JP4759286B2 - 有機太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
そこで高価な半導体基板を用いず、低コストな有機材料を用いた太陽電池として、電子供与性材料と電子受容性材料とを組み合わせた有機太陽電池の研究が活発に行われている。
第一電極層と第二電極層上に光電変換層を積層する工程、光電変換層上の第一電極層に対応する領域に第二電極層を、第二電極層に対応する領域に第一電極層をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする有機太陽電池モジュールの製造方法が提供される。
前記第二電極層は透光性を有していることが好ましい。
更に、受光面側に第一電極層を有する光電変換素子を第1光電変換素子、非受光面側に第一電極層を有する光電変換素子を第2光電変換素子と定義したとき、第2光電変換素子の第二電極層の光透過率は、前記第1光電変換素子の第二電極層の光透過率よりも大きいことが好ましい。具体的には、第2光電変換素子の第二電極層の好ましい光透過率は、可視光領域の平均値として60%以上であり、より好ましくは70%以上、更に好ましくは80%以上である。第1光電変換素子の第二電極層の光透過率は、50%以下が好ましい。第2光電変換素子の第二電極層の光透過率は、第1光電変換素子の第二電極層の光透過率より、10%以上大きいことが好ましく、20%以上大きいことがより好ましく、40%以上大きいことが更に好ましい。
更に、第1光電変換素子の光電変換層の受光面積よりも、第2光電変換素子の光電変換層の受光面積が大きいことが好ましい。具体的には、第2光電変換素子の光電変換層の受光面積は、第1光電変換素子の光電変換層の受光面積より、1.1倍以上大きいことが好ましく、1.2〜3倍の範囲で大きいことがより好ましい。
更に、前記第二電極層には、第一電極層よりも仕事関数の小さな材料を用いてもよい。第二電極層と第一電極層の仕事関数の差は、0.3eV以上であることが好ましく、0.4〜1.5eVの範囲であることがより好ましい。具体的には、アルミニウムや、酸化亜鉛等の透明導電性酸化物を用いることが好ましい。
また、前記1つ以上の第1光電変換素子及び1つ以上の第2光電変換素子において、それぞれの素子の光電変換層又は少なくとも1つの素子の光電変換層が電子受容性材料としてフラーレン又はフラーレン誘導体を含むことが好ましい。
また、本発明によれば、第一電極層と第二電極層上に光電変換層を積層する工程、光電変換層上の第一電極層に対応する領域に第二電極層を、第二電極層に対応する領域に第一電極層をそれぞれ形成する工程を経ることで有機太陽電池モジュールを製造方法できる。
更に、第一電極層及び第二電極層が並列して交互に形成された第一の基板と、第一電極層及び第二電極層が並列して交互に形成された第二の基板を形成した後に、第一の基板上に光電変換材料を積層し、第二の基板を第一の基板に対向させることにより有機太陽電池モジュールを製造できる。また、第二の基板を第一の基板に対向させた後に、加熱処理を施すことがより好ましい。
この太陽電池モジュールMは、受光面側の透光性絶縁基板Xと、裏面(非受光面)側の支持基板Yと、これらの基板X、Y間に1列に設けられた2個の第1光電変換素子aと、各第1光電変換素子a間に隣接して配置された2個の第2光電変換素子bとを備える。
第1光電変換素子aは、基板X側から第一電極層1、電子供与性材料と電子受容性材料から構成される光電変換層2、第二電極層3が順次積層されてなる。第2光電変換素子bは、基板X側から第二電極層13、電子供与性材料と電子受容性材料から構成される光電変換層2、第一電極層11が順次積層されてなる。
図2(a)及び(b)は、図1の太陽電池モジュールの概略平面図である。図2(a)は、基板X側の成膜状態を示す概略平面図であり、(b)は基板Y側の成膜状態を示す概略平面図である。図1の太陽電池モジュールは、以下のように製造できる。
更に、基板XとYを、第一電極層1と第二電極層3、第一電極層11と第二電極層13が対向するように配置し、セル外周に絶縁性樹脂等を用いて封止層を形成する。その際、隣接する光電変換層2は事実上電気的に分離されていれば図1のごとく空間で分離されていなくてもよい。また、隣接する光電変換層2の電気的な分離をより確実なものとするために図4や図5のごとく、隣接する光電変換層2は互いに空間で分離されていてもよい。このようなプロセスにより、太陽電池モジュールMを得ることができる。なお、更に具体的な各構成要素については後述する。
[透光性絶縁基板及び支持基板]
有機太陽電池モジュールの受光面を構成する基板Xとしては、例えば、ソーダガラス、溶融石英ガラス、結晶石英ガラス等の透明ガラス基板、耐熱透光性樹脂からなる可撓性フィルム、金属板等が挙げられる。また、基板Xは、0.2〜5mm程度の厚さで、150℃以上の耐熱性を有するものが好ましい。
可撓性フィルム(以下、「フィルム」と略称する)としては、例えばポリエステル、ポリアクリル、ポリイミド、テフロン(登録商標)、ポリエチレン、ポリプロピレン、PET等の長期耐候性のシートやフィルムが挙げられる。中でも、第一電極層の形成時において、基板Xは通常150℃程度の温度に加熱されることから、この温度以上の耐熱性を有するテフロンが好ましい。
これら基板X及びYは、完成した有機太陽電池モジュールを他の構造体に取り付けるときに利用することも可能である。つまり、例えばガラス基板を用いれば、ガラス基板周辺部を金属加工部品とねじを用いて他の支持体に容易に取り付けることができる。
第一電極層1、11の材料としては、少なくとも後述する光電変換層が実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過するものであればよく、必ずしもすべての波長域の光に対して透過性を有するものである必要はない。例えば、ITO(インジウム−スズ複合酸化物);フッ素ドープされた酸化スズ;ボロン、ガリウム又はアルミニウムがドープされた酸化亜鉛;ニオブがドープされた酸化チタン等の透明導電性金属酸化物が挙げられる。更に、他の材料として、金、銀、アルミニウム、インジウム、白金、カーボン(カーボンブラック、グラファイト、ガラス炭素、アモルファス炭素、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンホイスカー、カーボンナノチューブ、フラーレン)等の不透明材料を薄膜化したものが挙げられる。
第二電極層3、13の材料としては、その仕事関数が、第一電極層1の仕事関数よりも小さいものが好ましい。例えばアルミニウム、インジウム、カルシウム、マグネシウム、金、フッ化リチウム等の金属材料や、酸化亜鉛等の透明導電性金属酸化物材料が挙げられる。
光電変換層は、電子供与性材料と電子受容性材料から通常構成され、その形態は、粒子状、膜状等がある。この内、膜状の形態であることが好ましい。
電子供与性材料としては、正孔輸送性を有する低分子又は高分子材料を用いることができる。
電子供与性材料は、上記の材料を1種類又は2種類以上組み合わせてもよい。中でも、光電変換効率、安全性の点から、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフラン、ポリピリジン、ポリカルバゾール等の正孔輸送性複素環高分子が好ましい。
また、基板X上の第一電極層1及び第二電極層13の上に、光電変換材料を含むペーストを塗布し乾燥して光電変換層を形成した後、電極層3、11を真空蒸着して光電変換素子を形成してもよい。
また、隣接した光電変換素子の間の電気的分離を確実なものとするための、隣接した光電変換素子の光電変換層間を空間で分離する方法としては、(1)全面に製膜した後に、不必要な部分を除去する方法、(2)あらかじめ基板にマスキングを行い、必要な部分のみに順に製膜する方法が考えられる。
なお、光電変換層の膜厚は、特に限定されるものではないが、光電変換効率の観点より、0.1〜3000nmが好ましく、1〜1000nmが更に好ましく。100〜500nmが特に好ましい。光電変換層の膜厚が0.1nm未満では層全体の均一性が十分ではなく、短絡を起こしやすいという問題が生じるため好ましくない。一方、光電変換層の膜厚が3000nmを越えると内部抵抗が大きくなり、特性が低下するため好ましくない。
更に、複数の第1光電変換素子aにおける光電変換層2の受光面積がそれぞれ同じであり、複数の第2光電変換素子相互における光電変換層12の受光面積が、それぞれ同じであれば、製造プロセスを安定させることができるので好ましい。
(実施例1)
図1に示した4個の太陽電池ユニットセルを直列に接続した集積化された有機太陽電池モジュールの作製を行った。その製造工程を図2を参照しながら説明する。
支持体として30mm×30mmのガラス基板を2枚(基板X、基板Y)用意し、その上に第一電極層1、11としてITO膜をスパッタリング法により形成した。その際、メタルマスクを用い、基板X上には図2(a)のA、Cの位置に、基板Y上には図2(b)のB、B’の位置にITO膜を形成した。ITO膜のシート抵抗は12Ω/□、透過率は約80%であった。
次に、光電変換層2を以下の方法で形成した。光電変換層の電子供与性材料としては、分子量82000の立体規則性ポリ−3−ヘキシルチオフェンを用い、電子受容性材料としてはフラーレン誘導体である1−(3−methoxycarbonyl)−propyl−1−1−phenyl−(6,6)C61(PCBM)を用いた。ポリ−3−ヘキシルチオフェンとPCBMが重量比で1:1となるように秤量し、これに脱水トルエンを添加し、2.5wt%溶液を調製した。
ここで、第一電極層1、11として用いたITO、及び第二電極層として用いたアルミニウム、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛の仕事関数を紫外線照射光電子分光法で測定したところ、ITOが4.7eV、アルミニウムが4.3eV、酸化亜鉛が4.4eVであった。すなわち、第一電極層の仕事関数は、第二電極層の仕事関数よりも大きい。
このように作製した実施例1の有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた結果、短絡電流密度1.8mA/cm2、開放電圧値2.1V、FF0.59、モジュール変換効率は2.2%であった。
実施例1では、受光面側の第二電極層13にはAlがドープされたZnO膜を、非受光面側の第二電極層3には膜厚100nmのAl膜を用いた。本実施例では、非受光面側の第二電極層3にもAlがドープされたZnO薄膜を用いること以外は、実施例1と全く同様の方法で有機太陽電池モジュールを作製した。
このように作製した実施例2の有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた結果、短絡電流密度1.8mA/cm2、開放電圧値2.0V、FF0.54、モジュール変換効率は1.9%であった。
実施例1では、受光面側の第二電極層13にはAlがドープされたZnO膜を、非受光面側の第二電極層3には膜厚100nmのAl膜を用いた。本実施例では、受光面側の第二電極層13にAl膜を用いること以外は、実施例1と全く同様の方法で有機太陽電池モジュールを作製した。
このように作製した実施例3の有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた結果、短絡電流密度1.4mA/cm2、開放電圧値2.2V、FF0.59、モジュール変換効率は1.8%であった。
従来技術として、実施例1と同じ基板X上に、一つの光電変換素子だけを有する有機太陽電池モジュールを作製した。
支持体として30mm×30mmのガラス基板を2枚(基板X、基板Y)用意し、基板Xの上に第一電極層1として、スパッタリング法によりITO膜を形成した。ITO膜のシート抵抗は12Ω/□、透過率は約80%であった。次に、基板Xの第一電極層1上に光電変換層2を以下の方法で形成した。光電変換層の電子供与性材料としては、分子量82000の立体規則性ポリ−3−ヘキシルチオフェンを用い、電子受容性材料としてはフラーレン誘導体であるPCBMを用いた。ポリ−3−ヘキシルチオフェンとPCBMが重量比で1:1となるように秤量し、これに脱水トルエンを添加し、2.5wt%溶液を調製した。
このように作製した従来技術による有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた結果、短絡電流密度4.8mA/cm2、開放電圧値0.44V、FF0.39、モジュール変換効率は0.82%であった。
比較例1及び実施例1より、隣接する光電変換素子が、第一電極層、光電変換層、第二電極層の積層順番が反対に構成され、かつ電気的に直列接続されることにより、高い変換効率を得ることができることがわかった。
実施例4では、図1で示した第1光電変換素子aと第2光電変換素子bの光電変換層2の幅を、それぞれ4mm、6mmと変えることにより、第1光電変換素子の光電変換層の受光面積を、第2光電変換素子の光電変換層の受光面積より小さくした。また、比較のため、光電変換層a,bの幅を両者とも5mmとしたモジュールも作製した(実施例5)。
このように作製した有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた。その結果、実施例4のモジュール変換効率は1.9%(短絡電流密度1.5mA/cm2、開放電圧値2.04V、FF0.61)、実施例5のモジュール変換効率は1.6%(短絡電流密度1.3mA/cm2、開放電圧値2.02V、FF0.62)であった。
以下では、隣接する光電変換層2の電気的分離をより確実なものとするために、レーザスクライブ処理による素子分離工程を行った実施例を図4及び図2を用いて説明する。
支持体として30mm×30mmのガラス基板を2枚(基板X、基板Y)用意し、その上に第一電極層1、11としてITO膜をスパッタリング法により形成した。その際、メタルマスクを用い、基板X上には図2(a)のA、Cの位置に、基板Y上には図2(b)のB、B’の位置にITO膜を形成した。ITO膜のシート抵抗は12Ω/□、透過率は約80%であった。
次に、光電変換層2を以下の方法で形成した。光電変換層の電子供与性材料としては、分子量12万の立体規則性ポリ−3−ヘキシルチオフェンを用い、電子受容性材料としてはフラーレン誘導体であるPCBMを用いた。ポリ−3−ヘキシルチオフェンとPCBMが重量比で1:1となるように秤量し、これに脱水トルエンを添加し、2.5wt%溶液を調製した。
このように作製した有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた結果、短絡電流密度1.7mA/cm2、開放電圧値2.3V、FF0.60、モジュール変換効率は2.3%であった。
次に、別の実施例を図5、図2(a)を用いて説明する。
支持体として30mm×30mmのガラス基板を1枚(基板X)用意し、その上に第一電極層1としてITO膜をスパッタリング法により形成した。その際、メタルマスクを用い、図2(a)のA、Cの位置にITO膜を形成した。ITO膜のシート抵抗は12Ω/□、透過率は約80%であった。
次に、光電変換層2を以下の方法で形成した。光電変換層の電子供与性材料としては、分子量12万の立体規則性ポリ−3−ヘキシルチオフェンを用い、電子受容性材料としてはフラーレン誘導体であるPCBMを用いた。ポリ−3−ヘキシルチオフェンとPCBMが重量比で1:1となるように秤量し、これに脱水トルエンを添加し、2.5wt%溶液を調製した。
このように作製した有機太陽電池モジュールを、基板Xが受光面となるように基板Y側を25℃に制御された黒色のステージに設置し、AM1.5擬似太陽光照射下の動作特性を調べた結果、短絡電流密度1.7mA/cm2、開放電圧値2.2V、FF0.61、モジュール変換効率は2.3%であった。
次に、更に別の実施例を図4及び図2を用いて説明する。
支持体として30mm×30mmのガラス基板を2枚(基板X、基板Y)用意し、その上に第一電極層1、11としてITO膜をスパッタリング法により形成した。その際、メタルマスクを用い、基板X上には図2(a)のA、Cの位置に、基板Y上には図2(b)のB、B’の位置にITO膜を形成した。ITO膜のシート抵抗は12Ω/□、透過率は約80%であった。
次に、基板Xの透光性導電層1上に光電変換層2を以下の方法で形成した。光電変換層の電子供与性材料としては、分子量57000の立体規則性ポリ−3−ドデシルチオフェンを用い、電子受容性材料としてはフラーレン誘導体であるPCBMを用いた。ポリ−3−ドデシルチオフェンとPCBMが重量比で1:1となるように秤量し、これに脱水トルエンを添加し、2.5wt%溶液を調製した。
2、12 光電変換層
3、13 第二電極層
5 絶縁層
6 封止層
7 絶縁層
a 第1光電変換素子(セル)
b 第2光電変換素子(セル)
X 透光性絶縁基板
Y 支持基板
M 太陽電池モジュール
hν 光
Claims (18)
- 第一電極層と第二電極層と、これら電極層に挟まれ、電子供与性材料と電子受容性材料とから構成された膜状の光電変換層とを有する光電変換素子を2つ以上備え、隣接する光電変換素子は、互いに、第一電極層、光電変換層及び第二電極層の積層順番が反対であり、かつ電気的に直列接続されていることを特徴とする有機太陽電池モジュール。
- 前記隣接する光電変換素子の光電変換層間が、空間で分離されていることを特徴とする請求項1に記載の有機太陽電池モジュール。
- 前記隣接する光電変換素子が、受光面側から非受光面に向かって第一電極層、光電変換層及び第二電極層の順で積層された第1光電変換素子と、受光面側から非受光面に向かって第二電極層、光電変換層及び第一電極層の順で積層された第2光電変換素子とからなり、
受光面側に位置する第二電極層の光透過率が、非受光面側に位置する第二電極層の光透過率よりも大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載の有機太陽電池モジュール。 - 前記隣接する光電変換素子が、受光面側から非受光面に向かって第一電極層、光電変換層及び第二電極層の順で積層された第1光電変換素子と、受光面側から非受光面に向かって第二電極層、光電変換層及び第一電極層の順で積層された第2光電変換素子とからなり、
受光面側に位置する第二電極層の膜厚が、非受光面側に位置する第二電極層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の有機太陽電池モジュール。 - 前記隣接する光電変換素子が、受光面側から非受光面に向かって第一電極層、光電変換層及び第二電極層の順で積層された第1光電変換素子と、受光面側から非受光面に向かって第二電極層、光電変換層及び第一電極層の順で積層された第2光電変換素子とからなり、
受光面側に第二電極層を有する第2光電変換素子の光電変換層の受光面積が、受光面側に第一電極層を有する第1光電変換素子の光電変換層の受光面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の有機太陽電池モジュール。 - 第二光電変換素子と第1光電変換素子との光電変換層の受光面積の比が、受光面側に位置する第2光電変換素子の第二電極層と第1光電変換素子の第一電極層との光透過率の比の逆数に等しいことを特徴とする請求項5に記載の有機太陽電池モジュール。
- 第一と第二の光電変換素子とをそれぞれ複数備え、第二光電変換素子における光電変換層の受光面積がそれぞれ同じであり、第一光電変換素子における光電変換層の受光面積がそれぞれ同じであることを特徴とする請求項5又は6に記載の有機太陽電池モジュール。
- 受光面側の第二電極層が、アルミニウム、又は酸化亜鉛を含む透明導電性酸化物の中から選ばれる材料からなる層であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の有機太陽電池モジュール。
- 光電変換層が、フラーレン又はフラーレン誘導体からなる電子受容性材料を含む請求項1〜8のいずれか1つに記載の有機太陽電池モジュール。
- 光電変換層が、正孔輸送性複素環高分子からなる電子供与性材料を含む請求項1〜9のいずれか1つに記載の有機太陽電池モジュール。
- 前記正孔輸送性複素環高分子が、ポリチオフェン、ポリピロール又はポリフランである請求項10に記載の有機太陽電池モジュール。
- 前記正孔輸送性複素環高分子が、立体規則性ポリマーであることを特徴とする請求項10又は11に記載の有機太陽電池モジュール。
- 第一電極層と第二電極層と、これら電極層に挟まれ、電子供与性材料と電子受容性材料とから構成された膜状の光電変換層とを有する光電変換素子を2つ以上備え、隣接する光電変換素子は、互いに、第一電極層、光電変換層及び第二電極層の積層順番が反対であり、かつ電気的に直列接続されている有機太陽電池モジュールの製造方法であって、
第一電極層と第二電極層上に光電変換層を積層する工程、光電変換層上の第一電極層に対応する領域に第二電極層を、第二電極層に対応する領域に第一電極層をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする有機太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記隣接する光電変換素子の光電変換層間をスクライブする工程を含む請求項13に記載の有機太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記スクライブ工程が、受光面側からスクライブする工程と、非受光面側からスクライブする工程を含むことを特徴とする請求項14に記載の有機太陽電池モジュールの製造方法。
- 第一電極層及び第二電極層が並列して交互に形成された第一の基板上に光電変換層を積層する工程と、第一電極層及び第二電極層が並列して交互に形成された第二の基板を、第一の基板の第一電極層に対応する光電変換層上に第二の基板の第二電極層が、第一の基板の第二電極層に対応する光電変換層上に第二の基板の第一電極層がそれぞれ対応するように、第一の基板と第二の基板とを対向させる工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の有機太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記第二の基板と第一の基板とを対向させた後に、加熱処理を施すことを特徴とする請求項16に記載の有機太陽電池モジュールの製造方法。
- 第一電極層及び第二電極層が並列して交互に形成された第一の基板上に光電変換層を積層する工程と、第一の基板の第一電極層に対応する光電変換層上に第二電極層を、第一の基板の第二電極層に対応する光電変換層上に第一電極層を並列して交互に形成する工程を含むことを特徴とする請求項13又は14に記載の有機太陽電池モジュールの製造方法。
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