JP5603912B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、太陽電池モジュールに関する。

有機薄膜太陽電池は、導電性ポリマーやフラーレン等を組み合わせた有機薄膜半導体を用いた太陽電池である。有機薄膜太陽電池は、シリコンやＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ（ＣＩＧＳ）、ＣｄＴｅなどの無機系材料をベースとした太陽電池に比べて光電変換膜を塗布や印刷という簡便な方法で生産でき、低コスト化できる可能性がある。その反面、有機薄膜太陽電池の光電変換効率や寿命は、従来の無機系太陽電池と比較して低いという課題を有する。

有機薄膜太陽電池モジュールの光電変換効率が低くなる要因のひとつとして、透明電極が比較的に高抵抗であるために光電流を効率良く外部に取り出すには、太陽電池セル面積を１０〜２０ｍｍ程度に小さくする必要があることがあげられる。このように太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルが小さいと、これらの太陽電池セルを電気的に接続するスペースの総面積が増えて、太陽電池モジュールとしての開口率が低くなる。

この課題は、有機薄膜太陽電池だけではなく、アモルファスシリコンやＣＩＧＳなどの透明電極を用いている無機系太陽電池でも課題となっている。これらの無機系太陽電池では太陽電池モジュールの開口率を向上させるために種々の工夫がなされている。例えば、太陽電池セル間の接続スペースを小さくするために、レーザースクライブやメカニカルスクライブという方法で太陽電池セル間接続のための配線経路を形成している。しかしながら、有機薄膜太陽電池では、レーザースクライブやメカニカルスクライブの方式は未だ有効な手段となっていない。これらの方式では、形成した光電変換層の一部を熱的もしくは機械的に取り除き、そこに接続配線を通す方式であるが、レーザースクライブでは、有機半導体層でレーザー光を熱に変換する効率が低いことが原因で、有機半導体層を満足に取り除くことが出来ない。また、メカニカルスクライブにおいても、有機半導体層は無機材料より弾性が大きいため、鋭い刃先で削り取るということが困難で、微細な接続配線経路を形成することが出来ない。また、紐状の削り屑が出やすく、これを完全に取り除くことが出来ないことも、有機半導体層特有の現象である。

特開２００５−２３５７２５号公報

本発明の実施形態の課題は、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明の実施形態による太陽電池モジュールは、単一の光電変換層に起電力極性が交互に異なるように配置された正孔輸送層および電子輸送層を有する複数の太陽電池セル構造を有し、前記太陽電池セル構造が電気的に直列に接続されてなるもの、である。

本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す平面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す平面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す平面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す平面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、下記は、本発明の実施の形態のうち好ましい諸例についての例示であり、従って、本発明の範囲は下記の具体的例示の範囲内のみに限定されることはない。

図１は、本発明の実施の形態による太陽電池モジュールの構成断面図である。

この図１には、共通の光電変換層１３に、起電力極性が交互になるように正孔輸送層１２と電子輸送層１４が配置された太陽電池セル構造を有している。図１より明らかなように、太陽電池セルとして独立した構成ではなく、単一の光電変換層１３を用いて構成された太陽電池セル構造となっている。このような単一の光電変換層１３を用いても独立した太陽電池セルと同様の特性が得られる。そして、この太陽電池セル構造は電気的に直列に接続されている。電気的に直列に接続する手段は、透明電極層１１と、この透明電極層１１と対になる対向電極層１５とで行なわれる。図１においては、前記構成の太陽電池セル構造の一方の面が、１枚の基板１０に配置されてなる本発明の実施の形態による太陽電池モジュールが示されている。

すなわち、基板１０には、太陽電池セル構造が起電力極性を交互に変えて形成された構成となっている。各々のセル構造は、透明電極層１１と、正孔輸送層１２、光電変換層１３、電子輸送層１４、対向電極１５からなる。ここで、各太陽電池セル構造は、正孔輸送層１２が形成されている側が正極（アノード）となり、電子輸送層１４が形成されている側が負極（カソード）となる。光電変換層１３は、好ましくは、ｐ型半導体とｎ型半導体とがバルクへテロジャンクションした構造の薄膜である。

なお、図１には、太陽電池セル構造が６個記載されており、これらの全てが直列に接続された態様が記載されているが、太陽電池セル構造の数は６個のみに限定されることはなく、そして、全ての太陽電池セルが直列に接続されている場合のみに限定されることはない。本発明の実施の形態による太陽電池モジュールは、太陽電池セルの数が複数（即ち、２個以上）であり、全ての太陽電池セル構造のうち複数（即ち、２個または３個以上）が直列に接続された太陽電池モジュールが包含される。

１枚の基板１０に複数配置された太陽電池セル構造は、隣接した太陽電池セル構造の起電力極性が交互に異なるように配置されている。すなわち、図１の実施の形態による太陽電池モジュールにおいては、セル１とセル２との、セル２とセル３との、セル３とセル４との、セル４とセル５との、セル５とセル６との起電力極性が異なるように配置されている。

そして、透明電極層１１は、隣接する２つのセル毎にパターン化されて、隣の透明電極１１と絶縁されている。また、透明電極層１１と対になる対向電極層１５も隣接する２つのセル毎にパターン化され、前記の透明電極層とは位相がセル１個分だけずれた関係でパターン化されている。すなわち、図１の実施の形態による太陽電池モジュールにおいては、透明電極層１１は、セル２とセル３、セル４とセル５が一つのパターンとなっており、また、対向電極層１５は、セル１とセル２、セル３とセル４、セル５とセル６が一つのパターンとなっている。

このように、「セル１の電子輸送層１４」と「セル２の正孔輸送層１２」とが「対向電極層１５」によって電気的に接続され、そして、「セル２の電子輸送層１４」と「セル３の正孔輸送層１２」とが「透明電極層１１」によって電気的に接続されており、このような電気的接続がセル１〜セル６にわたってなされていることによって、複数の太陽電池セル構造（即ち、セル１、セル２、セル３、セル４、セル５、セル６）は、電気的に直列に接続されている。セル１の正孔輸送層１２を有する透明電極層１１は、セル１〜６が直列に接続された太陽電池モジュール全体の正極として、一方、セル６の電子輸送層１４を有する透明電極層１１は、セル１〜６が直列に接続された太陽電池モジュール全体の負極として、外部と接続されて、太陽電池モジュールにおいて発電された電力が外部へ供給される。

そして、図１に示される本発明の実施の形態による太陽電池モジュールでは、複数の太陽電池セル構造（即ち、セル１〜セル６）を構成している光電変換層１３が、共通、すなわち連続層として形成されている。

以上のように、本発明の実施の形態による太陽電池モジュールでは、複数の太陽電池セル構造の接続が平面的に行われている。このため、セル間のスペース（例えば、セル１の透明電極層とセル２の透明電極層との間隔、セル２の対向電極層とセル３の対向電極層との間隔等）を短く出来る。なお、本発明の実施の形態では、セル間のスペースは、電極のパターニング精度および正孔輸送層と電子輸送層のパターニング精度に応じて定めることができるので、セル間のスペースは、例えば０．５〜２ｍｍ、好ましくは１〜１．５ｍｍというように短く出来る。

従って、従来の直列接続法のように、透明電極層から対向電極層へ三次元的に接続するために、電子輸送層、光電変換層、正孔輸送層の一部分を、例えばレーザースクライブやメカニカルスクライブ等によって、取り除いて接続配線スペースを作る必要がない。

このことから、本発明の実施の形態による太陽電池モジュールでは太陽電池モジュールの単位面積あたりの発電量を、従来よりも増大させることができる。

図２は、図１に示された本発明の実施の形態による太陽電池モジュールの構成を示す平面図である。なお、図２では、太陽電池モジュールの構成を判り易くするために、対向電極層１５、電子輸送層１４、光電変換層１３および正孔輸送層１２が、便宜的に小さく描かれていて、電子輸送層１４、光電変換層１３および正孔輸送層１２の端部が露出しているが、図１の断面図から明らかな通り、電子輸送層１４、光電変換層１３および正孔輸送層１２は、対向電極層１５によって隠蔽されている。

このように、本発明の実施の形態による太陽電池モジュールは、正孔輸送層と電子輸送層のパターニングだけで起電力極性が異なるセルを交互に並べることで、レーザースクライブやメカニカルスクライブをすることなく、直列接続の太陽電池モジュールを形成することが出来るので、使用装置を減らして製造コストを下げることが出来る。

そして、本発明の実施の形態では、１枚の基板に複数のセルを形成でき、かつ、隔壁も不要で、光電変換層を全てのセル構造の領域で一度に形成できるので、製造プロセスが簡易になり歩留りも向上する。本発明の有機薄膜太陽電池モジュールは、セルの集合体として構成される。

さらに、本発明の実施の形態による太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを構成している光電変換層が連続層として形成されてなることを特徴とする。このことから、本発明の実施の形態では、光電変換層を、複数の太陽電池セル構造にわたって、共通の連続層として一度に一括して形成することが可能である。このことから、光電変換層の形成を、各セル構造のバラツキを低減して、安定的にかつ効率的に行うことができる。

光電変換層は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有するものであることから、その特性の向上および安定化は、太陽電池モジュールの高性能化のために特に求められている。特に、複数のセルが直列接続されている太陽電池モジュールにあっては、その直列接続された複数のセルのうち最も特性が低いセルが太陽電池モジュール全体の性能を制約する場合がある。本発明の実施の形態では、上記のように、光電変換層を複数の太陽電池セル構造にわたって連続層として一度に形成することが可能であることから、各セル構造のバラツキを低減して安定的に行うことができるので、太陽電池モジュールの高性能化、耐久性の向上、安定的生産および製造コストの削減を図ることができる。

＜各構成部材の具体的内容＞
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの各構成部材について説明する。
<<基板>>
基板１０は、主として、他の構成部材を支持するためのものである。
この基板１０は、電極を形成でき、熱や有機溶剤によって変質しないものが好ましい。基板１０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、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン等の金属基板等が挙げられる。この中では、特に無アルカリガラスおよびポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が好ましい。

基板１０は、光が入射する側に配置される場合、透明なものを使用する。基板とは反対側の電極が透明または半透明である場合、不透明な基板を使用してもよい。基板の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度があれば、特に限定されないが、好ましくは０．５〜１．５ｍｍである。

基板１０を透明基板として光入射側に使用する場合には、その光入射面には、例えばモスアイ構造の反射防止膜を設置することで光を効率的に取り込み、太陽電池セル構造のエネルギー変換効率を向上させることが可能である。

モスアイ構造は、表面に１００ｎｍ程度の規則的な突起配列を有する構造をしており、この突起構造により厚み方向の屈折率が連続的に変化するため、無反射フィルムを媒介させることで屈折率の不連続的な変化面がなくなるため光の反射が減少し、太陽電池セル構造の光電変換効率が向上する。

<<透明電極層>>
透明電極層１１は、基板１０に積層する。透明電極層１１の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明または半透明の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ができる。透明または半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の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、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイド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、電極材料として、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、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が作用するとひび割れてしまう。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。

透明電極層１１は、単層であってもよく、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あってもよい。

特に、正孔輸送層１２に接する透明電極層１１の表面が、仕事関数が４．５以上であるものが好ましい。また、電子輸送層１４に接する透明電極層１１の表面が、仕事関数が４．５以下であるものが好ましい。透明電極層１１の表面を、上記所定の仕事関数のものとする方法は任意である。例えば、本発明の実施形態では、真空蒸着法、スパッタリング法 および塗布法などの方法が好ましい。

<<正孔輸送層>>
正孔輸送層１２は、光電変換層１３と、透明電極層１１または対向電極層１５との間に配置される。正孔輸送層１２の機能には、下部の陽極電極の凹凸をレベリングして太陽電池素子の短絡を防ぐこと、正孔のみを効率的に輸送すること、光電変換層１３の界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐこと等がある。正孔輸送層１２の材料としては、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（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））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、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１が挙げられる。無機物では、酸化モリブテンが好適な材料である。

正孔輸送層１２の材料としてＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００を使用する場合、膜厚は２０〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎる場合は、下部電極の短絡を防止する作用がなくなり、ショートが発生してしまう。厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため、光変換効率が低下する。

正孔輸送層１２の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えばスピンコート法等で塗布することが可能である。正孔輸送層１２の材料を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレート等で加熱乾燥する。１４０〜２００℃で数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

<<光電変換層>>
光電変換層１３は、正孔輸送層１２と電子輸送層１４との間に配置される。本発明の好ましい実施形態による太陽電池モジュールは、バルクへテロ接合型の太陽電池モジュールである。

バルクヘテロ接合型の太陽電池モジュールは、ｐ型半導体とｎ型半導体が光電変換層１３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。一方、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。本発明の実施形態においては、ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方が有機半導体であってよい。

ｐ型有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を使用することができ、これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が挙げられる。

好ましいｐ型有機半導体は、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体である。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、ポリ３−ドデシルチオフェン等のポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェン、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等のポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等のポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。

また、近年では、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９”−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体が、優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法等により、安価な設備にて低コストで製造できるという利点がある。

ｎ型有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。ここで使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基等のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６等の水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。

上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。

光電変換層におけるｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合比率は、ｎ型有機半導体の含有率をｐ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合、ｎ：ｐ＝１：２〜４：１とすることが好ましい。またｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、ｎ：ｐ＝１：１〜８：１とすることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解することがあるが、それに用いる溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

溶液を塗布し成膜する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

<<電子輸送層>>
電子輸送層１４は、光電変換層１３と、透明電極層１１または対向電極層１５との間に配置される。電子輸送層１４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、および光電変換層１３と電子輸送層１４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。

電子輸送層１４の材料としては、金属酸化物、たとえばゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えば、スピンコート法が挙げられる。電子輸送層１４の材料として酸化チタンを使用する場合、膜厚は５〜２０ｎｍの厚さに成膜する事が望ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、ホールブロック効果が減少 してしまうため、発生したエキシトンが電子とホールに解離する前に失活することがあって、効率的に電流を取り出すことができない場合がある。膜厚が厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため光変換効率が低下する。塗布溶液は、あらかじめフィルターで濾過したものを使用することが望ましい。規定の膜厚に塗布した後、ホットプレートなどを用いて加熱乾燥する。５０℃〜１００℃で数分〜１０分間程度、空気中にて加水分解を促進しながら加熱乾燥する。無機物では金属カルシウムなどが好適な材料である。

<<対向電極層>>
対向電極層１５は、導電性を有する材料を、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、メッキ法、塗布法等で成膜することができる。電極材料としては、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜等が挙げられる。対向電極層１５を電子輸送層１４と接して形成する場合は、対向電極１５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。

対向電極層１５は、単層であってもよく、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あってもよい。また、前記仕事関数の低い材料のうちの１つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫などとの合金でもよい。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

特に、正孔輸送層１２に接する対向電極層１５の表面が、仕事関数が４．５以上であるものが好ましい。また、電子輸送層１４に接する対向電極層１５の表面が、仕事関数が４．５以下であるものが好ましい。対向電極層１５の表面を、上記所定の仕事関数のものとする方法は任意である。例えば、本発明の実施形態では、真空蒸着法、スパッタリング法および塗布法などの方法が好ましい。

対向電極層１５の膜厚は、１ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。膜厚が上記範囲より薄い場合は、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。膜厚が厚い場合には、対向電極１５の成膜に長時間を要するため材料温度が上昇し、有機層にダメージを与えて性能が劣化してしまう。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

<<第１の実施例>>
本実施例では、図１に示す基板１０にはガラス板を、透明電極層１１にはＩＴＯを用いている。透明電極層１１の上には、電子輸送層１４として酸化チタン層を、正孔輸送層１２としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層を形成した。まず、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをダイコート塗布装置で短冊状に塗布する。その後、１５０℃で乾燥させた後、ダイコート塗布装置で酸化チタン層を塗布し、１００℃で乾燥させる。このようにして透明電極層１０上に、電子輸送層１４と正孔輸送層１２を形成させた。
その後、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料を溶かした溶液をダイコート塗布装置で全セルの領域に跨るように塗布し、５０℃で乾燥させた。

次に、先ほどと同じように、電子輸送層１４と正孔輸送層１２を順に塗布、乾燥する。最後に、アルミニウムをマスク蒸着して、対向電極１５を形成した。
このように、本発明によると、電子輸送層１４と正孔輸送層１２を塗り分けることで、簡便な作製方法で、高開口率な太陽電池モジュールを作製した。

また、前述のモジュールの作成方法では、対向電極層１５をアルミニウムで形成したが、複数の導電材料を使って形成しても構わない。酸化チタンからなる電子輸送層１４に対しては仕事関数の小さいアルミニウムが、ホールブロッキング特性の点からも望ましいが、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳからなる正孔輸送層１２に対しては仕事関数の大きな導電材料が好ましい。そこで、正孔輸送層に接するところだけＡｕもしくはＡｇで電極を形成してから、対向電極層１５全体をアルミ蒸着で形成すると、更にダイオード特性に優れた太陽電池モジュールが得られる。また、正孔輸送層１２に接する導電層を形成する際に塗布工程で形成可能な導電性材料で形成することで、製造コストを低減できる。例えば、Ａｇを蒸着する代わりに、銀ナノインクを用いてもよい。

同様に、透明電極層１１側では電子輸送層１４に接するところは、複数の導電性材料を使い電極を形成することができる。例えば、ＩＴＯ電極を形成した後に、電子輸送層１４に接するところだけグラフェンを塗布・焼成することで、電極側の仕事関数を小さくすることができる。

<<第２の実施例>>
図３および図４は、本発明の実施形態を説明する太陽電池モジュールを示す図面である。図３は、セルの間のスペースを更に狭くした実施例の断面図であり、図４は、その平面図である。

先の図１の実施例では、電子輸送層１４および正孔輸送層１２は概略透明電極層１１上に形成してあり、光電変換層１３が透明電極層１１の隙間を埋めており、対向電極層１５側でも、電子輸送層１４および正孔輸送層１２は対向電極層１５の縁まで形成しており、対向電極層１５の隙間に電子輸送層１４および正孔輸送層１２が入らないように設計されている。これは、隣り合う透明電極層１１、及び対向電極層１５の絶縁を取るためである。この方式でも透明電極層１１間および対向電極層１５間の隙間は具体的には１ｍｍまで狭めることが出来る。これにより太陽電池モジュールとして、セル幅が１０〜２０ｍｍの場合、開口率９０％以上は可能である。

図３の本発明の実施形態による太陽電池モジュールでは、電子輸送層１４および正孔輸送層１２の抵抗率を調整することで、開口率を更に向上させることが出来る。図３のように隣り合う透明電極層１１の隙間、または隣り合う対向電極層１５の隙間に電子輸送層１４および正孔輸送層１２を形成することが可能である。図３の実施例では、光生成電流が流れる厚み方向の抵抗値を小さくするために、電子輸送層１４の厚みを５〜２０ｎｍとし、そして、この電子輸送層１４を透明電極層１１より１００μｍ程度はみ出るように形成されている。電子輸送層１４の抵抗から考えると、透明電極層１１よりはみ出た部分は厚みより５０００倍以上もあるので、こちらを流れる電流はほぼ皆無と考えることができる。同じように、正孔輸送層１２も透明電極より４００μｍはみ出て形成されている。正孔輸送層１２は、一般的に電子輸送層１４より抵抗が低いので、はみ出る量を多くとっているが、４００μｍもあるとこちらを流れる電流もほぼ皆無である。

このように、透明電極層１１と対向電極層１５との同一平面上の隙間を正孔輸送層１２、電子輸送層１４で埋めてしまい、この２つの層が接しても層の面方向へ流れる電流はほぼ皆無であるので、透明電極層１１と隣の透明電極層１１との間の電位差を維持できる。

本実施例のように、透明電極層１１と隣接する透明電極層１１の隙間および対向電極層１５と隣接する対向電極層１５との隙間を正孔輸送層１２および電子輸送層１４で埋めてしまうことで、この隙間のパターニング精度は透明電極層１１間および対向電極層のパターニング精度だけを考慮すれば良いので、具体的には０．５ｍｍまで狭めることが出来る。これにより太陽電池モジュールとしての開口率を向上させることが可能である。

<<第３の実施例>>
図５および図６は、本発明の第３の実施形態を説明する太陽電池モジュールを示す図である。図５には、基板１０に透明電極層１１を配置し、その上に電子輸送層１４および正孔輸送層１２を形成したところまでが示されており、図６には、前述の電子輸送層１４および正孔輸送層の１２の上に、光電変換層１３を連続層として一括して形成し、その上に電子輸送層１４および正孔輸送層１２を形成し、さらに対向電極層１５を形成した太陽電池モジュールの構成が示されている。

これらの図に示されるように、本発明の第３の実施形態による太陽電池モジュールは、透明電極層１１と、正孔輸送層１２と、光電変換層１３と、電子輸送層１４と、前記の透明電極層１１と対になる対向電極層１５とを含んでなる太陽電池セル構造が、１枚の絶縁性基板１０に複数配置されてなる太陽電池モジュールであって、前記の太陽電池セル構造が、縦方向および横方法の二方向に、隣接した太陽電池セル構造の起電力極性が交互に異なるように配置され、複数の前記の太陽電池セル構造が電気的に直列に接続されてなり、かつ、複数の前記の太陽電池セル構造を構成している光電変換層１３が共有の連続層として形成されてなるもの、である。

このような実施形態による太陽電池モジュールでは、直列接続できる太陽電池セル構造の数をより多くすることができるので、太陽電池モジュールでの出力電圧を高くすることが出来る。

先に示した図２のようにセルが横方向のみに並んだ場合、２０ｃｍ〜３０ｃｍ幅の太陽電池モジュールでは、直列数はせいぜい１５〜２３段程度で、出力電圧も９〜１５Ｖ程度である。本実施例のように、直列接続を縦方向および横方向に行うことで、直列接続数を１０倍程度に増やすことが出来、太陽電池モジュール出力で９０〜１５０Ｖ得ることが可能である。太陽電池モジュール単位でこのような高い出力電圧が得られることは、太陽電池モジュールの適用範囲を著しく拡大させるものである。

以上のように本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他様々な形態で実施されることが可能であるとともに、発明の要旨を逸脱しない限り、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形などは、発明の範囲に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板
１１…透明電極層
１２…正孔輸送層
１３…光電変換層
１４…電子輸送層
１５…対向電極層

Claims (5)

1. 有機半導体からなる共通の光電変換層に起電力極性が交互に異なるように配置された正孔輸送層および電子輸送層を有する複数の太陽電池セルを有し、前記太陽電池セル構造が電気的に短絡することなく直列に接続されてなる太陽電池モジュール。
2. 前記電気的に直列に接続する手段は、透明電極層および対向電極層である、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記太陽電池セル構造の一方の面は基板に一体的に配置されてなる、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記の正孔輸送層に接する、前記の透明電極層または対向電極層の表面が、仕事関数が４．５以上のものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記の電子輸送層に接する、前記の透明電極層または対向電極層の表面が、仕事関数が４．５以下のものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。

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