JP5459681B2 - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態に係る有機薄膜太陽電池を構成する1つの太陽電池セルの断面図である。図1に示すように、太陽電池セル1は、透明基板10の裏面に積層された、透明電極(陽極)11と、有機薄膜からなる光電変換層12と、対向電極(陰極)13とを含み、互いに離間して形成された配置された透明電極11と対向電極13との間に光電変換層12が挟まれた構造を有する。太陽電池セル1は、透明電極11と対向電極13と光電変換層12とが積層された部分をいう。透明基板10上の透明基板10上の透明電極11と対向電極13と光電変換層12とが設けられた領域(太陽電池セル1)を光電変換領域100とする。1つの透明基板10の一主面上に複数の太陽電池セル1が複数設けられている場合には、複数の太陽電池セル1が設けられた領域を光電変換領域100とする。ショート防止のために、光電変換層12の端部に対応する透明電極11上には絶縁層14が設けられ、透明電極11と対向電極13との重なりが生じないようになっている。透明電極11の端部はたとえば陽極パッド15として利用される。対向電極13の端部はたとえば陰極パッド16として利用される。対向電極13の背面にはシール層17および封止基材18が形成されている。ただし、シール層17および封止基材18は必ずしも設ける必要はない。
透明基板10の材料は、熱や有機溶剤によって変質しないものが好ましい。基板の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、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。
透明電極(陽極)11は、透明で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、塗布法等で成膜することによって形成される。透明電極の材料としては、金属酸化物膜、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、酸化錫、およびそれらの複合体であるインジウム錫酸化物(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、インジウム亜鉛酸化物等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜(NESA等)や、金、白金、銀、銅等が用いられる。特に、ITOまたはFTOが好ましい。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11の膜厚は、ITOの場合、30〜300nm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、光電変換効率低下の原因となる。300nmよりも厚くすると、光透過率が低くなり、可撓性がなくなって応力が作用するとひび割れが生じる。透明電極11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11は、単層でもよいし、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もよい。対向電極13との電気的短絡や電流リークを軽減するため、なるべく透明電極11の表面は平滑であることが好ましい。
正孔輸送層は、任意に、陽極としての透明電極11と光電変換層12との間に配置される。正孔輸送層の機能は、下部の電極の凹凸をレベリングして太陽電池セル1における電気的短絡を防ぐこと、正孔のみを効率的に輸送すること、透明電極11と正孔輸送層の界面近傍で発生したエキシトンの消滅を防ぐこと等である。正孔輸送層の材料としては、(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート)[PEDOT/PSS]等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーを使用することができる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のClevios PH500、Clevios PH、Clevios PV P Al 4083、Clevios HIL1.1が挙げられる。
光電変換層12の材料を、バルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池を例にとって説明する。バルクヘテロ接合型の太陽電池は、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と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。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。
電子輸送層は、任意に、光電変換層12と対向電極13との間に配置される。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、および対向電極13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。
対向電極(陰極)13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、塗布法等で成膜することにより形成される。対向電極の材料としては、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜等が挙げられる。これらの微粒子がバインダー中に分散された導電ペーストでもよい。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11を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、対向電極13には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Li、In、Al、Ca、Mg、Sm、Tb、Yb、Zr、Na、K、Rb、Cs、Ba、およびこれらの合金を挙げることができる。
シール層17および封止基板18は、太陽電池セルを酸素および水分から保護する役割を果たす。シール層17の材料としては、例えば、熱硬化型や紫外線硬化型のエポキシ樹脂を使用することができる。封止基板18としては、例えば、金属板、または、樹脂フィルムの表面に無機物若しくは金属からなる層を設けてなるフィルムを使用することができる。樹脂フィルムとしては、例えば、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(PI)、エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)、CO、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリカーボネート(PC)若しくはポリエーテルスルホン(PES)からなるフィルム、または、それらの2つ以上を含んだ多層フィルムを使用することができる。無機物または金属としては、例えば、シリカ、チタニア、ジルコニア、窒化珪素、窒化ホウ素またはAlを使用することができる。シール層17および封止基板18シールの少なくとも一方は、乾燥剤または酸素吸収剤を更に含んでいてもよい。シール層17および封止基板18は、省略することができる。
以下のようにして、複数の傾斜面に太陽電池セルが形成されたマルチスロープ構造の有機薄膜太陽電池を作製した。
太陽電池セル用の透明基板として幅30mm、長さ11mm、厚さ1.1mmの光学ガラスを用意した。この光学ガラスは、第1および第2の長辺をそれぞれ斜め方向に切り落とす加工を行っていない。
対向電極(陰極)は真空蒸着装置でAl線材を抵抗加熱し、Al膜を80nmの厚さに蒸着することにより形成した。蒸着はマスクを介して行い、ショート防止のため両端からそれぞれ0.3mmのマージンを取った領域に対向電極を形成した。
透明基板として樹脂を用い、図11(a)〜11(d)に示した方法、およびその後の折り加工により有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
太陽電池セル用の透明基板として、幅28mm、長さ150mm、厚さ0.7mmのポリエーテルスルホン(PES)のリボンを用意した。実施例2と異なり、厚みを変化させる工程を行うことなく、この透明基板を一定の厚みで用いた。
Claims (9)
- 透明基板の主面上に形成された、透明電極と、有機薄膜からなる光電変換層と、対向電極とを含む光電変換領域を複数有し、
対をなす前記光電変換領域を有する前記透明基板の主面それぞれは、一方向に沿って正の傾きおよび負の傾きをもって傾斜し、前記主面の第1の辺同士が近接し、第2の辺同士が離間して配置され、
隣り合う前記光電変換領域を有する前記主面の対同士は、第2の辺を近接させて配置されており、
前記透明基板の前記第1の辺に隣接する側面は前記主面に対して傾斜し、前記透明基板は末端に向かって厚みが減少しており、
隣り合う前記透明基板の前記第1の辺に隣接する側面同士の間、および前記第2の辺に隣接する側面同士の間に設けられた透明媒質を更に有する有機薄膜太陽電池。 - 前記透明基板は複数設けられ、前記透明基板それぞれが1つの前記光電変換領域を有し、
前記透明基板の前記第2の辺に隣接する側面は前記主面に対して傾斜し、前記透明基板は末端に向かって厚みが減少している請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。 - 前記透明基板の前記第2の辺に隣接する側面に、前記透明電極の取り出し電極が形成されている請求項2に記載の有機薄膜太陽電池。
- 互いに隣り合う前記透明基板の前記取り出し電極の間に設けられた絶縁フィルムを更に有する、請求項3に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記絶縁フィルムはポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホンおよびポリカーボネートからなる群より選択され、その厚みが0.02mm以上0.2mm以下の範囲にある請求項4に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記透明基板は樹脂からなり、複数の主面と前記主面の間に設けられた厚みが厚い部分と前記主面の間に設けられた厚みが薄い部分とを有し、前記主面それぞれに光電変換領域が設けられ、前記透明基板の前記第1の辺に隣接して厚みが薄い部分に、前記透明電極の取り出し電極が形成されている請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記透明基板は、厚みが薄い部分の厚みが0.02mmから0.5mmの範囲であり、厚みが厚い部分の厚みが0.5mmから2mmの範囲である請求項5に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記透明基板は、前記第2の辺に隣接する端部が、前記一方向に平行に切断されている請求項5または6に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記透明基板の厚みが薄い部分において前記透明電極上に取り出し電極が形成され、前記取り出し電極に隣接して前記透明電極上に有機薄膜からなる光電変換層が形成されている請求項5ないし7のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
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