JPWO2017065251A1 - 有機光電変換素子及び有機薄膜太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
透明基板上と金属層を含む下部透明電極と、有機活性層と、上部電極と、が順次積層された有機光電変換素子であって、
前記透明基板と前記金属層間の距離d及び屈折率nで表される、前記透明基板と前記金属層間の光路長(n×d)が、mが0以上の整数のいずれかにおいて下記式(1)を満たすことを特徴とする有機光電変換素子。
480nm≧4×(n×d)÷(2×m+1)≧380nm・・・(1)
Description
高効率の観点からは、有機薄膜太陽電池を構成する下部透明電極を、抵抗が高い透明酸化物導電体のみで形成するのではなく、抵抗の低い金属層を用いて形成することが好ましい。しかしながら金属層を用いると、金属層の反射光により、一般的に窓や建材等への設置を想定した場合に望ましくない赤色や黄色の干渉色が目立つ場合があるという、新たな問題が生じた。
[1]透明基板と、金属層を含む下部透明電極と、有機活性層と、上部電極と、が順次積層された有機光電変換素子であって、
前記透明基板と前記金属層間の距離d及び屈折率nで表される、前記透明基板と前記金属層間の光路長(n×d)が、mが0以上の整数のいずれかにおいて、下記式(1)を満たすことを特徴とする有機光電変換素子。
480nm≧4×(n×d)÷(2×m+1)≧380nm……(1)
[2]前記透明基板と前記金属層との間にアンダーコート層を含む、[1]に記載の有機光電変換素子。
[3]前記下部透明電極は、透明導電層を含み、前記透明導電層が、前記透明基板と、前記金属層との間に配置されている[1]又は[2]に記載の有機光電変換素子。
[4]前記アンダーコート層の厚さは、10nm以上5000nm以下である、[2]又は[3]に記載の有機光電変換素子。
[5]前記透明導電層の厚さは、5nm以上200nm以下であることを特徴とする[3]又は[4]に記載の有機光電変換素子。
[6]前記金属層の厚さは、1nm以上20nm以下である、[1]〜[5]のいずれかに記載の有機光電変換素子。
[7][1]〜[6]のいずれかに記載の有機光電変換素子を含む、有機薄膜太陽電池モジュール。
図1は、本発明の一実施形態における有機光電変換素子1の構成を模式的に示す断面図である。有機光電変換素子1は、透明基板2と、アンダーコート層3と、第1透明導電層4、金属層5及び第2透明導電層6とが順次積層された下部透明電極7と、有機活性層8と、上部電極9とが順次積層されている。
本実施形態に係る有機光電変換素子は、透明基板2側から観察した際に、有機光電変換素子の外観色が黄色や赤色を呈するのを抑制しつつ、有機活性層の色調に関わらず、有機光電変換素子の外観色を青系の色に調整でき、意匠性を向上させ得るものである。
2×n×d=(2×m+1)×λ÷2 (mは0以上の整数)……(a)
なお、金属層5は一般的に、金属層5の表面に存在するアンダーコート層3や第1の透明導電層4よりも屈折率が高いために、式(a)は、金属層5における反射光の位相が180°ずれることを想定した式である。
480nm≧4×(n×d)÷(2×m+1)≧380nm……(1)
式(1)中の屈折率nは、例えば、JIS K 0062記載の方法に従って、アッベ屈折率計やプルフリッヒ屈折率計、ディジタル屈折率計などを用いて測定することができる。また、プリズムカップラ法や液浸法、分光学的方法によっても測定することができる。波長によって屈折率nに変動が生じるが、アンダーコート層や透明導電層に使用されるような透明材料は屈折率の波長依存性は小さいために、本発明において、屈折率nは485nmの波長における屈折率nを使用するものとする。分光学的方法の具体的な例は、応用物理第65巻第11号1125頁〜1130頁に記載に従って、a)分光反射率や分光透過率を用いて光学シミュレーションによって求める方法や、b)分光エリプソメトリによって求める方法等がある。
n×d=Σ(ni×di)……(b)
(niおよびdiは、それぞれ、透明基板2側からi番目の層の材料の屈折率及び膜厚を意味する。)
480≧4×Σ(ni×di)÷(2×m+1)≧380……(2)
480≧4×(n1×d1+n2×d2)÷(2×m+1)≧380……(3)
透明基板2は、有機光電変換素子1を支持する部材である。透明基板2の材料は、有機光電変換素子1を構成する層を積層し、支持できる限り制限されない。
アンダーコート層3は、主として、透明基板2と下部透明電極7との間に配置され、透明基板2と下部透明電極7の密着性を向上させる機能を有する。図1に示す有機光電変換素子1は、アンダーコート層3を用いる実施形態ではあるが、必ずしも必須とされるものではない。なお、有機活性層8へ効率良く光を入射せるために、アンダーコート層3は透明であることが好ましい。なお、アンダーコート層3が透明であるとは、JIS R 3106で定義される可視光線透過率が70%以上であることを意味し、好ましくは80%以上である。
100nm以下の直径を有する無機物質微粒子は、特に、シリカが望ましい。この理由は、シリカの屈折率はアクリル樹脂のそれと近いので乱反射が少なく、透明なアンダーコート層3を得やすいためである。
なお、アクリル樹脂やポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂などを用いる場合は、架橋させて用いてもよい。
下部透明電極7及び上部電極9は、一方が有機活性層8において発生した正孔を捕集するアノードであり、他方が有機活性層8において発生した電子を捕集するカソードである。下部透明電極7をアノードとし、上部電極9をカソードとしてもよいし、下部透明電極7をカソードとし、上部電極9をアノードとしてもよい。
第1透明導電層4及び第2透明導電層6の材料は、同一でも異なっていてもよい。第1透明導電層4及び第2透明導電層6に用いられる材料としては、透明性及び導電性に優れたものであることが好ましい。ここで、透明性に優れるとは、膜厚100nm程度の薄膜を形成したときに、その薄膜の可視光線透過率が60%以上であることを指し、導電性に優れるとは、膜厚100nm程度の薄膜を形成したときに、その薄膜の表面抵抗値が1×107Ω/□以下であることを意味する。なお、不純物をドープすることで表面抵抗値を調整してもよい。
また、透明性の高い高屈折率硫化物を用いてもよい。具体的には、硫化亜鉛(ZnS)、硫化カドミウム(CdS)、硫化アンチモン(Sb2S3)等があげられる。特に、スズをドープしたインジウム酸化物(ITO)、亜鉛をドープしたインジウム酸化物(IZO)、タングステンをドープしたインジウム酸化物(IWO)、ガリウムをドープしたインジウム酸化物(IGO)、スズと亜鉛の酸化物(ZTO)等の酸化物の非晶質が好ましい。
金属層5の材料としては、特段の制限はなく、例えば、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属又はそれらの金属の合金が挙げられる。なかでも、電気伝導性の高い材料が好ましく、銀であることが特に好ましい。銀は、比抵抗が約1.59×10−6Ω・cmであり、電気伝導性に優れる上に、薄膜における可視光線透過率が優れるため、最も好適に用いられる。
上部電極9は、導電性を有する任意の材料により形成することが可能である。上部電極9の材料の例を挙げると、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属あるいはそれらの合金;酸化インジウムや酸化錫等の金属酸化物、あるいはその合金(ITO等);ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン等の導電性高分子;前記導電性高分子に、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、FeCl3等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウム、カリウム等の金属原子などのドーパントを含有させたもの;金属粒子、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ等の導電性粒子をポリマーバインダー等のマトリクスに分散した導電性の複合材料、前記下部透明電極7に例示した材料などが挙げられる。
また、上部電極9を下部透明電極7と同様に透明性を有する電極とすることにより、透過型(シースルー型)の有機光電変換素子とすることができる。特に、本発明においては高い意匠性が求められる透過型の有機光電変換素子において有効となる。
有機活性層8は、通常、p型有機半導体化合物と、n型半導体化合物と、を含む。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。有機光電変換素子が光を受けると、光が有機活性層に吸収され、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。
なお、有機活性層は、ロール・ツー・ロールにより製造されることが好ましく、その場合には、塗布法により形成されることが好ましい。
有機薄膜半導体素子1は、上記説明した層以外の層を有してもよい。例えば、透明基板2と下部透明電極7との間にバリア層を有してもよい。該バリア層を有することにより、第1透明導電層4の成膜時に、透明基板2からの脱ガスが抑えられ、第1透明導電層4の成膜性が改善し、かつ透明基板2の耐熱性、耐プラズマ性が生じるため好ましい。
480≧4×(n1×d1+n2×d2+n4×d4)÷(2×m+1)≧380……(4)
上記式(4)中、n1、d1、n2及びd2はそれぞれ式(3)中のn1、d1、n2及びd2と同義であり、n4はバリア層の屈折率を表し、d4はバリア層の膜厚を表す。
上述の実施形態に係る光電変換素子は、太陽電池モジュールとして使用することが好ましい。なお、太陽電池モジュールは、有機光電変換素子が水や酸素等により劣化するのを防止するために、ガスバリア層等により封止されていることが好ましい。
有機薄膜太陽電池モジュール10の用途は、制限はなく任意である。有機薄膜太陽電池モジュール10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及び玩具用太陽電池などに用いて好適である。
アンダーコート層の膜厚は、加熱硬化前にスパチュラで傷をつけて段差を設けてから、140℃で15分間加熱硬化した後、段差部に銀を約5nmスパッタリング成膜し、ついで、白色干渉方式表面形状測定装置VertScan(菱化システム製)を用いて段差部の段差を測定して得た。
アンダーコート層及び金属層(酸化インジウム層)の屈折率は、分光エリプソメーターUVISEL(ホリバ製作所製)を用いて測定して得た。アンダーコート層の波長485nmでの屈折率は、1.61であった。また、第1導電層(ITO層)の波長485nmでの屈折率は、1.95であった。
有機薄膜太陽電池モジュールの外観色は、照度700ルクスの昼光色蛍光灯下に10cm角の大きさの有機薄膜太陽電池モジュールを置き、有機薄膜太陽電池モジュールに正対する位置で外観色を判定した。
外観色および明度指数L*、a*、b*は、JIS Z 8722条件Cに従って、コニカミノルタ社製分光測色計CM−700dを用いて行った。
金属層である銀層と、透明基板であるポリエチレンナフタレートフィルム間の干渉波長λを、上記式(a)を変形した以下の式(c)を用いて算出した。
λ=4×(n×d)÷(2×m+1)……(c)
ポリエチレンナフタレートフィルム(帝人デュポンフィルム社製Q65、厚さ125μm、波長485nmにおける屈折率1.9)の片面に、厚さ140nmのアンダーコート層(モメンティブ社製ハードコート剤SHC900)をバー塗布法により形成し、その後、空気中において140℃で15分間加熱し、硬化させた。
アンダーコート層の厚さを162nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
アンダーコート層の厚さを178nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
アンダーコート層の厚さを205nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
アンダーコート層の厚さを221nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
アンダーコート層の厚さを139nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製し、外観色の評価を行った。また、JIS C8934に準拠して、有機薄膜太陽電池モジュールの変換効率(PCE)を測定した。得られた結果を表2に示す。
アンダーコート層の厚さを240nmとした以外は、実施例1と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製し、外観色の評価を行った。また、実施例3と同様に、有機薄膜太陽電池モジュールの変換効率(PCE)を測定した。得られた結果を表2に示す。
p型半導体ポリマーとして、ナフトビスチアジアゾール単位及びベンゾジチオフェン単位を含むコポリマーを用い、正孔取り出し層であるPEDOT:PSS層の膜厚を150nmに変更し、さらには、アンダーコート層の膜厚を142nmとした以外は、実施例1と同様の方法により有機薄膜太陽電池モジュールを作製し、外観色の評価を行った。なお、有機活性層は緑色を呈していた。また、JIS C8934に準拠して、有機薄膜太陽電池モジュールの変換効率(PCE)を測定した。得られた結果を表3に示す。
アンダーコート層の膜厚を176nmとした以外は、実施例4と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製し、外観色の評価、及び変換効率を測定した。得られた結果を表3に示す。
アンダーコート層を設けなかった以外は、実施例4と同様に有機薄膜太陽電池モジュールを作製し、外観色の評価、及び変換効率を測定した。得られた結果を表3に示す。
Claims (7)
- 透明基板上と金属層を含む下部透明電極と、有機活性層と、上部電極と、が順次積層された有機光電変換素子であって、
前記透明基板と前記金属層間の距離d及び屈折率nで表される、前記透明基板と前記金属層間の光路長(n×d)が、mが0以上の整数のいずれかにおいて下記式(1)を満たすことを特徴とする有機光電変換素子。
480nm≧4×(n×d)÷(2×m+1)≧380nm・・・(1) - 前記透明基板と前記金属層との間にアンダーコート層を含む、請求項1に記載の有機光電変換素子。
- 前記下部透明電極は透明導電層を含み、前記透明導電層が、前記透明基板と前記金属層との間に配置されている、請求項1又は2に記載の有機光電変換素子。
- 前記アンダーコート層の厚さは、10nm以上5000nm以下である、請求項2又は3に記載の有機光電変換素子。
- 前記透明導電層の厚さは、5nm以上200nm以下である、請求項3又は4に記載の有機光電変換素子。
- 前記金属層の厚さは、1nm以上20nm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を含む、有機薄膜太陽電池モジュール。
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