JP6179201B2 - 有機薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、マスクを用いて下部の電極を形成し、複数の光電変換素子が直列接続した有機太陽電池の製造例が記載されている。また特許文献2では、下部の透明電極をレーザーにより加工し、直列接続を行う方法が提案されている。これらの方法は、その手段は異なるが、いずれも活性層である有機層が成膜される前に、セルを構成する下部の電極が隣り合うセルの下部電極と、完全に電気的に絶縁される。
本発明は、上記問題を解決するものであり、変換効率と生産性に優れた有機薄膜太陽電池の製造方法を提供することを課題とする。
各光電変換素子を構成する下部電極が、互いに電気的に接続された状態で、前記活性層を塗布法により成膜することを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法である。
また、前記上部電極を成膜した後に、前記下部電極をパターニングすることにより、前記下部電極を互いに分離することが好ましい。
また、前記パターニングをレーザースクライブで行なうことが好ましい。
本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法は、基板を枚葉として個別に扱ってもよいし、ロール・ツー・ロールによる連続搬送作業にて取り扱ってもよい。どちらの場合も塗布成膜時には下部電極のアースを取ることが好ましい。生産性の面からはロール・ツー・ロール形式が好ましい。
本実施態様により製造される有機薄膜太陽電池は、複数の光電変換素子が直列接続したモノリシック構造の直列アレイを1つ以上有する。モノリシック構造を有する有機薄膜太陽電池は、上記基板上に少なくとも下部電極、活性層及び上部電極を成膜する工程と、成膜された膜を分割する工程を経て、製造することができる。なお、このようなモノリシック構造を形成するためには、隣り合う光電変換素子を直列に接続させるために必要な部分に開溝を形成するための下部電極のパターニングに加えて、直列アレイを形成するための絶縁開溝を形成する下部電極のパターニングも必要となる。なお、一枚の基板に一つの直列アレイを形成してもよいし、複数の直接アレイを形成してもよい。複数の直列アレイは、該パターニングにより、複数の直列アレイがそれぞれ電気的に絶縁させるように絶縁開溝を設けて、形成することができる。
図1は、複数の単位セルが直列接続したモノリシック構造を有する、従来技術に係る直列アレイの上面模式図である。図1(a)は、基板上に積層された下部電極のパターニン
グを示す。図1(a)の上下方向に、光電変換素子を直列に接続させるため、下部電極は、直列接続方向に対して垂直方向にパターニングが施される。このパターニングにより第1の開溝41が形成される。同様に、直列アレイを形成するために、下部電極のパターニングを行い、絶縁開溝46が形成される。
なお、絶縁開溝46は、直列接続方向に対して垂直方向だけではなく、平行方向にも形成される。そして、第1の開溝41及び絶縁開溝46により、各光電変換素子を構成する下部電極は、他の下部電極と完全に分離され(下部電極のアイランド化)、互いに電気的に絶縁された状態(以下、電気的に接続されていない状態と称す場合がある。)となる。その後、活性層及び上部電極を成膜しパターニングを行うことで、図1(b)に示すように、直列アレイ30、30´が製造される。
図3(a)は、図1(a)におけるA−A´方向の断面図であり、基板上に下部電極を形成した後に行う下部電極のパターニング工程を示し、図3(e)は、図1(b)におけるA−A´方向の断面図であり、上部電極形成後のパターニング工程を示す。
すなわち従来の方法では、光電変換素子を構成する各下部電極が互いに分離され、電気的に絶縁されているために、静電気等の発生により、下部電極が帯電してしまう。そして、下部電極が帯電した状態で、下部電極上に活性層やその他の層を塗布成膜すると、下部電極の帯電により、塗布成膜用のインクを弾いてしまい、均一な膜を形成することができなくなり、ムラが発生してしまう。また、活性層にムラが発生してしまうと、有機薄膜太陽電池の外観を損ねるだけでなく、各光電変換素子自体が本来の性能を発揮できなくなる。さらに、塗布法により有機薄膜太陽電池を構成する光電変換素子を製造する場合には、引火性のある有機溶剤を用い、かつ、ドライルーム環境下において塗布が行われることから、下部電極の帯電により静電気爆発等が起こる可能性があり、安全性も懸念される。
そして、図2(b)及び(c)に示すように、上部電極が成膜された後に、下部電極のパターニングを再度行い、絶縁開溝45を形成する。こうして、下部電極は、完全に他の
下部電極と分離された状態となり、直列アレイが形成される。
<1.パターニング>
図4は、本実施態様に係る複数の光電変換素子を有する有機薄膜太陽電池の製造工程を示す。一方で図3は、従来技術に係る有機薄膜太陽電池の製造方法について示した図である。
光電変換素子を構成するそれぞれの層をパターニングする方法は、一様な層の成膜後に、レーザースクライブやメカニカルスクライブなどで加工する方法が挙げられる。また、マスク成膜やスクリーン印刷を用いて特定のパターン形状を有する層を形成してもよく、本発明は例示する実施形態に限定されない。しかしながら、有効素子面積をより広く確保するために、微細加工が可能なレーザースクライブによりパターニングを行うことが好ましい。以下に、レーザースクライブによりパターニングし、単位セルを直列化した直列アレイを有する有機薄膜太陽電池の製造方法を例示する。
図4(a)の工程により、基板31の上に第1の開溝41を持つ下部電極32の直列接続部分を形成することができる。第1の開溝41の幅は通常5μm以上、好ましくは10μm以上、より好ましくは25μm以上であり、通常1000μm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは300μm以下、更に好ましくは100μm以下である。第1の開溝41の形成方法はレーザースクライブに限定されず、その他の方法としては、メカニカルスクライブ等が挙げられる。また、リフトオフ、マスク成膜、グラビア印刷、スクリーン印刷、インクジェット等の方法を用いて、第1の開溝41を設けるように下部電極32を形成してもよい。この際に、単位セルの直列接続に必要な部分のみの第1の開溝41を形成し、直列アレイを形成するためのパターニングは行わずに、光電変換素子を構成する下部電極32が他の下部電極と電気的に接続された状態にしておくことが重要である。
0nm以上であり、250nm以上が好ましく、上限は、通常1200nm以下であり、900nm以下が好ましく、600nm以下がより好ましい。これにより下部バッファ層33、活性層34および上部バッファ層35は短冊状の形状に分離される。
なお、図4(e)は、図2に示すように、直列アレイを構成する複数の単位セルの直列接続方向に対して平行方向の断面を示し、直列接続方法に対して垂直方向に絶縁開溝45を形成しているが、平行方向にも、絶縁開溝45を形成するようにパターニングを行う。これにより、単位セルを構成する下部電極は、他の単位セルを構成する下部電極と分離され、直列アレイが形成される。なお、上述の通り、本実施態様では、上部電極36を成膜した後に、絶縁開溝45を形成し、直列アレイを形成するためのパターニングを行ったが、該パターニングを行う順番は、上部電極形成後に限定されるわけではない。例えば、活性層34又は上部バッファ層35を形成した後に、該パターニングを行い、その後、上部電極36を形成してもよい。すなわち、該パターニングを行う工程順は、活性層34の成膜後であれば、最終的に直列アレイを製造することが可能である限りにおいて、限定されない。しかしながら、下部バッファ層、活性層、上部バッファ層及び上部電極36を一度にパターニングすることが可能ために、上部電極を形成した後に、該パターニングを行うことが好ましい。
図5に示す2段の開溝の態様では、図5(a)のように下部電極32以外の光電変換層及び上部電極36に開溝を形成し(第1の開溝形成ステップ)、その後、図5(b)のように、下部電極32にも開溝を形成する(第2の開溝形成ステップ)ことで、絶縁開溝45を形成する。
バリが生じたり、チリが生じたりする場合がある。しかしながら、第1の開溝形成ステップ及び第2の開溝形成ステップにより、絶縁開溝45を形成することで、各層に合ったレーザー強度を選択することができ、バリやチリの発生を抑制することができる。
また、第1の開溝形成ステップ及び第2の開溝形成ステップに分けて、絶縁開溝45を形成することで、例えば、下部電極における開溝の幅と活性層における開溝の幅を自由に調整することができる。そのため、活性層と下部電極の硬度を考慮して、各開溝の幅を調製することにより、曲げ強度、引っ張り強度等を調節することができる。
また、このように、第1の開溝形成ステップ及び第2の開溝形成ステップにより、絶縁開溝45を形成することで、絶縁開溝45において、光電変換層又は上部電極36における開溝の幅に対して、下部電極32における開溝の幅を小さくする限りにおいて、下部電極36における開溝部の幅を自由に調節することができる。そのため、下部電極32を着色し、上部電極36側から入射光が入る構造の有機薄膜太陽電池である場合、上部電極36側から観察した際に、着色した下部電極32と透過性のある活性層とで新たな意匠性を付与することができる。
なお、図5(b)に示す絶縁開溝45の形状(2つのステップによる開溝の形成方法)は、図2(c)における単位セルの直列接続方向と平行方向の絶縁開溝にのみ適用してもよく、直列接続方向と垂直方向の絶縁開溝にのみ適用してもよく、これら両方向の絶縁開溝に適用してもよい。
こうして、単位セルが直列に接続された直列アレイ(有機薄膜太陽電池)を得ることができる。得られた直列アレイは、図4(f)に示すように上部電極36上に集電線37を設置して、発電した電気を取り出すことができる。
、溶媒を除去して膜を形成するプロセスを意味する。
これらの成膜方法は、成膜しようとする層の種類により適宜選択することができるが、本発明においては、下部電極の帯電を極力抑えることができるために、少なくとも活性層34は塗布法により成膜されることが好ましい。なお、活性層34の成膜に用いられる塗布法に特段の制限はないが、具体的には、ワイヤーバーコート法、ブレードコート法、ダイコート法、スリットダイコート法、リバースロールコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、パイプドクター法、含浸・コート法、カーテンコート法、フレキソ印刷、インクジェット等が挙げられる。また下部バッファ層33も塗布法により成膜することで、本発明に係る効果が得られるために好ましい。下部バッファ層33、活性層34及び上部バッファ層が全て塗布法により成膜されることがさらに好ましい。
成膜手段は上記成膜方法を行うことができる公知手段を用いることができ、ドライプロセスであればスパッタリング装置、蒸着装置、CVD装置などがあげられる。塗布法としては、塗布装置、印刷装置などがあげられる。本実施態様に係る成膜手段が塗布法である場合には、成膜手段は塗布装置に加え乾燥装置を含むことが好ましい。
なお、ドライルームとは、通常露点が−30℃以下、より好ましくは−35℃以下、中でも好ましくは−38℃以下、更に好ましくは−40℃以下である。
本実施態様では、ロール・ツー・ロール方式を採用することが生産性から好ましく、一部のみをロール・ツー・ロール方式で実施してもよい。
ロール・ツー・ロール方式とは、ロール状に巻かれたフレキシブルな基板を繰り出して、間欠的、或いは連続的に搬送しながら、巻き取りロールにより巻き取られるまでの間に加工を行う方式である。キロメートルオーダーの長尺基板を一括処理することが可能であるため、簡易に量産が可能である。
・ツー・ロール方式に最も適したプロセスである。
次に、本発明の実施態様に係る光電変換素子の構成について説明する。
本実施態様に用いる光電変換素子は、通常、少なくとも一対の電極と、該電極間に存在する活性層と、該活性層と該電極の一方との間に存在する電子取り出し層とを有する。図6は、光電変換素子の一般的な層構成を示す。図6に示される光電変換素子107は、光電変換素子基板106、カソードである下部電極101、電子取り出し層102、活性層103(p型半導体化合物とn型半導体材料とを含む層)、正孔取り出し層104、アノードである上部電極105が順次形成された層構造を有する。なお、図6において下部電極101は上部電極105よりも上部に存在するが、本明細書において上部電極、下部電極とは、光電変換素子基板106をボトムとした際に上部に存在する電極、下部に存在する電極を意味するものとし、太陽電池素子基板に積層される電極を下部電極と称する。また、電子取り出し層102、活性層103、正孔取り出し層104をまとめて光電変換層と称する場合がある。
素子基板の材料は、フィルム基板である限り特に限定されない。素子基板の材料の好適な例としては、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、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ナイロン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、フッ素樹脂フィルム、塩化ビニル又はポリエチレン等のポリオレフィン;セルロース、ポリ塩化ビニリデン、アラミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリノルボルネン又はエポキシ樹脂等の有機材料;紙又は合成紙等の紙材料;ステンレス、チタン又はアルミニウム等の金属に、絶縁性を付与するために表面をコート又はラミネートしたもの等の複合材料等が挙げられる。
しい。素子基板の膜厚が1mm以下であることは、コストが抑えられ、かつ重量が重くならないために好ましい。
ニッケル、酸化アルミニウム、酸化リチウム又は酸化セシウムのような金属酸化物等が挙げられる。これらの材料は低い仕事関数を有する材料であるため、好ましい。カソードについてもアノードと同様に、電子取り出し層としてチタニアのようなn型半導体で導電性を有するものを用いることにより、高い仕事関数を有する材料を用いることもできる。電極保護の観点から、カソードの材料として好ましくは、白金、金、銀、銅、鉄、スズ、アルミニウム、カルシウム若しくはインジウム等の金属、又は酸化インジウムスズ等のこれらの金属を用いた合金である。
し層を有する。また光電変換素子は、活性層とアノードとの間に正孔取り出し層を有する。なお、電子取り出し層および正孔取り出し層は必須の構成ではない。
電子取り出し層及び正孔取り出し層の材料や、膜厚、形成方法の例としては、例えば国際公開WO2012/102390に記載された電子取り出し層及び正孔取り出し層に用いられる材料が挙げられる。
p型半導体化合物とは、p型半導体材料として働く化合物であり、n型半導体化合物とは、n型半導体材料として働く化合物である。光電変換素子が光を受けると、光が活性層に吸収され、p型半導体化合物とn型半導体化合物との界面で電気が発生し、発生した電気が電極から取り出される。
活性層が含むp型半導体化合物としては、特に限定はないが、低分子有機半導体化合物と高分子有機半導体化合物とが挙げられる。その具体的な例としては、例えば国際公開W
O2012/102390に記載されたp型半導体化合物が挙げられる。また、活性層が含むn型半導体化合物の具体的な例についても、同様に国際公開WO2012/102390に記載されたn型半導体化合物が挙げられる。
電流−電圧特性を測定する。得られた電流−電圧曲線から、光電変換効率(PCE)、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、フィルファクター(FF)、直列抵抗、シャント抵抗といった光電変換特性を求めることができる。
(維持率)=(大気暴露N時間後の光電変換効率)/(大気暴露直前の光電変換効率)
本発明の光電変換素子107は、太陽電池素子として、薄膜太陽電池において使用されることが好ましい。
図7は本発明の一実施形態としての薄膜太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。図7に示すように、本実施形態の薄膜太陽電池14は、耐候性保護フィルム1と、紫外線カットフィルム2と、ガスバリアフィルム3と、ゲッター材フィルム4と、封止材5と、光電変換素子6と、封止材7と、ゲッター材フィルム8と、ガスバリアフィルム9と、バックシート10とをこの順に備える。そして、耐候性保護フィルム1が形成された側(図中下方)から光が照射されて、光電変換素子6が発電するようになっている。なお、後述するバックシート10としてアルミ箔の両面にフッ素系樹脂フィルムを接着したシートなどの防水性の高いシートを用いる場合は、用途によりゲッター材フィルム8及び/又はガスバリアフィルム9を用いなくてもよい。
これらの封止材5、バックシート10及び各種フィルムの材料、形状、性能及び積層方法等については、いずれも国際公開第2011/016430号又は特開2012−191194号公報等に記載の通りである。
上述した薄膜太陽電池14の用途に制限はなく任意である。例えば、図8に模式的に示すように、何らかの基材12上に薄膜太陽電池14を設けた太陽電池モジュール13を用意し、これを使用場所に設置して用いればよい。具定例を挙げると、基材12として建材用板材を使用した場合、この板材の表面に薄膜太陽電池14を設けて太陽電池モジュール13として太陽電池パネルを作製し、この太陽電池パネルを建物の外壁などに設置して使用すればよい。
基材12は光電変換素子6を支持する支持部材である。基材12を形成する材料としては、例えば、ガラス、サファイア又はチタニアなどの無機材料;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、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ナイロン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、フッ素樹脂フィ
ルム、塩化ビニル、ポリエチレン、セルロース、ポリ塩化ビニリデン、アラミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリノルボルネンなどの有機材料;紙又は合成紙などの紙材料;ステンレス、チタン又はアルミニウムなどの金属に絶縁性を付与するために表面をコート又はラミネートしたものなどの複合材料などが挙げられる。なお、基材の材料は、1種を用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。また、これら有機材料あるいは紙材料に炭素繊維を含ませ、機械的強度を補強させてもよい。
本発明の薄膜太陽電池を適用する分野の例を挙げると、例えば、国際公開第2011/016430号又は特開2012−191194号公報にあるように、建材用太陽電池、自動車用太陽電池、インテリア用太陽電池、鉄道用太陽電池、船舶用太陽電池、飛行機用太陽電池、宇宙機用太陽電池、家電用太陽電池、携帯電話用太陽電池又は玩具用太陽電池などに用いて好適である。
<実施例1>
10列の単位セルが直列に接続されたモノリシック構造の直列アレイ(有機薄膜太陽電池(B5サイズ))を以下の方法で製造した。
厚さ125μmのPEN基板として、下部電極(ITO−Ag−ITO)を積層させたPEN−下部電極積層体を用いた(透過率80%以上でシート抵抗15Ω/□以下)。この積層体表面に対し、ビーム形状を矩形にし、かつ、エネルギー分布をフラットに変換したレーザーを用いて、積層体の下部電極側から、レーザー加工を施した(波長532nm、エネルギー密度1.8J/cm2、レーザーショットの重ね率10%、パルス幅20ナ
ノ秒)。レーザー加工の際、単位セルの直列接続に必要な部分のみの開溝を形成し、下部電極がアイランド化しない構造、すなわち各光電変換素子を構成する下部電極が形成される直列アレイ間で互いに電気的に接続している構造とした。
その上に、下部バッファ層(酸化亜鉛)、活性層(P3HT:C60(ind)2)、および上部バッファ層(PEDOT:PSS)(厚み100nm)を塗布成膜によりそれぞれ積層し、積層体のバッファ層側からレーザー加工を施した(波長532nm、エネルギー密度1.8J/cm2、レーザーショットの重ね率10%、パルス幅20ナノ秒)。こ
こで、下部バッファ層、活性層および上部バッファ層を短冊状の形状となるように分離した。
さらに、上部電極(銀/100nm)を積層し、積層体の上部電極側からレーザー加工を施した(波長266nm、エネルギー密度0.5J/cm2、レーザーショットの重ね
率10%、パルス幅20ナノ秒)。この過程で上部電極、上部バッファ層、活性層、および下部バッファ層に開溝を形成し、単位セルに分割した。続いて、隣接する直列アレイを形成するために、上部電極、上部バッファ層、活性層、下部バッファ層、及び下部電極に、絶縁開溝を形成した。
こうして得られた有機薄膜太陽電池の各光電変換素子は、下部バッファ層、活性層、上部バッファ層いずれもレーザー開溝部、およびその周辺ともに均一に成膜され、太陽電池として動作することを確認した。
最初に各光電変換素子の下部電極が形成される直列アレイ間で分離するようにパターニングを行った以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池を製造した。製造された有機薄膜太陽電池を観察したところ、特に活性層の成膜において、下部電極のレーザー開溝部周辺における塗布ムラが顕著にみられ、薄膜化している様子が確認された。また、動作を確認したところ、短絡しており太陽電池として動作しなかった。
以上の通り、本発明に係る製造方法により、膜を均一に成膜することができ、さらには
太陽電池として使用可能な光電変換素子を製造することができる。
2 紫外線カットフィルム
3,9 ガスバリアフィルム
4,8 ゲッター材フィルム
5,7 封止材
6 光電変換素子
10 バックシート
12 基材
13 太陽電池モジュール
14 薄膜太陽電池
101 下部電極
102 電子取り出し層
103 活性層
104 正孔取り出し層
105 上部電極
106 光電変換素子基板
107 光電変換素子
31 太陽電池素子基板(単に基板ともいう。)
32 下部電極
33 下部バッファ層
34 活性層
35 上部バッファ層
36 上部電極
37 集電線
41 第1の開溝
42 第2の開溝
43 第3の開溝
44、45、46 絶縁開溝
Claims (8)
- 基板上に、少なくとも下部電極、活性層、及び上部電極により構成される、複数の光電変換素子が直列に接続された直列アレイを1つ以上有する有機薄膜太陽電池の製造方法であって、
各光電変換素子を構成する下部電極が、互いに電気的に接続された状態で、前記活性層を塗布法により成膜し、
前記活性層を成膜する前に、前記下部電極をパターニングする第1パターニングステップ、及び
前記上部電極を成膜した後に、前記下部電極をパターニングする第2パターニングステップを有する有機薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記パターニングのうち少なくとも一方をレーザースクライブで行うことを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。
- 光電変換素子の前記上部電極と、該光電変換素子に隣接する光電変換素子の前記下部電極とが直接接続することを特徴とする請求項1又は2に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記活性層はロール・ツー・ロール方式により成膜されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記第1パターニングステップにより、前記複数の光電変換素子を直列に接続するための開溝が形成される請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記第2パターニングステップにより、前記複数の光電変換素子が直列に接続されてなる直列アレイを形成するための開溝が形成される請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記第2パターニングステップにより、前記第1パターニングステップにより形成され
た開溝に対して垂直方向に開溝が形成される請求項5又は6に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記第2パターニングステップは、前記活性層及び前記上部電極に開溝を形成する第1開溝形成ステップ、及びその後下部電極に開溝を形成する第2開溝形成ステップを含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池の製造方法。
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