JP5999831B2 - 有機薄膜太陽電池素子 - Google Patents
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Description
現在、太陽光発電に用いられる太陽電池としては、光電変換層に単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体などの無機半導体を用いたものが実用化されている。しかし、無機半導体を用いた太陽電池は、火力発電や原子力発電などに比べて製造コストが高い。一般家庭に広く普及するためには、より安価に製造できる太陽電池の開発が要求される。
上記のうち、水分や酸素を排除した雰囲気に有機薄膜太陽電池構成部を置く方法としては、有機EL表示パネルの分野で既に使われているキャップ方式が考えられている。キャップ方式では、基材と封止キャップで構成した密閉容器内に有機薄膜太陽電池構成部が封入される。しかし、このような有機薄膜太陽電池素子においては、通常、密封容器内の有機薄膜太陽電池構成部と封止キャップとの間に隙間が存在し、この隙間に存在する水分や酸素が有機膜や金属電極を劣化させるおそれがある。
乾燥剤を封入した有機薄膜太陽電池素子の一例を図2に示す。図2に示す有機薄膜太陽電池素子20は、基材21の上に、透明電極層22、有機薄膜光電変換層23、金属電極層24を順次積層して有機薄膜太陽電池構成部25が形成され、その上にガラスや金属等で構成された封止キャップ26が被せられている。封止キャップ26は、シール剤27で基材21に固定され、基材21とともに密閉容器を形成している。封止キャップ26の内側表面にはシート状の乾燥剤層28が設けられている。
しかし、この方法では、有機薄膜太陽電池構成部25や乾燥剤層28を内包する空間が形成されるように封止キャップ26を加工する必要があるため、製造工程が煩雑、コストが高いといった問題がある。また、有機薄膜太陽電池素子20を薄膜型、軽量化、大面積化することも困難である。
上記の問題に対し、特許文献1には、水分捕捉剤及びワックスを含むホットメルト型部材を介して、有機薄膜太陽電池素子と筐体とを前記ホットメルト型部材を介して貼り合わせる方法が提案されている。水分捕捉剤としては、酸化バリウム、酸化カルシウム等の粉末状無機酸化物や有機金属化合物など、化学反応によって水分を捕捉するものが用いられている。
[1]基材と、前記基材上に設けられた、少なくとも透明電極層、有機薄膜光電変換層及び金属電極層がこの順に積層した有機薄膜太陽電池構成部と、前記有機薄膜太陽電池構成部上に、前記有機薄膜光電変換層の全てを覆うように設けられた接着層と、前記接着層上に設けられた封止基材と、を具備し、
前記透明電極層は、前記基材上に前記基材を部分的に被覆するように設けられ、前記有機薄膜光電変換層は、前記基材の前記透明電極層で被覆されていない部分と前記透明電極層とを部分的に被覆するように設けられ、前記金属電極層は、前記基材の前記透明電極層及び前記有機薄膜光電変換層で被覆されていない部分と前記有機薄膜光電変換層とを被覆するように設けられ、
前記接着層は、一方の面が前記封止基材に接触し、他方の面が、前記透明電極層の前記封止基材側の面の前記有機薄膜光電変換層及び前記金属電極層で被覆されていない部分と、前記金属電極層の前記封止基材側の面とに接触しており、
前記接着層が、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含有する接着剤と、物理吸着系の乾燥剤とを混合した接着層形成用組成物を硬化させてなるものであり、
前記乾燥剤が、活性炭、ゼオライト、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム及びシリカゲルからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂と前記乾燥剤との合計量に対する前記乾燥剤の割合が、5〜25質量%であることを特徴とする有機薄膜太陽電池素子。
[2]前記乾燥剤が、ゼオライトである[1]に記載の有機薄膜太陽電池素子。
[3]前記乾燥剤が、マイクロカプセル中に内包されている[1]または[2]に記載の有機薄膜太陽電池素子。
[4]前記接着剤が、アクリル樹脂、エポキシ系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、クロロプレン系樹脂、ブチルゴム系樹脂及びスチレンブタジエンゴム系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する[1]〜[3]のいずれか一項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
[5]前記接着剤が、エポキシ樹脂を含有する[1]〜[4]のいずれか一項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
[6]前記封止基材が、ガラス板、金属板、金属箔又はガスバリア性フィルムである[1]〜[5]のいずれか一項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
図1は、本実施形態の有機薄膜太陽電池素子10の構成を説明する概略断面図である。
有機薄膜太陽電池素子10は、基材1と、基材1上に設けられた有機薄膜太陽電池構成部5と、有機薄膜太陽電池構成部5上に設けられた接着層6と、接着層6上に設けられた、連続したフィルム状又は枚葉のシート状の封止基材7と、を具備する。
有機薄膜太陽電池構成部5は、基材1側から、透明電極層2と有機薄膜光電変換層3と金属電極層4とがこの順に積層した多層構造を有している。透明電極層2は陽極、金属電極層4は陰極として機能する。
透明電極層2は基材1を部分的に被覆するように設けられ、有機薄膜光電変換層3は、透明電極層2と、基材1の透明電極層2で被覆されていない部分とを部分的に被覆するように設けられている。金属電極層4は、有機薄膜光電変換層3と、基材1の透明電極層2及び有機薄膜光電変換層3で被覆されていない部分とを被覆するように設けられている。
接着層6は、金属電極層4上に、有機薄膜光電変換層3の全てを覆うように設けられている。これにより、有機薄膜光電変換層3が接するのは、基材1、透明電極層2、金属電極層4、接着層6のいずれかのみとなっている。
接着層6は、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含有する接着剤と、物理吸着系の乾燥剤とを混合した接着層形成用組成物を硬化させてなるものであり、硬化した接着剤で構成されるマトリックス部6a内に粒子状の乾燥剤6bが分散した構造となっている。
本実施形態の有機薄膜太陽電池素子10においては、基材1側から太陽光が入射し、透明電極層2を通過して有機薄膜光電変換層3でその光エネルギーが電力に変換される。そのため、基材1としては、太陽光を透過する透明基材が用いられる。
また、本実施形態においては、従来の封止キャップのように有機薄膜太陽電池構成部の側面を覆う必要がなく、シート状の封止基材7を積層するだけでよいため、加工に要する工程やコストを削減できる。そのため、従来に比べて、有機薄膜太陽電池素子の製造工程の短縮と低コスト化ができる。また、有機薄膜太陽電池素子を薄型化することもできる。
本実施形態の有機薄膜太陽電池素子10においては、基材1側から太陽光が入射し、透明電極層2を通過して有機薄膜光電変換層3でその光エネルギーが電力に変換される。そのため、基材1としては、太陽光を透過する透明なものが用いられる。
基材1としては、例えば、ガラス基材、石英基材、プラスチック基材等が挙げられる。プラスチック基材を構成するプラスチックとしては、ポリプロピレン、ポリエーテルサルホフォン、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリアリレート、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等が挙げられる。これらはいずれか1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
プラスチック基材は、板状でもフィルム状でもよい。フレキシブルな有機薄膜太陽電池の製造が可能となり、安価に素子を提供することができることから、プラスチックフィルムが好ましい。プラスチックフィルムを用いる場合、その厚みは、10〜1000μmが好ましく、50〜250μmがより好ましい。
基材1として、上記のようなプラスチック基材の透明電極層2を成膜しない側に、無機金属化合物のコート層を設けるか、またはガスバリア性フィルムを積層したものを用いてもよい。無機金属化合物としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等の金属酸化物;フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム等の金属フッ化物;窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の金属窒化物;などが挙げられる。ガスバリア性フィルムとしては、ポリ塩化ビニリデンフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、エチレン−酢酸ビニル共重合体ケン化物フィルムなどが挙げられる。
透明電極層2としては、金属複合酸化物膜、金属膜、金属酸化物や金属の微粒子をエポキシ樹脂やアクリル樹脂などに分散した微粒子分散膜等の導電膜を、単層もしくは積層して使用することができる。金属複合酸化物としては、ITO(インジウムスズ複合酸化物)、インジウム亜鉛複合酸化物、亜鉛アルミニウム複合酸化物などが挙げられる。金属としては、金、白金などが挙げられる。導電膜は、パターニングされていてもよい。
導電膜には、透明電極層2の配線抵抗を低くするために、補助電極が併設されてもよい。補助電極の材料としては、銅やアルミニウムなどの金属材料が挙げられる。
透明電極層2の電気抵抗は、表面抵抗率(シート抵抗)として、200Ω/□以下が好ましく、50Ω/□以下がより好ましい。透明電極層2の電気抵抗は、市販の抵抗率計によりJISK7194に準拠して測定できる。
有機薄膜光電変換層3としては、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料を混合した、いわゆるバルクへテロ接合型の有機薄膜光電変換層が、変換効率が比較的に高い、塗布法で成膜できる等の点から好適である。ただし本発明はこれに限定されるものではなく、公知の有機薄膜光電変換層のなかから適宜選択できる。
前記p型有機半導体材料としては、例えば、ポリチオフェン(PT)、ポリフェニレンビニレン(PPV)、その誘導体などの導電性高分子材料が挙げられる。PT誘導体としては、例えばポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)、ポリ(3−オクチルチオフェン)(P3OT)等が挙げられる。特にレジオレギュラ立体構造を有するものが好ましい。PPV誘導体としては、例えばポリ(2−メトキシ−5−(2’−エチルヘキシルオキシ)−1,4−フェニレンビニレン)(MEHPPV)等が挙げられる。またはこれらの共重合体でもよい。
前記n型有機半導体材料としては、例えばC60、C70等のフラーレンやその誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体としては、例えばPCBM([6,6]-Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)などが挙げられる。
バルクへテロ接合型の有機薄膜光電変換層における上記p型高分子材料とn型有機半導体材料の混合比率(質量比)は、特に限定されないが、一般的に10/90〜90/10の範囲であれば特に問題がないものとする。
有機薄膜光電変換層3の厚みは、5〜1000nmの範囲内が好ましく、10〜100nmがより好ましい。有機薄膜光電変換層3の厚みは市販の膜厚計により測定できる。
金属電極層4を陰極として用いる場合、金属電極層4を構成する材料としては、電子注入効率の高い、仕事関数の低い物質を用いることができ、例えばMg、Al、Ybなどが挙げられる。
金属電極層4の厚みは、50〜100nmが好ましい。金属電極層4の厚みは市販の膜厚計により測定できる。
接着層6は、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含有する接着剤と、物理吸着系の乾燥剤とを混合した接着層形成用組成物を硬化させてなるものである。
物理吸着系の乾燥剤は、物理的に水分や酸素を吸着するものであり、これを接着層6に含有させることで、有機薄膜太陽電池素子10の薄型化、製造工程の簡略化が可能となる。
物理吸着系の乾燥剤としては、例えば活性炭、ゼオライト、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、活性酸化アルミニウム、シリカゲル等が挙げられる。これらはいずれか1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
物理吸着系の乾燥剤としては、上記の中でも、吸湿力が強いことから、活性炭、ゼオライト、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム及びシリカゲルからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。中でも、吸湿量が多く、吸湿持続時間が長いことから、ゼオライトが特に好ましい。
マイクロカプセル化の手法としては、特に制限はなく、界面重合法、液中乾燥法、噴霧乾燥法、乾式混合法などの既知の方法を用いることができる。
光硬化性樹脂としては、紫外線又は可視光を照射して硬化できるものであれば特に限定されず、公知の光硬化性樹脂を使用でき、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、公知の熱硬化性樹脂を使用できる。硬化中の熱により材料の劣化、結晶化を引き起こすため、硬化温度が150℃以下であるものが好ましく、硬化温度が100℃以下であるものがより好ましい。
熱硬化性樹脂の好ましい具体例としては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、クロロプレン系樹脂、ブチルゴム系樹脂、スチレンブタジエンゴム系樹脂などが挙げられる。これらはいずれか1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
接着剤は、光硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂以外の他の成分を含有してもよい。該他の成分としては、例えば光開始剤、熱硬化触媒、反応性モノマー等の添加剤、有機溶剤などが挙げられる。
接着剤と乾燥剤と混合比率に特に制限はないが、接着剤に含まれる光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂と乾燥剤との合計量を100質量%とした場合、乾燥剤の割合は、1〜50質量%が好ましく、5〜25質量%がより好ましい。
上記接着層形成用組成物を用いた接着層6の形成方法については後で説明する。
接着層6の厚みとしては、特に制限ない。1〜100μm、より好ましくは5〜20μmであれば、接着層6としての接着強度、水分や酸素を遮断する効果等に優れることから好ましい。
封止基材7は、有機薄膜太陽電池素子10を保護するために設けられる。
封止基材7としては、水蒸気や酸素などに対するバリア性を有するものが好ましく、例えばガラス板、金属板、金属箔、ガスバリア性フィルム等が挙げられる。
封止基材7は、接着層6と接する側の表面に、接着剤との密着性を向上させる等のために、紫外線、電子線、コロナなどの表面処理が施されていてもよい。
有機薄膜太陽電池素子10の製造方法は、特に限定されないが、例えば以下の工程(1)〜(3)を含む製造方法により製造できる。
(1)基材1上に、透明電極層2と有機薄膜光電変換層3と金属電極層4とを順次積層して有機薄膜太陽電池構成部5を形成する工程。
(2)光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含有する接着剤と、物理吸着系の乾燥剤とを混合して接着層形成用組成物を調製し、該接着層形成用組成物を、前記有機薄膜太陽電池構成部5が設けられた基材1上に、有機薄膜光電変換層3の全てを覆うように塗工する工程。
(3)塗工した接着層形成用組成物上に封止基材7を積層した後、該接着層形成用組成物を硬化させる工程。
導電膜の成膜方法としては、材料に応じて公知の成膜方法、例えば抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、反応性蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの乾式成膜法や、グラビア印刷法、スクリーン印刷法などの湿式成膜法などを用いることができる。
導電膜のパターニング方法としては、材料や成膜方法に応じて、マスク蒸着法、フォトリソグラフィー法、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などの既存のパターニング法を用いることができる。
塗布法による有機薄膜光電変換層3の成膜は、例えば、上記p型高分子材料とn型有機半導体材料を溶媒に溶解して塗工液を調製し、該塗工液を基材1に塗布し、加熱することにより実施できる。
上記成膜に用いる溶媒は、使用するp型高分子材料及びn型有機半導体材料を溶解させ得るものであれば特に制限はない。溶媒としては、p型高分子材料及びn型有機半導体材料をそれぞれ0.1質量量%以上の濃度で溶解させることができるものが好ましい。
溶媒として具体的には、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、n−ブチルベンゼン、sec−ブチルベンゼン、tetra−ブチルベンゼン等の炭化水素系溶媒、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、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化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不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系溶媒等が挙げられる。
上記塗工液の塗工方法としては、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等が挙げられる。これらの中でも、スピンコート法、フレキソ印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法が好ましい。
上記塗工液の塗工により形成された塗膜を80〜150℃で加熱してアニールすることで、有機薄膜光電変換層3が形成される。加熱時間は1〜20分程度が好ましい。加熱の方法は特に限定されないが、例えばオーブン、赤外線などを使用すればよい。
封止基材7を接着層形成用組成物上に積層する前に、封止基材7の積層面(接着層6と接する側の表面)に、接着剤との密着性を向上させる等のために、紫外線、電子線、コロナなどの表面処理を施してもよい。
以上のようにして、有機薄膜太陽電池素子10を得ることができる。
例えば、上記の実施形態では、有機薄膜太陽電池構成部として、最も単純な層構成(透明電極/有機薄膜光電変換層/金属電極)のものを示したが、本発明はこれに限定されず、公知の層構成を採用できる。
例えば、必要に応じて、透明電極と金属電極との間に、有機薄膜光電変換層以外の機能性層が積層されていてもよい。有機薄膜光電変換層以外の機能性層としては、例えば、ホール移動層、電子移動層、正極バッファー層、負極バッファー層等が挙げられる。例えばホール移動層としては、PEDOT:PSS(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸))を膜厚50〜100nm積層して用いることができる。電子移動層としては、LiF、Liや酸化リチウムなどを膜厚数nm積層して用いることができる。これらの機能性層は、材料に応じて、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、反応性蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの乾式成膜法や、スピンコートグラビア印刷法、スクリーン印刷法などの湿式成膜法などを用いて形成することができる。
2 透明電極層
3 有機薄膜光電変換層
4 金属電極層
5 有機薄膜太陽電池構成部
6 接着層
6a マトリックス部
6b 乾燥剤
7 封止基材
10 有機薄膜太陽電池素子
20 有機薄膜太陽電池素子
21 基材
22 透明電極層
23 有機薄膜光電変換層
24 金属電極層
25 有機薄膜太陽電池構成部
26 封止キャップ
27 シール剤
28 乾燥剤層
Claims (6)
- 基材と、前記基材上に設けられた、少なくとも透明電極層、有機薄膜光電変換層及び金属電極層がこの順に積層した有機薄膜太陽電池構成部と、前記有機薄膜太陽電池構成部上に、前記有機薄膜光電変換層の全てを覆うように設けられた接着層と、前記接着層上に設けられた封止基材と、を具備し、
前記透明電極層は、前記基材上に前記基材を部分的に被覆するように設けられ、前記有機薄膜光電変換層は、前記基材の前記透明電極層で被覆されていない部分と前記透明電極層とを部分的に被覆するように設けられ、前記金属電極層は、前記基材の前記透明電極層及び前記有機薄膜光電変換層で被覆されていない部分と前記有機薄膜光電変換層とを被覆するように設けられ、
前記接着層は、一方の面が前記封止基材に接触し、他方の面が、前記透明電極層の前記封止基材側の面の前記有機薄膜光電変換層及び前記金属電極層で被覆されていない部分と、前記金属電極層の前記封止基材側の面とに接触しており、
前記接着層が、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含有する接着剤と、物理吸着系の乾燥剤とを混合した接着層形成用組成物を硬化させてなるものであり、
前記乾燥剤が、活性炭、ゼオライト、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム及びシリカゲルからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂と前記乾燥剤との合計量に対する前記乾燥剤の割合が、5〜25質量%であることを特徴とする有機薄膜太陽電池素子。 - 前記乾燥剤が、ゼオライトである請求項1に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記乾燥剤が、マイクロカプセル中に内包されている請求項1又は2に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記接着剤が、アクリル樹脂、エポキシ系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、クロロプレン系樹脂、ブチルゴム系樹脂及びスチレンブタジエンゴム系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記接着剤が、エポキシ樹脂を含有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記封止基材が、ガラス板、金属板、金属箔又はガスバリア性フィルムである請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機薄膜太陽電池素子。
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