し成膜する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、またはインクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

（封止膜１８）
封止膜１８は、太陽電池モジュールの強度を高めるための膜である。また、封止膜は太陽電池モジュールの光吸収を妨げないために、可視光（波長３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）を透過させることが望ましい。例えば、可視光の透過率は上限に制限は無いが、６０％以上が望ましい。封止膜の厚みは特に制限は無いが、通常１μｍ以上である。

封止膜１８の構成材料としては、上記特性を有する限り制限は無いが、無機または有機太陽電池の封止、無機または有機のＬＥＤ素子の封止等に一般的に用いられている封止用の材料を用いることができる。例えば、紫外線硬化性樹脂組成物または熱可塑性樹脂組成物が挙げられる。具体的な組成としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）樹脂組成物、炭化水素系樹脂組成物、エポキシ系樹脂組成物、ポリエステル系樹脂組成物、アクリル系樹脂組成物、ウレタン系樹脂組成物、またはシリコン系樹脂組成物等が挙げられる。

無機材料としては、金属酸化物膜、金属フッ化物膜、金属窒化物膜、金属酸窒化物膜等が挙げられる。例えば、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ化リチウム膜（ＬｉＦ）、または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）が挙げられる。

（保護膜２０）
保護膜２０は、酸素と水の透過を防止する膜である。保護膜を太陽電池モジュールに形成することで、太陽電池モジュールを酸素と水から保護することができ、発電特性を維持することができる。また、保護膜２０は太陽電池モジュールの光吸収を妨げないために可視光（波長３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）を透過させることが望ましい。例えば、可視光の透過率は上限に制限は無いが、６０％以上が望ましい。

保護膜２０の構成材料としては、上記特性を有する限り制限は無いが、酸素と水の透過を防止する能力を有する材料であるほど材料コストが高くなるため、これらの点を考慮して適切な材料を使用することが望ましい。保護膜２０の具体的な構成材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の基材フィルムにアルミ蒸着したフィルムが挙げられる。保護膜２０の厚みは特に制限は無いが、通常５μｍ以上２００μｍ以下である。

次に、本実施形態の太陽電池モジュール１００の製造方法について、図４Ａ乃至図６Ｂを参照して説明する。

まず、基板１０に厚さが０．１ｍｍのフレキシブルなＰＥＴフィルムを用意する（図４Ａ）。続いて、第１電極１２として基板１０上にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳからなる層１２を形成する（図４Ｂ）。このＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層１２は第１キャリア輸送層としても機能する。ここで、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層は順構造型太陽電池モジュールにおいては正孔輸送層として機能する。まず、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳからなる層を、ダイコート塗布装置を用いて短冊状に塗布し、１５０℃で乾燥させる。このようにして第１電極１２上に、第１キャリア輸送層を形成させる。

次に、Ｐ型有機半導体材料のＰＴＢ７−ＴｈとＮ型有機半導体材料の７０ＰＣＢＭを溶かした溶液を、ダイコート塗布装置を用いて全セルの第１キャリア輸送層上に塗布し、５０℃で乾燥させる。これにより、有機光電変換膜１４の光電変換層が形成される。続いて、電子輸送層として酸化チタン層を、ダイコート塗布装置を用いて塗布し、乾燥させる（図４Ｃ）。これにより、第１電極１２上に有機光電変換膜１６が形成される。その後、マスクを用いてアルミを有機光電変換膜１６上および隣接する２つのセル間に蒸着し、第２電極１６を形成する。この蒸着により、あるセル１_ｉ（ｉ＝１，２，３）の基本構造４_ｉの第１電極１２と、前段のセル１_ｉ−１の基本構造４_ｉ−１の第２電極１６が接続され、複数のセル１_ｉ（ｉ＝１，２，３）の基本構造４_ｉが直列に接続される（図４Ｄ）。

このように、基板１０上に複数のセル１_ｉ（ｉ＝１，２，３）の基本構造４_ｉ（ｉ＝１，２，３）が形成された後、図１に示す屈曲部２４を形成する屈曲加工を行う。この屈曲加工は、機械的かつ熱的に変形を行う。まず、屈曲加工を行うために、複数の基本構造４_１〜４_３が形成された基板１０を支持ステージ３００上に配置する（図５Ａ）。このとき、支持ステージ３００は、発電領域となる部分を支持し、非発電領域となる部分を支持しない。非発電領域を支持ステージが支持しない理由は、屈曲加工を行うための折り曲げ用上部治具３１０、下部治具３２０を用いるからである。

屈曲加工の第１工程では、折り曲げ用上部治具３１０を、複数の基本構造４_１〜４_３が形成された基板１０にアプローチさせる。折り曲げ用上部治具３１０は、後述するように、基本構造４_１〜４_３が配列された方向（図面では左右方向）に可動となるポール３１２を有している。このポール３１２が非発電領域の端部に接したところで、折り曲げ用上部治具３１０の複数の基本構造４_１〜４_３が形成された基板１０へのアプローチを停止する。それ以上アプローチすると、折り曲げ用上部治具３１０のポール３１２が第２電極１６を貫通して複数の基本構造４_１〜４_３にダメージを与えてしまう。また、折り曲げ用上部治具３１０のポール３１２は非発電領域の端部にアプローチするように位置を調整する。

次に、ポール３２２を有している折り曲げ用下部治具３２０を、複数の基本構造４_１〜４_３が形成された基板１０にアプローチさせる。このとき、折り曲げ用下部治具３２０のポール３２２が、非発電領域の中心部にアプローチするように位置調整を行う。折り曲げ用下部治具３２０のポール３２２が、基板１０に接したら、折り曲げ用下部治具３２０をさらに基板１０の方向に移動させる。そして、図５Ｂに示すように、折り曲げ用上部治具３１０のポール３１２の２カ所と、折り曲げ用下部治具３２０のポール３２２の計３カ所を起点に非発電領域の屈曲加工が始まる。この屈曲加工では、折り曲げ用上部治具３１０のポール３１２と折り曲げ用下部治具３２０のポール３２２に加熱機能を具備させ、基板の融点よりも低い熱をかけながら屈曲工程を行うと、容易に非発電領域を屈曲できる。

折り曲げ用下部治具３２０をさらに基板１０の方向に移動させると、非発電領域の屈曲が大きくなるので、より屈曲させるためには非発電領域の水平方向を小さくする必要がある。非発電領域の水平方向を小さくするために、図５Ｂに示すように、折り曲げ用下部治具３２０のポール３２２を基板１０の方向に徐々に移動するに応じて、折り曲げ用上部治具３１０のポール３１２は互いに近づけるように移動する。

このようなプロセスを行うことで、非発電領域を強く屈曲させることができ、最終的に図６Ａに示すように、隣接する２つのセル間に逆Ｕ字形状の屈曲部２４を形成することができる。また、折り曲げ用上部治具３１０のポール３１２と折り曲げ用下部治具３２０のポール３２２に加熱機能を具備させ、基板に熱を印加し、所定の温度（例えば、５０℃）に保ちながら屈曲加工を行ってもよい。この場合、プラスチックや高分子材料からなる基板１０は熱を加えることで０．１％〜５％収縮する。したがって、屈曲形状の基板１０の厚さは、屈曲部２４以外の基板１０の厚さよりも薄くなる。

このような屈曲加工を行った後、封止膜１８として、熱硬化性エポキシ樹脂を太陽電池モジュール１００に充填する。続いて、保護膜２０としてアルミが蒸着されたＰＥＴフィルムを貼り合わせ、８０℃、１時間の熱処理にて密着させる（図６Ｂ）。

図４Ｄに示すように屈曲部２４が形成されない状態において、発電領域幅を１２ｍｍ、非発電領域を２ｍｍとした場合、開口率は１２／（１２＋２）＝０．８６（８６％）である。図６Ａに示すように屈曲部２４を形成することで、厚さが０．１ｍｍの基板１０を用いて、非発電領域幅を０．３ｍｍとすると、開口率は１２／（１２＋０．３）＝０．９８（９８％）に増大する。

以上説明したように、第１実施形態の太陽電池モジュールによれば、非発電領域に屈曲部２４を設けたことにより開口率を増大することが可能となるので、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による太陽電池モジュールの断面を図７に示す。この第２実施形態の太陽電池モジュール１００は、第１実施形態の太陽電池モジュールにおいて、非発電領域にＶ字形状の屈曲部２４を設けた構成を有している。屈曲部２４は基板１０側に向かって凸となる形状を有し、この凸となる形状の頂点は、セル１_１〜１_３が位置する基板１０の下面よりも下側に位置している。

この第２実施形態の太陽電池モジュール１００の製造は、屈曲加工を行う前までは、第１実施形態と同様に行う。図５Ａおよび図５Ｂに示す屈曲加工時に、折り曲げ用上部治具３１０と折り曲げ用下部治具３２０の配置を逆にする。このように治具３１０、３２０の配置を入れ違えることで、第１実施形態では非発電領域に逆Ｕ字形状の屈曲部２４が形成されたが、第２実施形態ではＶ字形状の屈曲部２４が形成される。すなわち、第１実施形態においては屈曲部２４における凸部が第２電極１６側に生じるが、第２実施形態においては、凸部が基板１０側に生じる。また、折り曲げ用上部治具３１０と折り曲げ用下部治具３２０の位置を調整するにより、非発電領域の屈曲部２４の形状を図７に示すように、平坦な基板１０の表面に垂直な面と屈曲部２４の側面との成す角度θ_ｉが５９度となるように作製した。

続いて、封止膜１８として熱硬化性エポキシ樹脂を太陽電池モジュール１００に充填する。その後、保護膜２０としてアルミが蒸着された膜ＰＥＴフィルムを貼り合わせ、８０℃、１時間の熱処理にて密着させて、太陽電池モジュールを作製した。

図７に示すように、屈曲部２４を基板１０側に凸になるようにＶ字形状に変形することで、非発電領域に基板１０側から入射した光を発電領域に導くことができ、太陽電池モジュール１００の光電変換効率を向上することができる。Ｖ字形状部分に入射した光の反射率Ｒは下記フレネル方程式で決まる。

ここで、ｎ_ｔは基板１０の屈折率、ｎ_ｉは空気の屈折率、θ_ｉは図７に示す屈曲部２４のＶ字形状を反映した角度を表わす。空気と基板１０との界面の入射光角度θ_ｉに対する反射率の計算結果を図８に示す。例えば、入射角度θ_ｉが５９°で９０％の反射率、入射角度θ_ｉが８３°で５０％の反射率が得られる。また、単位面積当たりの発電面積も増えるので開口率も増大する。

以上説明したように、第１実施形態の太陽電池モジュールによれば、非発電領域に屈曲部２４を設けたことにより開口率を増大することが可能となるので、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１_１〜１_３ セル
２_１〜２_３ セル
４_１〜４_３ セルの基本構造
１０ 基板
１２ 第１電極
１４ 有機光電変換膜
１４_１ 第１キャリア輸送層
１４_２ 光電変換層
１４_３ 第２キャリア輸送層
１６ 第２電極
１８ 封止膜
２０ 保護膜
３１０ 折り曲げ用上部治具
３１２ 折り曲げ用上部治具のポール
３２０ 折り曲げ用下部治具
３２２ 折り曲げ用下部治具のポール

Claims (9)

1. 可撓性の基板と、
   前記基板上に設けられ直列に接続された複数のセルであって、各セルは、前記基板上に設けられた第１電極と、前記第１電極上に設けられた有機光電変換膜と、前記有機光電変換膜上に設けられた第２電極と、を有する、複数のセルと、
   隣接する２つのセル間の前記基板の部分が屈曲した屈曲部と、
   を備えている太陽電池モジュール。
2. 各セルの前記第２電極は、前記屈曲部の上面に沿って延在して後段のセルの前記第１電極に接続される請求項１記載の太陽電池モジュール。
3. 前記屈曲部は、前記第２電極に向かって凸となる形状を有している請求項１または２記載の太陽電池モジュール。
4. 前記凸となる形状の頂点は、前記セルの前記有機光電変換膜上の前記第２電極の上面よりも上側に位置している請求項３記載の太陽電池モジュール。
5. 前記屈曲部は、前記基板に向かって凸となる形状を有している請求項１または２記載の太陽電池モジュール。
6. 前記凸となる形状の頂点は、前記セルが位置している前記基板の下面よりも下側に位置している請求項５記載の太陽電池モジュール。
7. 前記屈曲部における前記基板の厚さは、前記セルが位置する基板の厚さよりも薄い請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
8. 各セルの第２電極上および前記屈曲部上に設けられた封止膜と、前記封止膜上に設けられた保護膜と、を更に備えた請求項１乃至７のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
9. 前記有機光電変換膜は、第１キャリア輸送層と、第２キャリア輸送層と、前記第１キャリア輸送層と前記第２キャリア輸送層との間に設けられた光電変換層と、を備えている請求項１乃至８のいずれかに記載の太陽電池モジュール。

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