JPWO2020188778A1 - 光電変換素子とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

実施形態の光電変換素子(1)は、下部電極(4A)、光電変換部(5A)、及び上部電極(6A)を備える第1の光電変換部(3A)と、下部電極(4B)、光電変換部(5B)、及び上部電極(6B)を備える第2の光電変換部(3B)とを具備する。下部電極(4B)上には導電層(14)が形成されている。上部電極(6A)と下部電極(4B)とは、導電層(14)の表面を露出させ、光電変換層(5A)と光電変換層(5B)とを分離する第1の溝(11)内に埋め込まれた上部電極(6A)の一部からなる導電部と導電層(14)とで電気的に接続される。上部電極(6A)と上部電極(6B)とは、光電変換層(5B)に設けられた段差部(17)の段面を露出させ、かつ底面が導電層(14)の表面と重なるように設けられた第2の溝(12)により分離される。

Description

本発明の実施形態は、光電変換素子とその製造方法に関する。
太陽電池、発光素子、光センサ等に用いられる光電変換素子において、光電変換部は光電変換層を2つの電極で挟持した構造を有しており、2つの電極の少なくとも1つに透明電極が用いられる。現在、実用レベルの透明電極は、導電性が十分ではないため、光電変換部の面積を大面積化するほど発生電荷を外部に取り出す効率が低下する。そこで、短冊状の光電変換部を複数並べて形成すると共に、複数の光電変換部間を直列に接続することが一般的である。複数の光電変換部を有する太陽電池モジュール等の光電変換素子モジュールは、例えば以下に示す方法により形成される。
まず、複数の短冊状の透明電極等の下部電極が形成された透明基板等の基板の全面に、光電変換層を成膜する。光電変換層を光電変換部の設置数に応じてパターニングし、下部電極の一部を露出させる。これはP2パターニングと呼ばれている。次いで、基板の全面に対向電極等の上部電極となる電極膜を成膜する。光電変換層と電極膜との積層膜をパターニングし、電極膜を光電変換部の設置数に応じて複数に分割する。これはP3パターニングと呼ばれている。P3パターニングは、基本的には電極膜を分割することができればよいが、光電変換層の導電性が比較的高かったり、またP3パターニングの幅が狭かったりする場合、隣接する光電変換層の導通を絶って光電変換特性を向上させるために、電極膜と共に光電変換層の厚さ方向の少なくとも一部を除去することが好ましい。
P3パターニングは、例えば刃物を用いたメカニカルスクライブにより実施される。例えば、電極膜と光電変換層の積層膜にスクライブ刃を押し当てながら走査することにより積層膜をパターニングする。この際、上部電極を構成する電極膜のバリがスクライブ刃の押し当て方向に押し付けられ、下部電極と接触するおそれがある。スクライブ溝により分割された上部電極の2つのバリのうち、当該光電変換部のバリが下部電極と接触すると、当該光電変換部の電極間にショートを起こし、光電変換特性が低下してしまう。上部電極の脆性が低いほど、あるいは展延性が高いほどバリが発生しやすく、電極間のショートが発生しやすくなる。例えば、酸化インジウム錫(ITO)のような金属酸化物に比べて、金や銀のような金属や、銀ペーストのような有機物複合材料はバリが発生しやすい。
また、下部電極の脆性が高い場合や軟質である場合、スクライブ刃を押し当てながら走査することにより、下部電極に割れや削れが発生して導電性が低下し、光電変換特性が低下してしまう。例えば、金や銀のような金属に比べて、ITOのような金属酸化物は割れやすく、またポリ(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)のような導電性高分子は削れやすい。さらに、軟質の基板を使用した場合、スクライブ刃を押し当てた時に基板の変形と同時に下部電極も変形しやすくなるため、さらに割れやすくなる。一方、下部電極に割れや削れが発生しないように、スクライブ刃の押し当て圧力を低くした場合、上部電極や光電変換層を十分に除去することができずに残留し、隣接する光電変換部間の導通を十分に絶つことができないために、光電変換特性が低下してしまう。
特許第5715795号 特許第6030176号
本発明が解決しようとする課題は、複数の光電変換部を直列に接続するにあたって、上部電極と下部電極との間のショート等を抑制することによって、光電変換特性を向上させた光電変換素子とその製造方法を提供することにある。
実施形態の光電変換素子は、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表面を露出させ、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。
第1の実施形態による光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図1に示す光電変換素子における光電変換部を拡大して示す断面図である。 図1に示す光電変換素子の製造工程を示す断面図である。 図1に示す光電変換素子の製造工程を示す断面図である。 図1に示す光電変換素子の製造工程を示す断面図である。 図1に示す光電変換素子の製造工程を示す断面図である。 図1に示す光電変換素子の製造工程を示す断面図である。 第1の実施形態の光電変換素子の製造工程における第2の溝の形成工程を拡大して示す断面図である。 第1の実施形態の光電変換素子における光電変換部間の分離構造及び接続構造を示す断面図である。 第1の実施形態の光電変換素子における光電変換部間の分離構造及び接続構造を示す断面図である。 第2の実施形態の光電変換素子における光電変換部間の分離構造及び接続構造を示す断面図である。 第3の実施形態の光電変換素子における光電変換部間の分離構造及び接続構造を示す断面図である。 実施例の光電変換素子における抵抗値の測定状態を示す図である。
以下、実施形態の光電変換素子及びその製造方法について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等の方向を示す用語は、特に明記が無い場合には後述する基板の光電変換部の形成面を上とした場合の相対的な方向を示し、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。
(第1の実施形態)
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。
基板2は、例えば光透過性と絶縁性とを有する材料により構成される。基板2の構成材料には、無アルカリガラス、石英ガラス、サファイア等の無機材料や、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー等の軟質な有機材料が用いられる。基板2は、例えば無機材料や有機材料からなるリジッドな基板であってもよいし、また有機材料や極薄の無機材料からなるフレキシブルな基板であってもよい。基板2にフレキシブル基板を適用する場合、基板2は上記したような軟質材料を含む。
下部電極4は、例えば光透過性と導電性とを有する材料により構成される。下部電極4の構成材料には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、インジウム−亜鉛酸化物(IZO)、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物(IGZO)等の導電性金属酸化物材料、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)のような導電性高分子材料、グラフェン等の炭素材料を用いることができる。下部電極4には、上記した材料に銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノ導電材料を混合した混合材料を用いてもよい。さらに、下部電極4は光透過性を維持し得る範囲内で、上記した材料からなる層と金、白金、銀、銅、コバルト、ニッケル、インジウム、アルミニウム等の金属やそれら金属を含む合金からなる金属層との積層膜であってもよい。下部電極4は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法、ゾルゲル法、メッキ法、塗布法等により形成される。
下部電極4の厚さは、特に制限されないが、10nm以上1μm以下が好ましく、さらに好ましくは30nm以上300nm以下である。下部電極4の膜厚が薄すぎると、シート抵抗が高くなる。下部電極4の膜厚が厚すぎると、光透過率が低下すると共に、可撓性が低くなることで応力によりひび割れ等が生じやすくなる。下部電極4は、高い光透過率と低いシート抵抗との双方が得られるように、膜厚を選択することが好ましい。下部電極4のシート抵抗に特段の制限はないが、通常1000Ω/□以下であり、500Ω/□以下が好ましく、より好ましくは200Ω/□以下である。太陽電池や発光素子のような電流駆動タイプの素子の場合、50Ω/□以下がさらに好ましい。
光電変換層5は、図2に示すように、活性層51と、下部電極4と活性層51との間に配置された下部電極中間層52と、活性層51と上部電極6との間に配置された上部電極側中間層53とを有している。上部電極側中間層53は、第1上部電極側中間層531及び第2上部電極側中間層532を有していてもよい。下部電極側中間層52及び上部電極側中間層53は必要に応じて配置されるものであり、場合によってはそれらの全て又は一部を除いてもよい。光電変換層5を構成する各層51、52、53は、光電変換素子1を適用する装置(太陽電池、発光素子、光センサ等)に応じて適宜選択される。以下では光電変換素子1を太陽電池として用いる場合について主として述べるが、実施形態の光電変換素子1は発光素子や光センサ等に適用することも可能であり、その場合には適用する装置に応じて各層の材料は適宜に選択される。
実施形態の光電変換素子1における活性層51には、光電変換特性を示す任意の材料を用いることができる。光電変換特性を示す材料としては、例えば有機材料(いわゆる有機薄膜太陽電池材料)、ペロブスカイト化合物、シリコン、CIS、GaAs、CdTe等が挙げられる。詳細は後述するが、実施形態の光電変換素子1は光電変換層5の材料の硬さ(ビッカース硬さ等)が低い場合に有効であるため、光電変換層5の構成層である活性層51に有機材料やペロブスカイト化合物を適用する場合に好適である。
光電変換素子1を有機薄膜太陽電池に適用する場合、活性層51は有機半導体材料を含み、さらにp型半導体とn型半導体とを含んでいる。活性層中のp型半導体には、電子供与性を有する材料が用いられ、n型半導体には電子受容性を有する材料が用いられる。活性層を構成するp型半導体およびn型半導体は、それらが共に有機材料であってもよいし、一方が有機材料であってもよい。
活性層51に含まれるp型半導体としては、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェン及びその誘導体、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体等を用いることができる。これらの材料は併用してもよく、また他の材料との混合物や複合物であってもよい。
p型半導体には、π共役構造を有する導電性高分子であるポリチオフェン及びその誘導体を用いること好ましい。ポリチオフェン及びその誘導体は、優れた立体規則性を有し、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェン及びその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。ポリチオフェン及びその誘導体の具体例としては、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ(3−ブチルチオフェン)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3−オクチルチオフェン)、ポリ(3−デシルチオフェン)等のポリアルキルチオフェン、ポリ(3−フェニルチオフェン)、ポリ(3−(p−アルキルフェニルチオフェン))等のポリアリールチオフェン、ポリ(3−ブチルイソチオナフテン)、ポリ(3−ヘキシルイソチオナフテン)、ポリ(3−オクチルイソチオナフテン)、ポリ(3−デシルイソチオナフテン)等のポリアルキルイソチオナフテン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリ[N−9’−ヘプタデカニル−2,7−カルバゾール−alt−5,5−(4,7−ジ−2−チエニル−2’,1’,3’−ベンゾチアジアゾール)](PCDTBT)、ポリ[4,8−ビス{(2−エチルヘキシル)オキシ}ベンゾ[1,2−b:4,5−b’]ジチオフェン−2,6−ジイル−lt−alt−3−フルオロ−2−{(2−エチルヘキシル)カルボニル)}チエノ[3,4−b]チオフェン−4,6−ジイル](PTB7)等が挙げられる。
活性層51に含まれるn型半導体としては、フラーレン及びフラーレン誘導体等を用いることができる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有するものであればよい。フラーレン及びフラーレン誘導体としては、C60、C70、C76、C78、C84等のフラーレン、これらフラーレンの炭素原子の少なくとも一部が酸化された酸化フラーレン、フラーレン骨格の一部の炭素原子を任意の官能基で修飾した化合物、これら官能基同士が互いに結合して環を形成した化合物等が挙げられる。
フラーレン誘導体に用いられる官能基としては、水素原子、水酸基、フッ素原子や塩素原子のようなハロゲン原子、メチル基やエチル基のようなアルキル基、ビニル基のようなアルケニル基、シアノ基、メトキシ基やエトキシ基のようなアルコキシ基、フェニル基やナフチル基のような芳香族炭化水素基、チエニル基やピリジル基のような芳香族複素環基等が挙げられる。フラーレン誘導体の具体例としては、C6036やC7036のような水素化フラーレン、C60やC70を酸化した酸化フラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。フラーレン誘導体としては、[6,6]フェニルC61ブチル酸メチルエスター(PC60BM)、[6,6]フェニルC71ブチル酸メチルエスター(PC70BM)、ビスインデンC60(60ICBA)等を用いることが好ましい。
活性層51は、例えばp型半導体材料とn型半導体材料との混合物を含むバルクヘテロ接合構造を有する。バルクヘテロ接合型の活性層51は、p型半導体材料とn型半導体材料とのミクロ相分離構造を有する。活性層51内において、p型半導体相とn型半導体相とは互いに相分離しており、ナノオーダーのpn接合を形成している。活性層51が光を吸収すると、これらの相界面で正電荷(正孔)と負電荷(電子)とが分離され、各半導体を通って電極4、6に輸送される。バルクヘテロ接合型の活性層51は、p型半導体材料とn型半導体材料とを溶媒に溶解させた溶液を、下部電極4等を有する基板2上に塗布することにより形成される。活性層51の厚さは特に限定されるものではないが、10nm以上1000nm以下が好ましい。
実施形態の光電変換素子1をペロブスカイト太陽電池に適用する場合、活性層51は例えばペロブスカイト化合物を含む。ペロブスカイト化合物としては、例えばABXで表される組成を有する化合物が挙げられる。Aサイトは一価の陽イオンであり、Bサイトは二価の陽イオンであり、Xは一価の陰イオンである。Aサイトとしては、CHNH等の有機アミン化合物、セシウム、ルビジウム等が挙げられる。Bサイトとしては、鉛や錫等が挙げられる。Xサイトとしては、ヨウ素、臭素、塩素等のハロゲン元素が挙げられる。A、B、Xの各サイトは、いずれも1つの材料に限定されるものではなく、2種以上の材料の混合物であってもよい。Xサイトを例にすると、ヨウ素と臭素の混合物であってもよい。また、混合物の場合、その合計が組成式に合致すればよい。Xサイトにヨウ素(I)と臭素(Br)の混合物を用いた場合を例にすると、組成式をABIBrで表した場合、x+y=3を満たせばよい。
活性層51の形成方法としては、上記したペロブスカイト化合物又はその前駆体を真空蒸着する方法、ペロブスカイト化合物又はその前駆体を溶媒に溶かした溶液を塗布して加熱・乾燥させる方法が挙げられる。ペロブスカイト化合物の前駆体としては、例えばハロゲン化メチルアンモニウムとハロゲン化鉛又はハロゲン化錫との混合物が挙げられる。活性層51の厚さは特に限定されないが、10nm以上1000nm以下が好ましい。
光電変換層5で生じた電子と正孔のうち、電子を下部電極4で捕集する場合、下部電極側中間層52は電子を選択的にかつ効率的に輸送することが可能な材料で構成される。電子輸送層として機能する下部電極側中間層52の構成材料としては、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ガリウム等の無機材料、ポリエチレンイミンやその誘導体等の有機材料、前述したフラーレン誘導体等の炭素材料が挙げられ、特に限定されるものではない。
正孔を下部電極4で捕集する場合、上部電極側中間層52は正孔を選択的にかつ効率的に輸送することが可能な材料で構成される。正孔輸送層として機能する上部電極側中間層52の構成材料としては、酸化ニッケル、酸化銅、酸化バナジウム、酸化タンタル、酸化モリブデン等の無機材料、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ポリピロール、ポリアニリン、もしくはそれらの誘導体等の有機材料が挙げられ、特に限定されるものではない。
光電変換層5で生じた電子と正孔のうち、正孔を上部電極6で捕集する場合、上部電極側中間層53、例えば第1及び第2上部電極側中間層531、32は、正孔を選択的にかつ効率的に輸送することが可能な材料で構成される。正孔輸送層として機能する上部電極側中間層53(531、532)の構成材料は、下部電極側中間層52の構成材料と同様である。電子を上部電極6で捕集する場合、上部電極側中間層53(第1及び第2上部電極側中間層531、32)は、電子を選択的にかつ効率的に輸送することが可能な材料で構成される。電子輸送層として機能する上部電極側中間層53の構成材料は、下部電極側中間層52の構成材料と同様である。
下部電極側中間層52及び上部電極側中間層53(531、532)は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法、ゾルゲル法、メッキ法、塗布法等により形成される。下部電極側中間層52及び上部電極側中間層53(531、532)の厚さは、それぞれ1nm以上200nm以下が好ましい。
上部電極6は、下部電極4の対向電極として機能するものである。上部電極6は、導電性を有し、場合によっては光透過性を有する材料により構成される。上部電極6の構成材料としては、例えば白金、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、タングステン、チタン、ジルコニウム、錫、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、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、サマリウム、テルビウム等の金属、それらの金属を含む合金、インジウム−亜鉛酸化物(IZO)のような導電性金属酸化物、PEDOT/PSS等の導電性高分子、グラフェン、カーボンナノチューブのような炭素材料等が用いられる。上部電極6には、上記した材料に銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノ導電材料を混合した混合材料を用いてもよい。
上部電極6は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、メッキ法、塗布法等により形成される。上部電極6の厚さは、特に制限されないが、1nm以上1μm以下が好ましい。上部電極6の膜厚が薄すぎると、抵抗が大きくなりすぎて、発生した電荷を外部回路へ十分に伝達できないおそれがある。上部電極6が厚すぎると、その成膜に長時間要し、材料温度が上昇して活性層51がダメージを受けるおそれがある。上部電極6のシート抵抗は特に制限されないが、500Ω/□以下が好ましく、より好ましくは200Ω/□以下である。太陽電池や発光素子のような電流駆動タイプの素子の場合、50Ω/□以下がさらに好ましい。
第1の実施形態の光電変換素子1において、第1の光電変換部3Aの第1の光電変換層5Aと第2の光電変換部3Bの第2の光電変換層5B、及び第2の光電変換部3Bの第2の光電変換層5Bと第3の光電変換部3Cの第3の光電変換層5Cとは、それぞれ第1の溝11により分離されている。第1の光電変換部3Aの第1の上部電極6Aと第2の光電変換部3Bの第2の上部電極6B、及び第2の光電変換部3Bの第2の上部電極6Bと第3の光電変換部3Cの第3の上部電極6Cとは、それぞれ第2の溝12により分離されている。さらに、第1の光電変換部3Aの第1の上部電極6Aと第2の光電変換部3Bの第2の下部電極4B、及び第2の光電変換部3Bの第2の上部電極6Bと第3の光電変換部3Cの第3の下部電極4Cとは、それぞれ接続部13により直列に接続されている。
上述した第1の溝11と第2の溝12による分離構造、及び接続部13による接続構造の詳細を含めて、実施形態の光電変換素子1の製造工程について、図3Aないし図3E及び図4を参照して説明する。なお、図3Aないし図3Eは光電変換部3Aとそれに隣接する光電変換部3Bとの分離構造及び接続構造を含む製造工程を示しているが、光電変換部3Bとそれと隣接する光電変換部3Cとの分離構造及び接続構造を含む製造工程も同様である。また、光電変換素子1が4個又はそれ以上の光電変換部3を有する場合も同様であり、同様な構造及び工程で隣接する光電変換部3間の分離及び接続が実施される。
まず、図3Aに示すように、基板2上に複数の光電変換部3A、3Bに応じた下部電極4A、4Bを形成する。下部電極4Bは、下部電極4Aに隣接し、かつ下部電極4Aと分離された状態で形成される。次いで、下部電極4B上に導電層14を形成する。導電層14は、光電変換層5や上部電極6の構成材料層を例えばスクライブして溝11、12を形成する際に、第1の溝11の形成領域、第2の溝12の部分的な形成領域、及びこれらの溝11、12の下地層として機能する。従って、導電層14は光電変換層や上部電極のスクライブ領域に対応する下部電極4Bの領域上のみに形成される。導電層14は下部電極4Bの下部電極4Aと隣接する一部の領域上のみに形成される。導電層14の構成材料及び形成範囲については、後に詳述する。
次に、図3Bに示すように、下部電極4A、4B及び導電層14を覆うように、基板2上に光電変換層5となる光電変換材料膜5Xを形成する。光電変換材料膜5Xは、導電層14を含めて下部電極4A、4の全域を覆うように全面に形成される。次いで、図3Cに示すように、光電変換材料膜5Xを各光電変換部3A、3Bに対応させて複数に分割するように、光電変換材料膜5Xを切削して第1の溝11を形成する。光電変換材料膜5Xを分割する第1の溝11は、例えばメカニカルスクライブ法やレーザスクライブ法により形成される。光電変換材料膜5Xを第1の溝(スクライブ溝)11で複数に分割することによって、複数の光電変換部3A、3Bに応じた光電変換層5A、5Bが形成される。第1の溝11は、光電変換部3Aの上部電極6Aと隣接する光電変換部3Bの下部電極4Bとの電気的な接続部13の形成領域となる。従って、第1の溝11は下部電極4B上に形成された導電層14の表面が露出するように形成される。
第1の溝11の形成にメカニカルスクライブを適用した場合、スクライブ刃を導電層14の形成領域上に位置する光電変換材料膜5Xの表面に押し当て、スクライブ刃を導電層14の形成領域に沿った方向(図3Cの紙面垂直(奥行)方向)に走査し、光電変換材料膜5Xを削り取ることによって導電層14を露出させる。このとき、スクライブ刃の押し当て圧力や走査条件を調整することによって、スクライブ刃の侵入深さを導電層14の表面の位置で規制することができる。その結果、第1の溝11の深さを導電層14の表面までとすることができる。第1の溝11は、光電変換材料膜5Xを光電変換層5Aと光電変換層5Bに分割し、これらの間を電気的に分離することを一つの目的として形成される。従って、光電変換材料膜5Xの分離性を高めるために、導電層14の厚さ方向の一部まで削り取るように第1の溝11を形成してもよい。
次に、図3Dに示すように、光電変換層5A、5Bに上部電極6A、6Bとなる電極膜6Xを形成する。電極膜6Xを形成するにあたって、隣接する光電変換部3A、3Bとの間に設けられた第1の溝11内に、電極膜6Xの一部(上部電極材料15)を埋め込む。このようにして、電極膜6Xと光電変換部3Bの下部電極4Bとを、第1の溝11内に充填された上部電極材料15とそれに接続された導電層14とで構成された接続部13により電気的に接続する。電極膜6Xは後工程で光電変換部3A、3Bに対応させて分割される。従って、電極膜6Xの分割後においては、光電変換部3Aの上部電極6Aと隣接する光電変換部3Bの下部電極4Bとが、上部電極材料15と導電層14とで構成された接続部13により電気的に接続される。
次に、図3Eに示すように、電極膜6Xを各光電変換部3A、3Bに対応させて複数に分割するように、電極膜6Xを切削して第2の溝12を形成する。電極膜6Xを分割する第2の溝12は、例えばメカニカルスクライブ法やレーザスクライブ法により形成される。電極膜6Xを第2の溝(スクライブ溝)12で複数に分割することによって、複数の光電変換部3A、3Bに応じた上部電極6A、6Bが形成される。第2の溝12は、上部電極6Aと下部電極4Bとを電気的に接続する接続部13より光電変換層5B側の位置に形成され、この位置で電極膜6Xを分割することによって、光電変換部3Aの上部電極6Aと光電変換部3Bの上部電極6Bとが形成される。
第2の溝12は、光電変換層5Bの光電変換層5A側の厚さ方向の一部を除去すると共に、底面が導電層14の一部の表面と重なるように形成される。第2の溝12の形成工程を図4に拡大して示す。図4に示すように、スクライブ刃16の刃面の一端(紙面左端/第1端部16a)を光電変換層5Bの導電層14が存在する領域の上部に位置する電極膜6X上に配置し、かつ刃面の他端(紙面右端/第2端部16b)を光電変換層5Bの導電層14が存在しない領域の上部に位置する電極膜6X上に配置するように、スクライブ刃16を電極膜6Xの表面に押し当てる。この状態で、スクライブ刃16を導電層14の形成領域に沿った方向(図4の紙面垂直(奥行)方向)に走査し、電極膜6Xを削り取ることによって、電極膜6Xを分割する第2の溝12を形成する。第2の溝12は、導電層14の表面の少なくとも一部を露出するように形成されることが好ましい。
このとき、導電層14が光電変換層5Bよりも硬い場合、スクライブ刃16の押し当て圧力や走査条件を調整することによって、スクライブ刃16の侵入深さが導電層14の表面の位置で規制される。その結果、図5に示すように、第2の溝12の深さを導電層14の表面の位置までとすることができる。スクライブ刃16は、その第2端部16bが光電変換層5Bの導電層14の存在しない領域上に配置されるため、電極膜6Xに続いて光電変換層5Bの厚さ方向の一部を削り取ると共に、スクライブ刃16の刃先が導電層14の表面で規制されたとき、第2の溝12内には光電変換層5Bの厚さ方向の一部が削り取られた部分の表面(光電変換層5Bの表面)が露出する。このとき、スクライブ刃16の刃先を導電層14の表面で規制した状態とするために、導電層14の表面の少なくとも一部を第2の溝12内に露出させることが好ましい。ただし、第2の溝12内に導電層14の表面が露出されていなくてもよく、後述する光電変換部3B内におけるショートを防止するためには、光電変換層5Bの表面が第2の溝12内に露出されていればよい。
上述したように、第2の溝12の深さを導電層14の表面で規制しつつ、光電変換層5Bの導電層14が存在しない領域の厚さ方向の一部を削り取ることによって、光電変換層5Bの光電変換層5A側には段差部、すなわち光電変換層5Bの一部が削り取られた後に残る光電変換層5Bの残存部(残存光電変換層)17が設けられる。段差部17の段面(ステップ面)S1と段面S1から連続する導電層14の表面S2が、第2の溝12内に形成される。すなわち、第2の溝12内には、光電変換層5Bの表面S1と導電層14の表面S2とが形成されており、導電層14の表面S2は光電変換部3A側に位置していると共に、光電変換層5Bの表面S1はそれより光電変換部3B側に位置している。図5では第2の溝12内に光電変換層5Bの表面S1と導電層14の表面S2とが存在している状態を示したが、この状態に限られるものではなく、導電層14の表面S2の少なくとも一部の上に光電変換層5Bが残存していてもよい。第2の溝12は底面が導電層14の表面S2と重なるように形成されていればよい。
図4に示すように、スクライブ刃16を電極膜6Xに押し当てて走査したとき、電極膜6Xの一部はちぎれてパターニング除去されるが、残りの一部はスクライブ刃16の側面に沿ってもぐりこむことがある。その結果、図6に示すように、電極膜6Xのバリ、すなわち2つのバリ18a、18bが発生する場合がある。2つのバリ18a、18bのうち、光電変換部3B側のバリ18bがもし下部電極4Bと接触すると、光電変換部3B内でショートし、光電変換特性が低下してしまう。そのような点に対して、この実施形態では第2の溝12により光電変換層5Bに段差部17を形成し、下部電極4Bを露出させていないため、バリ18bが第2の溝12内に垂れ下がったとしても、バリ18bは光電変換層5Bの段差部17の表面S1と接触するにすぎない。従って、光電変換部3Bにおける下部電極4Bと上部電極6Bとのショートを防止することができる。
上述したように、光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成するためには、導電層14に光電変換層5より硬い材料を適用すればよい。導電層14に要求される特性は、スクライブ刃16の侵入深さを規制するために必要となる硬さと、上部電極6Aと下部電極4Bとの間の導通を妨げないための導電性である。この2つの特性を同時に満たす材料としては、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、タンタル等の金属やそれら金属を含む合金からなる金属材料、グラフェン等の炭素材料、あるいは上記した金属材料や炭素材料の粒子やファイバ等の粉体を高分子材料に分散させた複合材料(金属−高分子複合材料又は炭素−高分子複合材料)を挙げることができる。導電層14は、複数の金属層を積層した積層膜、あるいは金属材料層と炭素材料層等との積層膜であってもよい。導電層14には、金、白金、銀、銅、ビスマス、鉛、錫、亜鉛、鉄、コバルト、ニッケル等の金属材料、金属−高分子複合材料、炭素−高分子複合材料等の導電性が高い材料層と、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、タンタル等の硬さが大きい材料層との積層膜等を適用してもよい。
前述したように、光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成するためには、導電層14より軟らかい(硬さが小さい)光電変換層5を適用することが好ましい。光電変換層5の構成層である活性層51には、前述したように有機半導体材料やペロブスカイト化合物を用いることが好ましい。これらの材料からなる活性層51を用いることによって、上述したような材料からなる導電層14よりも十分に軟らかい光電変換層5を形成することができるため、より確実に光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成できる。従って、底面に光電変換層5Bの表面S1と導電層14の表面S2とが形成された第2の溝12をより確実に得ることができる。
硬さの指標としては、例えばビッカース硬さが用いられる。具体的には、有機材料やペロブスカイト化合物を活性層51として用いた光電変換層5において、光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成するためには、ビッカース硬さが5以上の導電層14を用いることが好ましい。前述した具体的な金属材料の中では、ビスマス、鉛、錫が最もビッカース硬さが小さく、5程度である。グラフェン等の炭素材料や、金属−高分子複合材料又は炭素−高分子複合材料の場合、材料選択や配合率の調整等によってビッカース硬さを調整することができ、金属材料と同じように、5程度以上になるように調整することができる。このような導電層14を適用することによって、有機材料やペロブスカイト化合物を活性層として用いた光電変換層5をスクライブして第2の溝12を形成する際に、光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成することができる。
スクライブ刃16の押し当て条件や走査条件は、電極膜6Xをパターニング除去することができ、かつスクライブ刃16の侵入深さが導電層14の表面で規制されるように設定する。例えば、押し当て圧力が低すぎると、電極膜6Xの表面とスクライブ刃16の押し当て面の間の摩擦力が小さくなって滑り、電極膜6Xをちぎり取ることができない。押し当て圧力が高すぎると、スクライブ刃16の侵入深さを導電層14の表面の位置で規制できなくなる。その結果、導電層14まで削り取られるため、光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17を形成することができなくなり、ショートの発生を抑制できないおそれがある。さらに、押し当て圧力が高すぎると、下部電極4や基板2に割れや削れが発生するおそれがある。基板2に樹脂のような軟質材料を適用したり、下部電極4にITOのような脆性材料を適用したりした場合は、押し当て圧力の上限が低くなり、スクライブ条件の最適範囲が狭くなる。このような場合に、実施形態の光電変換素子1は好適である。
なお、電極膜6Xのパターニング(P3パターニング)の方法として、メカニカルスクライブ法に代えてマスク真空成膜法を用いる方法が知られている。パターニングされた光電変換層に真空成膜マスクを密着させ、その状態で電極材料を蒸着やスパッタのような真空成膜法で成膜することにより、予めパターニングされた対向電極を形成する。このようなマスク真空成膜法では、前述したようなメカニカルスクライブ法の課題は発生しないが、発電部等の面積率が低下することによって、光電変換効率が低下するという課題がある。開口率の低下について説明する。マスク真空成膜法の場合、上部電極を成膜しない部分に、真空成膜マスクの遮蔽細線を配置することでP3パターニングを行う。遮蔽細線の幅は強度確保の観点であまり狭くできず、数百μm程度が下限である。遮蔽細線の幅、すなわちP3幅が広くなる結果、光電変換部の幅が狭くなってしまう。その結果、発電部の面積率が低下することによって、光電変換効率が低下するという課題がある。一方、メカニカルスクライブ法の場合、スクライブ刃の幅がP3幅となるが、スクライブ刃の幅を100μm以下にすることが比較的容易であるため、発電部の面積率を高くでき、光電変換効率を高くしやすいという利点がある。従って、実施形態の光電変換素子1ではメカニカルスクライブ法を適用した上で、下部電極4Bと上部電極6Bとのショートを防止することによって、光電変換効率の向上とショートの防止とを両立させている。
上述したように、第2の溝12は光電変換層5Bの表面S1と導電層14の一部の表面S2とが露出するように設けられる。前述したように、第1の溝11は導電層14の一部の表面S2が形成されるように設けられる。すなわち、導電層14は第1の溝11の形成領域から第2の溝12の形成領域の一部に達する領域に形成される。導電層14は、図5に示すように、第1の溝11内に露出された第1の表面領域SR1と、第2の溝12内に形成された第2の表面領域SR2とを有している。上記したような領域に導電層14を形成することによって、第1の溝11内に設けられた上部電極材料15と導電層14とで構成された接続部13による上部電極6Aと下部電極4Bと電気的な接続性を高めると共に、第2の溝12内の導電層14を除く部分に露出された光電変換層5Bの表面S1によって、下部電極4Bと上部電極4Cとの間のショートを抑制することが可能となる。
導電層14は、上述したように第1の溝11の形成領域から第2の溝12の形成領域の一部に達する領域に形成される。第1の溝11の形成領域に位置する導電層と、第2の溝12の一部の形成領域位置する導電層には、異なる材料や異なる層構成を適用したり、またそれぞれ2カ所に分けて形成したりしても良いが、同一の材料及び層構成で、かつ1カ所にまとめて導電層14を形成することによって、材料コストや工程数を削減できるため、光電変換素子1の低コスト化を図ることができる。さらに、導電層14を形成せず、上部電極6Aと下部電極4Bとを直接接触させた場合、ガルバニック腐食が起きやすくなるが、それらの間に導電層14を介在させることによって、そのような問題が改善される効果も有する。光電変換素子1の特性を向上させるため、一般的に下部電極4と上部電極6には仕事関数の差が大きくなるような材料を選択する。仕事関数の差が大きい材料同士が接触し、かつ水分等が介在することによって、例えばITOとアルミニウムの組み合わせではガルバニック腐食が起きやすくなることが知られている。これに対し、導電層14として、仕事関数がITOとアルミニウムの間であるモリブデン等を挟むことによって、ガルバニック腐食を低減し、直列接続抵抗を低下させることができる。
導電層14の厚さは15nm以上が好ましい。スクライブ刃16の押し当て面の最大表面粗さRzは、スクライブ刃16の製造加工精度の観点から15nm以下にすることが難しい。導電層14の厚さが15nm未満であると、スクライブ刃16の侵入深さが導電層14の表面位置で規制されたとしても、スクライブ刃16の押し当て面のうち、最も出っ張っている部位が下部電極4Bに接触してしまうおそれがある。導電層14の厚さが15nm以上であれば、段差部(残存光電変換層)17が形成されない部位の発生が抑制されるため、電極4B、6B間に生じるショートをより効果的に防止することができる。導電層14の厚さは30nm以上がより好ましい。
光電変換層5Bに段差部(残存光電変換層)17の段面S1の幅、すなわち図6の寸法Aは、上部電極6Bの厚さよりも大きくすることが好ましい。上部電極6Bのバリ18bは、光電変換層4Bの側面から離間してぶら下がるように発生する場合もあれば、光電変換層4の側面に密着するように発生する場合もある。バリ18bが光電変換層4Bの側面に密着しているような場合において、寸法Aを上部電極6Bの厚さより大きくすることによって、上部電極6Bのバリ18bが導電層14と接触し、上部電極6Bと下部電極4Bとが導電層14を介してショートすることを防止できる。
さらに、上記した寸法Aは1μm以上とすることが好ましい。光電変換層4Bで発生した電子と正孔は、下部電極4Bや上部電極6Bに注入されることにより電力が取り出される。寸法Aが1μm未満の場合には、電子と正孔が下部電極4Bや上部電極6Bではなく、導電層14に注入されることにより、効率的に電力が取り出せなくなるおそれがある。活性層51にペロブスカイト化合物を適用した場合、ペロブスカイト化合物は電荷輸送性が高く、1μm以上輸送されるおそれがある。このような点に対して、寸法Aは5μm以上とすることがより好ましい。
第2の溝12内に形成された導電層14の幅、すなわち図6の寸法Bは、25μm以上とすることが好ましい。前述したように、スクライブ刃16の侵入深さを導電層14の表面の位置で規制するために、スクライブ刃16の第1端部16aの押し当て位置は、導電層14上である必要がある。スクライブ装置の機械精度や制御精度の観点で、スクライブ刃16の押し当て位置決め精度を±25μm程度以内におさめることは難しい。この点に対し、寸法Bが25μm以上となるようにスクライブ刃16の押し当て位置を決めることで、スクライブ刃16の侵入深さを確実に導電層14の表面で規制することができる。
また、寸法Aと寸法Bの合計は30μm以上1000μm以下とすることが好ましい。寸法Aと寸法Bの合計はスクライブ刃16の幅寸法に相当するが、スクライブ刃16の加工精度や加工コスト、及び加工中の破損(スクライブ刃16の破損強度)を考慮すると、寸法Aと寸法Bの合計は30μm以上が好ましい。また、寸法Aと寸法Bの領域は、光電変換層5が上部電極6と下部電極4で挟まれた部分でない、すなわち、光電変換部ではないため、この領域を狭くすることが好ましく、光電変換素子1全体としての光電変換効率の低下を許容内に収めるために、1000μm以下とすることが好ましい。
実施形態の光電変換素子1及びその製造方法によれば、上部電極6となる電極膜6Xのスクライブ時に生じる上部電極6Bのバリ18bによる上部電極6Bと下部電極6Bとの間のショートを、上部電極6Aと上部電極6Bとを分離する第2の溝12の形状及び第2の溝12の下地層(露出面)により防ぐことができる。また、上部電極6Aと上部電極6Bとの分離幅を狭くすることができるため、光電変換に寄与する面積を高めることができる。さらに、上部電極6Aと下部電極4Bとの電気的な接続性や接続信頼性を高めることができる。すなちわ、複数の光電変換部3間の物理的な分離性と電気的な接続性とを共に高めることができる。従って、複数の光電変換部3を直列に接続した光電変換素子1の光電変換効率の向上させることが可能になる。
(第2の実施形態)
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。
(第3の実施形態)
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。
次に、実施例及びその評価結果について述べる。
(実施例1)
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。
次に、活性層としてペロブスカイト層を成膜した。ペロブスカイト層の成膜方法として、いわゆる2ステップ法を用いた。1ステップ目の塗布液としてPbIをジメチルホルムアミド(DMF)とジメチルスルホキシド(DMSO)の1:1の混合溶媒に溶かしたものを用いた。2ステップ目の塗布液としてCHNHI(MAI)をイソプロピルアルコール(IPA)に溶かしたものを用いた。2ステップを終えた後、120℃で5分の加熱処理を行い、活性層を成膜した。膜厚は約350nmとした。次いで、第1の上部電極側中間層として、[60]PCBM([6,6]−フェニルC61酪酸メチルエステル)を成膜した。[60]PCBMインクの溶媒としてモノクロロベンゼンを用いた。[60]PCBMインクを塗布した後、自然乾燥させた。膜厚は約50nmとした。
次に、メカニカルスクライブ法によりP2パターニングを行った。P2パターニングは幅約0.5mmの導電層上で行った。スクライブ刃として、先端が矩形で幅が80μmの刃物を用いた。スクライブ刃を所定の力のバネを用いたサスペンション機構で押し当て、走査させることによってメカニカルスクライブを行った。スクライブ刃の圧力は0.05mN/μmとした。[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。
次いで、第2の上部電極側中間層として、BCP(2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン)を約20nmの厚さで真空蒸着することにより成膜した。次いで、対向電極としてAgを約150nmの厚さで真空蒸着することにより成膜した。
次に、メカニカルスクライブ法によりP3パターニングを行った。スクライブ刃として、先端が矩形で幅が80μmの刃物を用いた。P3パターニングは幅約0.5mmの導電層の右エッジ部で行った。具体的には、幅80μmのスクライブ刃の左半分の40μmが導電層の右エッジ部と重なり、右半分の40μmが導電層と重ならないような位置に配置させつつ走査することでP3パターニングを行った。スクライブ刃を所定の力のバネを用いたサスペンション機構で押し当て、走査させることによってメカニカルスクライブを行った。スクライブ刃の圧力は0.03mN/μmとした。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通りに残っていることが確認された。以上の工程によって、光電変換セルを8直列とした光電変換素子モジュールを製造した。
上述した8直列の光電変換素子モジュールについて、図9に示すように、P2パターニング部を経由する直列配線部の抵抗(直列配線抵抗)を抵抗測定器T1により測定した。なお、以下に示す直列配線抵抗の測定結果の全ては、極性を逆にしてもほぼ同じ値が得られた。直列配線抵抗を測定するに当たっては、ITO電極やAg電極のシート抵抗の影響をなるべく受けないようにするため、配線の位置をなるべく直列配線部に近いところにすることが好ましい。8直列モジュールの8か所の直列配線部の直列配線抵抗を測定した結果、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。すなわち、良好なP2パターニング特性が得られた。
次いで、8直列の光電変換素子モジュールについて、図9に示すように、光電変換部の電極間抵抗を抵抗測定器T2により測定した。光電変換層を経由した導通の影響を低減させるため、測定は暗所で行った。なお、以下に示す光電変換部の電極間抵抗の測定結果の全ては、極性を逆にしてもほぼ同じ値が得られた。光電変換部の電極間抵抗を測定するに当たっては、ITO電極やAg電極のシート抵抗の影響をなるべく受けないようにするため、配線の位置をなるべく上部電極の分離部に近いところにすることが好ましい。8直列モジュールの8個の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、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。すなわち、良好なP3パターニング特性が得られた。さらに、AM1.5G、1000W/m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10.5%であった。以上の通り、実施例1によれば良好な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。
(実施例2)
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/m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。
(参考例1)
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/m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。
以上の通り、Mo層とAu層の積層からなる導電層の厚さを10nmまで薄くすると、良好な直列モジュールが得られなくなった。P3パターニング部のペロブスカイト層がパターニング除去されてしまっていることから、以下のように考えられる。スクライブ刃の押し当て面は完全な平面ではなく、表面粗さを有している。導電層の厚さが15nm以下であると、スクライブ刃の侵入深さが導電性表面の位置で規制されたとしても、スクライブ刃の押し当て面のうち、最も出っ張っている部位が下部電極に接触してしまうおそれが高まる。その結果、段差部(残存光電変換層)が形成されない部位が生じ、ショートを起こしてしまったと考えられる。従って、一様な段差部(残存光電変換層)が形成されるような条件を選択することが好ましい。
(比較例1)
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/m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。
(実施例3)
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/m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。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1,21,31…光電変換素子、2…基板、3,3A,3B,3C…光電変換部、4,4A,4B,4C…下部電極、5,5A,5B,5C…光電変換層、5X…光電変換材料膜、51…活性層、6,6A,6B,6C…上部電極、11…第1の溝、12…第2の溝、13…接続部、14…導電層、15…上部電極材料、16…スクライブ刃、17…段差部、18a,18b…バリ。

Claims (14)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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ABX(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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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ABX(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。
  14. 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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