JP5571525B2 - 有機薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の模式的断面構造は、図1(a)に示すように表され、図1(a)の部分拡大図は、図1(b)に示すように表される。
有機薄膜太陽電池の動作原理を説明する模式図は、図2に示すように表される。図2の左図に示すように、動作原理を説明する有機薄膜太陽電池の構造は、基板10と、基板10上に配置された透明電極層11と、透明電極層11上に配置された正孔輸送層12と、正孔輸送層12上に配置されたバルクへテロ接合有機活性層14と、バルクへテロ接合有機活性層14上に配置されたカソード電極層16とを備える。
第1の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法を図9〜図13を用いて説明する。
第1の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池において、p型有機活性層13が、側壁が垂直状の溝部23を有する模式的断面構造は図14に示すように表される。
第1の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池において、セルを7個直列接続した模式的平面パターン構成は、図26に示すように表される。また、図26のI−I線に沿う模式的断面構造は、図27(a)に示すように表され、図27(a)に対応する等価回路構成は、図27(b)に示すように表される。
第1の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池において、試作金型を用いてナノインプリントを行ったp型有機活性層13の表面拡大写真は、図28(a)に示すように表され、図28(a)の丸印部分の表面拡大写真は、図28(b)に示すように表される。また、図28(b)のS部分に対応するp型有機活性層13の原子間力顕微鏡(AFM :Atomic Force Microscope)による観察結果は、図28(c)に示すように表され、図28(c)のT部分に対応するAFM観察結果は、図28(d)に示すように表される。図28(c)におけるXY方向の単位スケールは、10μmである。図28(d)におけるXY方向の単位スケールは、0.5μmであり、Z方向の単位スケールは、100nmである。試作金型を用いてナノインプリントを行ったp型有機活性層13の断面形状は、例えば、図11若しくは図15と同様である。
本発明の第2の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の模式的断面構造は、図29に示すように、基板10と、基板10上に配置された第1電極層11と、第1電極層11上に配置された第1導電型輸送層12と、第1導電型輸送層12上に配置されたバルクへテロ接合有機活性層14と、バルクへテロ接合有機活性層14の表面に形成された溝部23の凹面および凸面に配置された金属ナノ粒子層18と、溝部23を充填しかつ金属ナノ粒子層18を被覆する第2電極層16とを備える。
第1の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法を図30〜図32を用いて説明する。
ナノインプリントを施したバルクへテロ接合有機活性層14の断面を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察した結果は、図33(a)に示すように表される。図33(a)は、図32に示された構造の部分拡大写真に対応している。さらに、図33(a)の部分拡大写真は、図33(b)に示すように表される。
第2の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池において、入射光hνiに対する反射光hνrの割合である反射率の測定を説明する模式的断面構造は、図34(a)に示すように表され、測定結果に基づく反射率の波長特性は、図34(b)に示すように表される。
第3の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の模式的断面構造は、図35に示すように、基板10と、基板10上に配置された透明電極層11と、透明電極層11上に配置された正孔輸送層12と、正孔輸送層12上に配置された第1p型有機活性層131と、第1p型有機活性層131上に配置された第2p型有機活性層132と、第2p型有機活性層132上に配置された第3p型有機活性層133と、第1p型有機活性層131と第2p型有機活性層132を貫通し、第3p型有機活性層133まで形成された溝部23の凹面および凸面に配置されたn型有機活性層15と、n型有機活性層15上に配置された電子輸送層17と、溝部23を充填しかつ電子輸送層17を被覆するカソード電極層16とを備える。
第4の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の模式的断面構造は、図36に示すように、基板10と、基板10上に配置された透明電極層11と、透明電極層11上に配置された正孔輸送層12と、正孔輸送層12上に配置された第1p型有機活性層131と、第1p型有機活性層131上に配置された第2p型有機活性層132と、第2p型有機活性層132上に配置された第3p型有機活性層133と、第1p型有機活性層131と第2p型有機活性層132を貫通し、第3p型有機活性層133まで形成された溝部23の凹面および凸面に配置された電子輸送層17と、溝部23を充填しかつ電子輸送層17を被覆するカソード電極層16とを備える。
第5の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造は、図37に示すように表される。また、第5の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の模式的断面構造は、図38に示すように表される。
を備える。
第5の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法を図37〜図38を用いて説明する。尚、第2の実施の形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法の内、図30〜図32に示される工程は重複するため説明を省略する。
第5の実施の形態の変形例に係る有機薄膜太陽電池の模式的断面構造は、図39に示すように、ナノインプリント技術を用いて、任意のパターニングを施し、金属ナノ粒子層を形成したバルクへテロ接合有機活性層をn層繰り返して積層化することにより、超格子構造を形成した例が示されている。
上記のように、本発明は第1〜第5の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
11…第1電極層(アノード電極層、透明電極層)
12…第1導電型輸送層(正孔輸送層)
13、131、132、133…第1導電型有機活性層(p型有機活性層)
14、141、142、…、14n…バルクへテロ接合有機活性層
15…第2導電型有機活性層(n型有機活性層)
16…第2電極層(カソード電極層)
17…第2導電型輸送層(電子輸送層)
18…金属ナノ粒子層
20…金型
23…溝部
Claims (15)
- 基板と、
前記基板上に配置された第1電極層と、
前記第1電極層上に配置された第1導電型輸送層と、
前記第1導電型輸送層上に配置された第1導電型第1有機活性層と、
前記第1導電型第1有機活性層上に配置された第1導電型第2有機活性層と、
前記第1導電型第2有機活性層上に配置された第1導電型第3有機活性層と、
前記第1導電型第1有機活性層と前記第1導電型第2有機活性層を貫通し、前記第1導電型第3有機活性層まで形成された溝部と、
前記溝部の凹面および凸面に配置された第2導電型有機活性層と、
前記第2導電型有機活性層上に配置された第2導電型輸送層と、
前記第2導電型輸送層の凹面および凸面に配置された金属ナノ粒子層と、
前記溝部を充填しかつ第2導電型輸送層および前記金属ナノ粒子層を被覆する第2電極層と
を備えることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 前記溝部は、側壁が、垂直形、順テーパ形、順テーパの楔形、逆テーパ形、多段形、曲面形の内、いずれか一種の形状を有することを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記溝部は、凹凸の周期構造を有し、かつ前記凹凸構造は、ドット状の凹部が周期的に配列された構成、若しくは非周期的に散在された構成、或いは、ドット状の凸部が周期的に配列された構成、若しくは非周期的に散在された構成、或いは、ライン&スペース状に、凸部若しくは凹部構造が、周期的にまたは非周期的に繰り返される構成、或いは、複数のライン&スペース構造が互いに重なった構成、或いは、矩形状の閉図形の構成を有することを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記溝部の形成には、酸素プラズマエッチング技術、レーザパターニング技術、ナノインプリント技術のいずれかを用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記溝部は、多段段差形状を備え、前記多段段差の開口幅は、光照射方向から遠ざかるにつれて、順次大きく設定されることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。
- 基板と、
前記基板上に配置された第1電極層と、
前記第1電極層上に配置された第1導電型輸送層と、
前記第1導電型輸送層上に配置されたバルクへテロ接合有機活性層と、
前記バルクへテロ接合有機活性層の表面に形成された溝部の凹面および凸面に配置され、かつAg層、Au層、Pt層のいずれかから形成された金属ナノ粒子層と、
前記溝部を充填しかつ前記金属ナノ粒子層を被覆するとともに、Al層から形成された第2電極層と
を備えることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 前記溝部は、側壁が、垂直形、順テーパ形、順テーパの楔形、逆テーパ形、多段形、曲面形の内、いずれか一種の形状を有することを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記溝部は、凹凸の周期構造を有し、かつ前記凹凸構造は、ドット状の凹部が周期的に配列された構成、若しくは非周期的に散在された構成、或いは、ドット状の凸部が周期的に配列された構成、若しくは非周期的に散在された構成、或いは、ライン&スペース状に、凸部若しくは凹部構造が、周期的にまたは非周期的に繰り返される構成、或いは、複数のライン&スペース構造が互いに重なった構成、或いは、矩形状の閉図形の構成を有することを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記溝部の形成には、酸素プラズマエッチング技術、レーザパターニング技術、ナノインプリント技術のいずれかを用いることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記溝部は、多段段差形状を備え、前記多段段差の開口幅は、光照射方向から遠ざかるにつれて、順次大きく設定されることを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。
- 第1バルクへテロ接合有機活性層と、
前記第1バルクへテロ接合有機活性層の表面に形成された第1溝部の凹面および凸面に配置され、かつAg層、Au層、Pt層のいずれかから形成された第1金属ナノ粒子層と、
前記第1溝部を充填しかつ前記第1金属ナノ粒子層を被覆する第2バルクへテロ接合有機活性層と、
前記第2バルクへテロ接合有機活性層の表面に形成された第2溝部の凹面および凸面に配置され、かつAg層、Au層、Pt層のいずれかから形成された第2金属ナノ粒子層と、
前記第2溝部を充填しかつ前記第2金属ナノ粒子層を被覆するとともに、Al層から形成された第2電極層と
を備えることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 前記第2溝部を充填しかつ前記第2金属ナノ粒子層を被覆する第3バルクへテロ接合有機活性層を備えることを特徴とする請求項11に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記第1バルクへテロ接合有機活性層および前記第1金属ナノ粒子層と、前記第2バルクへテロ接合有機活性層および前記第2金属ナノ粒子層とからなる構造が、複数積層化されたことを特徴とする請求項11に記載の有機薄膜太陽電池。
- 基板を準備する工程と、
前記基板上に第1電極層を形成する工程と、
前記第1電極層上に第1導電型輸送層を形成する工程と、
前記第1導電型輸送層上に第1導電型第1有機活性層を形成する工程と、
前記第1導電型第1有機活性層上に第1導電型第2有機活性層を形成する工程と、
前記第1導電型第2有機活性層上に配置された第1導電型第3有機活性層を形成する工程と、
前記第1導電型第1有機活性層と前記第1導電型第2有機活性層を貫通し、前記第1導電型第3有機活性層まで溝部を形成する工程と、
前記溝部の凹面および凸面に第2導電型有機活性層を形成する工程と、
前記第2導電型有機活性層上に第2導電型輸送層を形成する工程と、
前記第2導電型輸送層の底面および上面に金属ナノ粒子層を形成する工程と、
前記溝部を充填しかつ前記金属ナノ粒子層を被覆する第2電極層を形成する工程と
を有することを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法。 - 基板を準備する工程と、
前記基板上に第1電極層を形成する工程と、
前記第1電極層上に第1導電型輸送層を形成する工程と、
前記第1導電型輸送層上にバルクへテロ接合有機活性層を形成する工程と、
前記バルクへテロ接合有機活性層の表面に溝部を形成する工程と、
前記溝部の凹面および凸面にAg層、Au層、Pt層のいずれかから形成された金属ナノ粒子層を形成する工程と、
前記溝部を充填しかつ前記金属ナノ粒子層を被覆するとともに、Al層から形成された第2電極層を形成する工程と
を備えることを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法。
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