JP5945379B2 - 有機薄膜の成膜方法とそれを用いて形成した太陽電池 - Google Patents
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Description
下記特許文献1には、シリコン単結晶と(水素化)アモルファスシリコンとのヘテロ接合を有するシリコン系太陽電池が記載されている。この太陽電池は、図8に示すように、N型の単結晶シリコン基板10の一方の面にI型アモルファスシリコン層11及びP型アモルファスシリコン層12が形成され、他方の面にI型アモルファスシリコン層11及びN型アモルファスシリコン層13が形成され、さらに、両面のアモルファスシリコン層の上に、透明導電膜14と集電極15とが形成されており、表裏対称構造を有している。
このアモルファスシリコン層は、プラズマCVDにより形成されている。
シリコン単結晶とアモルファスシリコンとのヘテロ接合を備える太陽電池は、高い変換効率を有しており、広く利用されている。
本発明者等は、これらの点を考慮して、単結晶シリコン基板と有機半導体薄膜とのヘテロ接合を有する太陽電池について検討してきた。有機半導体膜は、スピンコート法などで簡単、且つ、安全に形成できるためである。
図10は、テクスチャ構造の結晶シリコン基板に、直接、スピンコート法で有機半導体薄膜を形成した太陽電池の電流−電圧特性を示している。横軸は開放電圧、縦軸は短絡電流を表している。また、図11は、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結晶シリコン基板のテクスチャ構造を示している。このテクスチャ構造は、清浄化した結晶シリコン基板の表面をエッチングして形成されている。なお、ここでは、有機半導体として導電性が高いPEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonae))を使用し、PEDOT:PSS水分散液を結晶シリコン基板上にスピンコートした後、乾燥のために120〜150℃、10〜30分間の加熱処理を施してPEDOT:PSS薄膜を形成している。
この原因は、テクスチャの斜面に有機半導体膜が形成されていないことに在る。図12は、スピンコート法で有機半導体膜を形成したテクスチャ構造の結晶シリコン基板を真上から撮った顕微鏡写真である。有機半導体は、テクスチャ構造の谷の部分に溜まっており、テクスチャの斜面には膜が形成されていない。
これは、結晶シリコン基板の表面の自然酸化膜を除去して清浄化すると、水素終端表面が形成されて、基板表面が疎水性となるためであり、有機半導体膜は、テクスチャの斜面に止まることができず、テクスチャ構造の谷の部分に凝集する。
疎水性のシリコン基板表面では、基板表面が平坦であっても、スピンコートした有機半導体膜は凝集し、均一な膜は得られない。
このように、二段階の成膜を行うことにより、基板上に均一な有機物薄膜を形成することができる。
静電塗装法では、有機物の前躯体の溶液と基板との間に電圧を加えた状態で溶液の噴霧が行われる。
スピンコート法により有機物の塗膜を簡単に形成することができる。
この太陽電池は、従来のシリコン系太陽電池に比べて製造が容易であり、また、従来のシリコン系太陽電池に追随する変換特性を有している。
テクスチャ構造の単結晶シリコン基板に対して均一な有機物半導体の薄膜が形成できるため、「光閉じ込め効果」による変換効率の向上が可能になる。
また、この方法を太陽電池に適用することで、太陽電池を簡単、且つ、安全に製造することができる。
ここでは、有機半導体として、導電性が高く塗布形成が可能なPEDOT:PSSを使用している。
(1)第1段階として、PEDOT:PSSに変わる物質(前躯体)の液滴を帯電させて静電力で加速し、単結晶シリコン基板に衝突させて基板上にPEDOT:PSSの初期薄膜を形成する。
(2)第2段階として、PEDOT:PSSの初期薄膜が形成された単結晶シリコン基板にPEDOT:PSS水分散液をスピンコートしてPEDOT:PSS薄膜を形成する。
ここでは、PEDOT:PSSの溶媒として、IPA(イソプロピルアルコール)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)、Acetonitril(アセトニトリル)を使用している。図7には、これらの溶媒の誘電率及び沸点を示している。
キャピラリー21に収容されたPEDOT:PSS溶液は、先端の噴霧孔から帯電した小さな液滴となって排出され、基板22の電位に引き寄せられて、加速した状態で基板22に衝突する。
PEDOT:PSS溶液の濃度は、0.1%〜40%程度の薄い濃度に設定する。溶媒としては、液滴がキャピラリー21を離れてから基板22に到達するまではPEDOT:PSSの前躯体を溶かした状態で存在し、基板22に到達すると、直ぐに蒸発してPEDOT:PSSの初期薄膜が基板22上に生成されるようなものが望ましい。
また、基板22に熱を加え、基板22に到達した液滴から直ぐに溶媒が蒸発してPEDOT:PSSの初期薄膜が生成されるようにしても良い。
PEDOT:PSSの初期薄膜が形成された単結晶シリコン基板をスピンコーターに固定し、その上にPEDOT:PSS水分散液を数滴たらして基板表面に行渡らせ、1500〜3000rpmの回転数でスピンコートし、5nm〜50nm程度の膜厚のPEDOT:PSS薄膜を成膜する。その後、120〜150℃で10〜30分間加熱して乾燥し、均一なPEDOT:PSS薄膜を得る。
図3は、第1段階及び第2段階の二段階でテクスチャ構造の結晶シリコン基板にPEDOT:PSS薄膜を形成したときのSEM画像を示している。ピラミッドの斜面にも均一な膜が形成されていることが分かる。
図5は、特性測定用に作成した太陽電池の構成を示している。この太陽電池では、厚さが300μmのN型単結晶シリコン41の下面にアルミ電極40を配置し、N型単結晶シリコン41の上面に図1の装置を用いてPEDOT:PSSの初期薄膜42を形成し、その上に、スピンコートで50nmのPEDOT:PSS薄膜43を形成し、その上に銀集電極44を配置している。
この太陽電池において、PEDOT:PSS薄膜43は透明電極として機能している。
また、N型単結晶シリコン41の表面が平坦な太陽電池の変換効率は6.3%、N型単結晶シリコン41がテクスチャ構造を有する太陽電池の変換効率は7.5%であった。
この太陽電池では、N型単結晶シリコン41上に均質なPEDOT:PSS薄膜43が形成されているため、図6と図10とを比較して明らかなように、特性が大幅に改善している。
また、この太陽電池は、表裏対称構造の採用など、機械的な構造を改良したり、有機半導体自体の特性を改善したりすることで、特性のさらなる向上が期待できる。
また、第2段階の塗布の方法としては、スピンコート法に限らず、刷毛塗り法、印刷法、ディップコート法など、広く知られた塗布方法を用いても良い。
11 I型アモルファスシリコン層
12 P型アモルファスシリコン層
13 N型アモルファスシリコン層
14 透明導電膜
15 集電極
21 キャピラリー
22 基板
23 直流電源
30 超音波振動子
31 キャリアガス
32 メッシュ状電極
33 アース電極
40 アルミ電極
41 N型単結晶シリコン
42 PEDOT:PSSの初期薄膜
43 PEDOT:PSS薄膜
44 銀集電極
Claims (6)
- 基板上に有機物薄膜を形成する成膜方法であって、
前記有機物の前躯体の液滴を帯電させて静電力で加速し、基板に衝突させて該基板上に前記有機物の初期段階の薄膜を形成する第1の成膜ステップと、
前記初期段階の薄膜が形成された前記基板に前記有機物の溶液を塗布して前記有機物の塗膜を形成する第2の成膜ステップと、
を備えることを特徴とする有機物薄膜の成膜方法。 - 請求項1に記載の有機物薄膜の成膜方法であって、前記第1の成膜ステップが、静電塗装法で行われることを特徴とする有機物薄膜の成膜方法。
- 請求項1に記載の有機物薄膜の成膜方法であって、前記第1の成膜ステップの前記液滴が超音波霧化法で生成され、霧化された前記液滴と前記基板との間に電圧が印加されることを特徴とする有機物薄膜の成膜方法。
- 請求項1から3のいずれかに記載の有機物薄膜の成膜方法であって、前記第2の成膜ステップが、スピンコート法で行われることを特徴とする有機物薄膜の成膜方法。
- 請求項1に記載の成膜方法を用いて、単結晶シリコン基板上に有機物半導体の薄膜を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 請求項5に記載の太陽電池の製造方法であって、前記単結晶シリコン基板がテクスチャ構造を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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