JP5573372B2 - 有機薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
また本発明によれば、一の単位セルの金属電極は、他の単位セルの補助電極に電気的に接続されており、他の単位セルの透明電極に接触していないので、透明電極を構成する金属酸化物と金属電極を構成する金属との仕事関数の差による腐食を回避することができ、接続信頼性を高めることができる。さらに、金属電極を構成する金属と補助電極を構成する金属とが接触するので、密着性および電気伝導性に優れる接続とすることができる。
さらに本発明によれば、延設領域には補助電極のメッシュ部が設けられているので、電極間での短絡を生じ難くすることができる。
したがって本発明においては、高効率・高起電力の有機薄膜太陽電池とすることが可能である。
本発明の有機薄膜太陽電池は、透明基板上に複数個の単位セルが平面的に配列され、上記複数個の単位セルのうち少なくとも2個の単位セルが直列に接続された有機薄膜太陽電池であって、上記単位セルは、上記透明基板上に形成された金属製の補助電極と、上記補助電極上に形成された透明電極と、上記透明電極上に形成された光電変換層と、上記光電変換層上に形成された金属電極とを有し、一の上記単位セルの上記金属電極と、他の上記単位セルの上記補助電極とが電気的に接続されており、上記他の単位セルは、上記一の単位セルの上記金属電極と上記他の単位セルの上記補助電極とが積層されている直列接続領域を有し、上記一の単位セルは、上記金属電極が上記直列接続領域まで延長して形成されるための延設領域を有し、上記補助電極は、メッシュ状のメッシュ部と、上記メッシュ部の周囲に配置されたフレーム部とを有し、上記延設領域には、上記補助電極のメッシュ部が設けられていることを特徴とするものである。
図1(a)は本発明の有機薄膜太陽電池の一例を示す概略平面図であり、図1(b)は図1(a)における透明電極と光電変換層と金属電極の一部とが省略された図であり、図2は図1(a)のA−A線断面図である。
有機薄膜太陽電池1では、透明基板2上に2個の単位セル10a,10bが平面的に配列され、これらの単位セル10a,10bが直列に接続されている。各単位セル10a,10bは、透明基板2と、透明基板2上に形成され、メッシュ部3aおよびフレーム部3bを有する金属製の補助電極3と、補助電極3上に形成された透明電極4と、透明電極4上に形成された光電変換層5と、光電変換層5上に形成された金属電極6とを有している。単位セル10aの金属電極6と単位セル10bの補助電極3とは接触しており、電気的に接続されている。すなわち、単位セル10aの金属電極6は、単位セル10bの補助電極3に接触しており、単位セル10bの透明電極4には接触していない。また、単位セル10bは、単位セル10aの金属電極6と単位セル10bの補助電極3とが積層されている直列接続領域11を有している。この直列接続領域11には、透明電極4が設けられていないので、単位セル10aの金属電極6と単位セル10bの補助電極3とを接触させることができる。さらに、単位セル10aは、金属電極6が直列接続領域11まで延長して形成されるための延設領域12を有している。そして、延設領域12には、補助電極3のメッシュ部3aが設けられ、直列接続領域11には、補助電極3のフレーム部3bが設けられている。
したがって本発明においては、高効率・高起電力の有機薄膜太陽電池とすることが可能である。
本発明における補助電極は、金属製であり、透明基板上に形成されるものであり、メッシュ状のメッシュ部とこのメッシュ部の周囲に配置されたフレーム部とを有するものである。補助電極は、通常、透明電極よりも抵抗値が低い。
メッシュ部およびフレーム部の配置としては、メッシュ部の周囲にフレーム部が配置されており、延設領域にメッシュ部が設けられていれば、特に限定されるものではなく、金属電極の形状等に応じて適宜選択される。
上述したように、図1(a)は本発明の有機薄膜太陽電池の一例を示す概略平面図であり、図1(b)は図1(a)における透明電極と光電変換層と金属電極の一部とが省略された図である。例えば図1(a),(b)に示すように、単位セル10aの金属電極6の形状が矩形である場合、単位セル10aの補助電極3において、フレーム部3bはメッシュ部3aの三方を囲むように配置され、補助電極3の単位セル10bに対向する一辺を除く三方を囲むように配置されている。一方、単位セル10bの補助電極3において、フレーム部3bはメッシュ部3aの四方すべてを囲むように配置されている。
図24(a)は本発明の有機薄膜太陽電池の他の例を示す概略平面図であり、図24(b)は図24(a)における透明電極と光電変換層と金属電極の一部とが省略された図である。図24(a),(b)に例示する有機薄膜太陽電池1では、透明基板2上に6個の単位セル10a〜10fが平面的に配列され、これらの単位セル10a〜10fが直列に接続されている。例えば図24(a),(b)に示すように、単位セル10a〜10fの金属電極6の形状が矩形である場合、単位セル10aの補助電極3において、フレーム部3bはメッシュ部3aの三方を囲むように配置され、補助電極3の単位セル10bに対向する一辺を除く三方を囲むように配置されている。同様に、単位セル10b〜10fの補助電極3においても、フレーム部3bはメッシュ部3aの三方を囲むように配置されている。
図3(a)は本発明の有機薄膜太陽電池の他の例を示す概略平面図であり、図3(b)は図3(a)における透明電極と光電変換層と金属電極の一部とが省略された図である。図3(a),(b)に例示する有機薄膜太陽電池1では、透明基板2上に5個の単位セル10a〜10eが平面的に配列され、これらの単位セル10a〜10eが直列に接続されている。例えば図3(a),(b)に示すように、単位セル10a〜10eの金属電極6の形状がL字型である場合、単位セル10aの補助電極3において、フレーム部3bはメッシュ部3aの四方を囲むように配置され、補助電極3の単位セル10bに対向する一辺の一部を除く四方に配置されている。同様に、単位セル10b〜10dの補助電極3においても、フレーム部3bはメッシュ部3aの四方を囲むように配置されている。一方、単位セル10eの補助電極3において、フレーム部3bはメッシュ部3aの四方すべてを囲むように配置されている。
本発明の有機薄膜太陽電池においては、光電変換層内で発生した電荷が補助電極により輸送される。この際、電荷は放射状に輸送されると考えられる。六角形の格子状または平行四辺形の格子状の場合は、放射状の集電において、電流分布を比較的均一にすることができる。
一方、平行四辺形の格子状の場合、平行四辺形の鋭角が40°〜80°の範囲内であることが好ましく、より好ましくは50°〜70°の範囲内、さらに好ましくは55°〜65°の範囲内である。また、平行四辺形の4辺の長さは、太陽電池の外形に併せて適宜設定される。例えば、平行四辺形が鋭角60°・鈍角120°で4辺の長さが等しい菱形である場合、電流分布が比較的均一となる均電流エリアの形状は、平行四辺形の鋭角の頂点を結ぶ対角線方向に電流が流れやすい楕円形状になる。そのため、単位セルの中心部から外周集電極となり得る補助電極のフレーム部までの距離を勘案して、平行四辺形の4辺の長さは適宜設定される。
中でも、補助電極の厚みが200nm〜300nmの場合、開口部の比率は80%〜98%の範囲内であることが好ましく、より好ましくは85%〜98%の範囲内である。一方、補助電極の厚みが100nm〜200nmの場合、開口部の比率は70%〜80%の範囲内であることが好ましく、より好ましくは75%〜80%の範囲内である。
また、メッシュ部の形状が六角形の格子状である場合、開口部の比率は75%〜85%の範囲内であることが好ましく、より好ましくは80%〜85%の範囲内である。一方、メッシュ部の形状が平行四辺形の格子状である場合、開口部の比率は80%〜98%の範囲内であることが好ましく、より好ましくは85%〜98%の範囲内である。
開口部の比率が上述の範囲未満であると、メッシュ部の線幅を太くして補助電極の面積を大きくすることができ、抵抗を小さくことができるものの、充分に光を透過させることができないために光電変換効率が低下するおそれがあるからである。また、開口部の比率が上述の範囲を超えると、充分に光を透過させて光電変換効率を高めることはできるものの、メッシュ部の線幅が小さくなり補助電極の面積が小さくなって、補助電極での電荷の移動効率が低下し、抵抗が大きくなるおそれがあるからである。さらに、開口部の比率が大きすぎるものは、安定した形成が困難だからである。また、開口部の比率が大きすぎると、補助電極に所望の抵抗値を付与するために、補助電極の厚みを厚くする必要が生じるので、生産効率が低下したり、また補助電極による段差が大きくなるために光電変換層を連続的な膜として形成することが困難となったりするからである。
また、フレーム部の線幅は、補助電極全体の面積や金属電極の形状等に応じて適宜選択される。
なお、「主に塗布量に応じて厚みを調整することが可能な方法」とは、塗布量を調整することによって厚みを制御することができる方法であり、主に塗布量以外のパラメータ、例えば回転数(遠心力)などを調整することにより厚みを制御する方法を除くものである。主に塗布量に応じて厚みを調整することが可能な方法としては、例えば、ダイコート法、ビードコート法、バーコート法、グラビアコート法、インクジェット法、オフセット印刷法などの印刷法を挙げることが出来る。一方、主に塗布量に応じて厚みを調整することが可能な方法には、スピンコート法は含まれない。
補助電極および透明電極上に、主に塗布量に応じて厚みを調整することが可能な方法により光電変換層を形成する場合、補助電極の厚みが上記範囲よりも厚いと、補助電極のメッシュ部およびフレーム部のエッジを覆うことが困難となり、電極間で短絡が生じやすくなる。また、補助電極の厚みが上記範囲よりも厚いと、表面張力によって所望の厚みよりも厚く光電変換層が形成されてしまうおそれがある。光電変換層の厚みが厚すぎると、電子拡散長および正孔拡散長を超えてしまい変換効率が低下する。表面張力によって所望の厚みよりも厚く光電変換層が形成されないように、補助電極の厚みを調整することが好ましい。特に、光電変換層内を正孔および電子が移動できる距離は100nm程度であることが知られていることからも、表面張力によって所望の厚みよりも厚く光電変換層が形成されないように、補助電極の厚みを調整することが好ましいのである。
一方、例えばスピンコート法により光電変換層を形成する場合、遠心力により均質な膜とするので、補助電極の厚みが比較的厚くても、補助電極のエッジを覆うことができる。また、スピンコート法の場合、回転数によって厚みを調整することができるので、補助電極の厚みが比較的厚くても、均質な膜を得ることができる。
よって、主に塗布量に応じて厚みを調整することが可能な方法により光電変換層を形成する場合には、上記範囲が特に好ましいのである。
なお、上記シート抵抗は、三菱化学株式会社製 表面抵抗計(ロレスタMCP:四端子プローブ)を用い、JIS R1637(ファインセラミックス薄膜の低効率試験方法:4探針法による測定方法)に基づき、測定した値である。
金属薄膜のパターニング方法としては、所望のパターンに精度良く形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、例えばフォトエッチング法等を挙げることができる。
本発明に用いられる金属電極は、光電変換層上に形成されるものであり、透明電極と対向する電極である。通常、金属電極は、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。本発明においては、補助電極側が受光面となるので、金属電極は透明性を有さなくともよい。
金属電極の膜厚は、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、金属電極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場合には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。
本発明に用いられる透明電極は、上記補助電極上に形成されるものである。本発明においては、補助電極側が受光面となるため、透明電極は、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。
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。
なお、上記シート抵抗は、三菱化学株式会社製 表面抵抗計(ロレスタMCP:四端子プローブ)を用い、JIS R1637(ファインセラミックス薄膜の低効率試験方法:4探針法による測定方法)に基づき、測定した値である。
この透明電極の膜厚としては、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。
本発明に用いられる光電変換層は、透明電極および金属電極の間に形成されるものである。なお、「光電変換層」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層の第1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。この光電変換層では、光電変換層内で形成されるpn接合を利用して電荷分離が生じるため、単独で光電変換層として機能する。
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、光電変換層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塗工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層の第2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。
本発明に用いられ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。
本発明における直列接続領域は、一の単位セルの金属電極と他の単位セルの補助電極とが直に積層されている領域である。この直列接続領域は、直列接続に用いられる補助電極を有する単位セルに設けられる。例えば、図1(a),(b)および図2において、単位セル10bは、補助電極3が直列接続に用いられるため、直列接続領域11を有している。一方、単位セル10aは、金属電極6は直列接続に用いられるが、補助電極3は直列接続に用いられないため、直列接続領域11を有さない。また例えば、図3(a),(b)において、単位セル10b〜10eは、補助電極3が直列接続に用いられるため、直列接続領域11を有している。一方、単位セル10aは、金属電極6は直列接続に用いられるが、補助電極3は直列接続に用いられないため、直列接続領域11を有さない。さらに、図24(a),(b)において、単位セル10b〜10fは、補助電極3が直列接続に用いられるため、直列接続領域11を有している。一方、単位セル10aは、金属電極6は直列接続に用いられるが、補助電極3は直列接続に用いられないため、直列接続領域11を有さない。
図1(a),(b)においては、各単位セル10a、10bは隣接する単位セル10a、10bの辺同士が対向するように配置されており、各単位セルの隣接する単位セルに対向する辺のうち、単位セル10bの単位セル10aに対向する辺に直列接続領域11が設けられ、単位セル10aの単位セル10bに対向する辺に延設領域12が設けられている。具体的には、各単位セル10a、10bは隣接する単位セル10a、10bの長辺同士が対向するように配置されており、隣接する単位セル10a、10bの対向する長辺間で金属電極6と補助電極3とが電気的に接続されている。
図24(a),(b)においても、各単位セル10a〜10fは隣接する単位セルの長辺同士が対向するように配置されており、各単位セルの隣接する単位セルに対向する長辺のうち、右側の単位セルの長辺に直列接続領域11が設けられ、左側の単位セルの長辺に延設領域12が設けられており、単位セルの長辺で金属電極6と補助電極3とが電気的に接続されている。
また、図3(a),(b)においては、各単位セル10a〜10eは隣接する単位セルの辺同士が対向するように配置されており、各単位セルの隣接する単位セルに対向する辺に隣り合う(接する)辺のうち、右側の単位セルの辺に直列接続領域11が設けられ、各単位セルの隣接する単位セルに対向する辺のうち、左側の単位セルの辺の一部に延設領域12が設けられている。具体的には、各単位セル10a〜10eは隣接する単位セルの長辺同士が対向するように配置されており、隣接する単位セルのうち、右側の単位セルの短辺に直列接続領域11が設けられ、左側の単位セルの長辺の一部に延設領域12が設けられており、単位セルの短辺で金属電極6と補助電極3とが電気的に接続されている。
本発明においては、透明電極(正孔取出し電極)と光電変換層との間に正孔取出し層が形成されていることが好ましい。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。
本発明においては、光電変換層と金属電極(電子取出し電極)との間に電子取出し層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。
本発明においては、複数個の単位セルが透明基板上に平面的に配列されており、複数個の単位セルのうち少なくとも2個の単位セルが直列に接続されている。
単位セルの接続としては、複数個の単位セルのうち少なくとも2個の単位セルが直列に接続されていればよく、直列のみであってもよく、直列および並列を組み合わせてもよい。例えば、すべての単位セルが直列に接続されていてもよく、少なくとも2個の単位セルが直列に接続されたものが複数配列されていてもよく、少なくとも2個の単位セルが直列に接続されたもの同士が並列に接続されていてもよい。具体的には、4個の単位セルが透明基板上に平面的に配列されている場合、4個の単位セルを直列に接続してもよく、2個ずつの単位セルを直列に接続して、その間は接続しなくてもよく、2個ずつの単位セルを直列に接続して、その間を並列に接続してもよい。
本発明の有機薄膜太陽電池は、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、本発明の有機薄膜太陽電池は、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。
本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法は、上述の有機薄膜太陽電池を製造する有機薄膜太陽電池の製造方法であって、上記透明基板上に金属薄膜を形成し、上記金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記金属薄膜をメッシュ状にパターニングして、補助電極を形成する補助電極形成工程と、上記補助電極上に、メタルマスクを用いた蒸着法により透明電極を形成する透明電極形成工程とを有することを特徴とするものである。
まず、透明基板2上に全面に金属薄膜13を成膜し、次いで、金属薄膜13上にレジスト21aを配置し(図9(a))、露光および現像を行い、レジスト画像21bを形成する(図9(b))。続いて、レジスト画像21bをマスクとして露出している金属薄膜13をエッチングし、レジスト画像21bを除去して、メッシュ部3aおよびフレーム部3bを有する補助電極3を形成する(図9(c))。この際、延設領域12にはメッシュ部3aが配置され、直列接続領域11にはフレーム部3bが配置されるように、金属薄膜をパターニングする。
次に、補助電極3上に、メタルマスクを用いた蒸着法により透明導電膜を成膜し透明電極4とする(図9(d))。この際、直列接続領域11では補助電極3が露出するように、透明電極4をパターン状に形成する。
次に、透明電極4上に、印刷法により光電変換層5を形成する(図9(e))。この際、延設領域12では、補助電極3および透明電極4と、光電変換層5上に形成される金属電極とが絶縁されるように、補助電極3および透明電極4のエッジを覆うように光電変換層5を形成する。また、直列接続領域11では補助電極3が露出するように、光電変換層5をパターン状に形成する。
次いで、光電変換層5上に、メタルマスクを用いた蒸着法により金属電極6を形成する(図9(f))。この際、金属電極6は、延設領域12から直列接続領域11まで延長して形成され、直列接続領域11では金属電極6と補助電極3とが接触するように形成される。
以下、本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法における各工程について説明する。
本発明における補助電極形成工程は、透明基板上に金属薄膜を形成し、上記金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により上記金属薄膜をメッシュ状にパターニングして、補助電極を形成する工程である。
金属薄膜の成膜方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等を挙げることができる。
レジストの露光方法および現像方法としては、一般的な方法を適用することができる。
この際、金属薄膜をメッシュ状にパターニングすればよく、その形状としては、メッシュ状であれば特に限定されるものではなく、所望の導電性、透過性、強度等により適宜選択される。例えば、多角形や円形の格子状等が挙げられる。中でも、金属薄膜を六角形または平行四辺形の格子状にパターニングすることが好ましい。なお、形状については、上記「A.有機薄膜太陽電池」の補助電極の項に記載した補助電極の形状と同様である。
本発明における透明電極形成工程は、上記補助電極上に、メタルマスクを用いた蒸着法により透明電極を形成する工程である。
透明電極の形成方法としては、メタルマスクを用いた蒸着法であれば特に限定されるものではなく、蒸着法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等を挙げることができる。
本発明においては、通常、透明電極形成工程後に、透明電極上に光電変換層を形成する光電変換層形成工程が行われる。
[実施例1]
外形サイズ200mm×250mm□、膜厚0.7mmのガラス基板の表面に、スパッタ法にてCr/Cu(20nm/300nm)を成膜した。成膜後に所望の形状のパターンをフォトエッチング法にて形成し、所定の開口形状を有する補助電極を形成した。補助電極のメッシュ部は、六角形の開口部がハニカム状に配列されたものであり、開口幅:450μm、線幅:50μmであり、開口率:約80%であった。また、補助電極のメッシュ部およびフレーム部の配置は、図4(b)に示すような配置とした。
次いで、補助電極上に、直列接続領域となる部分が開口しているメタルマスクを介し、イオンプレーティング法によりITOを成膜した。
次に、ポリチオフェン(P3HT:poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))と、高速液体クロマトグラフィーによりα位置換型異性体の割合が98%であることを確認したC70PCBM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid mettric ester)とをクロロベンゼンに溶解させ、固形分濃度1.4wt%の光電変換層用塗工液を準備した。次いで、光電変換層用塗工液を正孔取出し層上にダイコート法にて塗布して光電変換層を形成した。続いて、温度150℃のホットプレート上で、光電変換層が形成された基板を加熱乾燥した。
最後に、封止用ガラス材および接着性封止材により金属電極上から封止して有機薄膜太陽電池とした。
補助電極を形成しないこと以外は、実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
得られた有機薄膜太陽電池では、開放電圧:4.2Vであり、光電変換効率は0.5%であった。
下記のようにITOパターンを形成したこと以外は、実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池を作製した。
イオンプレーティング法により、補助電極が形成されたガラス基板の全面にITOを成膜した後に、YAGレーザーを照射し、ITO膜の不要な部分を除去し、所望のパターンを得た。
得られた有機薄膜太陽電池では、電極間で短絡が生じた。
シミュレーションにより、補助電極のメッシュ部の形状の最適化を実施した。メッシュ部のモデルを構築し、種々の形状のメッシュ部を配置し、電流の流れ方を検証した。メッシュ部の開口部の形状を、円形、三角形、四角形、六角形とし、電流方向に対し配置方向を変化し、シミュレーションを実施した。シミュレーションは、Ansof社製のQ3Dシミュレータを使用した。
各形状のシミュレーション結果を図10〜図20にそれぞれ示す。なお、図10〜図20において、矢印dは電流方向を示す。
四角形の場合、ストレート配列(図12(a)、(b))の場合には、電流方向に対して横方向に電流が流れなかった。一方、ジグザグ配列(図13(a)、(b))の場合には、低電流領域は大幅に減少するが、開口部の前後に低電流領域が存在していた。
三角形の場合、ストレート配列(図16(a)、(b)、図17(a)、(b))の場合には、開口部の端部に過電流領域が生じ、また開口部の前後に低電流領域が生じ、電流密度分布が最も大きくなった。一方、ジグザグ配列(図18(a)、(b))の場合には、電流方向に対して横方向に電流が流れず、入射量をロスしてしまうが、それ以外の領域では比較的均一な電流分布を確認できた。
菱形の場合、鋭角が60°の場合(図19(a)、(b))には、非常に良好な電流分布を示した。一方、角度が90°の場合(図20(a)、(b))には、電流方向に対して交差部分に若干の低電流領域が生じた。
六角形の場合、ストレート配列(図14(a)、(b))の場合には、低電流領域が存在し、電流分布密度は良好ではなかった。一方、ジグザグ配列(図15(a)、(b))の場合には、良好な電流分布を示した。さらに、ジグザグ配列の場合(図15(b)、図21)、電流方向に対して開口部の向きを90°回転させることで、過電流領域と低電流領域とが変化した。
結果として、六角形および菱形が良好な電流分布を示した。
さらに、菱形の場合について、電流を中心部から外周部に向かって放射状に流した場合のシミュレーション結果を図23に示す。この場合も、電流分布は比較的均一であった。そして、電流分布が比較的均一となる均電流エリアの形状は、菱形の鋭角の頂点を結ぶ対角線方向に電流が流れやすい楕円形状になった。
2 … 透明基板
3 … 補助電極
3a … メッシュ部
3b … フレーム部
4 … 透明電極
5 … 光電変換層
6 … 金属電極
10a,10b,10c,10d,10e,10f… 単位セル
11 … 直列接続領域
12 … 延設領域
Claims (3)
- 透明基板上に複数個の単位セルが平面的に配列され、前記複数個の単位セルのうち少なくとも2個の単位セルが直列に接続された有機薄膜太陽電池であって、
前記単位セルは、前記透明基板上に形成された金属製の補助電極と、前記補助電極上に形成された透明電極と、前記透明電極上に形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された金属電極とを有し、
一の前記単位セルの前記金属電極と、他の前記単位セルの前記補助電極とが電気的に接続されており、
前記他の単位セルは、前記一の単位セルの前記金属電極と前記他の単位セルの前記補助電極とが積層されている直列接続領域を有し、前記一の単位セルは、前記金属電極が前記直列接続領域まで延長して形成されるための延設領域を有し、
前記補助電極は、メッシュ状のメッシュ部と、前記メッシュ部の周囲に配置されたフレーム部とを有し、
前記補助電極のメッシュ部の形状が、六角形の格子状または鋭角が40°〜80°の範囲内である平行四辺形の格子状であり、
前記延設領域には、前記補助電極のメッシュ部が設けられていることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 前記直列接続領域には、前記補助電極のフレーム部が設けられてい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。
- 請求項1または請求項2に記載の有機薄膜太陽電池を製造する有機薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記透明基板上に金属薄膜を形成し、前記金属薄膜上にレジストを配置し、フォトエッチング法により前記金属薄膜をメッシュ状にパターニングして、補助電極を形成する補助電極形成工程と、
前記補助電極上に、メタルマスクを用いた蒸着法により透明電極を形成する透明電極形成工程と
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。
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