JP2020072203A - 有機系太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】有機系太陽電池の利便性を高めること。【解決手段】有機系太陽電池は、透明電極層21と、透明電極層21に対向した対向電極層32と、透明電極層21と対向電極層32との間に設けられた有機発電層25と、透明電極層21に接続された第1の電極21aと、対向電極層32に接続され、かつ平面視で第1の電極21aがある側に設けられた第2の電極21bとを有することを特徴とする。【選択図】図5

Description

本発明は、有機系太陽電池に関する。
太陽電池には様々なタイプがあるが、なかでもアモルファスシリコンで光電変換を行うアモルファスシリコン型の太陽電池は、個人宅や街路灯に電力を供給する電池として広く普及している。その一方で、アモルファスシリコン型の太陽電池よりも低照度における光電変換効率が高い有機系太陽電池の開発も行われている(例えば特許文献1、2)。
太陽電池から電力を取り出すための構造もいくつか提案されている。例えば、特許文献3では、矩形状の太陽電池の一辺に正極を引き出すと共に、当該一辺に相対する辺に負極を引き出す構造が提案されている。
特開2017−28094号公報 特開2017−222640号公報 国際公開第2017/014182号
しかしながら、特許文献3のように正極と負極とを互いに反対の方向に引き出したのでは、正極用と負極用のコネクタを別々に設けなければならない。そのため、これらのコネクタに太陽電池を接続する手間が煩雑となり、太陽電池の利便性が低下してしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、有機系太陽電池の利便性を高めることを目的とする。
本発明に係る有機系太陽電池は、透明電極層と、前記透明電極層に対向した対向電極層と、前記透明電極層と前記対向電極層との間に設けられた有機発電層と、前記透明電極層に接続された第1の電極と、前記対向電極層に接続され、かつ平面視で前記第1の電極がある側に設けられた第2の電極とを有する。
上記有機系太陽電池において、前記透明電極層、前記対向電極層、及び前記有機発電層が相互に重なり合うセル領域は平面視で多角形であり、前記第1の電極と前記第2の電極の各々は、平面視で前記多角形の同一の辺から前記セル領域の外に延びていてもよい。
上記有機系太陽電池において、前記透明電極層、前記対向電極層、及び前記有機発電層が相互に重なり合うセル領域は、平面視で曲線状の辺を備えており、前記第1の電極と前記第2の電極の各々は、平面視で前記辺から前記セル領域に外に延びていてもよい。
上記有機系太陽電池において、平面視において前記セル領域の内側の一点から90°の角度範囲に前記第1の電極と前記第2の電極とが位置してもよい。
上記有機系太陽電池において、前記セル領域が円または楕円であって、前記セル領域の内側の一点が前記円または楕円の中心の一点でもよい。
上記有機系太陽電池において、光が入射する第1の主面と、前記透明電極層が形成された第2の主面とを備えた透明基板を更に有し、前記第1の電極と前記第2の電極は、前記透明基板の前記第2の主面に形成されてもよい。
上記有機系太陽電池において、前記第1の電極は、前記第2の主面の上で前記透明電極層の一部を延長することにより形成され、前記第2の電極は、前記透明電極層と同じ面内に位置してもよい。
上記有機系太陽電池において、前記対向電極層を介して前記透明基板に張り合わせられた支持基板を更に有し、前記第1の電極と前記第2の電極の各々が、前記支持基板で覆われずに露出してもよい。
本発明によれば、有機系太陽電池の利便性を高めることができる。
(a)、(b)は、第1実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その1)である。 (a)、(b)は、第1実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その2)である。 (a)、(b)は、第1実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その3)である。 (a)、(b)は、第1実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その4)である。 (a)、(b)は、第1実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その5)である。 第1実施例に係る有機系太陽電池の模式平面図である。 第1実施例に係るコネクタの斜視図である。 第1実施例に係るコネクタのスロットに有機系太陽電池を挿入したときの斜視図である。 第1実施例に係るコネクタの使用方法の一例を示す斜視図である。 (a)、(b)は、第2実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その1)である。 (a)、(b)は、第2実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その2)である。 第2実施例に係る有機系太陽電池の模式平面図である。 (a)、(b)は、第3実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。 (a)、(b)は、第4実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。 (a)、(b)は、第5実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その1)である。 (a)、(b)は、第5実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その2)である。 (a)、(b)は、第5実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その3)である。 第5実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その4)である。 第5実施例に係る有機系太陽電池の模式平面図である。 (a)、(b)は、第6実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その1)である。 第6実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その2)である。 (a)、(b)は、第7実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その1)である。 (a)、(b)は、第7実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その2)である。 (a)、(b)は、第7実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その3)である。 (a)、(b)は、第7実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図(その4)である。 第7実施例に係る有機系太陽電池の模式平面図である。 (a)は、第8実施例の第1例に係る有機系太陽電池の模式平面図であり、(b)は、第8実施例の第2例に係る有機系太陽電池の模式平面図である。 (a)は、第8実施例の第3例に係る有機系太陽電池の模式平面図であり、(b)は、第8実施例の第3例の他の例に係る有機系太陽電池の模式平面図である。 (a)、(b)は、第9実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。
以下、図面を参照しつつ、各実施例について説明する。
(第1実施例)
図1(a)〜図5(b)は、第1実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。
本実施例では、以下のようにして有機系太陽電池として色素増感太陽電池を作製する。まず、図1(a)に示すように、相対する第1の主面20aと第2の主面20bとを備えた透明基板20を用意する。
これらの主面のうち、第1の主面20aは、実使用下において光が入射する入射面となる。一方、第2の主面20bには、予め透明電極層21としてフッ素がドープされた酸化錫(FTO)層が0.1μm〜0.5μm程度の厚さに形成される。なお、FTO層に代えて、酸化亜鉛層、インジウム−錫複合酸化物層、インジウム−錫複合酸化物層と銀層との積層膜、及びアンチモンがドープされた酸化錫層のいずれかを透明電極層21として形成してもよい。
また、透明基板20はガラス基板であって、その長辺の長さAxは5mm〜40mm、例えば25mmであり、短辺の長さAyは5mm〜20mm、例えば15mmである。また、透明基板20の厚さAzは、0.1mm〜3mm、例えば1.1mmである。なお、ガラス基板に代えて透明なプラスチック板を透明基板20として使用してもよい。
次に、図1(b)に示すように、透明電極層21をレーザ光で切削することにより、透明電極層21に幅が10μm〜300μm、例えば100μmのスリットSを形成する。これにより、透明基板20のセル領域Iに透明電極層21を残しつつ、透明電極層21の一部を電極領域IIに延長してなる第1の電極21aが形成される。これと共に、スリットSで第1の電極21aから隔てられた部分の透明電極層21が第2の電極21bとなる。その第2の電極21bは、透明基板20の主面に形成されており、セル領域Iにおける透明電極層21と同じ面内に位置することになる。
なお、セル領域Iは、透明基板20において太陽電池セルが形成される領域である。また、電極領域IIは、その太陽電池セルから電力を引き出すための電極21a、21bが形成される領域である。
各領域I、IIの形状や大きさは特に限定されない。セル領域Iは、平面視で一辺の長さLが1mm〜20mm、例えば15mmの正方形状の領域とする。また、電極領域IIにおける各電極21a、21bは平面視で矩形状であり、その長辺の長さBxは4mm〜20mm、例えば10mmである。また、各電極21a、21bの短辺の長さByは2mm〜10mm、例えば7.5mmである。
次に、図2(a)に示すように、チタンアルコキシドから調整したアルコール溶液をセル領域Iにおける透明電極層21の上に塗布した後、そのアルコール溶液を加熱して乾燥させることにより、逆電子移動防止層22を5nm〜0.1μm程度の厚さに形成する。本工程における乾燥温度は特に限定されず、450℃〜650℃、例えば550℃程度の温度で乾燥を行えばよい。
続いて、図2(b)に示すように、粒径が5nm〜50nmの酸化チタン粒子が分散されたスラリを逆電子移動防止層22の上にスクリーン印刷法で1μm〜10μm程度の厚さに塗布し、それを加熱して有機物成分を除去することにより半導体層25aを形成する。そのスラリとして、例えば日揮触媒化成製の酸化チタンペーストを使用する。また、スラリの加熱温度は450℃〜650℃、例えば550℃であり、その乾燥時間は10分〜120分、例えば30分程度である。
なお、半導体層25aを構成する半導体粒子は酸化チタン粒子に限定されず、Cd、Zn、In、Pb、Mo、W、Sb、Bi、Cu、Hg、Ti、Ag、Mn、Fe、V、Sn、Zr、Sr、Ga、Si、Cr、及びNbのいずれかの酸化物の粒子で半導体層25aを構成してもよい。更に、SrTiOやCaTiO等のペロブスカイト型酸化物の粒子で半導体層25aを形成してもよい。
また、半導体層25aを形成する領域は、セル領域I(図1(b)参照)と同じ正方形の領域である。その後、色素を含有する有機溶液に透明基板20を浸漬し、半導体層25aを構成する半導体粒子の表面に色素を吸着させる。その有機溶液や浸漬条件も特に限定されない。例えば、アセトニトリルとt−ブタノールとを1:1の体積比率で混合した有機溶媒を用意し、その有機溶媒に色素としてCYC−B11(K)を0.1mM〜1mM、例えば0.2mMの濃度で添加してなる有機溶液を本工程で使用し得る。そして、その有機溶液を0℃〜80℃、例えば50℃に保温しつつ、有機溶媒に透明基板20を1時間〜12時間、例えば4時間だけ浸漬することで半導体層25aに色素を吸着させればよい。
更に、色素も上記に限定されず、金属錯体色素や有機色素を半導体層25aに吸着させればよい。このうち、金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体、ルテニウム−トリス錯体、ルテニウム−ビス錯体、オスミウム−トリス錯体、オスミウム−ビス錯体等の遷移金属錯体がある。また、亜鉛−テトラ(4−カルボキシフェニル)ポルフィリン、鉄−ヘキサシアニド錯体も金属錯体色素の一例である。
また、有機色素としては、例えば、9−フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素、アクリジン系色素、トリフェニルメタン系色素、テトラフェニルメタン系色素、キノン系色素、アゾ系色素、インジゴ系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、及びカルバゾール化合物系色素等がある。
続いて、図3(a)に示すように、スリットSに紫外線硬化樹脂27を塗布し、紫外線の照射により紫外線硬化樹脂27を硬化させる。
次に、図3(b)に示す工程について説明する。まず、固体電解質前駆体26として、ヨウ素、1,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド(DMII)、アセトニトリル、及び分子量が100万のポリエチレンオキシドの各々を均一になるように混合する。次いで、この固体電解質前駆体26を半導体層25aの上に0.1μL〜50μL、例えば20μLだけ滴下し、半導体層25aに固体電解質前駆体26を含浸させる。そして、半導体層25aを50℃〜150℃、例えば100℃に加熱し、この状態を1分〜60分、例えば30分間維持することにより、固体電解質前駆体26に含まれる余剰のアセトニトリルを揮発させ、半導体層25aの上の固体電解質前駆体26を固体電解質層25bとする。その後に、半導体層25aを室温に戻す。なお、予めスリットSに紫外線硬化樹脂27を塗布したことで、固体電解質層25bと第2の電極21bとを紫外線硬化樹脂27で絶縁することができる。また、その紫外線硬化樹脂27により、固体電解質層25bが第1の電極21aに接触するのを防止することもできる。
ここまでの工程により、半導体層25aと固体電解質層25bとをこの順に積層してなる有機発電層25が得られる。なお、固体電解質前駆体26に含まれる電解質はDMIIに限定されない。例えば、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等のヨウ素塩であって、室温付近で固体状態にある塩を使用したり、室温付近で溶融状態にある常温溶融塩をイオン液体として使用し得る。そのような常温溶融塩としては、例えば、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド(BMII)、1−エチル−ピリジニウムヨージド等のヨウ化4級アンモニウム塩化合物等がある。
更に、固体電解質層25bの材料は上記に限定されず、酸化還元対を含有する溶融塩、オキサジアゾール化合物、及びピラゾリン化合物等の有機半導体材料を固体電解質層25bの材料として使用してもよい。また、ヨウ化銅や臭化銅等の金属ハロゲン化物材料で固体電解質層25bを形成してもよい。なお、固体電解質層25bに代えて液体電解質層やゲル状電解質層を形成してもよい。
続いて、図4(a)に示すように、有機発電層25の上方に対向電極33を配する。対向電極33の層構造は特に限定されない。この例では、金属箔31として厚さが5μm〜10μm程度のチタン箔を用意し、その金属箔31の両主面のうち透明基板20に対向する主面の全面に対向電極層32として白金層をスパッタ法で0.01μm〜0.1μm程度の厚さに形成することで対向電極33を作製する。
なお、対向電極層32の材料としては、上記の白金の他に、パラジウム、ロジウム、及びインジウム等の触媒機能を有する金属もある。また、グラファイトで対向電極層32を形成してもよい。更に、白金を担持したカーボン、インジウム−錫複合酸化物、アンチモンがドープされた酸化錫、及びフッ素がドープされた酸化錫で対向電極層32を形成してもよい。その他の材料としては、ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフエン)(PEDOT)、及びポリチオフェン等の有機半導体がある。
次に、図4(b)に示すように、有機発電層25と対向電極層32の間から気泡を排除しつつ、有機発電層25に対向電極層32を密着させる。なお、本工程を減圧雰囲気中や真空中で行うことで、有機発電層25と対向電極層32との間に気泡が残留し難くなる。
次いで、図5(a)に示すように、対向電極33と第2の電極21bの各々の上に導電ペースト34として銀ペーストを塗布する。その後、導電ペースト34を加熱して固化させることにより、導電ペースト34で対向電極33と第2の電極21bとを電気的に接続する。なお、導電ペースト34の加熱温度は特に限定されず、50℃〜150℃、例えば100℃程度の温度で加熱し得る。
次に、図5(b)に示すように、第1の電極21aと第2の電極21bが露出するように、対向電極33と透明基板20の側面とを紫外線硬化樹脂36で覆う。なお、透明基板20の第1の主面20aは紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出した状態とする。その後に、紫外線照射により紫外線硬化樹脂36を硬化させ、透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極33の各々を紫外線硬化樹脂36で保護する。なお、対向電極33の主面の中央部の一部が、紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。
以上により、本実施例に係る有機系太陽電池40の基本構造が完成する。この有機系太陽電池40は、前述のように色素増感太陽電池であって、透明基板20の第1の主面20aから入射した光Cが透明電極層21を透過して有機発電層25に至り、透明電極層21と対向電極33との間に約0.6V程度の起電力が生じる。なお、この例では、透明電極層21に接続された第1の電極21aが負極となり、対向電極33に接続された第2の電極21bが正極となる。
特に、色素増感太陽電池は、冬季や朝夕の弱い太陽光に対する起電力がシリコン系の太陽電池よりも高いため、弱い光の下で使用されるIoT(Internet of Things)デバイス用の電池として好適である。
また、この例では、透明基板20の第2の主面20b(図1(a)参照)に透明電極層21と各電極21a、21bとを形成したため、第1の主面20aから入射した光が各電極21a、21bで遮られず、光Cを光電変換に有効利用することができる。
図6は、この有機系太陽電池40の模式平面図である。図6に示すように、セル領域Iは、平面視で透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極層32の全てが重なる矩形状の領域となる。本実施例では、有機系太陽電池40において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを引き出すことで、セル領域Iの同一の辺41から各電極21a、21bがセル領域Iの外に延びるようにする。
次に、この有機系太陽電池40と共に使用されるコネクタについて説明する。
図7は、本実施例に係るコネクタの斜視図である。図7に示すように、このコネクタ50は、有機系太陽電池40を収容するコネクタハウジング51を備える。コネクタハウジング51は、薄板状のボディ52と、そのボディ52の両面に固着された薄板状の一対のカバー53とを有し、これらボディ52とカバー53によってスロット54が画定される。なお、ボディ52とカバー53は、いずれも樹脂から形成される。
また、一対のカバー53の対向面53aは互いに略平行であり、これにより有機系太陽電池40がスロット54にスムーズに挿入される。スロット54内には複数の片持ち梁状のコンタクト55が設けられる。各コンタクト55は、銅等の金属薄板からなり、インサート成型によってコネクタハウジング51と一体的に設けられる。なお、インサート成型に代えて、コネクタハウジング51に各コンタクト55を圧入してもよい。
また、各コンタクト55の一端55aは、スロット54内において上下に弾性変形可能となるように設けられる。一方、各コンタクト55の他端55bは、カバー53の対向面53aに対して垂直に屈曲しており、不図示の配線基板の挿入孔に挿入自在となっている。
図8は、スロット54に有機系太陽電池40を挿入したときの斜視図である。図8に示すように、有機系太陽電池40は、透明基板20の第1の主面20aが光Cの入射方向に向いた状態で、各電極21a、21b側からスロット54に挿入される。これにより、各コンタクト55の一端55aが第1の電極21aと第2の電極21bのいずれかの表面にコンタクトし、有機系太陽電池40で発生した電力を各コンタクト55から取り出すことが可能となる。
特に、本実施例では、図6に示したように、有機系太陽電池40において第1の電極21aと同じ側に第2の電極21bを設けたため、これらの電極21a、21bをコネクタ50に挿抜するのが容易となり、有機系太陽電池40の利便性を高めることが可能となる。
なお、この例では、四本のコンタクト55のうち隣接する二本を負極にし、これら二本のコンタクト55を第1の電極21aに接続する。また、残りの二本のコンタクト55を正極にし、これらのコンタクト55を第2の電極21bに接続する。
図9は、コネクタ50の使用方法の一例を示す斜視図である。図9の例では、配線基板58としてブレッドボードを使用し、その配線基板58に三つのコネクタ50を実装した場合を想定している。この場合、各コネクタ50のコンタクト55の他端55bを配線基板58の挿入孔58aに挿入する。また、この例では、ジャンパ線56により有機系太陽電池40を直列に接続する。これにより、1.8V(=3×0.6V)程度の高い電圧を得ることができ、有機系太陽電池40を単体で使用する場合よりも高い電圧を得ることができる。
(第2実施例)
本実施例では、以下のようにして対向電極33を第1実施例とは異なる平面形状とする。
図10(a)、(b)及び図11(a)、(b)は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。なお、これらの図において、第1実施例で説明したのと同じ要素には第1実施例におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、第1実施例で説明した図1(a)〜図4(a)を行うことにより、図10(a)に示すように、有機発電層25の上方に対向電極33を配する。対向電極33の層構成は第1実施例と同様であり、チタン箔等の金属箔31の上に対向電極層32として白金層を形成してなる対向電極33を使用する。
但し、第1実施例では対向電極33を平面視で矩形状としたのに対し、本実施例では第2の電極21bに重なる延長部33aを対向電極33に設ける。その延長部33aの大きさは特に限定されない。例えば、延長部33aの突出量Cxは1mm〜10mm程度であり、延長部33aの幅Cyは2mm〜10mm程度である。
次に、図10(b)に示すように、第2の電極21bにおいて有機発電層25寄りの部分に導電ペースト34として銀ペーストを塗布する。次いで、図11(a)に示すように、減圧雰囲気中や真空中で対向電極層32を有機発電層25に密着させると共に、延長部33aと第2の電極21bとを導電ペースト34を介して接続する。その後に、導電ペースト34を50℃〜150℃、例えば100℃に加熱して固化させる。
次に、図11(b)に示すように、第1の電極21aと第2の電極21bが露出するように、対向電極33と透明基板20の側面とを紫外線硬化樹脂36で覆う。なお、光Cが入射する第1の主面20aは紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出した状態とする。その後に、紫外線照射により紫外線硬化樹脂36を硬化させ、透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極33の各々を紫外線硬化樹脂36で保護する。なお、第1実施例と同様に、対向電極33の主面の中央部の一部が、紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。
以上により、本実施例に係る有機系太陽電池70の基本構造が完成する。
図12は、この有機系太陽電池70の模式平面図である。図12に示すように、本実施例では対向電極33に延長部33aを設けたものの、平面視で透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極層32の全てが重なるセル領域Iは第1実施例と同様の矩形状となる。
そして、第1実施例と同様に、有機系太陽電池70において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを設けることで、セル領域Iの同一の辺41から各電極21a、21bが外に向かって伸びる。これにより、コネクタ50(図7参照)のスロット54に各電極21a、21bを挿抜するのが容易となり、有機系太陽電池70の利便性を高められる。
(第3実施例)
本実施例は、対向電極33の層構成のみが第2実施例と異なり、これ以外は第2実施例と同じである。
図13(a)、(b)は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。なお、これらの図において、第1実施例や第2実施例で説明したのと同じ要素にはこれらの実施例におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、図13(a)に示すように、第2実施例の図10(a)と同様にして有機発電層25の上方に対向電極33を配する。但し、本実施例では、樹脂フィルム71の上に下地金属層72と対向電極層32とをこの順に形成してなる対向電極33を使用する。その樹脂フィルム71は、例えば厚さが10μm〜200μm程度のPEN(ポリエチレンナフタレート)フィルムである。
また、下地金属層72はスパッタ法で形成された厚さが1μm〜10μm程度のチタン層である。そして、対向電極層32は、第1実施例と同様にスパッタ法で形成された厚さが0.1μm〜0.3μm程度の白金層である。なお、第2実施例と同様に対向電極33には延長部33aが設けられており、その延長部33aにも対向電極層32と下地金属層72とが形成される。
この後は、第2実施例で説明した図10(b)〜図11(b)の工程を行うことにより、図13(b)に示す本実施例に係る有機系太陽電池70の基本構造を完成させる。本実施例においても、第2実施例の図12で説明したように、有機系太陽電池70において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを設けたため、これらの電極21a、21bをコネクタ50(図7参照)に挿抜するのが容易となる。なお、図13(b)では対向電極33の主面の全てを紫外線硬化樹脂36で覆った場合を例示しているが、第1実施例と同様に当該主面の中央部の一部が紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。
(第4実施例)
本実施例は、対向電極33の層構成のみが第3実施例と異なり、これ以外は第3実施例と同じである。
図14(a)、(b)は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。なお、これらの図において、第1〜第3実施例で説明したのと同じ要素にはこれらの実施例におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。まず、図14(a)に示すように、第3実施例の図13(a)と同様に有機発電層25の上方に対向電極33を配する。
但し、本実施例では、第3実施例の下地金属層72を対向電極33から省き、樹脂フィルム71の上に対向電極層32として白金層をスパッタ法で直接形成する。この後は、第2実施例で説明した図10(b)〜図11(b)の工程を行うことにより、図14(b)に示す本実施例に係る有機系太陽電池70の基本構造を完成させる。
本実施例においても、第2実施例の図12のように有機系太陽電池70において各電極21a、21bを同じ側に設けることで、各電極21a、21bをコネクタ50(図7参照)に簡単に挿抜することができる。なお、図14(b)では対向電極33の主面の全てを紫外線硬化樹脂36で覆った場合を例示しているが、第1実施例と同様に当該主面の中央部の一部が紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。
(第5実施例)
本実施例では、以下のようにして正極側にガラス基板を使用する。図15(a)〜図18は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。なお、これらの図において、第1〜第4実施例で説明したのと同じ要素にはこれらの実施例におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、第1実施例の図1(a)〜図2(b)の工程を行うことにより、図15(a)に示すように、透明基板20の上に透明電極層21、逆電子移動防止層22、及び半導体層25aがこの順に形成された構造を得る。次に、図15(b)に示すように、第1の電極21aにおいて半導体層25a寄りの部分とスリットSとに紫外線硬化樹脂27を塗布する。そして、紫外線の照射により紫外線硬化樹脂27を硬化させる。
続いて、図16(a)に示すように、半導体層25aの上に固体電解質前駆体26を0.1μL〜50μL、例えば20μLだけ滴下し、半導体層25aに固体電解質前駆体26を含浸させる。その固体電解質前駆体26として、ヨウ素、1,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド(DMII)、アセトニトリル、及び分子量が100万のポリエチレンオキシドの各々を均一に混合した溶液を使用する。
更に、半導体層25aを加熱することにより固体電解質前駆体26に含まれる余剰のアセトニトリルを揮発させ、半導体層25aの上の固体電解質前駆体26を固体電解質層25bとする。なお、半導体層25aの加熱温度と加熱時間は特に限定されない。加熱温度は50℃〜150℃、例えば100℃とし得る。また、加熱時間は1分〜60分、例えば30分とし得る。その後に、半導体層25aを室温に戻す。
ここまでの工程により、半導体層25aと固体電解質層25bとをこの順に積層してなる有機発電層25が得られる。次に、図16(b)に示すように、第2の電極21bにおいて有機発電層25寄りの部分に導電ペースト34として銀ペーストを塗布する。
続いて、図17(a)に示すように、透明基板20の上方に支持基板75としてガラス基板を配する。その支持基板75の両主面のうち、透明基板20に対向する主面の全面には、対向電極33として下地金属層72と対向電極層32とがこの順に形成される。
このうち、下地金属層72は、例えばスパッタ法で形成された厚さが1μm〜10μm程度のチタン層である。そして、対向電極層32は、例えばスパッタ法で形成された厚さが0.1μm〜0.3μm程度の白金層である。また、支持基板75の大きさも特に限定されないが、長辺の長さDxは5mm〜30mm、例えば17mmであり、短辺の長さDyは5mm〜20mm、例えば15mmである。また、支持基板75の厚さDzは0.1mm〜3mm、例えば1.1mmである。
次に、図17(b)に示すように、各電極21a、21bを支持基板75から露出させながら、透明基板20と支持基板75とを張り合わせる。これにより、有機発電層25に対向電極層32が密着すると共に、対向電極層32と第2の電極21bとが導電ペースト34を介して接続される。なお、本工程を減圧雰囲気中や真空中で行うことにより、有機発電層25と対向電極層32との間から気泡を排除し易くなる。
その後に、導電ペースト34を50℃〜150℃、例えば100℃に加熱して固化させる。次いで、図18に示すように、透明基板20と支持基板75のうち、光Cが入射する第1の主面20aと各電極21a、21bを除いた部分を紫外線硬化樹脂36で覆う。その後に、紫外線照射により紫外線硬化樹脂36を硬化させ、透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極33の各々を紫外線硬化樹脂36で保護する。なお、支持基板75の主面の中央部の一部が紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。
以上により、本実施例に係る有機系太陽電池80の基本構造が完成する。
上記した本実施例によれば、透明基板20と支持基板75とを張り合わせることにより、有機系太陽電池80を補強することができる。
図19は、この有機系太陽電池80の模式平面図である。図19に示すように、本実施例でも平面視で透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極層32の全てが重なるセル領域Iは第1〜第4実施例と同様に矩形状となる。
そして、有機系太陽電池80において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを設けることで、セル領域Iの一つの辺41から各電極21a、21bがセル領域Iの外に延びるようにする。これにより、第1〜第4実施例と同様に、コネクタ50(図7参照)に各電極21a、21bを挿抜するのが容易となる。
(第6実施例)
第5実施例と同様に、本実施例でも支持基板75を使用する。図20(a)、(b)及び図21は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。なお、これらの図において、第1〜第5実施例と同じ要素にはこれらの実施例におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、第5実施例の図17(a)の工程と同様にして、図20(a)に示すように、透明基板20の上方に支持基板75を配する。但し、本実施例では、第5実施例とは異なり、支持基板75に下地金属層72を形成せず、対向電極層32として白金層を支持基板75に直接形成する。
続いて、図20(b)に示すように、透明基板20と支持基板75とを張り合わせ、有機発電層25に対向電極層32を密着させる。これと共に、対向電極層32と第2の電極21bとを導電ペースト34を介して接続する。その後に、導電ペースト34を50℃〜150℃、例えば100℃に加熱して固化させる。
次に、図21に示すように、第5実施例におけるのと同じ部位に紫外線硬化樹脂36を塗布した後、紫外線の照射によって紫外線硬化樹脂36を硬化させる。なお、第5実施例と同様に、支持基板75の主面の中央部の一部が紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。以上により、本実施例に係る有機系太陽電池80の基本構造が完成する。
上記した本実施例においても、第5実施例と同様に、有機系太陽電池80において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを設ける。そのため、各電極21a、21bをコネクタ50に挿抜するのが容易となる。
(第7実施例)
第1〜第6実施例とは異なり、本実施例では有機系太陽電池として有機薄膜太陽電池を製造する。
図22(a)〜図25(b)は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。なお、これらの図において、第1〜第6実施例におけるのと同じ要素にはこれらの実施例におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。まず、第1実施例で説明した図1(a)及び図1(b)の工程を行うことにより、図22(a)に示すように、セル領域Iに透明電極層21が形成され、かつ電極領域IIに各電極21a、21bが形成された構造を得る。
次に、図22(b)に示すように、スリットSに紫外線硬化樹脂27を塗布し、更に紫外線の照射により紫外線硬化樹脂27を硬化させる。
続いて、図23(a)に示すように、セル領域Iにおける透明電極層21の上に導電性ポリマを塗布した後、それを80℃〜150℃、例えば120℃程度の温度で乾燥させることにより透光性の正極層83を形成する。正極層83の材料である導電性ポリマは特に限定されないが、本実施例ではポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)とを含む導電性ポリマを使用する。
次に、図23(b)に示すように、正極層83の上に有機半導体ポリマであるポリ(3−ヘキシルチオフェン−2、5−ジイル)(P3HT)をスピンコート法で塗布し、それを50℃〜150℃、例えば100℃程度の温度で乾燥させてドナー層84とする。なお、第1の電極21aや第2の電極21bに塗布された有機半導体ポリマは乾燥前に予め拭き取っておき、これらの電極21a、21bの上にドナー層84が形成されないようにする。
続いて、図24(a)に示すように、ドナー層84の上にPCBM(フェニルC61酪酸メチルエステル)の溶液をスピンコート法で塗布し、それを加熱して乾燥させることによりアクセプタ層85を形成する。その乾燥により、ドナー層84とアクセプタ層85の各々に含まれる溶媒が蒸発する。
なお、乾燥温度と乾燥時間は特に限定されない。乾燥温度は100℃〜200℃、例えば150℃とし得る。また、乾燥時間は5分〜60分、例えば30分とし得る。更に、各電極21a、21bに塗布されたPCBMの溶液は乾燥前に予め拭き取っておき、これらの電極21a、21bの上にアクセプタ層85が形成されないようにする。
ここまでの工程により、ドナー層84とアクセプタ層85とをこの順に形成してなる有機発電層86が得られる。次いで、図24(b)に示すように、その有機発電層86の上に対向電極層87としてアルミニウム層を蒸着法で0.1μm〜10μm程度の厚さに形成する。
次に、図25(a)に示すように、対向電極層87と第2の電極21bの各々の上に導電ペースト34として銀ペーストを塗布し、それを50℃〜150℃、例えば100℃程度の温度で固化させて、導電ペースト34で対向電極層87と第2の電極21bとを電気的に接続する。
そして、図25(b)に示すように、第1の電極21aと第2の電極21bが露出するように、対向電極層87と透明基板20の側面とを紫外線硬化樹脂36で覆う。なお、光Cが入射する第1の主面20aは紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出した状態とする。その後に、紫外線照射により紫外線硬化樹脂36を硬化させ、透明電極層21、正極層83、有機発電層86、及び対向電極層87の各々を紫外線硬化樹脂36で保護する。なお、対向電極層87の主面の中央部の一部が、紫外線硬化樹脂36で覆われずに露出していてもよい。
以上により、本実施例に係る有機系太陽電池90の基本構造が完成する。この有機系太陽電池90は、前述のように有機薄膜太陽電池であって、透明基板20の第1の主面20aから入射した光が透明電極層21と正極層83とを透過して有機発電層86に至り、正極層83と対向電極層87との間に起電力が生じる。なお、この例では第1の電極21aが正極となり、第2の電極21bが負極となる。
図26は、この有機系太陽電池90の模式平面図である。図26に示すように、本実施例でも平面視で透明電極層21、有機発電層25、及び対向電極層32の全てが重なるセル領域Iは矩形状となる。
そして、有機系太陽電池90において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを設けることで、セル領域Iの一つの辺41から各電極21a、21bがセル領域Iの外に延びるようにする。これにより、第1〜第6実施例と同様に、コネクタ50(図7参照)に各電極21a、21bを挿抜するのが容易となる。
(第8実施例)
本実施例では、セル領域I、第1の電極21a、及び第2の電極21bの相互の位置関係の様々な例について説明する。
・第1例
図27(a)は、本実施例の第1例に係る有機系太陽電池40の模式平面図である。図27(a)に示すように、本例では、セル領域Iを平面視で六角形とする。そして、有機系太陽電池40において第1の電極21aがある側に第2の電極21bを引き出すことで、六角形を構成する六つの辺のうちの一つの辺41から各電極21a、21bがセル領域Iの外に延びるようにする。
なお、セル領域Iの平面形状は六角形に限定されず、五角形や七角形以上の多角形でもよい。また、これらの多角形の各頂点を面取りし、各頂点が丸みを帯びた実質的に多角形の形状にセル領域Iを形成してもよい。更に、各電極21a、21bが設けられる一つの辺41が直線状であれば、辺41のセル領域Iの輪郭は曲線状であってもよい。
また、この例では第1実施例に係る有機系太陽電池40を例にして説明したが、第2〜第7実施例に係る有機系太陽電池70、80、90に本変形例を適用してもよい。これについては後述の第2変形例や第3変形例でも同様である。
・第2例
図27(b)は、本実施例の第2例に係る有機系太陽電池40の模式平面図である。図27(b)に示すように、本例では第1の電極21aを二つ設けることで、各電極21a、21bの総数を三つとする。この場合も、セル領域Iの同じ側に各電極21a、21bを設け、セル領域Iの同一の辺41から各電極21a、21bがセル領域Iの外に延びるようにする。
なお、各電極21a、21bの総数は三つに限定されず、総数を四つ以上としてもよい。
・第3例
図28(a)は、本実施例の第3例に係る有機系太陽電池40の模式平面図である。図28(a)に示すように、本例ではセル領域Iを平面視で楕円状にする。そして、セル領域Iの中心Pから90°の角度範囲Gに各電極21a、21bを設けることにより、セル領域Iの同じ側に各電極21a、21bを設け、角度範囲G内の辺41から各電極21a、21bがセル領域Iの外に延びるようにする。なお、角度範囲Gの基準となる点は中心Pに限定されず、セル領域Iの内側のある一点から90°の角度範囲Gに各電極21a、21bが位置するようにしてもよい。
このように辺41が曲線状であっても、セル領域Iの同じ側に各電極21a、21bを設けることで、これらの電極21a、21bをコネクタ50(図7参照)に挿抜することができ、有機系太陽電池40の利便性が向上する。なお、この例では各電極21a、21bの総数を三つとしたが、第1の電極21aと第2の電極21bをそれぞれ一つずつ設け、各電極21a、21bの総数を二つとしてもよい。また、セル領域Iの平面形状も楕円に限定されず、セル領域Iを円形としてもよい。
更に、角度範囲Gにおける各電極21a、21bの位置も特に限定されない。
図28(b)は、本変形例の他の例に係る有機系太陽電池40の模式平面図である。この例では、各電極21a、21bのうちの一つを角度範囲Gの隅に寄せる。このようにしても、各電極21a、21bをコネクタ50(図7参照)に挿抜することができる。
(第9実施例)
第7実施例では、例えば図24(b)に示したように、透明基板20の上に透明電極層21、正極層83、有機発電層86、及び対向電極層87をこの順に形成した。本実施例では、これらの層の形成順序を逆にする。
図29(a)、(b)は、本実施例に係る有機系太陽電池の製造途中の斜視図である。まず、図29(a)に示すように、予め透明電極層21としてフッ素がドープされた酸化錫(FTO)層が0.1μm〜0.5μm程度の厚さに形成された透明基板20を用意する。そして、透明電極層21上に対向電極層87として白金層をスパッタ法で0.1nm〜10nm程度の厚さに形成する。その後、透明電極層21および対向電極層87をレーザ光で切削することによりスリットSを形成する。
これにより、透明基板20のセル領域Iに透明電極層21および対向電極層87を残しつつ、対向電極層87の一部を電極領域IIに延長してなる第1の電極87aが形成される。これと共に、スリットSで第1の電極87aから隔てられた部分の対向電極層87が第2の電極87bとなる。
そして、スリットSに紫外線硬化樹脂27を塗布し、紫外線の照射により紫外線硬化樹脂27を硬化させることにより、スリットSを紫外線硬化樹脂により埋設する。その後に、第7実施例と同様にしてセル領域Iにおける対向電極層87の上にアクセプタ層85とドナー層84とをこの順に積層することで有機発電層86を形成する。そして、有機発電層86の上に導電性ポリマを塗布してそれを乾燥させることで正極層83を形成した後、更にその上に透明電極層21をスパッタ法で形成する。その透明電極層21は、例えば厚さが0.1μm〜0.5μmのFTO層である。
次に、図29(b)に示すように、最上層の透明電極層21と第2の電極87bの各々に導電ペースト34を塗布する。その後、導電ペースト34を加熱して固化させることにより、導電ペースト34で最上層の透明電極層21と第2の電極87bとを電気的に接続する。なお、導電ペースト34の加熱温度は特に限定されず、50℃〜150℃、例えば100℃程度の温度で加熱し得る。
以上により、本実施例に係る有機系太陽電池100の基本構造が完成する。その有機系太陽電池100においては、最上層の透明電極層21側から光Cを入射することにより有機発電層86に起電力が生じ、その電力を各電極87a、87bから取り出すことができる。
本実施例においても、有機系太陽電池100において第1の電極87aと同じ側に第2の電極87bを設けたため、これらの電極87a、87bをコネクタ(図7参照)に挿抜するのが容易となり、有機系太陽電池100の利便性を高めることが可能となる。
20 透明基板
20a 第1の主面
20b 第2の主面
21 透明電極層
21a 第1の電極
21b 第2の電極
22 逆電子移動防止層
25a 半導体層
25b 固体電解質層
25、86 有機発電層
26 固体電解質前駆体
27 紫外線硬化樹脂
31 金属箔
32 対向電極層
33 対向電極
34 導電ペースト
36 紫外線硬化樹脂
40、70、80、90、100 有機系太陽電池
41 辺
50 コネクタ
51 コネクタハウジング
52 ボディ
53 カバー
54 スロット
55 コンタクト
56 ジャンパ線
58 配線基板
83 正極層
84 ドナー層
85 アクセプタ層
87 対向電極層

Claims (8)

  1. 透明電極層と、
    前記透明電極層に対向した対向電極層と、
    前記透明電極層と前記対向電極層との間に設けられた有機発電層と、
    前記透明電極層に接続された第1の電極と、
    前記対向電極層に接続され、かつ平面視で前記第1の電極がある側に設けられた第2の電極と、
    を有する有機系太陽電池。
  2. 前記透明電極層、前記対向電極層、及び前記有機発電層が相互に重なり合うセル領域は平面視で多角形であり、
    前記第1の電極と前記第2の電極の各々は、平面視で前記多角形の同一の辺から前記セル領域の外に延びていることを特徴とする請求項1に記載の有機系太陽電池。
  3. 前記透明電極層、前記対向電極層、及び前記有機発電層が相互に重なり合うセル領域は、平面視で曲線状の辺を備えており、
    前記第1の電極と前記第2の電極の各々は、平面視で前記辺から前記セル領域に外に延びていることを特徴とする請求項1に記載の有機系太陽電池。
  4. 平面視において前記セル領域の内側の一点から90°の角度範囲に前記第1の電極と前記第2の電極とが位置することを特徴とする請求項3に記載の有機系太陽電池。
  5. 前記セル領域が円または楕円であって、前記セル領域の内側の一点が前記円または楕円の中心の一点であることを特徴とする請求項4に記載の有機系太陽電池。
  6. 光が入射する第1の主面と、前記透明電極層が形成された第2の主面とを備えた透明基板を更に有し、
    前記第1の電極と前記第2の電極は、前記透明基板の前記第2の主面に形成されたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の有機系太陽電池。
  7. 前記第1の電極は、前記第2の主面の上で前記透明電極層の一部を延長することにより形成され、
    前記第2の電極は、前記透明電極層と同じ面内に位置することを特徴とする請求項6に記載の有機系太陽電池。
  8. 前記対向電極層を介して前記透明基板に張り合わせられた支持基板を更に有し、
    前記第1の電極と前記第2の電極の各々が、前記支持基板で覆われずに露出したことを特徴とする請求項6に記載の有機系太陽電池。
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