JP5007772B2 - 有機系太陽電池モジュールおよび有機系太陽電池パネル - Google Patents
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Description
本発明の有機系太陽電池モジュールは、透明基板と、上記透明基板上に形成された透明電極層と、上記透明電極層上にパターン状に形成され、吸収波長領域が異なる複数種類の光電変換部を有する光電変換層と、上記光電変換部上にそれぞれ形成された複数の裏面電極層と、上記複数の裏面電極層を覆うように形成され、上記光電変換部毎に開口部を有する絶縁層と、上記絶縁層上に形成され、上記光電変換部の種類毎に上記絶縁層の開口部に位置する上記裏面電極層に接続するように配置された複数の集電配線とを有することを特徴とするものである。
図1は本発明の有機系太陽電池モジュールの一例を示す概略平面図であり、図2(a)は図1のA−A線断面図、図2(b)は図1のB−B線断面図である。図1および図2(a)、(b)に示す有機系太陽電池モジュール1は、透明基板2と、透明基板2上に形成された透明電極層3と、透明電極層3上にパターン状に形成され、吸収波長領域が異なる複数種類の光電変換部(4a、4b、4c)を有する光電変換層4と、光電変換部(4a、4b、4c)上にそれぞれ形成された複数の裏面電極層5と、複数の裏面電極層5を覆うように形成され、光電変換部(4a、4b、4c)毎に開口部(10a、10b、10c)を有する絶縁層6と、絶縁層6上に形成され、光電変換部(4a、4b、4c)の種類毎に絶縁層6の開口部(10a、10b、10c)に位置する裏面電極層5に接続するように配置された複数の集電配線(7a、7b、7c)とを有している。なお、図1において、裏面電極層は省略され、光電変換部は破線で示されている。
裏面電極層5は、図4に例示するように、光電変換部(4a、4b、4c)上にそれぞれ形成されている。
裏面電極層5は、図4に例示するように、光電変換部(4a、4b、4c)上にそれぞれ形成されている。
裏面電極層5は、図8(b)に例示するように、光電変換部(4a、4b)上にそれぞれ形成されている。
また、光電変換部毎に開口部を有する絶縁層が裏面電極層上に形成され、光電変換部の種類毎に絶縁層の開口部に位置する裏面電極層に接続するように複数の集電配線が配置されているので、光電変換部の種類毎に外部回路に電力を出力することができ、電流−電圧特性が異なる太陽電池セルが相互に干渉するのを防ぎ、安定的に太陽電池特性を発揮することが可能である。また、有機系太陽電池モジュールの安全性も確保することができる。
本態様の有機系太陽電池モジュールは、有機薄膜太陽電池モジュールである。
以下、本態様の有機薄膜太陽電池モジュールにおける各構成について説明する。
本態様における絶縁層は、複数の裏面電極層を覆うように形成され、光電変換部毎に開口部を有するものである。
光電変換部を集電配線の長手方向と垂直な方向に光電変換部の種類と同数の領域に分割する際には、絶縁層の開口部および集電配線の設計をさらに容易にするために、等分割することが好ましい。
絶縁層の開口部の大きさは、光電変換部毎に同じであってもよく異なっていてもよい。例えば図1および図6(a)において、絶縁層の開口部(10a、10b、10c)の大きさは全ての光電変換部(4a、4b、4c)で同じである。一方、図7(a)において、絶縁層の開口部(10a、10b)の大きさは光電変換部(4a、4b)毎に異なっている。
光電変換部を集電配線の長手方向と垂直な方向に光電変換部の種類と同数の領域に分割する際には、上述したように、絶縁層の開口部および集電配線の設計をさらに容易にするために、等分割することが好ましい。
本態様における集電配線は、上記絶縁層上に形成され、光電変換部の種類毎に絶縁層の開口部に位置する裏面電極層に接続するように配置され、複数形成されるものである。
光電変換部が規則的に配列されている場合、集電配線の幅は、通常、光電変換部の種類毎に同一とされる。
本態様における光電変換層は、透明電極層および裏面電極層の間に配置され、透明電極層上にパターン状に形成され、吸収波長領域が異なる複数種類の光電変換部を有するものである。なお、「光電変換層」および「光電変換部」とは、有機薄膜太陽電池の電荷分離に寄与し、生じた電子および正孔を各々反対方向の電極に向かって輸送する機能を有する部材をいう。
本発明における光電変換部のAの態様は、電子受容性および電子供与性の両機能を有する単一の層であり、電子供与性材料および電子受容性材料を含有するものである。この光電変換部では、光電変換部内で形成されるpn接合を利用して電荷分離が生じるため、単独で光電変換機能を有する。
導電性高分子はいわゆるπ共役高分子であり、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系から成り立っており、半導体的性質を示すものである。導電性高分子材料は、高分子主鎖内にπ共役が発達しているため主鎖方向への電荷輸送が基本的に有利である。また、導電性高分子の電子伝達機構は、主にπスタッキングによる分子間のホッピング伝導であるため、高分子の主鎖方向のみならず、光電変換部の膜厚方向への電荷輸送も有利である。さらに、導電性高分子材料は、導電性高分子材料を溶媒に溶解もしくは分散させた塗工液を用いることで湿式法により容易に成膜可能であることから、大面積の有機薄膜太陽電池を高価な設備を必要とせず低コストで製造できるという利点がある。
なお、例えばフェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体(Poly[1,4-phenyleneethynylene-1,4-(2,5-dioctadodecyloxyphenylene)-1,4-phenyleneethene-1,2-diyl-1,4-(2,5-dioctadodecyloxyphenylene)ethene-1,2-diyl])の合成方法については、Macromolecules, 35, 3825 (2002) や、Mcromol. Chem. Phys., 202, 2712 (2001) に詳しい。
また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばFeCl3(III)、AlCl3、AlBr3、AsF6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。
乾燥処理の方法として、例えば、加熱乾燥、送風乾燥、真空乾燥、赤外線加熱乾燥等、一般的な方法を用いることができる。
本発明における光電変換部のBの態様は、電子受容性の機能を有する電子受容性層と電子供与性の機能を有する電子供与性層とが積層されたものである。以下、電子受容性層および電子供与性層について説明する。
本態様に用いられる電子受容性層は、電子受容性の機能を有するものであり、電子受容性材料を含有するものである。
本態様に用いられる電子供与性層は、電子供与性の機能を有するものであり、電子供与性材料を含有するものである。
本態様における透明電極層は、透明基板上に一面に形成されるものである。透明電極層は、通常、光電変換層で発生した正孔を取り出すための電極(正孔取出し電極)とされる。本発明においては、透明電極層側が受光面となる。
なお、上記全光線透過率は、可視光領域において、スガ試験機株式会社製 SMカラーコンピュータ(型番:SM−C)を用いて測定した値である。
この透明電極層の膜厚としては、単層である場合はその膜厚が、複数層からなる場合は総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内であることが好ましく、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄いと、透明電極層のシート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可能性があり、一方、膜厚が上記範囲より厚いと、全光線透過率が低下し、光電変換効率を低下させる可能性があるからである。
本態様における裏面電極層は、上記光電変換部上にそれぞれ形成され、複数形成されるものである。裏面電極層は、上記透明電極層と対向する電極であり、通常、光電変換層で発生した電子を取り出すための電極(電子取出し電極)とされる。
裏面電極層の膜厚は、単層である場合にはその膜厚が、複数層からなる場合には各層を合わせた総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、裏面電極層のシート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可能性がある。
本態様に用いられる透明基板は、上記の透明電極層、光電変換層、裏面電極層および絶縁層等を支持するものである。
透明基板としては、特に限定されるものではなく、例えば石英ガラス、パイレックス(登録商標)、合成石英板等の可撓性のない透明なリジット材、あるいは透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材を挙げることができる。
中でも、透明基板が透明樹脂フィルム等のフレキシブル材であることが好ましい。透明樹脂フィルムは、加工性に優れており、製造コスト低減や軽量化、割れにくい有機薄膜太陽電池の実現において有用であり、曲面への適用等、種々のアプリケーションへの適用可能性が広がるからである。
本態様においては、図9に例示するように、光電変換層4と透明電極層3との間に正孔取出し層11が形成されていてもよい。正孔取出し層は、光電変換層から正孔取出し電極への正孔の取出しが容易に行われるように設けられる層である。これにより、光電変換層から正孔取出し電極への正孔取出し効率が高められるため、光電変換効率を向上させることが可能となる。
これらの中でも、特にポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、トリフェニルジアミン(TPD)が好ましく用いられる。
本態様においては、図9に例示するように、光電変換層4と裏面電極層5との間に電子取出し層12が形成されていてもよい。電子取出し層は、光電変換層から電子取出し電極への電子の取出しが容易に行われるように設けられる層である。これにより、光電変換層から電子取出し電極への電子取出し効率が高められるため、光電変換効率を向上させることが可能となる。
本態様においては、透明基板および透明電極層の間に、上記光電変換部の種類に応じて着色層が形成されていてもよい。色純度を高め鮮明な表示が可能となるからである。
また、光電変換部上に形成される着色層の大きさ、形状、配置等としては、光電変換部の大きさ、形状、配置等と同様とされる。
本態様の有機薄膜太陽電池モジュールは、上述した構成部材の他にも、必要に応じて後述する構成部材を有していてもよい。例えば、本態様の有機薄膜太陽電池モジュールは、保護シート、充填材層、バリア層、保護ハードコート層、強度支持層、防汚層、高光反射層、光封じ込め層、封止材層等の機能層を有していてもよい。また、層構成に応じて、各機能層間に接着層が形成されていてもよい。
なお、これらの機能層については、特開2007−73717号公報等に記載のものと同様とすることができる。
本態様の有機系太陽電池モジュールは色素増感型太陽電池モジュールである。
以下、本態様の色素増感型太陽電池モジュールにおける各構成について説明する。
なお、本態様における絶縁層、集電配線、透明電極層、裏面電極層、透明基板、着色層については、「A.第1態様」の項に記載したものと同様とすることができるので、ここでの説明は省略する。
本態様における光電変換層は、裏面電極層上にパターン状に形成され、吸収波長領域が異なる複数種類の光電変換部を有するものである。
本態様に用いられる金属酸化物半導体微粒子としては、半導体特性を備える金属酸化物からなるものであれば特に限定されるものではない。本態様に用いられる金属酸化物半導体微粒子を構成する金属酸化物としては、例えば、TiO2、ZnO、SnO2、ITO、ZrO2、MgO、Al2O3、CeO2、Bi2O3、Mn3O4、Y2O3、WO3、Ta2O5、Nb2O5、La2O3等を挙げることができる。なかでも本態様においては、TiO2からなる金属酸化物半導体微粒子を用いることが最も好ましい。TiO2は特に半導体特性に優れるからである。
本態様に用いられる増感色素としては、光を吸収して起電力を生じさせることが可能なものであれば特に限定はされない。このような増感色素としては、有機色素または金属錯体色素を挙げることができる。上記有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン、インドリン、カルバゾール系の色素が挙げられる。本態様においてはこれらの有機色素の中でも、クマリン系色素を用いることが好ましい。また、上記金属錯体色素としてはルテニウム系色素を用いることが好ましく、特にルテニウム錯体であるルテニウムビピリジン色素およびルテニウムターピリジン色素を用いることが好ましい。このようなルテニウム錯体は吸収する光の波長範囲が広いため、光電変換できる光の波長領域を大幅に広げることができるからである。
本態様に用いられる光電変換層には、上記の他に任意の成分が含まれていてもよい。本態様に用いられる任意の成分としては、例えば、樹脂を挙げることができる。上記光電変換層に樹脂が含有されることにより、本態様に用いられる光電変換層の脆性を改善することができるからである。
本態様に用いられる電解質層について説明する。本態様に用いられる電解質層は、上述した光電変換層上に形成されるものであり、酸化還元対を含むものである。
本態様の色素増感型太陽電池モジュールは、上述した構成部材の他にも、必要に応じて触媒層を有していてもよい。上記触媒層は、電解質層と透明電極層または裏面電極層との間に形成されるものである。
本発明の有機系太陽電池パネルは、上述の有機系太陽電池モジュールと、上記有機系太陽電池モジュールの光電変換部の種類毎に集電配線に接続された複数の電圧変換部とを有することを特徴とするものである。
本発明に用いられる電圧変換部は、有機系太陽電池モジュールの光電変換部の種類毎に集電配線に接続されるものであり、複数形成されるものである。
厚み125μmのPETフィルム基板上にスパッタ法によりITO層(透明電極層)を成膜した。
(対極基板の作製)
厚み125μmのPETフィルム基板上にスパッタ法によりITO層(透明電極層)を成膜した。次に、上記ITO層上に白金を13Å(透過率72%)で積層することにより触媒層を形成した。これにより、対極基板を得た。
次に、第1金属層として厚み50μmのステンレス鋼基板(SUS304、比抵抗0.7×10−6Ω・m)を用い、上記ステンレス鋼基板上に、第2金属層として厚み15nmのCr層を真空蒸着により形成して、裏面電極層基板を得た。
第1酸化物半導体電極基板の作製と同様にして、裏面電極層基板上に多孔質層を形成した。
次に、増感色素(三菱製紙社製 D131)を用いて、増感色素(三菱製紙社製 D358)を用いた場合と同じ工程により、所定の箇所のみが選択的に橙色に着色された第2光電変換部を形成した。このようにして、第2酸化物半導体電極基板を得た。
第1酸化物半導体電極基板の作製と同様にして、裏面電極層基板上に多孔質層を形成した。
次に、増感色素(三菱製紙社製 D102)を用いて、増感色素(三菱製紙社製 D358)を用いた場合と同じ工程により、所定の箇所のみが選択的に赤色に着色された第3光電変換部を形成した。このようにして、第3酸化物半導体電極基板を得た。
次に、カチオン性ヒドロキシセルロース(ダイセル化学社製 ジェルナーQH200)0.14gをエタノール2.72gに溶解させた溶液に、ヨウ化カリウムを0.043g入れ、攪拌して溶解した。その溶液に、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMIm−B(CN)4)0.18g、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド(PMIm−I)0.5g、ヨウ素(I)20.025gを加えて、攪拌して溶解させた。これらにより、コーティング可能な電解質溶液を調製した。3種類の酸化物半導体電極基板の各光電変換部上に、電解質溶液をドクターブレード法により塗工し、その後100℃で乾燥し、電解質層を形成した。
電解質層が形成された3種類の酸化物半導体電極基板を所定の大きさに裁断した。その後、各酸化物半導体電極基板の電解質層と対極基板の触媒層とが対向するように位置を揃えて、対極基板に裁断した各酸化物半導体電極基板を接着剤で貼り合せた。
次に、裏面電極層上に、エポキシ樹脂をグラビアコート法によりパターン塗工し、加熱処理により硬化させて、図1に示すような、光電変換部毎に開口部を有し、かつ光電変換部の種類毎に光電変換部内での位置が揃った開口部を有する絶縁層を形成した。
次に、同一種類の光電変換部上に設けられた絶縁層の開口部に位置する裏面電極層同士を接続する配置で、銀ペーストをグラビアコート法によりパターン塗工し、図1に示すような集電配線を形成した。
2 … 透明基板
3 … 透明電極層
4 … 光電変換層
4a … 第1光電変換部
4b … 第2光電変換部
4c … 第3光電変換部
5 … 裏面電極層
6 … 絶縁層
7a … 第1光電変換部用集電配線
7b … 第2光電変換部用集電配線
7c … 第3光電変換部用集電配線
10 … 開口部
10a … 第1光電変換部用開口部
10b … 第2光電変換部用開口部
10c … 第3光電変換部用開口部
11 … 正孔取出し層
12 … 電子取出し層
20 … 有機系太陽電池パネル
Claims (3)
- 透明基板と、
前記透明基板上に形成された透明電極層と、
前記透明電極層上にパターン状に形成され、吸収波長領域が異なる複数種類の光電変換部を有する光電変換層と、
前記光電変換部上にそれぞれ形成された複数の裏面電極層と、
前記複数の裏面電極層を覆うように形成され、前記光電変換部毎に開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記光電変換部の種類毎に前記絶縁層の開口部に位置する前記裏面電極層に接続するように配置された複数の集電配線と
を有する有機系太陽電池モジュールであって、
前記光電変換層が、同一種類の前記光電変換部を複数有し、前記光電変換部が規則的に配列されており、
前記絶縁層の開口部が、前記同一種類の光電変換部上に形成された前記裏面電極層同士を前記集電配線によって接続できるように配置され、さらに前記絶縁層の開口部が、前記光電変換部の種類毎に前記光電変換部内での位置が揃うように配置され、かつ、前記光電変換部を前記集電配線の長手方向と垂直な方向に前記光電変換部の種類と同数の領域に分割したときの一つの領域内に配置され、
前記集電配線が、前記同一種類の光電変換部上に設けられた前記絶縁層の開口部に位置する前記裏面電極層同士を接続するように配置され、前記複数の集電配線が、ストライプ状に配列され、かつ、前記光電変換部上にそれぞれ前記光電変換部の種類と同数の前記集電配線が配置されていることを特徴とする有機系太陽電池モジュール。 - 前記有機系太陽電池モジュールが、有機薄膜太陽電池モジュールまたは色素増感型太陽電池モジュールであることを特徴とする請求項1に記載の有機系太陽電池モジュール。
- 請求項1または請求項2に記載の有機系太陽電池モジュールと、
前記有機系太陽電池モジュールの光電変換部の種類毎に集電配線に接続された複数の電圧変換部と
を有することを特徴とする有機系太陽電池パネル。
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