JP2016051806A - 有機薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板10と、基板10上に配置された第1の透明電極層111および第2の透明電極層112と、基板10上および第1の透明電極層111および第2の透明電極層112上に配置された有機層14と、有機層14に対して面直方向に第2の透明電極層112まで貫通して複数配置されたドット状コンタクトホール50と、有機層14上およびドット状コンタクトホール50を介して第2の透明電極層112上に配置された金属電極層161と、金属電極層161上に配置されたパッシベーション層26、28、30、32とを備える。
【選択図】図13
Description
比較例に係る有機薄膜太陽電池モジュール100Aの受光面側の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表され、端子取出し面側の模式的平面パターン構成は、図2に示すように表される。また、図2のI−I線に沿う模式的断面構造は、図3に示すように表され、図1のA部分に対応した光学顕微鏡写真例は、図4に示すように表される。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の受光面側の模式的平面パターン構成は、図9に示すように表され、端子取出し面側の模式的平面パターン構成は、図10に示すように表される。また、図9のE部分の模式的拡大図は、図11に示すように表され、図10のF部分の模式的拡大図は、図12に示すように表される。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールに適用可能な有機薄膜太陽電池セル1の動作原理を説明する模式図は、図21に示すように表される。また、図21に示された有機薄膜太陽電池セル1の各種材料のエネルギーバンド構造は、図22に示すように表される。図21および図22を参照して、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池セル1の原理的な構成と、その動作について説明する。
(a)まず、光を吸収すると、バルクへテロ接合有機活性層14A内で、励起子が生成される。
(b)次に、励起子は、バルクへテロ接合有機活性層14A内のpn接合界面において、自発分極によって、電子(e−)と正孔(h+)の自由キャリアに解離する。
(c)次に、解離した正孔(h+)は、アノード電極となる透明電極層11に向けて走行し、解離した電子(e−)は、カソード電極層16に向けて走行する。
(d)結果として、カソード電極層16・透明電極層11間には、逆方向電流が導通して、開放電圧Vocが発生し、有機薄膜太陽電池セル1が得られる。
有機薄膜太陽電池モジュール100は、ITO付きガラス基板10上に発電層となる数100nm程度の有機層14を積層し、アルミニウムなどの金属を蒸着して形成される。金属電極層として形成された純アルミニウムは酸化され易いため、耐久性を持たせるために、化学的気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によるSiNやSiONなどの無機パッシベーション膜と樹脂保護膜を多層に積層した多重積層保護膜をバリア膜として用いる。
(a)まず、純水、アセトン、エタノールで洗浄したガラス基板10(例えば、長さ約50mm×幅約50mm×厚さ約0.7mm)をICPエッチャ−に入れ、O2プラズマにより、表面の付着物を取り除く(ガラス基板表面処理)。なお、基板10をガラス基板で形成し、有機層へ光を効率的に誘導するために、ガラス表面に反射防止処理を実施しても良い。なお、ガラス基板として、例えば、ITO付き無アルカリガラス基板を用いても良い。
(b)次に、図25(a)および図25(b)に示すように、ガラス基板10上に、例えば、ITOからなる透明電極層11をパターン形成する。具体的には、例えば、ポジレジストを用いた王水エッチングによるウェツトエッチングにより、TCOをパターニングする。透明電極層11のパターニングは、5工程、約120分要する。結果として、透明電極層11は溝部を挟んだストライプパターンで複数形成される。
(c)次に、図26(a)および図26(b)に示すように、各透明電極層11上に、有機層14(正孔輸送層12およびバルクヘテロ接合有機活性層14A)を形成する。有機層14の塗布形成は、2工程で約60分要する。例えば、スピンコート法による製膜と高密度プラズマエッチングによるパターニング工程からなる。
(c−1)正孔輸送層12の形成には、スピンコート技術、スプレー技術、スクリーン印刷技術などを適用することができる。ここで、正孔輸送層12の形成工程では、例えば、PEDOT:PSSをスピンコートによって製膜を行い、水分除去のために、アニ−ルを120℃で約10分間行う。溝部の形成には、酸素プラズマエッチング技術、レーザパターニング技術などを適用することができる。
(c−2)次に、各正孔輸送層12上に、バルクヘテロ接合有機活性層14Aを形成する。バルクヘテロ接合有機活性層14Aの形成工程においては、例えば、P3HTとPCBMをスピンコートによって製膜を行う。
(d)次に、図27(a)および図27(b)に示すように、有機層14に対して面直方向に透明電極層11まで貫通して複数のドット状コンタクトホール50を形成する。透明電極層11(TCO)と接触させるために必要な有機層14(12・14A)へのドット状コンタクトホール50の形成には、例えば、高密度(酸素)プラズマによるエッチング技術を用いる。また、直径約5μm程度のレーザ光(例えば、波長532nm)を用いても良い。この結果、隣り合う有機薄膜太陽電池セルを直列接続するための接合部位に、ドット状コンタクトホール50が形成される。
(e)次に、図28(a)・図28(b)および図29(a)・図29(b)に示すように、有機層14上およびドット状コンタクトホール50を介して透明電極層11
上に第2電極層(カソード電極層)16をパターン形成する。カソード電極層16の形成には、例えばAl、W、Mo、Mn、Mgなどの金属層を真空加熱蒸着法により堆積することによって行われる。真空加熱蒸着法の代わりに、スクリーン印刷技術を適用しても良い。カソード電極層16の形成工程は、1工程で約2分要する。
(f)次に、図示は省略するが、余分な有機層14をエッチング処理した後、カソード電極層16の表面に酸化膜(不動態膜)を形成しても良い。不動態膜は、第2電極層16を酸素プラズマ処理することによって形成することができる。不動態膜の形成は、例えば、高密度プラズマエッチング装置を用いて行うことができる。なお、第2電極層16を酸素プラズマ処理することによって不動態膜を形成すると同時に、有機層14をエッチング処理することも可能である。
(g)次に、図30(a)および図30(b)に示すように、デバイス全面にパッシベーション層26を形成する。ここで、パッシベーション層26は、シリコン窒化膜などをCVD法で形成しても良い。シリコン窒化膜の厚さは、例えば、約0.5μm〜1.5μm程度である。大気中の水分と酸素による劣化を抑えるため、CVDにより形成したSiN膜による封止を行うことで、さらに耐久性を向上可能である。
(h)次に、図30(a)および図30(b)に示すように、パッシベーション層26上にカラー化バリア層28を形成する。ここでは、SiN膜で形成されたパッシベーション層26のスポットなどの不良を無くし、モジュールの背面を平滑化するために、UV硬化樹脂素材をスピンコート法などで塗布し、UV照射により硬化させる。なお、ここで、カラー化バリア層28には着色剤を添加した保護膜を用いることで、薄層化された素子構造で、モジュールに任意の着色を可能にしている。
(i)次に、図30(a)および図30(b)に示すように、カラー化バリア層28上にバックシートパッシベーション層30を形成する。バックシートパッシベーション層30は、例えば、シリコン窒化膜などをCVD法で形成しても良い。シリコン窒化膜の厚さは、例えば、約0.5μm〜1.5μm程度である。大気中の水分と酸素による劣化を抑えるため、CVDにより形成したSiN膜による封止を行うことで、さらに耐久性を向上可能である。多層積層保護膜によるセル封止は、4工程であり、約120分要する。
(j)次に、図示は省略するが、直列接続された有機薄膜太陽電池モジュールのアノードA・カソードK用の端子電極とのボンディング接合を形成する。ボンディング接合には、例えば、カーボンペースト、Agペーストなどを用いる。端子電極には、例えば、金ワイヤなどで形成可能である。
(k)最後に、図30(a)および図30(b)に示すように、水分・酸素などが浸入しないように、UV硬化樹脂で保護する。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の製造方法において、基板10上に透明電極層11をパターン形成したITO基板の製造方法であって、ポジレジスト層13の塗布・焼成工程は図31(a)に示すように表され、ポジレジスト層13の露光工程は図31(b)に示すように表され、ポジレジスト層13の現像工程は図31(c)に示すように表され、透明電極層11の王水エッチング工程は図31(d)に示すように表され、ポジレジスト層13の剥離・基板洗浄工程は図31(e)に示すように表される。
(a)まず、図31(a)に示すように、ITO基板上にポジレジスト層13の塗布し、焼成する。
(b)次に、図31(b)に示すように、ポジレジスト層13上にポジマスク17をパターン形成し、UV露光する。
(c)次に、図31(c)に示すように、ポジレジスト層13を現像処理する。
(d)次に、図31(d)に示すように、透明電極層11を王水エッチングする。
(e)次に、図31(e)に示すように、ポジレジスト層13を剥離し、基板洗浄うを実施する。結果として、ガラス基板10上に透明電極層11をパターン形成したITO基板が完成する。透明電極層11の厚さは、例えば、約0.15μmである。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の製造方法において、正孔輸送層12およびバルクへテロ接合有機活性層14Aを形成する際のスピンコート法を示す概略は図32(a)に示すように表され、形成された正孔輸送層12およびバルクへテロ接合有機活性層14Aの例を示す模式的鳥瞰構成は、図32(b)に示すように表される。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の製造方法において、ドット状コンタクトホールの形成方法は、図34(a)〜図34(c)に示すように表される。すなわち、スピンコート法により透明電極層11上に有機層14を形成する工程は、図34(a)に示すように表され、ドット状コンタクトホールの形成のためのメタルマスク19をパターン形成後、高密度(酸素)プラズマ21により有機層14・透明電極層11をパターニングする工程は、図34(b)に示すように表され、メタルマスク19の除去工程は、図34(c)に示すように表される。
(a)まず、図33(a)に示すように、ITO基板上に有機層14をスピンコート法により、塗布形成する。この工程は、約80秒要する。
(b)次に、図33(b)に示すように、有機層14上にドット状コンタクトホールの形成のためのメタルマスク19をパターン形成後、高密度(酸素)プラズマ21により有機層14・透明電極層11をパターニングする。酸素プラズマによるパターニング工程は、約50分要する。
(c)次に、図33(c)に示すように、メタルマスク除去する。結果として、有機層14・透明電極層11には、ドット状コンタクトホール50が形成される。
実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の製造方法において、ドット状コンタクトホール50は、インクジェット法により形成することもできる。すなわち、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の製造方法において、ITO基板上に、インクジェット法によりインクヘッド23から有機材料インク14Iを塗布する様子は、図35(a)に示すように表される。
図36に示すフローチャートに基づいて、実施の形態に係る有機薄膜太陽電池モジュール100の作成手順について説明する。
(a)ステップS1では、ITO基板10上に、PEDOT:PSSを塗布する。例えば、0.45μmPTFEメンブレンフィルターでPEDOT:PSS水溶液を濾過し、溶け残りや不純物を取り除き、PEDOT:PSS水溶液をITO基板10上に塗布し、スピンコート(例えば、4000rpm,30sec)する。
(b)ステップS2では、PEDOT:PSSを焼結する。即ち、製膜後、水分除去のために120℃、10分間加熱処理をする。なお、基板10全体に熱が伝わるように予めホットプレートで温めておいたシャーレを被せると良い。ここまでの工程でITO基板10上の透明電極層11上に正孔輸送層12が形成される。
(c)ステップS3では、P3HT:PCBMを塗布する。具体的には、例えば、ジクロロベンゼン(o-dichlorobenzen)にP3HT16mgとPCBM16mgを溶解させる。溶液は、窒素雰囲気中の50℃で一晩攪拌を行った後に、50℃で1分間超音波処理を行う。溶液は窒素置換されたグローブボックス(<1ppmO2、H2O)内で洗浄処理したITO基板10上にスピンコートを行う。回転数は例えば550rpm・60secの後に2000rpm・1secである。
(d)ステップS4では、プレアニールを行う。即ち、ステップS3の塗布の後、120℃で10分間加熱を行う。なお、基板10全体に熱が伝わるように予めホットプレートで温めておいたシャーレを被せると良い。ここまでの工程で正孔輸送層12上にバルクへテロ接合有機活性層14Aが形成され、有機層14(12+14A)が形成される。
(e)ステップS5では、LiF真空蒸着を行う。具体的には、LiF(純度:99.98%)は、真空度:1.1×10−6torr・蒸着レートが0.1Å/secで真空加熱蒸着を行う。LiFはバルクへテロ接合有機活性層14Aへの電子注入層となる。
(f)ステップS6では、有機層14を貫通し透明電極層11まで到達するドット状コンタクトホール50を形成する。
(g)ステップS7では、Al真空蒸着を行って有機層14上およびドット状コンタクトホール50内の透明電極層11上に第2電極層16を形成する。具体的には、Al(純度:99.999%)は、真空度:1.1×10−6torrで蒸着レートが〜2Å/secで真空加熱蒸着を行う。
(h)ステップS8では、第2電極層16について、電極酸化被膜処理を行う。具体的には、高密度プラズマエッチング装置を用いて酸素プラズマにより第2電極層16表面を酸化し、酸化膜(不動態膜)を形成する。
(i)ステップS9では、パッシベーション封止を行う。具体的には、デバイス全体に、パッシベーション層26・カラー化バリア層28・バックシートパッシベーション層30を順次積層化形成して、パッシベーション処理する。
(j)ステップS10では、端子電極を形成する。端子電極のボンディング接合部には、カーボンペースト、Agペーストなどを用いる。
(k)ステップS11では、封止を行う。具体的には、水分・酸素などが浸入しないように、UV硬化樹脂等の樹脂層32で周辺部を保護する。
実施の形態においては、直列接合部位の構造を改善し、外観を損なわず見栄えの良好である有機薄膜太陽電池を提供されることから、モバイル端末機器等の電子機器への搭載が容易になる。特にスマートホンやタブレット端末に代表される電子機器は、外観が重要であるため表示パネルのべゼル(ディスプレイの周辺部)や背面に有機薄膜太陽電池のセルを搭載するに当たり、目立たない方が良い。透明電極層11(TCO)と接触させるために必要な有機層14(12・14A)への複数のドット状コンタクトホールは、高密度(酸素)プラズマエッチング技術若しくは直径約5μm程度のレーザ光(例えば、波長532nm)を用いて形成可能である。この手法を用いることで、外観を損なうことなく、接触抵抗を低減化可能であり、良好な接合を形成可能である。
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
10…基板(ITO基板)
11、111、112、113、114、115…第1電極層(アノード電極層、透明電極層)
12…正孔輸送層
14…有機層(正孔輸送層12+バルクヘテロ接合有機活性層14A)
14A…バルクへテロ接合有機活性層
16、161、162、163、164…第2電極層(カソード電極層)
26、28、30、32…パッシベーション層
62…スピンドル
63…テーブル
64…液滴
65…スポイト
100、100A…有機薄膜太陽電池モジュール
Claims (18)
- 基板と、
前記基板上に配置された第1および第2の透明電極層と、
前記基板上および前記第1および第2の透明電極層上に配置された有機層と、
前記有機層に対して面直方向に前記第2の透明電極層まで貫通して複数配置されたドット状コンタクトホールと、
前記有機層上および前記ドット状コンタクトホールを介して前記第2の透明電極層上に配置された金属電極層と、
前記金属電極層上に配置されたパッシベーション層と
を備える有機薄膜太陽電池モジュール。 - 前記ドット状コンタクトホールは、円形、長方形若しくは正方形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 前記パッシベーション層は、SiN膜若しくはSiON膜であることを特徴とする請求項1または2に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 前記パッシベーション層は、複数層繰り返し積層化されて、多重積層保護膜を形成したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 基板と、
前記基板上に配置された第1および第2の透明電極層と、
前記基板上および前記第1および第2の透明電極層上に配置された有機層と、
前記有機層に対して面直方向に前記第2の透明電極層まで貫通して複数配置されたドット状コンタクトホールと、
前記有機層上および前記ドット状コンタクトホールを介して前記第2の透明電極層上に配置された金属電極層と、
前記金属電極層上に配置されたパッシベーション層と
を備える有機薄膜太陽電池セルを複数個直列に接続したことを特徴とする有機薄膜太陽電池モジュール。 - 前記ドット状コンタクトホールは、円形、長方形若しくは正方形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項5に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 前記パッシベーション層は、SiN膜若しくはSiON膜を備えることを特徴とする請求項5または6に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 前記パッシベーション層は、複数層繰り返し積層化されて、多重積層保護膜を形成したことを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 前記有機層は、
正孔輸送層と、
前記正孔輸送層上に配置されたバルクへテロ接合有機活性層と
を備えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。 - 前記金属電極層は、表面に形成された不動態膜を備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池モジュール。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の有機薄膜太陽電池モジュールを備える電子機器。
- 基板上に第1の透明電極層および第2の透明電極層を形成する工程と、
前記基板上および前記第1および第2の透明電極層上に有機層を形成する工程と、
前記有機層に対して面直方向に前記第2の透明電極層まで貫通して複数のドット状コンタクトホールを形成する工程と、
前記有機層上および前記ドット状コンタクトホールを介して前記第2の透明電極層上に金属電極層を形成する工程と、
前記金属電極層上にパッシベーション層を形成する工程と
を有することを特徴とする有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記パッシベーション層を形成する工程は、多重積層保護膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項12に記載の有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記ドット状コンタクトホールを形成する工程は、酸素プラズマによるパターニング工程を有することを特徴とする請求項12に記載の有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記有機層を形成する工程は、インクジェット法による形成工程を有することを特徴とする請求項12に記載の有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記ドット状コンタクトホールを形成する工程は、前記インクジェット法により前記有機層を塗り分けて形成する工程を有することを特徴とする請求項15に記載の有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記有機層を形成する工程は、
正孔輸送層を形成する工程と、
前記正孔輸送層上にバルクへテロ接合有機活性層を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項12に記載の有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記金属電極層表面に不動態膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項12に記載の有機薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
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