JP6592639B1 - 太陽電池の製造方法、及び、太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
各層を積層する際には、最終的に分割される個々の太陽電池ごとに、パターン製膜(例えば、パターン塗工)を行うことが多い。図1〜2に、ロールトゥロール方式でのパターン製膜を用いて複数の太陽電池を一括して製造する方法の一例を模式的に示す。図1(a)(断面図)及び(b)(上面図)に示すように、まず、基材1上に下部電極2、光電変換層3、上部電極4、及び、平坦化層5がこの順でそれぞれパターン製膜により積層された積層体を得る。次いで、図2(断面図)に示すように、得られた積層体をバリア層6で覆い、切断部Aにて切断し、個々の太陽電池に分割する。
一方、パターン製膜に対して、最終的に個々の太陽電池に分割される部位においても途切れることなく連続的に製膜していく方法が考えられる。連続的な製膜方法は、コスト、生産効率等の観点で優れており、例えば、塗工液の粘性に起因してパターン塗工が困難な場合であっても良好に塗工できる等の利点もある。図3に、ロールトゥロール方式での連続的な製膜方法を用いて複数の太陽電池を一括して製造する方法の一例を模式的に示す。図3(断面図)に示すように、まず、基材1上に下部電極2、光電変換層3、上部電極4、及び、平坦化層5がこの順でそれぞれ連続的な製膜方法により積層された積層体を得る。更にバリア層6を積層し、切断部Aにて切断し、個々の太陽電池に分割する。しかしながら、このようにして得られた太陽電池は、その両端部において各層の断面が大気中に露出することになり、封止が不充分となる。特に光電変換層が有機無機ペロブスカイト化合物を含有するペロブスカイト太陽電池の場合には、光電変換層の断面が大気中に露出しているとその露出面から水分が浸入しやすく、光電変換効率が大きく低下する。
以下、本発明を詳述する。
本発明の太陽電池の製造方法では、まず、基材上に下部電極、光電変換層、上部電極、及び、平坦化層がこの順でそれぞれ連続的な製膜方法により積層された長尺積層体(a)を得る工程(1)を行う。なお、連続的な製膜方法とは、パターン製膜(例えば、パターン塗工)とは異なり、途切れることなく連続的に製膜していくことをいう。より具体的には、最終的に個々の太陽電池に分割される部位においても途切れることなく連続的に製膜していくことをいう。
上記基材は特に限定されず、例えば、ポリイミド、ポリエステル系の耐熱性高分子からなる樹脂フィルム、金属箔、薄板ガラス等を有するものが挙げられる。なかでも、金属箔が好ましい。上記金属箔を用いることにより、耐熱性高分子を用いる場合と比べてコストを抑えられるとともに、高温処理を行うことができる。即ち、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層形成時において耐光性(光劣化に対する耐性)を付与する目的で80℃以上の温度で熱アニール(加熱処理)を行っても、歪みの発生を最小限に抑えて、高い光電変換効率を得ることができる。
上記絶縁層として上記酸化アルミニウム被膜を用いることにより、有機絶縁層の場合と比べて、大気中の水分が絶縁層を透過して光電変換層(特に、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層)を劣化させることを抑制することができる。また、上記絶縁層として上記酸化アルミニウム被膜を用いることにより、上記アルミニウム箔と接することで時間の経過とともに有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層に変色が生じ、腐食が起きるという現象を抑制することができる。
なお、一般的な他の太陽電池では光電変換層がアルミニウムと反応して変色が生じること等は報告されておらず、上記のような腐食が起きるという現象は、光電変換層が有機無機ペロブスカイト化合物を含むペロブスカイト太陽電池に特有の問題として本発明者らが見出したものである。
上記酸化アルミニウム被膜の厚みは、例えば、上記基材の断面を電子顕微鏡(例えば、S−4800、HITACHI社製等)で観察し、得られた写真のコントラストを解析することにより測定することができる。
上記アルミニウム箔に陽極酸化を施す場合には、陽極酸化における処理濃度、処理温度、電流密度、処理時間等を変更することにより、上記酸化アルミニウム被膜の厚みを調整することができる。上記処理時間は特に限定されないが、上記基材の作製の容易さの観点から、好ましい下限は5分、好ましい上限は120分であり、より好ましい上限は60分である。
上記基材の厚みとは、上記基材が上記金属箔と上記金属箔上に形成された絶縁層とを有する場合、上記金属箔と上記絶縁層とを含む上記基材全体の厚みを意味する。
また、上記下部電極は、金属電極であってもよい。上記金属電極を構成する金属として、例えば、上述したようなアルミニウム等に加えて、チタン、モリブデン、銀、ニッケル、タンタル、金、SUS、銅等も挙げられる。これらの金属は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
なお、本明細書中、「層」とは、明確な境界を有する層だけではなく、含有元素が徐々に変化する濃度勾配のある層をも意味する。なお、層の元素分析は、例えば、太陽電池の断面のFE−TEM/EDS線分析測定を行い、特定元素の元素分布を確認する等によって行うことができる。また、本明細書中、層とは、平坦な薄膜状の層だけではなく、他の層と一緒になって複雑に入り組んだ構造を形成しうる層をも意味する。
上記Rは、具体的には例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、エチルメチルアミン、メチルプロピルアミン、ブチルメチルアミン、メチルペンチルアミン、ヘキシルメチルアミン、エチルプロピルアミン、エチルブチルアミン、イミダゾール、アゾール、ピロール、アジリジン、アジリン、アゼチジン、アゼト、イミダゾリン、カルバゾール、メチルカルボキシアミン、エチルカルボキシアミン、プロピルカルボキシアミン、ブチルカルボキシアミン、ペンチルカルボキシアミン、ヘキシルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジン、アニリン、ピリジン及びこれらのイオンやフェネチルアンモニウム等が挙げられる。上記イオンとしては、例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)等が挙げられる。なかでも、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、プロピルカルボキシアミン、ブチルカルボキシアミン、ペンチルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジン及びこれらのイオンが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、ペンチルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジン及びこれらのイオンがより好ましい。なかでも、高い光電変換効率が得られることから、メチルアミン、ホルムアミジニウム及びこれらのイオンが更に好ましい。
図8は、体心に金属原子M、各頂点に有機分子R、面心にハロゲン原子又はカルコゲン原子Xが配置された立方晶系の構造である、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶構造の一例を示す模式図である。詳細は明らかではないが、上記構造を有することにより、結晶格子内の八面体の向きが容易に変わることができるため、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり太陽電池の光電変換効率が向上すると推定される。
上記有機無機ペロブスカイト化合物が結晶性半導体であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、太陽電池の光電変換効率が向上する。また、上記有機無機ペロブスカイト化合物が結晶性半導体であれば、太陽電池に光を照射し続けることによる光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流の低下に起因する光劣化が抑制されやすくなる。
上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度の好ましい下限は30%である。上記結晶化度が30%以上であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、太陽電池の光電変換効率が向上する。また、上記結晶化度が30%以上であれば、太陽電池に光を照射し続けることによる光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流の低下に起因する光劣化が抑制されやすくなる。上記結晶化度のより好ましい下限は50%、更に好ましい下限は70%である。
また、上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度を上げる方法として、例えば、熱アニール(加熱処理)、レーザー等の強度の強い光の照射、プラズマ照射等が挙げられる。
上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶子径の好ましい下限は5nmである。上記結晶子径が5nm以上であれば、太陽電池に光を照射し続けることによる光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流の低下に起因する光劣化が抑制される。また、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、太陽電池の光電変換効率が向上する。上記結晶子径のより好ましい下限は10nm、更に好ましい下限は20nmである。
上記有機半導体として、例えば、ポリ(3−アルキルチオフェン)等のチオフェン骨格を有する化合物等が挙げられる。また、例えば、ポリパラフェニレンビニレン骨格、ポリビニルカルバゾール骨格、ポリアニリン骨格、ポリアセチレン骨格等を有する導電性高分子等も挙げられる。更に、例えば、フタロシアニン骨格、ナフタロシアニン骨格、ペンタセン骨格、ベンゾポルフィリン骨格等のポルフィリン骨格、スピロビフルオレン骨格等を有する化合物や、表面修飾されていてもよいカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン等のカーボン含有材料も挙げられる。
なお、耐熱性高分子からなる樹脂フィルムを用いた太陽電池にこのような熱アニール(加熱処理)を行うと、樹脂フィルムと光電変換層等との熱膨張係数の差により、アニール時に歪みが生じ、その結果、高い光電変換効率を達成することが難しくなることがある。上記金属箔を用いた場合には、熱アニール(加熱処理)を行っても、歪みの発生を最小限に抑えて、高い光電変換効率を得ることができる。
これらの加熱操作は真空又は不活性ガス下で行われることが好ましく、露点温度は10℃以下が好ましく、7.5℃以下がより好ましく、5℃以下が更に好ましい。
上記モノリシック構造は、上記基材の幅方向に直列に接続する構造であってもよいし、上記基材の流れ方向に直列に接続する構造であってもよい。
上記電子輸送層の材料は特に限定されず、例えば、N型導電性高分子、N型低分子有機半導体、N型金属酸化物、N型金属硫化物、ハロゲン化アルカリ金属、アルカリ金属、界面活性剤等が挙げられる。具体的には例えば、シアノ基含有ポリフェニレンビニレン、ホウ素含有ポリマー、バソキュプロイン、バソフェナントレン、ヒドロキシキノリナトアルミニウム、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物等が挙げられる。また、ナフタレンテトラカルボン酸化合物、ペリレン誘導体、ホスフィンオキサイド化合物、ホスフィンスルフィド化合物、フルオロ基含有フタロシアニン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、硫化スズ、硫化インジウム、硫化亜鉛等が挙げられる。
上記脂環式骨格は特に限定されず、例えば、ノルボルネン、イソボルネン、アダマンタン、シクロヘキサン、ジシクロペンタジエン、ジシクロヘキサン、シクロペンタン等の骨格が挙げられる。これらの骨格は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
また、上記脂環式骨格を有する樹脂は、反応性官能基を有する樹脂を製膜した後、上記反応性官能基を架橋反応させた樹脂であってもよい。
これにより、後の工程(4)において、上記長尺積層体(b)を、上記近接する少なくとも2箇所の位置に形成された切削溝の間で切断し、個々の太陽電池に分割することにより、得られる太陽電池はその両端部に切れ端部分を有することになる。一方、得られる太陽電池の本体部分においては、上記光電変換層の断面はバリア層で覆われており、大気中に露出することがないため、上記光電変換層の断面が大気中に露出することによる光電変換効率の低下を抑制することができる。また、上記切れ端部分においては各層の断面が大気中に露出しており、その露出面から水分が吸収されやすいため、上記切れ端部分は水分をトラップする役割も果たすと考えられる。
上記切削溝は、それぞれの最終的に個々の太陽電池に分割される部位において2本以上形成されていればよく、その本数は特に限定されないが、光電変換効率を向上させつつ高い生産効率を得る観点から、好ましい上限は4本である。
上記切削溝の幅は特に限定されないが、好ましい下限は30μm、好ましい上限は1000μmであり、より好ましい下限は50μm、より好ましい上限は300μmである。
上記切削溝の上記基材の表面に対する角度は特に限定されないが、好ましい下限は70°、好ましい上限は90°であり、より好ましい下限は80°、より好ましい上限は85°である。
また、近接する切削溝と切削溝との間の距離は特に限定されないが、好ましい下限は10000μm、好ましい上限は300000μmである。上記近接する切削溝と切削溝との間の距離が上記範囲であることで、後述する工程(4)によって得られる太陽電池に充分な幅の切れ端部分が形成されるため、大気中の水分等の侵入をより確実に抑えることができ、光電変換効率の低下をより抑制することができる。上記近接する切削溝と切削溝との間の距離のより好ましい下限は15mm、より好ましい上限は200mmである。
上記切削加工において、例えば、切削圧力、切削速度、切削ツール巾、切削ツール形状等を制御することにより、上記切削溝の深さ、幅及び角度、並びに、近接する切削溝と切削溝との間の距離を上記範囲に調整することができる。
上記スパッタリング法においては、金属ターゲット、及び、酸素ガス又は窒素ガスを原料とし、上記平坦化層上に原料を堆積して製膜することにより、無機材料からなる無機層を形成することができる。
上記切れ端部分の幅が上記範囲であることで、大気中の水分等をより確実に遮ることができ、得られる太陽電池の光電変換効率の低下をより抑制することができる。上記切れ端部分の幅のより好ましい下限は5mm、より好ましい上限は10mmである。
本発明の太陽電池の製造方法により製造された太陽電池であって、前記太陽電池は、基材上に下部電極、光電変換層、上部電極、及び、平坦化層がこの順で積層された積層体と、前記平坦化層上を覆うバリア層とを有し、前記太陽電池は、本体部分を有し、かつ、一対の両端部にそれぞれ切れ端部分を有し、前記本体部分と前記切れ端部分とは、前記平坦化層の上面から少なくとも前記光電変換層の下面にまで達する深さの切削溝により隔てられており、前記切削溝は、前記バリア層により埋められている太陽電池もまた、本発明の1つである。
本発明の太陽電池がこのような構造を有することは、例えば、マイクロスコープ(例えば、キーエンス社製、VN−8010)による三次元画像解析により確認することができる。切削溝の本数(太陽電池の一方の端部における切削溝の本数)は、1本以上であれば特に限定されないが、光電変換効率を向上させつつ高い生産効率を得る観点から、好ましい上限は4本である。
(工程1)
アルミニウム箔(UACJ社製、汎用アルミ材A1N30グレード、厚み100μm)に硫酸アルマイト処理により処理時間30分で陽極酸化を施すことにより、アルミニウム箔の表面に酸化アルミニウム被膜(厚み5μm、厚みの比率5%)を形成し、基材を得た。
メカニカルスクライブ機(三星ダイヤモンド工業社製、KMPD100)を用いて長尺積層体(a)の幅方向を横切るように切削加工した。それぞれの最終的に個々の太陽電池に分割される部位において、2本の切削溝を形成した。切削溝の深さは光電変換層の下面にまで達する深さであり、切削溝の幅は30μmであり、2本の近接する切削溝と切削溝との間の距離は10mmであり、切削溝の基材の表面に対する角度は90°であった。
RtoR装置(東レエンジニアリング社製、RTC−S400)を用い、長尺積層体(a)を搬送しながら、切削溝を埋めるように平坦化層上にスパッタリング法により100nmのZnSnOからなるバリア層を形成した。これにより、長尺積層体(b)を得た。
長尺積層体(b)を2本の切削溝の中間で切断し、5mmの切れ端部分(9b)の幅を有する個々の太陽電池に分割した。
切削溝の深さ、幅、本数、2本の近接する切削溝と切削溝との間の距離、切れ端部分(9b)の幅又は角度を表1に示すように変更したこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
切削溝を形成する工程(2)を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
切削溝の深さを表1に示すように変更したこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
実施例及び比較例で得られた太陽電池について下記の評価を行った。結果を表1に示した。
太陽電池の電極間に電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cm2のソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用い、露光面積1cm2で光電変換効率を測定した。
次いで、太陽電池について30℃80%の条件下に24時間置いて高湿時での耐久試験を行った。その後、上記と同様にして光電変換効率を測定した。耐久試験前の光電変換効率に対する、耐久試験後の光電変換効率の比率(%)を求めた。
○○:耐久試験後の光電変換効率/耐久試験前の光電変換効率の値が0.9以上、0.95未満
○:耐久試験後の光電変換効率/耐久試験前の光電変換効率の値が0.5以上、0.9未満
×:耐久試験後の光電変換効率/耐久試験前の光電変換効率の値が0.5未満
2 下部電極
3 光電変換層
4 上部電極
5 平坦化層
6 バリア層
7 長尺積層体(a)
8 長尺積層体(b)
9 太陽電池
9a 本体部分
9b 切れ端部分
A 切断部
B 切削溝
Claims (5)
- ロールトゥロール方式での連続的な製膜方法を用いて複数の太陽電池を一括して製造する方法であって、
基材上に下部電極、光電変換層、上部電極、及び、平坦化層がこの順でそれぞれ連続的な製膜方法により積層された長尺積層体(a)を得る工程(1)と、
前記長尺積層体(a)を、最終的に個々の太陽電池に分割される部位における近接する少なくとも2箇所の位置において、前記長尺積層体(a)の幅方向を横切るように前記平坦化層の上面から少なくとも前記光電変換層の下面にまで達する深さで切削加工し、切削溝を形成する工程(2)と、
前記切削溝を埋めるように前記平坦化層上をバリア層で覆い、長尺積層体(b)を得る工程(3)と、
前記長尺積層体(b)を、前記近接する少なくとも2箇所の位置に形成された切削溝の間で切断し、個々の太陽電池に分割する工程(4)とを有する
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 長尺積層体(a)において、下部電極、光電変換層、及び、上部電極がそれぞれ複数の溝を有しており、隣接する前記下部電極と前記上部電極とが接続したモノリシック構造を形成していることを特徴とする請求項1記載の太陽電池の製造方法。
- 光電変換層は、一般式R−M−X3(但し、Rは有機分子、Mは金属原子、Xはハロゲン原子又はカルコゲン原子である。)で表される有機無機ペロブスカイト化合物を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の太陽電池の製造方法。
- バリア層は、無機層であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の太陽電池の製造方法。
- 請求項1、2、3又は4記載の太陽電池の製造方法により製造された太陽電池であって、
前記太陽電池は、基材上に下部電極、光電変換層、上部電極、及び、平坦化層がこの順で積層された積層体と、前記平坦化層上を覆うバリア層とを有し、
前記太陽電池は、本体部分を有し、かつ、一対の両端部にそれぞれ切れ端部分を有し、
前記本体部分と前記切れ端部分とは、前記平坦化層の上面から少なくとも前記光電変換層の下面にまで達する深さの切削溝により隔てられており、
前記切削溝は、前記バリア層により埋められている
ことを特徴とする太陽電池。
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