JPWO2020188778A1 - 光電変換素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は第1の実施形態の光電変換素子の概略構成を示している。図1に示される光電変換素子1は、基板2と、基板2上に設けられた複数の光電変換部3(3A、3B、3C)とを具備している。光電変換部3は、それぞれ基板2上に順に形成された、下部電極4(4A、4B、4C)、光電変換層5(5A、5B、5C)、及び上部電極6(6A、6B、6C)を備えている。下部電極4と上部電極6の少なくとも一方に透明電極を用いることによって、光電変換層5に光を入射したり、あるいは光電変換層5から光を出射させることができ、太陽電池、発光素子、光センサ等の光電変換素子1を機能させることができる。ここでは、基板2に透明基板を使用し、下部電極4に透明電極を使用すると共に、上部電極6を対向電極とする例について、主として説明する。ただし、上部電極6に透明電極を使用し、上部電極6から光電変換層5に光を入射したり、あるいは光電変換層5から上部電極6を介して光を出射させる光電変換素子1を除外するものではなく、この場合には基板2は透明基板に限らず、不透明の基板であってもよい。
図7は第2の実施形態の光電変換素子21の一部を拡大して示す図である。図7に示す光電変換素子21は、上部電極6の分離部におけるスクライブ刃の侵入深さを規制して光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成するための層として、第1の実施形態の導電層14に代えて高強度層22を適用している。すなわち、第2の実施形態の光電変換素子21では、下部電極4B上に導電層14とは別に高強度層22を設けている。導電層14と高強度層22とは並置されている。高強度層22には光電変換層5より硬い材料を用いればよい。高強度層22は導電性が必須でないため、第1の実施形態に比べて材料の選択幅が広がる。高強度層22に導電性がある材料を用いる場合、第1の実施形態で説明したように、寸法Aを上部電極6Bの厚さより大きくすることが好ましい。光電変換素子21は、上記した拡大図における第1の実施形態との相違点以外については、第1の実施形態と同様な構成を備えている。なお、直列接続部に形成する導電層14は必須ではなく、省略しても構わない。
図8は第3の実施形態の光電変換素子31の一部を拡大して示す図である。図8に示す光電変換素子31は、上部電極6の分離部におけるスクライブ刃の侵入深さを規制するための層として、高強度絶縁層32を適用している。高強度絶縁層32は、第1の実施形態における光電変換層5Bの段差部(残存光電変換層)17に相当する位置に設けられている。高強度絶縁層32は光電変換層5よりもビッカース硬さが高い材料を用いればよい。そして、高強度絶縁層32の形成範囲を上部電極6A、6Bの分離部の光電変換部3B側まで及ばせることによって、高強度絶縁層32自体が上部電極6Bのバリと下部電極4Bとのショートを防止する効果を担う。そのため、高強度絶縁層32には絶縁性材料を用いる。光電変換素子31は、上記した拡大図における第1の実施形態との相違点以外については、第1の実施形態と同様な構成を備えている。なお、直列接続部に形成する導電層14は必須ではなく、省略しても構わない。
厚さが125μmのポリエチレンテレフタレート(PEN)基板上に、透明電極として厚さが150nmのITO膜を複数形成した。ITO層は、光電変換部の設置数に対応させて8個形成した。すなわち、8直列のモジュールに対応するように形成した。次いで、8個のITO膜の左側のエッジ部分にそれぞれMoとAuの積層構造を有する導電層を形成した。Mo層はITO層とAu層との間の密着層として用いた。導電層の幅は約0.5mm、厚さは350nm(Mo層が50nm、Au層が300nm)とした。導電層は真空成膜法により成膜し、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることによって、ITO層のエッジ部分のみに形成されるようにした。次いで、下部電極側中間層として、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)(PEDOT/PSS)を形成した。PEDOT・PSSは、ヘレウス(Heraeus)社製のClevios AI4083を用いた。膜厚は約50nmとした。
Mo層とAu層の積層からなる導電層の厚さを20nm(Mo層5nm、Au層15nm)と薄くしたこと以外は、実施例1と同様にして直列モジュールの形成と評価を行った。P2パターニングにおいて、[60]PCBM層、ペロブスカイト層、PEDOT・PSS層の3層がほとんど残渣なく削り取られ、導電層を露出させることができた。P3パターニング部を透過顕微鏡で観察したところ、Ag層は所望通りパターニング除去され、かつペロブスカイト層は所望の通り残っていることが確認された。直列配線抵抗は実施例1と同値の0.3〜0.5Ωであり、太陽電池として動作させる上で、光電変換効率にほとんど悪影響を与えない、低くて良好な値であった。光電変換部の電極間抵抗を測定した結果、13〜15MΩという高くて良好な値であり、上部電極(Ag電極)のバリが下部電極(ITO電極)と接触してショートしていないことが確かめられた。さらに、AM1.5G、1000W/m2のソーラーシミュレータを用いて、作製した直列モジュールの光電変換効率を測定したところ9.6%であった。以上の通り、Mo層とAu層の積層からなる導電層の厚さを20nmまで薄くしても、実施例1と同様に、良好なP2パターニング特性と良好なP3パターニング特性とが両立された良好な直列モジュールが得られた。
Mo層とAu層の積層からなる導電層の厚さを10nm(Mo層5nm、Au層5nm)までさらに薄くしたこと以外は、実施例1と同様にして直列モジュールの形成と評価を行った。P2パターニングにおいて、[60]PCBM層、ペロブスカイト層、PEDOT・PSS層の3層がほとんど残渣なく削り取られ、導電層を露出させることができた。P3パターニング部を透過顕で微鏡観察したところ、Ag層がパターニング除去された点は所望の通りだが、ペロブスカイト層もパターニング除去されてしまっていることが確認された。直列配線抵抗は実施例1と同値の0.3〜0.5Ωであり、太陽電池として動作する上で、光電変換効率にほとんど悪影響を与えない、低くて良好な値であった。しかし、光電変換部の電極間抵抗には600〜9MΩと大きなばらつきが生じた。600Ωという低い値の部位もあることから、上部電極(Ag電極)のバリが下部電極(ITO電極)と接触してショートしてしまう場合があることが確かめられた。その結果、AM1.5G、1000W/m2のソーラーシミュレータを用いて、作製した直列モジュールの光電変換効率を測定したところ0.5%であり、実用的な値が得られなかった。
導電層を設けなかったこと以外は、実施例1と同様にして直列モジュールの形成と評価を行った。P2パターニングにおいて、[60]PCBM層、ペロブスカイト層、PEDOT・PSS層の3層の残渣が確認され、ITO層を十分に露出させることができなかった。P3パターニング部を透過顕微鏡で観察したところ、Ag層がパターニング除去された点は所望の通りだが、ペロブスカイト層もパターニング除去されてしまっていることが確認された。直列配線抵抗は83〜117Ωであり、太陽電池として動作する上で、光電変換効率に悪影響を与えるほど高い値であった。光電変換部の電極間抵抗は500〜1500Ωという低い値であり、上部電極(Ag電極)のバリが下部電極(ITO電極)と接触してショートしてしまっていることが確かめられた。その結果、AM1.5G、1000W/m2のソーラーシミュレータを用いて、作製した直列モジュールの光電変換効率を測定したところ0.001%であり、実用的な値が得られなかった。以上の通り、導電層を設けない場合、良好な直列モジュールが得られなかった。
導電層の材料を銀ペーストに変えたことと、導電層の厚さを5000nmと厚くしたこと以外は、実施例1と同様にして直列モジュールの形成と評価を行った。銀ペーストはディスペンサで塗布し、乾燥させることで導電層を形成した。P2パターニングにおいて、[60]PCBM層、ペロブスカイト層、PEDOT・PSS層の3層がほとんど残渣なく削り取られ、導電層を露出させることができた。P3パターニング部を透過顕微鏡で観察したところ、Ag層は所望通りにパターニング除去され、かつペロブスカイト層は所望通りに残っていることが確認された。直列配線抵抗は1.0〜1.8Ωであり、太陽電池として動作させる上で、光電変換効率にほとんど悪影響を与えない、低くて良好な値であった。光電変換部の電極間抵抗を測定した結果、14〜15MΩという高くて良好な値であり、対向電極(Ag電極)のバリが上部電極(ITO電極)と接触してショートしていないことが確かめられた。AM1.5G、1000W/m2のソーラーシミュレータを用いて、作製した直列モジュールの光電変換効率を測定したところ9.1%であった。以上の通り、導電層の材料を銀ペーストに変えたり、導電層の厚さを厚くしたりしても、良好なP2パターニング特性と良好なP3パターニング特性とが両立された良好な直列モジュールが得られた。
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上に設けられた第1の下部電極と、前記第1の下部電極上に配置された第1の光電変換層と、前記第1の光電変換層上に配置された第1の上部電極とを備える第1の光電変換部と、
前記基板上に前記第1の下部電極と隣接して設けられ、かつ前記第1の下部電極と分離された第2の下部電極と、前記第2の下部電極の前記第1の下部電極と隣接する一部の領域上に形成された導電層と、前記第2の下部電極及び前記導電層上に配置された第2の光電変換層と、前記第2の光電変換層上に配置された第2の上部電極とを備える第2の光電変換部と、
前記導電層の表面における一部の第1の表面領域を露出させ、かつ前記第1の光電変換層と前記第2の光電変換層とを分離するように設けられた第1の溝と、前記第1の溝内に埋め込まれた前記第1の上部電極の一部からなる導電部とを備え、前記導電部及び前記導電層を介して前記第1の上部電極と前記第2の下部電極とを電気的に接続する接続部と、
前記第1の上部電極と前記第2の上部電極とを分離するように設けられると共に、前記第2の光電変換層の前記第1の光電変換層側に設けられた段差部の段面を露出させ、かつ底面が前記導電層の表面における前記第2の光電変換層側の一部の第2の表面領域と重なるように設けられた第2の溝と
を具備する光電変換素子。 - 前記導電層の前記第2の表面領域の少なくとも一部は、前記第2の溝内に露出されている、請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記導電層は15nm以上の厚さを有する、請求項1又は請求項2に記載の光電変換素子。
- 前記第2の光電変換層の前記段差部における前記断面の幅は、前記第2の上部電極の厚さより長い、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記第2の溝内に形成された前記導電層の前記第2表面の幅は25μm以上である、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記第1及び第2の光電変換層は活性層を備え、前記導電層は前記活性層より硬い、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記第1及び第2の光電変換層は活性層を備え、前記活性層は有機半導体又はABX3(Aは一価の陽イオン、Bは二価の陽イオン、Xは一価の陰イオンである)で表される組成を有するペロブスカイト化合物を含み、
前記導電層は、アルミニウム、金、銀、銅、白金、ビスマス、鉛、錫、亜鉛、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、クロム、およびタンタルからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属元素を含む金属材料層、炭素材料層、前記金属元素の粉体を高分子材料に分散させた金属−高分子複合材料層、および前記炭素材料の粉体を高分子材料に分散させた炭素−高分子複合材料層から選ばれる少なくとも1つの層を有する、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記第1及び第2の上部電極は、アルミニウム、金、銀、銅、白金、インジウム、ビスマス、鉛、錫、亜鉛、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、クロム、及びタンタルからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属元素を含む金属材料、炭素材料、前記金属元素の粉体を高分子材料に分散させた金属−高分子複合材料、および前記炭素材料の粉体を高分子材料に分散させた炭素−高分子複合材料から選ばれる少なくとも1つを含む、請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記基板は、ポリエチレン、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、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、及び液晶ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも1つの軟質材料を含む透明基板であり、
前記第1及び第2の下部電極は、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム錫、フッ素ドープ酸化錫、ガリウムドープ酸化亜鉛、アルミニウムドープ酸化亜鉛、インジウム−亜鉛酸化物、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)、およびグラフェンからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む透明電極である、請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 基板上に、第1の下部電極と、前記第1の下部電極と隣接し、かつ前記第1の下部電極と分離された第2の下部電極とを形成する工程と、
前記第2の下部電極の前記第1の下部電極と隣接する一部の領域上に、導電層を形成する工程と、
前記第1の下部電極、前記第2の下部電極、及び前記導電層を覆うように、前記基板上に光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層を前記導電層の形成領域に沿ってスクライブし、前記光電変換層を第1の光電変換層と第2の光電変換層に分割しつつ、前記導電層の表面における一部の第1の表面領域を露出させる第1の溝を形成する工程と、
前記第1の溝で分割された前記光電変換層上に、電極膜を形成すると共に、前記電極膜の一部を前記第1の溝内に充填することによって、前記導電層を介して前記電極膜と前記第2の下部電極とを電気的に接続する工程と、
前記電極膜と前記第2の光電変換層の前記第1の光電変換層側の厚さ方向の一部をスクライブし、前記電極膜を第1の上部電極と第2の上部電極に分割すると共に、前記第2の光電変換層の厚さ方向の一部がスクライブされた部分の表面を露出させ、かつ底面が前記導電層の表面における前記第2の光電変換層側の一部の第2の表面領域と重なる第2の溝を形成する工程と
を具備する光電変換素子の製造方法。 - 前記第2の溝は、前記導電層の前記第2の表面領域の少なくとも一部を露出させるように形成される、請求項10に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記光電変換層は活性層を備え、前記導電層は前記活性層より硬い、請求項10又は請求項11に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記光電変換層は活性層を備え、前記活性層は有機半導体又はABX3(Aは一価の陽イオン、Bは二価の陽イオン、Xは一価の陰イオンである)で表される組成を有するペロブスカイト化合物を含み、
前記導電層は、アルミニウム、金、銀、銅、白金、ビスマス、鉛、錫、亜鉛、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、クロム、およびタンタルからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属元素を含む金属材料層、炭素材料層、前記金属元素の粉体を高分子材料に分散させた金属−高分子複合材料層、および前記炭素材料の粉体を高分子材料に分散させた炭素−高分子複合材料層から選ばれる少なくとも1つの層を有する、請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載の光電変換素子の製造方法。 - 前記第2の溝は前記電極膜と前記第2の光電変換層の一部をメカニカルスクライブすることにより形成される、請求項10ないし請求項13のいずれか1項に記載の光電変換素子の製造方法。
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