JP6240711B2 - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Description
(a)まず、光を吸収すると、バルクへテロ接合有機活性層14内で、励起子が生成される。
(b)次に、励起子は、バルクへテロ接合有機活性層14内のpn接合界面において、自発分極によって、電子(e−)と正孔(h+)の自由キャリアに解離する。
(c)次に、解離した正孔(h+)は、アノード電極となる透明電極層11に向けて走行し、解離した電子(e−)は、カソード電極層16に向けて走行する。
(d)結果として、カソード電極層16・透明電極層11間には、逆方向電流が導通して、開放電圧Vocが発生し、有機薄膜太陽電池が得られる。
図11〜図16を参照して、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池1の製造方法について説明する。
(a)まず、純水、アセトン、エタノールで洗浄したガラス基板10(例えば、長さ約50mm×幅約50mm×厚さ約10.4mm)をICPエッチャ−に入れ、O2プラズマにより、表面の付着物を取り除く(ガラス基板表面処理)。なお、基板10をガラス基板で形成し、有機活性層へ光を効率的に誘導するために、ガラス表面に反射防止処理を実施しても良い。
(b)次に、図11に示すように、ガラス基板10上に、例えば、ITOからなる透明電極層11を形成する。図11に示すように、透明電極層11は溝部を挟んだストライプパターンで複数形成される。溝部の形成には、酸素プラズマエッチング技術、レーザパターニング技術、ナノインプリント技術などを適用することができる。
(c)次に、図12に示すように、各透明電極層11上に、正孔輸送層12を形成する。正孔輸送層12の形成には、スピンコート技術、スプレー技術、スクリーン印刷技術などを適用することができる。ここで、正孔輸送層12の形成工程では、例えば、PEDOT:PSSをスピンコートによって製膜を行い、水分除去のために、アニ−ルを120℃で約10分間行う。溝部の形成には、酸素プラズマエッチング技術、レーザパターニング技術、ナノインプリント技術などを適用することができる。
(d)次に、図13に示すように、各正孔輸送層12上に、バルクヘテロ接合有機活性層14を形成する。バルクヘテロ接合有機活性層14の形成工程においては、例えば、P3HTをスピンコートによって製膜を行う。
(e)次に、図14に示すように、各バルクヘテロ接合有機活性層14上に、カソード電極層16を形成する。カソード電極層16の形成には、例えばAl、W、Mo、Mn、Mgなどの金属層を真空加熱蒸着法により堆積することによって行われる。真空加熱蒸着法の代わりに、スクリーン印刷技術を適用しても良い。
(f)次に、図15に示すように、バルクヘテロ接合有機活性層14および正孔輸送層12をエッチング処理した後、カソード電極層16の表面に酸化膜(不動態膜)24を形成する。バルクヘテロ接合有機活性層14および正孔輸送層12をエッチング処理することによって、各セルを分離することができる。また、不動態膜24は、第2電極層16を酸素プラズマ処理することによって形成することができる。不動態膜24の形成は、例えば、高密度プラズマエッチング装置を用いて行うことができる。
(g)次に、図16に示すように、封止ガラス(カバーガラス)40および封止材41によって素子全体を封止する。封止材41は、エポキシ樹脂や光硬化樹脂等で構成される。なお、ガラス封止の工程は、大気中の水分や酸素による劣化を防ぐために、窒素雰囲気中で行うと良い。また、封止ガラス40の内壁面に乾燥剤を設け、水分や酸素による影響をより一層排除するようにしても良い。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池1において、セルを7個直列接続した模式的平面パターン構成は、図17に示すように表される。また、図17のI−I線に沿う模式的断面構造は、図18(a)に示すように表され、図18(a)に対応する等価回路構成は、図18(b)に示すように表される。
図19に示すフローチャートに基づいて、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池1の作成手順について説明する。
(a)ステップS1では、基板10上に、PEDOT:PSSを塗布する。例えば、0.45μmPTFEメンブレンフィルターでPEDOT:PSS水溶液を濾過し、溶け残りや不純物を取り除き、PEDOT:PSS水溶液をITO基板10上に塗布し、スピンコート(例えば、4000rpm,30sec)する。
(b)ステップS2では、PEDOT:PSSを焼結する。即ち、製膜後、水分除去のために120℃、10分間加熱処理をする。なお、基板10全体に熱が伝わるように予めホットプレートで温めておいたシャーレを被せると良い。
(c)ステップS3では、P3HT:PCBMを塗布する。具体的には、例えば、ジクロロベンゼン(o-dichlorobenzen)にP3HT16mgとPCBM16mgを溶解させる。溶液は、窒素雰囲気中の50℃で一晩攪拌を行った後に、50℃で1分間超音波処理を行う。溶液は窒素置換されたグローブボックス(<1ppmO2、H2O)内で洗浄処理したITO基板10上にスピンコートを行う。回転数は例えば550rpm・60secの後に2000rpm・1secである。
(d)ステップS4では、プレアニールを行う。即ち、ステップS3の塗布の後、120℃で10分間加熱を行う。なお、基板10全体に熱が伝わるように予めホットプレートで温めておいたシャーレを被せると良い。
(e)ステップS5では、LiF真空蒸着を行う。具体的には、LiF(純度:99.98%)は、真空度:1.1×10−6torr・蒸着レートが0.1Å/secで真空加熱蒸着を行う。
(f)ステップS6では、Al真空蒸着を行って第2電極層16を形成する。具体的には、Al(純度:99.999%)は、真空度:1.1×10−6torrで蒸着レートが〜2Å/secで真空加熱蒸着を行う。
(g)ステップS7では、第2電極層16について、電極酸化被膜処理を行う。具体的には、図20に示すような高密度プラズマエッチング装置を用いて酸素プラズマにより第2電極層16表面を酸化し、酸化膜24を形成する。
(h)ステップS8では、パネル封止を行う。具体的には、パネルはグローブボックス内でUV硬化樹脂を塗布し、素子の測定部位にアルミ箔を被せてUVオーブンで例えば、約10分間露光を行い素子を完全に封止する。
図20を参照して、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池1の作成において、第2電極層16の表面に酸化膜24を形成する際に使用される高密度プラズマエッチング装置の概略について説明する。
(1)SiNなどのパッシベーション膜を新たに形成する必要ないため、短時間・低コストで酸化膜24を形成できる。
(2)基板10の表面の不純物が酸素プラズマによって除去されるため、封止時に基板洗浄処理を行う必要がなくなる。
(3)基板10の表面の不純物が酸素プラズマによって除去されるため、基板10と各層の密着性が増す。
(4)第2電極層16の表面の不動態化により、バルクヘテロ接合有機活性層14への水分・酸素の浸入を抑制できる。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池は、図22〜図26に示すように、複数のセルをマトリックス状に配置し、量産化工程によって製造することもできる。
(a)まず、純水、アセトン、エタノールで洗浄したガラス基板10をICPエッチャ−に入れ、O2プラズマにより、表面の付着物を取り除く(ガラス基板表面処理)。なお、有機活性層へ光を効率的に誘導するために、ガラス基板10の表面に反射防止処理を実施しても良い。
(b)次に、図22に示すように、ガラス基板10上に、例えば、ITOからなる透明電極層11を形成する。図22に示す例では、透明電極層11は隙間を挟んだ2本のストライプパターンで形成される。隙間の形成には、酸素プラズマエッチング技術、レーザパターニング技術、ナノインプリント技術などを適用することができる。
(c)次に、図23に示すように、ガラス基板10および透明電極層11上に、正孔輸送層12を形成する。正孔輸送層12の形成には、スピンコート技術、スプレー技術、スクリーン印刷技術などを適用することができる。ここで、正孔輸送層12の形成工程では、例えば、PEDOT:PSSをスピンコートによって製膜を行い、水分除去のために、アニ−ルを120℃で約10分間行う。
(d)次に、図24に示すように、正孔輸送層12上に、バルクヘテロ接合有機活性層14を形成する。バルクヘテロ接合有機活性層14の形成工程においては、例えば、P3HT:PCBMをスピンコートによって製膜を行う。バルクヘテロ接合有機活性層14の厚さは、例えば100〜200nmとされる。
(e)次に、図25に示すように、バルクへテロ接合有機活性層14上に、2本のストライプパターンのカソード電極層16を透明電極層11と直交させて形成する。
(f)次に、図示は省略するが、カソード電極層16の表面に酸化膜(不動態膜)を形成する。不動態膜は、カソード電極層16を酸素プラズマに暴露させて形成することができる。酸素プラズマによる酸化膜の形成は、例えば前述の高密度プラズマエッチング装置を用いて行うことができる。
(g)次に、封止ガラス(カバーガラス)および封止材によって素子全体を封止する。封止材は、エポキシ樹脂や光硬化樹脂等で構成される。なお、ガラス封止の工程は、大気中の水分や酸素による劣化を防ぐために、窒素雰囲気中で行うと良い。
例えば、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池1において、比較的小面積の素子を作成する場合には、図27(a)に示すようなスピンコート法を適用することができる。
また、比較的大面積の有機薄膜太陽電池を作成する場合には、図28に示すようなインクジェット印刷による手法を用いることができる。
また、有機薄膜太陽電池1は、正孔輸送層12およびバルクへテロ接合有機活性層14をロールツウロール法を用いたグラビア印刷で形成することもできる。
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
10…基板(ITO基板)
11…第1電極層(アノード電極層、透明電極層)
12…正孔輸送層
14…バルクヘテロ接合有機活性層
16…第2電極層(カソード電極層)
24…不動態膜(酸化膜)
40…封止層(封止ガラス)
41…封止材
42…乾燥剤
50…チャンバー
52…上部電極
53…下部電極
54…載置台
56…導入口
58…排気口
60…スポイト
62…スピンドル
63…テーブル
64…液滴
70…基板
72、74…絶縁層
76…液滴
78…インクジェット装置
80…インクジェットノズル
90…溶液
92…容器
94…シリンダ
96…圧着ローラ
98…フィルム
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に配置された第1電極層と、
前記第1電極層上に配置され、前記第1電極層と電気的に接続されて形成された第1の有機活性層と、
前記第1の有機活性層の表面の第1の端部の少なくとも一部が露出するように前記第1の有機活性層の前記表面と前記第1の有機活性層の第2の端部の側壁部とを連続的に覆い且つ一端部が前記第1の有機活性層の前記第1の端部よりも内側に離間して配置されて、前記第1の有機活性層に電気的に接続されて形成された第2電極層と、
前記第2電極層の前記一端部の側壁部と、前記第2電極層の表面と、前記第2電極層の他端部の側壁部とを連続的に覆って前記第1の有機活性層の前記表面の一部にまで延在して前記第1の有機活性層に密着して形成された第1の絶縁層と
を備え、
前記第1の絶縁層は、前記第1の有機活性層の前記露出した表面のうちの少なくとも一部が露出するように前記第1の有機活性層の前記第1の端部よりも内側に離間して形成されることを特徴とする有機薄膜太陽電池。 - 前記基板上に、前記第1電極層と離間して配置された第3電極層と、
前記第3電極層上に、前記第1の有機活性層の前記第1の端部と離間し且つ対向する第2の端部を備えて配置され、前記第3電極層と電気的に接続された第2の有機活性層と、
前記第2の有機活性層の表面から前記第2の端部を覆って前記第1電極層にまで延在して配置された第4電極層と、
前記第4電極層の表面と、前記第2の有機活性層の前記第2の端部を覆う前記第4電極層の側壁部と、を覆って形成された第2の絶縁層と
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。 - 前記第1の絶縁層または前記第2の絶縁層は、酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池。
- 前記第1の絶縁層または前記第2の絶縁層の厚さは、10オングストローム〜100オングストロームであ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。
- 前記第2電極層または前記第4電極層は、Al、W、Mo、Mn、Mgのいずれかの金属で構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池。
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