JP6390773B2 - 有機薄膜太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Description
有機層の成分を溶媒に溶解又は均一に混合して塗布液を調製するためには、塗布液を加熱して調製した後に、塗布温度を制御しながら塗布することが必要になる場合がある。加熱調製後、冷却を行わずに塗布を行うと、高温が原因で溶媒が蒸発し塗布液が不均一になってしまうという問題や、有機層の成分が高温により劣化してしまうという問題が生じる。
塗布液の粘度が短時間で変化してしまう場合は、安定的な塗布の実施が難しい。ロール・トゥ・ロール方式等の連続生産であれば品質のばらつきにつながる。従って、塗布液の粘度が変化しない温度を特定し、粘度変化のない温度で塗布を実施する必要がある。
さらに、本発明者らは、塗布液の粘度が短時間で変化する条件で塗布した場合と、塗布液の粘度が変化しない条件で塗布した場合とで有機薄膜太陽電池素子の発電特性が異なることを見出した。
すなわち本発明は、以下の通りである。
却する冷却工程、冷却後の塗布液を保管温度に保管する保管工程、および、保管されている塗布液を塗布して有機層を形成する塗布工程、を含む有機薄膜太陽電池素子の製造方法であって、塗布液を冷却し保管温度に下げた直後と、塗布時とで、塗布液の粘度が変化しないよう保管温度を設定して塗布することを特徴とする、有機薄膜太陽電池素子の製造方法である。
また、有機層が活性層であることが好ましく、ロール・トゥ・ロール方式により行うことが好ましい。
本発明の有機薄膜太陽電池素子の製造方式は枚葉方式でも、ロール・トゥ・ロール方式でも良いが、ロール・トゥ・ロール方式により行うことが好ましい。ロール・トゥ・ロール方式による製造は、塗布の工程に時間を要するため、本発明の効果が得られやすい。ロール・トゥ・ロール方式とは、ロール状に巻かれた基板を繰り出して、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各工程を実施する方式であり、kmオーダ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り好ましい。ロールの長さとしては、通常100m以上、好ましくは200m以上であり、上限は特に制限されないが、通常500m以下、好ましくは300m以下である。
本発明に係る有機薄膜太陽電池素子は、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を有する。図1は、有機薄膜太陽電池素子の一般的な層構成を示す。図1に示される有機薄膜太陽電池素子107は、太陽電池素子基板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1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、太陽電池素子基板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。
本明細書において、電子取り出し層および正孔取り出し層のうち有機成分を含む層と、活性層とを合わせて「有機層」と称するが、電子取り出し層および正孔取り出し層は必須の層ではないため、活性層のみでも「有機層」と呼ぶ場合もある。本発明の各工程は、有機層を塗布により形成する場合に採用することができる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子の製造方法は、有機層を形成するための塗布液を調製する加熱工程を含む。加熱工程は、有機層、すなわち、電子取り出し層、正孔取り出し層および活性層の各層を塗布により形成する場合に、各層の材料を、塗布に用いる溶媒に溶解又は分散させ、加熱・撹拌し、均一な塗布液を調製する工程である。材料については、有機層の各項に記載する。
加熱温度は、各材料を均一に溶解または分散できる適切な温度に設定すればよく、制限はない。通常50℃以上、好ましくは60℃以上、より好ましくは65℃以上であり、一方、上限は、通常90℃以下、好ましくは80℃以下、より好ましくは70℃以下である。
本発明の有機薄膜太陽電池素子の製造方法は、加熱工程後の塗布液を冷却する冷却工程を含む。冷却温度は、塗布液が蒸発しにくく、塗布材料が劣化しない温度であればよく、後述する保管温度にて保管可能な温度まで冷却すればよい。通常塗布温度±5℃まで、好ましくは塗布温度まで冷却する。冷却方法に特に制限はなく、例えば、塗布液を含むタンク等の容器を、空気、水等何らかの媒体を介した熱伝導を利用して放熱・冷却する方法が挙げられる。冷却は、調製工程と同一の容器で行ってもよいし、異なる容器で行ってもよい。
本発明の有機薄膜太陽電池素子の製造方法は、冷却工程後の塗布液を保管温度で保管する保管工程を含む。塗布液の加熱、冷却、又は保温等行うことで、塗布液を保管温度で保管することが可能であれば、どのような保管方法でも良いが、ホットプレート、オイルバス又はジャケット付きタンクで保管することが好ましい。また、撹拌等しながら保管を行ってもよい。保管容器は冷却工程に用いる容器と同じでも良いし、異なっていてもよい。冷却工程後、塗布液を濾過等して保管してもよい。
45℃以下、より好ましくは40℃以下である。本発明は、高温で劣化する恐れや、組成が変化する恐れのある塗布液の成分を室温よりある程度高い温度で保管することで、好適な粘度を維持できることを見出したものである。
本発明の有機薄膜太陽電池素子の製造方法は、保管工程の後、塗布液を塗布して有機層を形成する塗布工程を含む。塗布液を冷却し保管温度に下げた直後と、塗布時とで、塗布液の粘度が変化しないよう保管温度を設定して塗布することを特徴とする。
塗布液を保管温度に冷却後、塗布が終わるまでの時間は、通常5時間以内、好ましくは3時間以内、一方下限は、通常0.5時間以上、好ましくは1時間以上である。このような時間で保管工程にある塗布液の塗布を行えば、粘度変化のリスクを避けることができる。ロール・トゥ・ロール方式等の連続生産においては、塗布に時間を要するため、上記時間内に塗布することで、均一な塗膜の形成が可能である。ロール・トゥ・ロール方式での塗布速度は、通常0.5m/分以上、好ましくは1m/分以上、上限は、通常10m/分以下、好ましくは5m/分以下である。
塗布液の具体的な粘度は、塗布する材料によって異なるものであるが、E型粘度計(せん断速度30/sec)による粘度が、通常1.5mPa・s以上、好ましくは2mPa・s以上であり、上限は、通常5mPa・s以下、好ましくは4mPa・s以下である。
有機薄膜太陽電池素子に用いる基板の材料は、本発明の効果を著しく損なわない限り特に限定されない。基板の材料の好適な例としては、石英、ガラス、サファイア又はチタニア等の無機材料;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。これらのうち有機材料を用いた樹脂基板が好ましい。ロール・トゥ・ロール方式により製造する場合は、基板には、石英、ガラス、サファイア又はチタニア等の無機材料以外のフレキシブルな基板を用いることができる。
有機薄膜太陽電池素子の製造においては、一対の電極(下部電極および上部電極)を積層する工程を有する。一対の電極とは、通常、以下に説明するアノードとカソードをいうが、下部電極がアノードであり、上部電極がカソードであってもよいし、下部電極がカソードであり、上部電極がアノードであってもよい。
アノードの材料を挙げると、例えば、酸化ニッケル、酸化スズ、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)、インジウム−ジルコニウム酸化物(IZO)、酸化チタン、酸化インジウム又は酸化亜鉛等の導電性金属酸化物;金、白金、銀、クロム又はコバルト等の金属あるいはその合金が挙げられる。これらの物質は高い仕事関数を有するため、好ましく、さらに、ポリチオフェン誘導体にポリスチレンスルホン酸をドーピングしたPEDOT:PSSで代表されるような導電性高分子材料を積層することができるため、好ましい。このような導電性高分子を積層する場合には、この導電性高分子材料の仕事関数が高いことから、上記のような高い仕事関数の材料でなくとも、AlやMg等のカソードに適した金属も広く用いることが可能である。ポリチオフェン誘導体にポリスチレンスルホン酸をドーピングしたPEDOT:PSSや、ポリピロール又はポリアニリン等にヨウ素等をドーピングした導電性高分子材料を、アノードの材料として使用することもできる。アノードが透明電極である場合には、ITO、酸化亜鉛又は酸化スズ等の透光性がある導
電性金属酸化物を用いることが好ましく、特にITOが好ましい。
アノードのシート抵抗は、特段の制限はないが、通常1Ω/□以上、一方、1000Ω/□以下、好ましくは500Ω/□以下、さらに好ましくは100Ω/□以下である。
カソードの材料を挙げると、例えば、白金、金、銀、銅、鉄、スズ、亜鉛、アルミニウム、インジウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、カルシウム又はマグネシウム等の金属及びその合金;フッ化リチウムやフッ化セシウム等の無機塩;酸化ニッケル、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。
カソードのシート抵抗は、特に制限は無いが、通常1000Ω/□以下、好ましくは500Ω/□以下、さらに好ましくは100Ω/□以下である。下限に制限は無いが、通常は1Ω/□以上である。
は電子取り出し層と活性層の密着性が向上する効果が得られるため、好ましい。各層間の密着性が向上することにより、有機薄膜太陽電池素子の熱安定性や耐久性等が向上しうる。アニーリング処理工程の温度を300℃以下にすることは、活性層内の有機化合物が熱分解する可能性が低くなるため、好ましい。アニーリング処理工程においては、上記の温度範囲内で段階的な加熱を行ってもよい。
加熱する方法としては、ホットプレート等の熱源に有機薄膜太陽電池素子を載せてもよいし、オーブン等の加熱雰囲気中に有機薄膜太陽電池素子を入れてもよい。また、加熱はバッチ式で行っても連続方式で行ってもよい。
本発明に係る有機薄膜太陽電池素子は、少なくとも一対の電極と、該電極間に存在する活性層とを有する。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してもよい。通常、カソードと活性層との間に電子取り出し層を有する。また有機薄膜太陽電池素子は、活性層とアノードとの間に正孔取り出し層を有してもよい。電子取り出し層および/又は正孔取り出し層をバッファ層と呼ぶ場合もある。なお、電子取り出し層および正孔取り出し層は必須ではない。電子取り出し層および/又は正孔取り出し層を塗布により形成する場合、本発明の各工程を採用することができる。
電子取り出し層の材料は、活性層からカソードへ電子の取り出し効率を向上させる材料であれば特段の制限はないが、無機化合物又は有機化合物が挙げられる。
3)のような有機金属酸化物;オキサジアゾール化合物又はベンゾイミダゾール化合物のような、置換基を有していてもよい1又は2の環構造を有する化合物;ナフタレンテトラカルボン酸無水物(NTCDA)又はペリレンテトラカルボン酸無水物(PTCDA)のような、ジカルボン酸無水物のような縮合ジカルボン酸構造を有する芳香族化合物等が挙げられる。
文献(国際公開第2011/016430号)に記載の方法により、測定を実施することができる。
具体的には、例えばアルカリ金属塩を電子取り出し層の材料として用いる場合、真空蒸着、スパッタ等の真空成膜方法を用いて電子取り出し層を成膜することが可能である。なかでも、抵抗加熱による真空蒸着によって、電子取り出し層を形成するのが望ましい。真空蒸着を用いることにより、活性層等の他の層へのダメージを小さくすることができる。
正孔取り出し層の材料に特に限定は無く、活性層からアノードへの正孔の取り出し効率
を向上させることが可能な材料であれば特に限定されない。具体的には、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミン又はポリアニリン等に、スルホン酸及び/又はヨウ素等がドーピングされた導電性ポリマー、スルホニル基を置換基に有するポリチオフェン誘導体、アリールアミン等の導電性有機化合物、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化バナジウム又は酸化タングステン等の金属酸化物、ナフィオン、後述のp型半導体等が挙げられる。その中でも好ましくは、スルホン酸をドーピングした導電性ポリマーであり、より好ましくは、ポリチオフェン誘導体にポリスチレンスルホン酸をドーピングした(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)(PEDOT:PSS)である。また、金、インジウム、銀又はパラジウム等の金属等の薄膜も使用することができる。金属等の薄膜は、単独で形成してもよいし、上記の有機材料と組み合わせて用いることもできる。
活性層は光電変換が行われる層を指し、通常、p型半導体化合物とn型半導体化合物をと含む。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。有機薄膜太陽電池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。
低分子有機半導体化合物の分子量は、上限、下限ともに特に制限されないが、通常5000以下、好ましくは2000以下であり、一方、通常100以上、好ましくは200以上である。
半導体化合物は分子間相互作用が強く、活性層においてp型半導体化合物とn型半導体化合物との界面で生成した正孔(ホール)を効率よくアノードへ輸送しうる。本明細書において結晶性とは、分子間相互作用等によって配向の揃った3次元周期配列をとる、化合物の性質である。結晶性の測定方法としては、X線回折法(XRD)又は電界効果移動度測定法等が挙げられる。特に電界効果移動度測定において、正孔移動度が1.0×10−5cm2/Vs以上であることが好ましく、1.0×10−4cm2/Vs以上であることがより好ましい。一方、正孔移動度が通常1.0×104cm2/Vs以下であることが好ましく、1.0×103cm2/Vs以下であることがより好ましく、1.0×102cm2/Vs以下であることさらに好ましい。
基又は炭素数3以上12以下の飽和若しくは不飽和の環式炭化水素である。
ロベンゼン又はオルトジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン又はシクロヘキサノン等のケトン類;クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン、トリクロロエタン又はトリクロロエチレン等のハロゲン炭化水素類;エチルエーテル、テトラヒドロフラン又はジオキサン等のエーテル類である。より好ましくは、トルエン、キシレン又はシクロヘキシルベンゼン等の非ハロゲン芳香族炭化水素類;シクロペンタノン又はシクロヘキサノン等の非ハロゲン系ケトン類;テトラヒドロフラン又は1,4−ジオキサン等の非ハロゲン系脂肪族エーテル類である。特に好ましくは、トルエン、キシレン又はシクロヘキシルベンゼン等の非ハロゲン芳香族炭化水素類である。なお、1種の溶媒を単独で用いてもよく、2種以上の溶媒を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
高分子有機半導体化合物として、特に限定はなく、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリアセチレン又はポリアニリン等の共役ポリマー半導体;アルキル基やその他の置換基が置換されたオリゴチオフェン等のポリマー半導体;等が挙げられる。また、二種以上のモノマー単位を共重合させた半導体ポリマーも挙げられる。共役ポリマーとしては、例えば、Handbook of Conducting Polymers,3rd Ed.(全2巻),2007、Materials Science and Engineering,2001,32,1−40、Pure Appl.Chem.2002,74,2031−3044、Handbook of THIOPHENE−BASED MATERIALS(全2巻),2009等の公知文献に記載されたポリマーやその誘導体、及び記載されているモノマーの組み合わせによって合成し得るポリマーを用いることができる。p型半導体化合物として用いられる高分子有機半導体化合物は、一種の化合物でも複数種の化合物の混合物でもよい。
に吸収することができ、短絡電流密度が向上する。p型半導体化合物のLUMOエネルギー準位が−3.7eV以上であることにより、n型半導体化合物への電子移動が起こりやすくなり短絡電流密度が向上する。
n型半導体化合物としては、特段の制限はないが、具体的にはフラーレン化合物、8−ヒドロキシキノリンアルミニウムに代表されるキノリノール誘導体金属錯体;ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド又はペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の縮合環テトラカルボン酸ジイミド類;ペリレンジイミド誘導体、ターピリジン金属錯体、トロポロン金属錯体、フラボノール金属錯体、ペリノン誘導体、ベンズイミダゾール誘導体、ベンズオキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、ベンズチアゾール誘導体、ベンゾチアジアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、アルダジン誘導体、ビススチリル誘導体、ピラジン誘導体、フェナントロリン誘導体、キノキサリン誘導体、ベンゾキノリン誘導体、ビピリジン誘導体、ボラン誘導体、アントラセン、ピレン、ナフタセン又はペンタセン等の縮合多環芳香族炭化水素の全フッ化物;単層カーボンナノチューブ等が挙げられる。
化合物のHOMOエネルギー準位が−5.0eV以下であることは、正孔の逆移動を阻止できる点で好ましい。
<2−4−2−1.フラーレン化合物>
フラーレン化合物としては、一般式(n1)、(n2)、(n3)及び(n4)で表される部分構造を有するものが好ましい例として挙げられる。
は、例えば、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94、C96及びこれらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスター等が挙げられる。その中でも、C60又はC70が好ましい。フラーレンとしては、一部のフラーレン環上の炭素−炭素結合が切れていてもよい。また、フラーレンを構成する炭素原子の一部が、他の原子に置き換えられていてもよい。さらにフラーレンは、金属原子、非金属原子あるいはこれらから構成される原子団をフラーレンケージ内に内包していてもよい。
N−アルキル置換されたペリレンジイミド誘導体としては、特段の制限はないが、具体的には国際公開第2008/063609号、国際公開第2009/115553号、国際公開第2009/098250号、国際公開第2009/000756号及び国際公開第2009/091670号に記載されている化合物が挙げられる。これらの化合物は電子移動度が高く、可視域の光を吸収しうるために、電荷輸送と発電との両方に寄与しうる点から好ましい。
ナフタレンテトラカルボン酸ジイミドとしては、特段の制限はないが、具体的には国際公開第2008/063609号、国際公開第2007/146250号及び国際公開第2009/000756号に記載されている化合物が挙げられる。これらの化合物は電子
移動度が高く、溶解性が高く塗布性に優れている点から好ましい。
n型高分子半導体化合物としては、特段の制限はないが、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、ペリレンジイミド誘導体、ベンゾイミダゾール誘導体、ベンズオキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、ベンゾチアジアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、ピラジン誘導体、フェナントロリン誘導体、キノキサリン誘導体、ビピリジン誘導体及びボラン誘導体のうち少なくとも一つを構成ユニットとするn型高分子半導体化合物等が挙げられる。
有機薄膜太陽電池素子の光電変換特性は次のようにして求めることができる。有機薄膜太陽電池素子にソーラシュミレーターでAM1.5G条件の光を照射強度100mW/cm2で照射して、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)
次に、本実施態様に係る有機薄膜太陽電池素子を含む有機薄膜太陽電池モジュールについて、図を参照して説明する。図2は、有機薄膜太陽電池モジュールの構成を模式的に示す断面図である。図2に示すように、本実施態様の有機薄膜太陽電池モジュール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、有機薄膜太陽電池素子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、有機薄膜太陽電池素子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等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。
耐候性保護フィルム1は天候変化から有機薄膜太陽電池素子6を保護するフィルムである。耐候性保護フィルム1で有機薄膜太陽電池素子6を覆うことにより、有機薄膜太陽電池素子6等を天候変化等から保護し、発電能力を高く維持するようにしている。耐候性保護フィルム1は、有機薄膜太陽電池モジュール14の最表層に位置するため、耐候性、耐熱性、透明性、撥水性、耐汚染性及び/又は機械強度等の、有機薄膜太陽電池モジュールの表面被覆材として好適な性能を備え、しかもそれを屋外暴露において長期間維持する性質を有することが好ましい。
耐候性保護フィルム1の厚みは特に規定されないが、通常10μm以上200μm以下である。 また耐候性保護フィルム1には、他のフィルムとの接着性の改良のために、コロナ処理及び/又はプラズマ処理等の表面処理を行ってもよい。
紫外線カットフィルム2は紫外線の透過を防止するフィルムである。紫外線カットフィルム2を有機薄膜太陽電池モジュール14の受光部分に設け、紫外線カットフィルム2で有機薄膜太陽電池素子6の受光面6aを覆うことにより、有機薄膜太陽電池素子6及び必要に応じてガスバリアフィルム3、9等を紫外線から保護し、発電能力を高く維持することができるようになっている。
また、紫外線カットフィルム2は、柔軟性が高く、隣接するフィルムとの接着性が良好であり、水蒸気や酸素をカットしうることが好ましい。
基材フィルムの材質は特に限定されないが、耐熱性、柔軟性のバランスが良好なフィルムが得られる点で、例えばポリエステルが挙げられる。
ガスバリアフィルム3は水及び酸素の透過を防止するフィルムである。ガスバリアフィルム3で有機薄膜太陽電池素子6を被覆することにより、有機薄膜太陽電池素子6を水及び酸素から保護し、発電能力を高く維持することができる。
ガスバリアフィルム3の厚みは特に規定されないが、通常5μm以上200μm以下である。
ゲッター材フィルム4は水分及び/又は酸素を吸収するフィルムである。ゲッター材フィルム4で有機薄膜太陽電池素子6を覆うことにより、有機薄膜太陽電池素子6等を水分及び/又は酸素から保護し、発電能力を高く維持するようにしている。ここで、ゲッター材フィルム4は上記のようなガスバリアフィルム3とは異なり、水分の透過を妨げるものではなく、水分を吸収するものである。水分を吸収するフィルムを用いることにより、ガスバリアフィルム3等で有機薄膜太陽電池素子6を被覆した場合に、ガスバリアフィルム3及び9で形成される空間に僅かに浸入する水分をゲッター材フィルム4が捕捉して水分による有機薄膜太陽電池素子6への影響を排除できる。
被覆した場合に、ガスバリアフィルム3及び9で形成される空間に僅かに浸入する酸素をゲッター材フィルム4が捕捉して酸素による有機薄膜太陽電池素子6への影響を排除できる。
ゲッター材フィルム4の厚みは特に規定されないが、通常5μm以上200μm以下である。
封止材5は、有機薄膜太陽電池素子6を補強するフィルムである。有機薄膜太陽電池素子6は薄いため通常は強度が弱く、ひいては有機薄膜太陽電池モジュールの強度が弱くな
る傾向があるが、封止材5により強度を高く維持することが可能である。
封止材5の厚みは特に規定されないが、通常2μm以上700μm以下である。
有機薄膜太陽電池素子6は、図1に示される有機薄膜太陽電池素子107と同様である。図1に示される有機薄膜太陽電池素子を用いて、有機薄膜太陽電池モジュール14を製造することができる。
封止材7は、上述した封止材5と同様のフィルムであり、配設位置が異なる他は封止材7と同様のものを同様に用いることができる。また、太陽電池素子6よりも背面側の構成部材は必ずしも可視光を透過させる必要が無いため、可視光を透過させないものを用いることもできる。
ゲッター材フィルム8は、上述したゲッター材フィルム4と同様のフィルムであり、配設位置が異なる他はゲッター材フィルム4と同様のものを同様に必要に応じて用いることができる。また、有機薄膜太陽電池素子6よりも背面側の構成部材は必ずしも可視光を透過させる必要が無いため、可視光を透過させないものを用いることもできる。
ガスバリアフィルム9は、上述したガスバリアフィルム3と同様のフィルムであり、配設位置が異なる他はガスバリアフィルム9と同様のものを同様に必要に応じて用いることができる。また、有機薄膜太陽電池素子6よりも背面側の構成部材は必ずしも可視光を透過させる必要が無いため、可視光を透過させないものを用いることもできる。
バックシート10は、上述した耐候性保護フィルム1と同様のフィルムであり、配設位置が異なる他は耐候性保護フィルム1と同様のものを同様に用いることができる。また、このバックシート10が水及び酸素を透過させ難いものであれば、バックシート10をガスバリア層として機能させることも可能である。また、有機薄膜太陽電池素子6よりも背面側の構成部材は必ずしも可視光を透過させる必要が無いため、可視光を透過させないものを用いることもできる。
本実施態様に係る有機薄膜太陽電池素子を用いた有機薄膜太陽電池モジュール14は、通常、膜状の薄い部材である。このように膜状の部材として有機薄膜太陽電池モジュール14を形成することにより、有機薄膜太陽電池モジュール14を建材、自動車又はインテリア等に容易に設置できるようになっている。有機薄膜太陽電池モジュール14は、軽く、割れにくく、従って安全性の高い太陽電池が得られ、また曲面にも適用可能であるため更に多くの用途に使用しうる。薄くて軽いため輸送や保管等流通面でも好ましい。更に、膜状であるためロール・トゥ・ロール方式の製造が可能であり大幅なコストカットが可能
である。
有機薄膜太陽電池モジュール14の具体的な寸法に制限は無いが、その厚みは、通常300μm以上3000μm以下である。
本実施態様に係る有機薄膜太陽電池素子を用いた有機薄膜太陽電池モジュール14の製造方法に制限は無いが、例えば、図2の形態の太陽電池製造方法としては、図2に示される積層体を作成した後に、ラミネート封止工程を行う方法が挙げられる。本実施形態に係る有機薄膜太陽電池素子は、耐熱性に優れるため、ラミネート封止工程による劣化が低減される点で好ましい。
本実施態様に係る有機薄膜太陽電池素子を用いた有機薄膜太陽電池モジュール14の用途に制限はなく、任意の用途に用いることができる。有機薄膜太陽電池モジュールを適用する分野の例を挙げると、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等である。
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、ポリアリレート及びポリノルボルネン等の有機材料;紙及び合成紙等の紙材料;ステンレス、チタン及びアルミニウム等の金属;ステンレス、チタン及び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。
粘度の測定は、E型粘度計(ブルックフィールド社製プログラマブルレオメータ DV−III ULTRA)を用いて、せん断速度30/secの条件で測定した。
厚さ125μmのPEN基板に下部電極(ITO/Ag/ITO)を積層させたPEN−下部電極積層体(透過率80%以上でシート抵抗15Ω/□以下)に、バッファ層(酸化亜鉛(ZnO))を塗布により積層した。
当該積層体に、活性層(P3HT:C60(ind)2)を以下の方法によりワイヤーバーコート法で積層した。
塗布液(P3HT:3%、C60(ind)2:3%、トルエン:89%、テトラリン:5%)を、撹拌しながら65℃で加熱し、均一に調製した。
その後、塗布液を45℃に冷却した。冷却直後の粘度は2.4mPa・sであった。
塗布液を40℃で5時間攪拌し、塗布を行った。塗布時の塗布液の粘度は2.4mPa・sであった。
乾燥後、さらに、バッファ層(PEDOT:PSS)、上部電極(Ag)を積層し、有機薄膜太陽電池素子を製造した。動作を確認したところ、開放電圧0.84Vで良好に作動した。
活性層の塗布において、塗布液(P3HT:2%、C60(ind)2:2%、トルエン:91%、テトラリン:5%)を用い、冷却後の塗布液(冷却直後の粘度は2.0mPa・s)を24℃で8時間攪拌し、塗布(塗布液の粘度は40.0mPa・sまで増加)した以外は、実施例1と同様にして、有機薄膜太陽電池素子を製造した。動作を確認したところ、開放電圧0.01Vであった。
102 電子取り出し層
103 活性層
104 正孔取り出し層
105 アノード
106 基板
107 有機薄膜太陽電池素子
1 耐候性保護フィルム
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 有機薄膜太陽電池素子
10 バックシート
12 基材
13 有機薄膜太陽電池パネル
14 有機薄膜太陽電池モジュール
Claims (8)
- 有機層を形成するための塗布液を調製する加熱工程、
調製された塗布液を冷却する冷却工程、
冷却後の塗布液を25℃以上50℃以下の温度条件下で撹拌する工程、および、
撹拌後の塗布液を塗布して有機層を形成する塗布工程、を含む有機薄膜太陽電池素子の製造方法であって、
前記塗布液は少なくとも非ハロゲン系芳香族炭化水素類及び高分子有機半導体化合物を含有し、
前記加熱工程の温度が60℃以上、90℃以下であり、
前記塗布液の、撹拌する工程における粘度の変化が、1時間当たり、0%以上、10%以下の変化率である(E型粘度計を用いて、せん断速度10〜1000/secの条件下で測定)ことを特徴とする、有機薄膜太陽電池素子の製造方法。 - 前記塗布液の、撹拌する工程における粘度の変化が、1時間当たり、0%以上、5%以下の変化率である(E型粘度計を用いて、せん断速度10〜1000/secの条件下で測定)、請求項1に記載の製造方法。
- 有機層が活性層であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の製造方法。
- ロール・トゥ・ロール方式により行うことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記高分子有機半導体化合物がp型半導体化合物である、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記塗布に供する塗布液の粘度が5mPa・s以下であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
- 前記塗布に供する塗布液の粘度が1.5mPa・s以上であることを特徴とする、請求項6に記載の製造方法。
- 前記冷却工程において、塗布温度±5℃まで冷却することを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
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