JP5681932B2 - 封止を備えたオールスプレー式シースルー型有機ソーラアレイ - Google Patents
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Description
cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 94 (2010) 2371-2374、Kim, et al., Performance optimization of polymer solar cells using electrostatically sprayed photoactive layers, Adv. Funct. Mater. 20 (2010) 3538-3546、Kim,
et al., Substrate heated spray-deposition method for high efficient organic
solar cell: morphology inspection, Jap. J. Appl. Phys. 49 (2010) 01800-01804)。しかしながら、これらの研究全てが高真空蒸着およびスピンコート法の少なくともいずれかを用いる。本発明は、スプレー法により形成された最初の逆型ソーラアレイである。スピンコートに基づき、また金属をカソード接点として使用するため、太陽電池の透明度が大きく制限されると共に、大規模生産が困難となる従来の技術と比べて、新規のスプレー技術はこれらの2つの問題を同時に解決する。薄膜有機ソーラアレイは、このレイヤーバイレイヤースプレー技術を利用して、所望の基板(硬質、可撓のいずれであってもよい)上に形成される。この技術により、高真空や高温が必要なくなり、また、現用のシリコンや無機薄膜太陽光製品に関連する低生産率や高コスト製造が解消される。更に、この技術は、布やプラスチックを含むあらゆる種類の基板に用いることができる。
パターンが形成される。界面バッファ層40は、図2に示すように、最外縁を除きアノード10を被覆する。界面バッファ層の成分は、界面を横切る電荷に勾配がもたらされて、従来の有機半導体とのp−n接合に近づくように選択されることにより、ヘテロ接合の効率が一層高められた。一例となる界面層は、Cs2CO3、ZnO、または酸化チタンから構成される。活性層30は界面バッファ層40の上部に直接的に載置されると共に、ポリ(3ヘキシルチオフェン)および(6,6)フェニルC61ブチル酸メチルエステルを用いて調合された。アノード20は、カソードと同様に、しかしカソードと直交するように、活性層の上にパターンをなして載置された。一例となるアノード材料には、ジメチルスルフォキシドがドープされたPEDOT:PSSを含む。完全に封止された4μm×4μmのアレイは、30%以上の透明度を有することが分かっている。
1/4m)と結合された250Wのタングステンハロゲンランプを用いて測定された。ITOは比較の基準として選択された。約100nmの厚みでは、図7に示すように、ITOと比べて、m−PEDOTの透過率は約80%である。m−PEDOTのシート抵抗は、標準的な4箇所プローブ測定(Van Zant, Microchip Fabrication, MaGraw-Hill, New York, ISBN 0-07-135636-3, 2000, pp.431-2、van der Pauw, A
method of measuring the resistivity
and Hall coefficient on lamellae of arbitrary shape, Philips Tech. Rev. 20
(1958) 220-224)を用いて測定された。予想通り、図8に示すように、抵抗は厚みが増すにつれて減少し、これはバルクモデルと一致する。
2.5% efficient organic plastic solar cells, Appl. Phys. Lett.
78 (2001) 841-843)、より顕著なBM再結合を有するセルは、ソーラシミュレータからのような高強度照射では良好に作用しない。160℃でアニールされたセルは、データを示していないが、再結合中心として作用するより荒い形態に関連するより多くのトラップに起因して、120℃でアニールされたセルよりもBM再結合の影響を多く受けるからかもしれない。同じ作用は、160℃でアニールされるデバイスおよび2ステップアニールのデバイスにおいて、図11と図12に示すIscの差よりも、IPCEでのより大きな差を説明するために適用され得る。
transport in conjugated polymers, J Macromol. Sci. C:
Poly. Rev. 46 (2006) 27-45)。しかしながら、光生成キャリアの再結合は、電子サンドホールに対する別々の経路の欠如に起因して増大し、それにより、図11および図12に示すように、デバイスは2ステップアニール後に、120℃での1回目のアニール後よりも動作が悪化した。160℃のより高温での1ステップアニールによれば、より粗い膜(出来上がった状態のままのデバイスよりも粗い)が得られると共に、P3HT相およびPCBM相は殆ど区別がつかない。この粗い膜はまた、活性層とm−PEDOTの界面にも影響を及ぼし、図11および図12に示すように、デバイスのFFはより悪い。
et al., Poly(3-hexylthiophene)/C60 heterojunction
solar cells: implication of morphology on performance and ambipolar
charge collection, Sol. Eng. Sol. Cells 92 (2008) 464-473)。温度低下に従い、高分子鎖は元の形態に戻り、またI−V曲線は元の曲線に戻り、ある種の温度ヒステリシスを明示している。第3の作用は、先に完全に捕獲されたキャリア(即ちポーラロン)の温度活性に起因するものであり、より高い温度でより多くの光電流が結果的に得られる(Graupner,
et al., Shallow and deep traps in conjugated polymers of high intrachain order, Phys. Rev. B 54 (1996) 7610-7613、Nelson, Organic
photovoltaic films, Curr. Opinion Solid State Mater.
Sci. 6 (2002) 87-95)。I−Vデータの小刻みな揺れは、フィルム形態の不均一性を表しており、またデバイス性能の全体的な向上は、活性層で先に捕獲された電荷の開放によるものである。この観察は、太陽光照射状態では通常は悪化を示す有機太陽電池の従来の概念を覆すものである(Dennler,
et al., A new encapsulation solution for flexible organic solar cells, Thin
Solid Films 511-512 (2006) 349-353)。驚いたことに、照射状態でのこの性能の向上は、スプレー式デバイスでのみ生じており、スピンコートによって作られたデバイスでは生じなかった。そのため、スプレー技術を用いて作製された太陽電池は、太陽光ではより良好に作用しており、これは太陽光エネルギの用途では明らかに有益である。熱アニールは、デバイスPCEの改良では重要であった。また、最適なアニール条件は、小型の単一セルと50個のセルから成る大型ソーラアレイでは同じではない。デバイスの光学的、電子的、形態特性の体系的な研究によれば、デバイスのエネルギ変換効率に対するナノ形態の影響が明らかになった。また、フォトアニール、即ち太陽光照射状況において、ヒステリシスパターンを伴う太陽電池PCEの2倍以上の増加は、太陽光の下での有機太陽電池の悪化という通常の理解と対照的である。フォトアニールはスプレー式太陽電池またはアレイでのみ観察されたという事実は、大規模且つ低コストである溶液ベースの太陽光エネルギの用途に有利な解決策をもたらすものである。
2 マスク
3 噴霧装置
4 スプレー薄層
5 基板
10 アノード
30 活性層
40 界面バッファ層
Claims (21)
- 第1面および第2面を有する基板と、前記基板はガラス、プラスチック又は布であり、
前記ガラスの第1面上に載置されるパターン加工が施されたITO層と、前記ITO層は前記ガラス基板上において第1方向に置かれる複数の接点として載置され、
前記ITO層上に載置されるCs2CO3のパターン加工が施された界面バッファ層と、
前記Cs2CO3層上に載置されるポリ(3ヘキシルチオフェン)および(6,6)フェニルC61ブチル酸メチルエステルの活性層と、前記活性層は170nmから575nmの厚みであり、
前記活性層上に載置されるポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォネートと5体積%のジメチルスルフォキシドを含むアノード層と、前記アノード層は85nmから1.15μmの厚みであり、
封止層と、前記封止層はガラス、プラスチック、または布であり、
前記層の間に気密シールを形成するために載置される紫外線硬化エポキシ樹脂封止材または銀塗料と
を含む有機太陽電池。 - 前記ガラスは低アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラスである請求項1の有機太陽電池。
- 前記Cs2CO3層は5Åから15Åの厚みである請求項1の有機太陽電池。
- 前記活性層は170から345nmの最終層厚みの層厚を有する請求項1の有機太陽電池。
- 前記活性層の厚みは170から230nmである請求項4の有機太陽電池。
- 前記アノード層の厚みは85nmから690nmである請求項1の有機太陽電池。
- 前記アノード層の厚みは85から115nmである請求項6の有機太陽電池。
- 前記活性層の厚みは200nmであり、前記アノード層の厚みは600nmである請求項5の有機太陽電池。
- 60mm2の活性面積を有する50個の独立セルのアレイとなるように載置される一連の有機太陽電池を更に含む請求項1の有機太陽電池。
- 10個のセルが連続して一列に載置されており、5列が並列接続される請求項9の有機太陽電池。
- インジウムスズ酸化物が被覆される透明圧電材料を含む基板を得る工程と、
前記インジウムスズ酸化物被膜の上に炭酸セシウム層をスプレーコートすることによりカソードを形成する工程と、
前記Cs2CO3層上に載置されるポリ(3ヘキシルチオフェン)および(6,6)フェニルC61ブチル酸メチルエステルの層をスプレーコートすることにより活性層を形成する工程と、前記活性層は170nmから575nmの厚みであり、
前記活性層上に載置される5体積%のジメチルスルフォキシドがドープされたポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォネート含むアノード層を形成する工程と、前記アノード層は85nmから1.15μmの厚みであり、
紫外線硬化エポキシ樹脂封止材または銀塗料を前記セルの端縁に塗布することにより、前記有機逆型太陽電池を封止する工程と
を含む有機逆型太陽電池の製造方法。 - カソード層用基板を作製する工程を更に含み、前記工程は、
ポジ型フォトレジストを3825〜5175rpmでスピンコートする工程と、
前記インジウムスズ酸化物をパターン加工するために前記ポジ型フォトレジストを90℃でソフトベークする工程と、
前記ベークされたポジ型フォトレジストを21.25から28.75ワットに設定された一定強度モードの紫外線照射で露光させる工程と、
前記露光されたポジ型フォトレジストを現像する工程と、
前記露光されたポジ型フォトレジストを123.25から166.75℃でハードベークする工程と、
アセトンおよびコットンを用いて余分なフォトレジストを洗い流す工程と、
100℃の20%HCl−7%HNO3溶液で前記基板をエッチングする工程と
を含む請求項11の方法。 - アセトンおよびイソプロパノールを順に用いて手により前記基板を洗浄し、続いてUVオゾン洗浄を行う工程を更に含む請求項12の方法。
- 0.2%重量(2mg/mL)のCs2CO3の2エトキシエタノール溶液を作る工程と、
前記溶液を一時間攪拌する工程と、
前記溶液をN2キャリアガスを入れたスプレー装置に置く工程と
によりセシウム層を作製する工程を更に含む
請求項11の方法。 - 20mg/mLのポリ(3ヘキシルチオフェン)のジクロロベンゼン溶液を60℃で24時間混合する工程と、
20mg/mLの(6,6)フェニルC61ブチル酸メチルエステルのジクロロベンゼン溶液を60℃で24時間混合する工程と、
前記ポリ(3ヘキシルチオフェン)溶液および前記(6,6)フェニルC61ブチル酸メチルエステル溶液を1対1の比率で組み合わせると共に、60℃で24時間攪拌する工程と、
前記溶液をN2キャリアガスを入れたスプレー装置に置く工程と
により前記活性層を作製する工程を更に含む
請求項11の方法。 - ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェンおよびポリ(スチレンスルフォネート)の溶液を0.45μmフィルタでろ過する工程と、
前記ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェンおよびポリ(スチレンスルフォネート)の溶液をジメチルスルフォキシド溶液と混合して、5体積%の最終濃度のジメチルスルフォキシドを生じさせる工程と
前記ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン‐ポリ(スチレンスルフォネート)‐ジメチルスルフォキシド溶液を室温で攪拌する工程と、
前記ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン‐ポリ(スチレンスルフォネート)‐ジメチルスルフォキシド溶液を1時間音波処理する工程と、
前記溶液をN2キャリアガスを入れたスプレー装置に置く工程と
によりアノードバッファ層を作製する工程を更に含む
請求項11の方法。 - 前記有機逆型太陽電池の活性層にマスクを適用する工程と、
前記有機逆型太陽電池およびマスクを90℃のホットプレート上に置く工程と、
前記ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン‐ポリ(スチレンスルフォネート)‐ジメチルスルフォキシド溶液を前記活性層にスプレーコートする工程と、
前記有機逆型太陽電池およびマスクを前記ホットプレートから取り出す工程と、
前記マスクを前記有機逆型太陽電池から外す工程と
を更に含む請求項16の方法。 - 前記アノード層が塗布された後に前記層を合わせてアニールする工程を更に含み、前記工程は、
前記有機逆型太陽電池を10−6Torrの真空に置く工程と、
前記有機逆型太陽電池を120℃でアニールする工程と
を含む請求項11の方法。 - 前記基板を高真空(10−6)Torrにもう一度1時間置く工程と、
前記有機逆型太陽電池を160℃でアニールする工程と
を更に含む請求項18の方法。 - 前記基板は低アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス基板である請求項11の方法。
- 前記有機逆型太陽電池を封止する工程は更に、
銀塗料を用い、該銀塗料を前記ガラス基板上の少なくとも1個の接点に塗布することによって、前記ガラス基板を封止する工程と、
前記銀塗料を乾燥させる工程と、
封止ガラスにノッチ加工を施す工程と、
アセトンおよびイソプロパノールを用いて前記封止ガラスを洗浄する工程と、
UVオゾンを用いて前記ガラス基板を洗浄する工程と、
前記封止ガラスを紫外線硬化エポキシ樹脂を備えたグローブボックスに置く工程と、
前記紫外線硬化エポキシ樹脂を前記封止ガラスの端縁に塗布する工程と、
前記基板を逆にすると共に、該基板を前記封止ガラス上に置く工程と、
前記基板をUVオゾンで露光させる工程と
を含む請求項20の方法。
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