JP5616887B2 - 光電池モジュールの作成方法 - Google Patents
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Description
(関連出願の相互参照)
米国特許法第119条(e)項にしたがい、本出願は、2008年7月16日に出願された米国仮出願第61/081,100号と、2009年1月27日に出願された米国仮出願第61/147,515号とについて、優先権を主張する。これらの先出願の内容は参照により本明細書に組み込む。
該方法は、第1の導電層の処理前に、第2の多層素子を基板上に形成することをさらに含むことができる。第2の多層素子は第1の導電層と光活性層を含むことができる。第1および第2の多層素子の第1および第2の導電層は、同じ層とすることができる。第1の導電層の処理は、第2の多層素子を第2の光電池に変換することができる。
第1の導電層の処理は、レーザーアブレーションまたは機械的スクライビングによって実行することができる。
該方法は、第1の導電層の処理後、第1および第2の光電池の間に第1の絶縁体を配置することをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、第1の絶縁体の少なくとも一部が、第1および第2の多層素子の間の空洞に配置される。いくつかの実施形態では、該方法は、第1の絶縁体上に導電材を配置することによって、第1および第2の光電池を電気的に接続することをさらに含むことができる。ある実施形態では、第1の光電池の第2の導電層は、導電材を通じて第2の光電池の第1の導電層に電気的に接続される。
各光電池は、レーザーアブレーションまたは機械的スクライビングによって形成可能である、複数の個別の電極のうち各自の電極を含むことができる。
レーザーは、約200nmから約1600nmの範囲(たとえば、約1064nm)の波長を有することができる。
多層素子の形成は、正孔阻止層、正孔キャリア層、および第2の導電層の形成をさらに含むことができ、正孔阻止層は第1の導電層と光活性層の間にあり、光活性層は正孔阻止層と正孔キャリア層の間にあり、正孔キャリア層は光活性層と第2の導電層の間にある。
理論によって拘束されることなく、光電池の光活性層を下部電極の上に形成した後、第1の導電層をパターンニングして下部電極を形成することで、二つの隣接する光電池間の短絡を最小限に抑えることができると考えられる。
本開示は、光電池モジュールならびに、関連の構成部品、システム、および装置を作成する方法に関する。いくつかの実施形態では、光電池モジュールは、(1)少なくとも、少なくとも第1の導電層と光活性層とを含む、基板上の第1の多層素子を形成すること、(2)第1の多層素子の形成後、第1の導電層を処理することで複数の電極を形成することによって、第1の多層素子を第1の光電池または第1の光電池を含む複数の光電池に変換する、概括的な方法によって作成することができる。
第1に、図1(a)に示すように、第1の導電層122(後で下部電極120を形成する)が基板110上に配置された後、複数の光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150が順次第1の導電層上に配置されて複数の多層素子を形成する。このように形成された二つの隣接する多層素子間の距離(たとえば、二つの隣接する多層素子の二つの光活性層間の距離)は、少なくとも約100μm(たとえば、少なくとも約200μm、少なくとも約500μm、または少なくとも約1,000μm)、あるいは多くとも約5mm(たとえば、多くとも約3mm、多くとも約1mm、または多くとも約0.5mm)とすることができる。
第1に、図2(a)に示すように、第1の導電層122(後で下部電極120を形成する)が基板110上に配置された後、複数の光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150が順次第1の導電層122上に配置されて複数の多層素子を形成する。図1に示す方法と異なり、複数の追加の絶縁体160は、第1の導電層122が処理されて複数の下部電極を形成する前に、二つの隣接する多層素子の間毎に配置される。理論によって拘束されることなく、第1の導電層122の処理前に追加の絶縁体を配置することで、第1の導電層122の処理中に生成される残留物が最終モジュール100の光電池と相互作用するのを防止することにより、このような残留物から生じる短絡から光電池をより有効に保護すると考えられる。
図3は、上述の概略的な方法の第3実施形態を示す。図1に示す光電池モジュールと同様に、本実施形態において形成される光電池モジュール100は複数の光電池を含み、各光電池は基板110、下部電極120、光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150を含む。絶縁体160は二つの隣接する光電池間に配置される。一つの光電池の上部電極は相互接続導電材170を介して、隣接する光電池の下部電極に電気的に接続される。
第1に、図3(a)に示すように、第1の導電層122(後で下部電極120を形成する)が基板110上に形成された後、複数の光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150が順次第1の導電層122上に配置されて複数の多層素子を形成する。図1に示す方法と異なり、第1の導電層122が処理されて複数の下部電極を形成する前に、複数の絶縁体160が二つの隣接する多層素子の間毎に配置される。
図4は、上述の概略的な方法の第4実施形態を示す。本実施形態において形成される光電池モジュール100は複数の光電池を含み、各光電池は基板110、下部電極120、光活性層130、および正孔キャリア層140を含む。絶縁体160は二つの隣接する光電池間に配置される。一つの光電池の正孔キャリア層は、第1の光電池の上部電極としても機能する相互接続導電材170を介して、隣接する光電池の下部電極に電気的に接続される。
第1に、図4(a)に示すように、第1の導電層122(後で下部電極120を形成する)が基板110上に配置された後、複数の光活性層130、正孔キャリア層140、絶縁体160、および相互接続導電材170が順次第1の導電層上に配置されて複数の多層素子を形成する。図1に示す方法と異なり、絶縁体160および相互接続導電材170は、第1の導電層122が処理されて複数の下部電極を形成する前に、二つの隣接する多層素子の間毎に配置される。
図5は、上述の概略的な方法の第5実施形態を示す。本実施形態において形成される光電池モジュール100は複数の光電池を含み、各光電池は基板110、下部電極120、光活性層130、および正孔キャリア層140を含む。絶縁体160および任意の絶縁体165は二つの隣接する光電池間に配置される。一つの光電池の正孔キャリア層は、第1の光電池の上部電極としても機能する相互接続導電材170を介して、隣接する光電池の下部電極に電気的に接続される。
第1に、図5(a)に示すように、第1の導電層122、光活性材の層(すなわち、層132)、および正孔キャリア材の層(すなわち、層142)は(たとえば、液体ベースの塗布工程を使用することによって)順次基板110上に配置されて、中間物(本明細書では「第1の多層素子」とも称する)を形成する。
図6は、上述の概略的な方法の第6実施形態を示す。本実施形態において形成される光電池モジュール100は複数の光電池を含み、各光電池は基板110、下部電極120、光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150を含む。絶縁体160は二つの隣接する光電池間に配置される。一つの光電池の上部電極は相互接続導電材170を介して、隣接する光電池の下部電極に電気的に接続される。
第1に、図6(a)に示すように、第1の導電層122、光活性材の層(すなわち、層132)、正孔キャリアの層(すなわち、層142)、および第2の導電層152が(たとえば、液体ベースの塗布工程を使用することによって)順次基板110上に配置されて中間物を形成する。
第4に、図6(d)に示すように、その後、上述の第3のステップで形成される光電池は、第2のレーザーアブレーションによって処理して、各光活性層130、各正孔キャリア層140、および各上部電極150に第2および第3の空洞を形成することができる。いくつかの実施形態では、第2のレーザーは、光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150によって主に吸収されるが、基板110および下部電極120によって実質的に吸収されない波長を有することができる。たとえば、第2のレーザーは、約532nmなどの可視光領域の波長を有することができる。
図7は、上述の概略的な方法の第7実施形態を示す。図6に示す光電池モジュールと同様に、本実施形態において形成される光電池モジュール100は複数の光電池を含み、各光電池は基板110、下部電極120、光活性層130、正孔キャリア層140、および上部電極150を含む。絶縁体160は二つの隣接する光電池間に配置される。図6に示すモジュールと異なり、追加の絶縁体165は、絶縁体160が蒸着される位置で下部電極120と光活性層130との間に配置される。一つの光電池の上部電極は相互接続導電材170を介して、隣接する光電池の下部電極に電気的に接続される。
いくつかの実施形態では、導電層には、多層素子が配置される基板側からレーザーを照射することができる。たとえば、図3(a)に示す導電層122には、基板110の頂部からレーザーを照射することができる。このような実施形態では、レーザーは、層122によって主に吸収されるが、絶縁体160によって実質的に吸収されない波長を有することができる。その結果、レーザーは絶縁体160を通過することによって層122に到達する。
例:光電池モジュールの作製
機械加工の5レーン光電池モジュール(すなわち、5つの光電池を含む)とレーザー加工の5レーン光電池モジュールを以下のようにして製造した。ITO被覆PET基板をまず、レーザーアブレーションまたは機械的スクライビングを使用することによって加工して、基板上に5レーンを形成した。加工された基板は、10分間イソプロパノール内で超音波処理によって清掃した。ブタノール内の架橋性有機材の0.5%溶液を、80℃で5mm/sの速度でITO上にブレード塗布して、電子注入層を形成した。テトラレンとキシレンの混合物のP3HTおよびPCBMの半導体配合を、65℃で40mm/sの速度で電子注入層上に塗布し、乾燥させて、光活性層を形成した。次に、ポリチオフェン系の正孔輸送層を、65℃で7.5mm/sの速度で光活性層上にブレード塗布した。次に、スタック全体を、グローブボックス内で5分間、140℃で焼鈍した。その後、10−6torrの真空下で300nmの銀薄膜層を加熱蒸発させることによって、5レーン光電池モジュールを形成した。
Claims (35)
- 方法であって、
第1の導電層と光活性層とを含む第1の多層素子を基板上に形成することであって、前記第1の導電層が前記光活性層と前記基板との間にある、前記第1の多層素子を基板上に形成すること、
前記第1の多層素子の形成後、前記第1の導電層を処理して複数の電極を形成することによって前記第1の多層素子を第1の光電池に変換すること、
前記第1の導電層を処理する前に、前記基板上に第2の多層素子を形成すること、
ここで、前記第2の多層素子が第1の導電層と光活性層とを含み、前記第1および第2の多層素子の前記第1の導電層が同じ層であり、前記第1および第2の多層素子の各々が、第2の導電層をさらに含み、前記第1の導電層の処理によって前記第2の多層素子が第2の光電池に変換され、前記第1の導電層の処理によって前記第1および第2の多層素子の間の第1の導電層に空洞が形成され、
前記第1の導電層を処理する前に、第1の絶縁体を配置すること、
前記第1の導電層の処理後に、第2の絶縁体を配置することを含む方法。 - 前記第1および第2の多層素子の各々が、正孔キャリア層をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の導電層の処理がレーザーアブレーションまたは機械的スクライビングによって実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の導電層の処理後、前記第1および第2の光電池の間に第1の絶縁体を配置することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の絶縁体の少なくとも一部が前記空洞に配置される、請求項4に記載の方法。
- 前記第1の絶縁体上に導電材を配置することによって、第1および第2の光電池を電気的に接続することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第1の光電池の第2の導電層が、前記導電材を介して前記第2の光電池の第1の導電層に電気的に接続される、請求項6に記載の方法。
- 前記第1の絶縁体が、前記第1の導電層の処理中に形成される残留物が前記第1および第2の光電池と相互作用することを防止する、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の絶縁体の少なくとも一部が前記空洞に配置される、請求項1に記載の方法。
- 第1および第2の絶縁体上に導電材を配置することによって、第1および第2の光電池を電気的に接続することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第1の光電池の前記第2の導電層が、前記導電材を介して前記第2の光電池の前記第1の導電層に電気的に接続される、請求項10に記載の方法。
- 方法であって、
第1の導電層と光活性層とを含む第1の多層素子を基板上に形成することであって、前記第1の導電層が前記光活性層と前記基板との間にある、前記第1の多層素子を基板上に形成すること、
前記第1の多層素子の形成後、前記第1の導電層を処理して複数の電極を形成することによって前記第1の多層素子を第1の光電池に変換すること、
前記第1の導電層を処理する前に、前記基板上に第2の多層素子を形成すること、
ここで、前記第2の多層素子が第1の導電層と光活性層とを含み、前記第1および第2の多層素子の前記第1の導電層が同じ層であり、前記第1および第2の多層素子の各々が、第2の導電層をさらに含み、前記第1の導電層の処理によって前記第2の多層素子が第2の光電池に変換され、
前記第1の導電層を処理する前に、第1の絶縁体を配置することを含み、
前記第1の導電層の処理が、前記第1の絶縁体の下の位置の第1の導電層上で実行され、
前記第1の導電層の処理がレーザーの照射によって実行され、
前記レーザーが、前記基板の、前記第1の多層素子が配置される面と反対の面から照射される、方法。 - 前記第1の絶縁体上に導電材を配置することによって、前記第1および第2の光電池を電気的に接続することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第1の光電池の第2の導電層が、前記導電材を介して前記第2の光電池の第1の導電層に電気的に接続される、請求項12に記載の方法。
- 方法であって、
第1の導電層と光活性層とを含む第1の多層素子を基板上に形成することであって、前記第1の導電層が前記光活性層と前記基板との間にある、前記第1の多層素子を基板上に形成すること、
前記第1の多層素子の形成後、前記第1の導電層を処理して複数の電極を形成することによって前記第1の多層素子を第1の光電池に変換すること、
前記第1の導電層を処理する前に、前記基板上に第2の多層素子を形成すること、
ここで、前記第2の多層素子が第1の導電層と光活性層とを含み、前記第1および第2の多層素子の前記第1の導電層が同じ層であり、前記第1および第2の多層素子の各々が、正孔キャリア層をさらに含み、前記第1の導電層の処理によって前記第2の多層素子が第2の光電池に変換され、
前記第1の導電層を処理する前に、第1の絶縁体を配置すること、
前記第1の導電層の処理前に、前記第1の絶縁体の上に導電材を配置することを含み、
前記第1の導電層の処理が、前記第1の絶縁体の下の位置の前記第1の導電層上で実行され、
前記第1の導電層の処理がレーザーの照射によって実行され、
前記レーザーが、前記基板の、前記第1の多層素子が配置される面の反対側の面から照射される、方法。 - 前記導電材は、前記第1の光電池の第2の導電層を形成し、前記第2の光電池の第1の導電層に電気的に接続される、請求項15に記載の方法。
- 方法であって、
基板上に第1の導電層、光活性層、および正孔キャリア層を形成することであって、前記第1の導電層が前記基板と前記光活性層との間にあり、前記光活性層が前記第1の導電層と前記正孔キャリア層との間にある、前記第1の導電層、光活性層、および正孔キャリア層を形成すること、
前記第1の導電層、前記光活性層、および前記正孔キャリア層を処理して、複数の個別の多層素子を形成することであって、多層素子の各々が、第1の電極、光活性層、および正孔キャリア層を含み、前記第1の導電層、前記光活性層、および前記正孔キャリア層の処理が第1のレーザーの照射によって実行され、前記第1のレーザーが、前記第1の導電層、前記光活性層、および前記正孔キャリア層によって吸収される波長を有する、前記個別の多層素子を形成すること、
第2のレーザーを各多層素子の光活性層および正孔キャリア層に照射することによって、各素子の光活性層および正孔キャリア層に空洞を形成することであって、前記第2のレーザーが、各多層素子の光活性層および正孔キャリア層によって吸収される波長を有する、前記空洞を形成すること、
前記複数の多層素子の各二つの個別の素子間に第1の絶縁体を配置すること、
各空洞の少なくとも一部に第2の絶縁体を配置すること、
前記第1の絶縁体の上に第2の導電層を配置して、複数の光電池を形成することを含み、
一つの光電池の第2の導電層は、隣接する光電池の第1の導電層に電気的に接続されている、
方法。 - 方法であって、
基板上に第1の導電層、光活性層、および正孔キャリア層を形成することであって、前記第1の導電層が前記基板と前記光活性層との間にあり、前記光活性層が前記第1の導電層と前記正孔キャリア層との間にある、前記第1の導電層、光活性層、および正孔キャリア層を形成すること、
前記第1の導電層、前記光活性層、および前記正孔キャリア層を処理して、第1の多層素子を含む複数の個別の多層素子を形成することであって、多層素子の各々が、第1の電極、光活性層、および正孔キャリア層を含み、前記第1の多層素子が、前記第1の導電層、前記光活性層、および前記正孔キャリア層を処理する前に、前記正孔キャリア層によって支持される第2の導電層をさらに含む、前記個別の多層素子を形成すること、
前記第2の導電層を処理して複数の第2の電極を形成することによって、複数の個別の光電池を形成すること、
ここで、前記第1の導電層、前記光活性層、前記正孔キャリア層、および前記第2の導電層の処理が、第1のレーザーの照射によって実行され、
前記複数の光電池の個別の電池間に第1の絶縁体を配置すること、
第2のレーザーを前記複数の光電池に照射することによって、各光電池の光活性層、正孔キャリア層、および第2の電極に第1および第2の空洞を形成すること、
光電池の前記第1の空洞の少なくとも一部に第3の導電材を配置することを含み、前記第3の導電材が前記光電池の第1の電極と、隣接する光電池の前記第2の電極とを電気的に接続する、方法。 - 前記第1のレーザーが、前記第1および第2の導電層、前記光活性層、および前記正孔キャリア層によって吸収される波長を有する、請求項18に記載の方法。
- 前記第1のレーザーを前記第1の導電層、前記光活性層、前記正孔キャリア層、および前記第2の導電層に照射する前に、前記第1の導電層と前記光活性層の間の前記第1の絶縁体が蒸着される位置に第2の絶縁体を配置することをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 方法であって、
第1の導電層と第2の層とを含む多層素子を基板上に形成することであって、前記第1の導電層が前記基板と前記第2の層との間にある、前記多層素子を基板上に形成すること、
前記多層素子の形成後、前記第1の導電層を複数の個別の電極に形成すること
を含み、
前記複数の個別の電極が、レーザーを前記第1の導電層に照射することによって形成され、
前記レーザーが、前記基板の、前記第1の導電層および前記第2の層が配置される面と反対側の面から前記第1の導電層へ照射され、
前記レーザーが前記基板を通過することによって前記第1の導電層に到達し、
各個別の電極が空洞によって他の個別の電極から分離されるように、前記照射が複数の空洞を形成する、方法。 - 前記方法が、複数の光電池を形成する、請求項21に記載の方法。
- 前記光電池の各々が、前記複数の個別の電極のうちの各自の電極を含む、請求項22に記載の方法。
- 前記複数の個別の電極がレーザーアブレーション、または機械的スクライビングによって形成される、請求項21に記載の方法。
- 前記レーザーが、前記第1の導電層および前記第2の層が配置される前記基板の面から前記第1の導電層へ照射される、請求項21に記載の方法。
- 前記レーザーが前記第2の層を通過することによって前記第1の導電層に到達する、請求項25に記載の方法。
- 前記レーザーが前記第2の層によって実質的に吸収されない、請求項26に記載の方法。
- 前記レーザーが前記基板によって実質的に吸収されない、請求項21に記載の方法。
- 前記レーザーがファイバレーザーである、請求項21に記載の方法。
- 前記レーザーが約200nmから約1,600nmの範囲の波長を有する、請求項21に記載の方法。
- 前記レーザーが約1,064nmの波長を有する、請求項30に記載の方法。
- 前記第2の層が、正孔阻止層、光活性層、正孔キャリア層、または第2の導電層である、請求項21に記載の方法。
- 前記第2の層が光活性層である、請求項32に記載の方法。
- 前記多層素子を形成することは、正孔阻止層、正孔キャリア層、および第2の導電層を形成することをさらに含み、前記正孔阻止層が前記第1の導電層と前記光活性層との間にあり、前記光活性層が前記正孔阻止層と前記正孔キャリア層との間にあり、前記正孔キャリア層が前記光活性層と前記第2の導電層との間にある、請求項33に記載の方法。
- 前記多層素子を形成することは、正孔キャリア層、正孔阻止層、および第2の導電層を形成することをさらに含み、前記正孔キャリア層が前記第1の導電層と前記光活性層との間にあり、前記光活性層が前記正孔キャリア層と前記正孔阻止層との間にあり、前記正孔阻止層が前記光活性層と前記第2の導電層との間にある、請求項33に記載の方法。
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