JP5585066B2 - 有機薄膜型太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の有機薄膜型太陽電池について、図1を用いて詳細に説明する。図1は、本発明に係る有機薄膜型太陽電池の基本構造を示す概略断面図である。
本発明の陰極は光電変換層あるいは電子輸送層から電子を受け取り、外部回路へ流す役割を果たす電極である。対して陽極とは陰極の逆で正孔を外部回路へ流す役割を果たす電極を指す。
本発明では、電子輸送層の少なくとも1層が、陰極に隣接した層であり、有機アルカリ金属塩を含有することが特徴である。光電変換層と陰極との間に、有機アルカリ金属塩をドープした電子輸送層を挿入することで、塗布して形成したAg電極との電気的な接合が改善する。その結果、変換効率(特に短絡電流密度JscとフィルファクターFF)が改善する。光照射したときに界面でのチャージアップが抑制され、結果として有機材料の劣化を抑制できる。
基板は、順次積層された陽極、光電変換層及び陰極を保持する部材である。本実施形態では、少なくとも陽極から光電変換される光が入射することが可能なように、光電変換すべき光の波長に対して透明な基板であることが望ましい。例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。
陽極12は、好ましくは300〜800nmの波長の光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、導電性高分子を用いることができる。
光電変換層13は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、好ましくはp型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合した所謂バルクヘテロジャンクション構造を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプター)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、「光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体」であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。
また、上述のバルクヘテロ接合型の有機薄膜型太陽電池は、順次に基板上に積層された陽極、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部及び陰極で構成されたが、これに限られず、例えば陽極や陰極と光電変換部との間に正孔輸送層、電子輸送層、正孔ブロック層、電子ブロック層、あるいは平滑化層等の他の層を有してバルクヘテロ接合型の有機薄膜型太陽電池が構成されてもよい。これらの中でも、バルクヘテロジャンクション層と陽極(通常、陽極側)との中間には正孔輸送層または電子ブロック層を、陰極(通常、陰極側)との中間には電子輸送層または正孔ブロック層を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
正孔輸送層(電子ブロック層)として好ましく用いられる材料としては、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、WO2006/019270号パンフレット等に記載のシアン化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、溶液塗布法で形成することが好ましい。
太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、有機薄膜型太陽電池を積層した、タンデム型の構成としてもよい。タンデム型構成の場合、基板上に、順次陽極、第一の光電変換部を積層した後、電荷再結合層を積層した後、第二の光電変換部、次いで陰極を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第二の光電変換部は、第一の光電変換部の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。また、電荷再結合層の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等が好ましい。
また、作製した有機薄膜型太陽電池が環境中の酸素、水分等で劣化しないために、公知の手法によって封止することが好ましい。例えば、アルミまたはガラスでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機薄膜型太陽電池上を接着剤で貼合する手法、ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)を直接堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等を挙げることができる。
《有機薄膜型太陽電池SC−101の作製》
〔陽極の形成〕
バリア付きポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム(バリア層はCHC−PENの上にCVD法により製膜)上に、真空環境条件で厚さ140nmのITO(インジウムチンオキシド)をスパッタリング法により製膜し(シート抵抗12Ω/□)、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用い、10mm×100mmの大きさの陽極を一定間隔で5列形成した。
ポリエチレンジオキシチオフェン・ポリスチレンスルホネート(PEDOT/PSS、H.C.スタルク社製 CLEVIOUS P AI 4083)を40質量%に対し、純水30質量%、イソプロパノール30質量%で希釈した溶液を正孔輸送層形成用塗布液として、上記陽極を含むPEN基板上に塗布した。塗布はスリットコーターを使用し、液厚みが約30μm、乾燥後の厚みが50〜70nmになるように製膜し、陽極と同じ形状になるように拭き取り部材を接触させて拭き取ることでパターニングを行い、続けて大気中150℃で30分間乾燥・加熱処理し正孔輸送層を形成した。
前記基板を水分濃度が1ppmの窒素雰囲気下に移動し、正孔輸送層上に、クロロベンゼンにP3HT(プレクストロニクス社製:レジオレギュラーポリ−3−ヘキシルチオフェン)とPCBM(フロンティアカーボン社製:6,6−フェニル−C61−ブチリックアシッドメチルエステル)を1:0.8で混合した溶液を調製し、スリットコーターを使用し、液厚みが約30μm、乾燥後の膜厚が180〜200nmになるように塗布を行い、室温で放置して乾燥し、光電変換層を形成した。
次に上記基板を大気中に移動し、脱水メタノールにTi−イソプロポキシドを0.02mol/Lになるように溶解した液を調製し、膜厚10nmになるように塗布を行い、大気中に放置して電子輸送層を製膜した。
作製した試料を真空蒸着チャンバーに搬送し、5×10−4Paまで減圧した真空条件にて、真空蒸着法にてマスクパターンを通し、厚さ100nmのアルミニウムからなる陰極)を形成した。マスクパターンは、5列の素子が長辺側(100mm側)で直列接続(5直列)になるように製膜した。
次いで、上記作製した素子を水分濃度が1ppm以下の窒素環境化に移動し、5列直列で接続した最左端の第1の電極からなる部位(有機層をパターニング除去した領域)、最右端の第2の電極と繋がったリード部を除き、その内部の領域に熱硬化型の液状接着剤(エポキシ系樹脂)を複数のノズルから滴下して厚さ30μmで塗設し、厚さ100μmのアルミ箔を重ねてロールラミネート法(押圧約0.1MPa)により貼合し、150℃で30分間加熱処理をすることで接着剤を硬化させ封止した。
有機薄膜型太陽電池SC−101の作製において、陰極を以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−102を作製した。
有機薄膜型太陽電池SC−101と同様にして電子輸送層まで製膜した試料に、帯状に塗工されるスリットコーターを使用し、ポリエチレンジオキシチオフェン・ポリスチレンスルホネート水分散液(PEDOT/PSS、H.C.スタルク社製 CLEVIOS PH510)を83質量%に対し、イソプロパノール10質量%、DMSO7質量%を混合した溶液を、上述した陰極パターンと同じ形になるように塗工し、大気中、150℃で15分間加熱処理を行い、乾燥膜厚が約280〜300nmの導電性高分子からなる陰極を製膜した。続けて基板を水分濃度が1ppm以下の窒素雰囲気下に移動し、150℃で20分間乾燥した。
有機薄膜型太陽電池SC−102の作製において、電子輸送層と陰極を各々以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−103を作製した。
光電変換層に続き、水分濃度が1ppm以下の窒素雰囲気下において、脱水テトラフルオロプロパノール(TFPO)70質量%と、n−ブタノール30質量%とを混合した液に、ET−Aを1.0質量%となるように溶解し、スリットコーター塗布することで乾燥膜厚20nmの電子輸送層を製膜した。
超純水(18MΩ・cm)200mlに硝酸銀0.6gを溶解し、ヒドロキシメチルセルロース0.3gを加え、液温を10℃に保温した。強撹拌下0.2M水酸化ナトリウム水溶液10mlを液中に高速添加した後、撹拌速度を下げ、10分かけて液温を40℃まで上昇させ、そのまま20分間撹拌して酸化銀の懸濁液を得た。
有機薄膜型太陽電池SC−103の作製において、電子輸送層を以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−104を作製した。
光電変換層に続き、水分濃度が1ppm以下の窒素雰囲気下において、脱水テトラフルオロプロパノール(TFPO)70質量%と、n−ブタノール30質量%とを混合した液に、ET−Aを1.0質量%、有機アルカリ金属塩としてCH3COOCsを0.1質量%となるように溶解し、スリットコーター塗布することで乾燥膜厚20nmの電子輸送層を製膜した。
有機薄膜型太陽電池SC−104の作製において、陰極を以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−105を作製した。
超純水(18MΩ・cm)200mlに硝酸銀0.6gを溶解し、ヒドロキシメチルセルロース0.3gを加え、液温を10℃に保温した。強撹拌下0.2M水酸化ナトリウム水溶液10mlを液中に高速添加した後、撹拌速度を下げ、10分かけて液温を40℃まで上昇させ、そのまま20分間撹拌して酸化銀の懸濁液を得た。作製した懸濁液を、限外ろ過装置を用い50mlまで濃縮後、メタノール:水=1:1の液を150ml加え希釈した。上記の濃縮−希釈を3回繰り返して液洗浄した。
有機薄膜型太陽電池SC−105の作製において、電子輸送層を以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−106を作製した。
光電変換層に続き、水分濃度が1ppm以下の窒素雰囲気下において、脱水テトラフルオロプロパノール(TFPO)70質量%と、n−ブタノール30質量%とを混合した液に、ET−Aを1.0質量%、有機アルカリ金属塩としてHCOOCsを0.13質量%となるように溶解し、スリットコーター塗布することで乾燥膜厚20nmの電子輸送層を製膜した。
有機薄膜型太陽電池SC−105の作製において、電子輸送層を二層積層構造とし、以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−107を作製した。
光電変換層に続き、水分濃度が1ppm以下の窒素雰囲気下において、脱水テトラフルオロプロパノール(TFPO)70質量%と、n−ブタノール30質量%とを混合した液に、化2の材料を1.0質量%、有機アルカリ金属塩としてCH3COOCsを0.05質量%となるように溶解し、スリットコーター塗布することで乾燥膜厚20nmの電子輸送層1を製膜した。
有機薄膜型太陽電池SC−107の作製において、電子輸送層を以下のとおり作製した以外は同様にして、有機薄膜型太陽電池SC−108を作製した。
光電変換層に続き、水分濃度が1ppm以下の窒素雰囲気下において、脱水テトラフルオロプロパノール(TFPO)70質量%と、n−ブタノール30質量%とを混合した液に、化2の材料を1.0質量%となるように溶解し、スリットコーター塗布することで乾燥膜厚20nmの電子輸送層1を製膜した。
〔エネルギー変換効率〕
上記作製した有機薄膜型太陽電池について、ソーラーシミュレーターを用い、AM1.5Gフィルター、100mW/cm2の強度の光を照射し、I−V特性を評価し、特性値として、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)及び開放電圧Voc(V)、フィルファクターffから式1を用いてエネルギー変換効率η(%)を得た。エネルギー変換効率は、有機薄膜型太陽電池SC−101のエネルギー変換効率を100とする相対値で表す。なお、短絡電流密度は、有機太陽電池パネルの有効発電部に相当する面積で規格化して算出した。
〔光、熱耐久性〕
上記作製した有機薄膜型太陽電池について、65℃の環境下、150mW/cm2の放射強度になるようメタルハロゲンランプ光源の光を1000時間光照射し、照射前後のエネルギー変換効率を上述の方法と同様にして評価し、式2に従って耐久性の指標となる保持率(%)を算出した。
評価の結果を表1に示す。
12 陽極(陽極)
13 光電変換層
14 陰極(陰極)
21 基板
22 陽極(陽極)
23 正孔輸送層
24 光電変換層
25 電子輸送層
26 陰極(陰極)
Claims (9)
- 基板上に、少なくとも陽極、光電変換層、電子輸送層及び陰極を有する有機薄膜型太陽電池であって、
前記陰極が少なくとも銀化合物及び還元剤を含む塗布液から形成され、かつ、
前記電子輸送層の少なくとも1層が、前記陰極に隣接した層であり、有機アルカリ金属塩を含有し、
前記有機アルカリ金属塩が、ギ酸Li、ギ酸K、ギ酸Na、ギ酸Cs、酢酸Li、酢酸K、酢酸Na、酢酸Cs、プロピオン酸Li、プロピオン酸Na、プロピオン酸K、プロピオン酸Cs、シュウ酸Li、シュウ酸Na、シュウ酸K、シュウ酸Cs、マロン酸Li、マロン酸Na、マロン酸K、マロン酸Cs、コハク酸Li、コハク酸Na、コハク酸K、コハク酸Cs、安息香酸Li、安息香酸Na、安息香酸K、および安息香酸Csから成る群から選択され、
前記電子輸送層が前記有機アルカリ金属塩を1.5〜35質量%で含有し、
前記電子輸送層の電子輸送材料が以下の群から選択されることを特徴とする有機薄膜型太陽電池。
- 前記銀化合物が酸化銀微粒子を含有するペーストであることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜型太陽電池。
- 前記銀化合物がさらに有機銀化合物を含有するペーストであることを特徴とする請求項2に記載の有機薄膜型太陽電池。
- 前記有機アルカリ金属塩が脂肪族カルボン酸のアルカリ金属塩である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型太陽電池。
- 前記電子輸送層が複数の層からなり、光電変換層側の電子輸送層に対し、陰極側の電子輸送層が前記有機アルカリ金属塩の濃度が高いことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機薄膜型太陽電池。
- 前記光電変換層に最も近い電子輸送層が前記有機アルカリ金属塩を0〜4.8質量%で含有することを特徴とする請求項5に記載の有機薄膜型太陽電池。
- 前記光電変換層に最も近い電子輸送層が有機アルカリ金属塩を含有しないことを特徴とする請求項5または6に記載の有機薄膜型太陽電池。
- 基板上に、少なくとも陽極、光電変換層、電子輸送層及び陰極を積層する有機薄膜型太陽電池の製造方法であって、該陰極が、酸化銀、有機銀の少なくとも1種または2種以上と還元剤とを含むインキの印刷によって形成され、かつ、前記電子輸送層が少なくとも光電変換層と陰極の間にあり、該電子輸送層が、有機アルカリ金属塩がドープされた電荷輸送材料を含有する溶液の塗布によって形成され、
前記有機アルカリ金属塩が、ギ酸Li、ギ酸K、ギ酸Na、ギ酸Cs、酢酸Li、酢酸K、酢酸Na、酢酸Cs、プロピオン酸Li、プロピオン酸Na、プロピオン酸K、プロピオン酸Cs、シュウ酸Li、シュウ酸Na、シュウ酸K、シュウ酸Cs、マロン酸Li、マロン酸Na、マロン酸K、マロン酸Cs、コハク酸Li、コハク酸Na、コハク酸K、コハク酸Cs、安息香酸Li、安息香酸Na、安息香酸K、および安息香酸Csから成る群から選択され、
前記電子輸送層が前記有機アルカリ金属塩を1.5〜35質量%で含有し、
前記電子輸送層の電子輸送材料が以下の群から選択されることを特徴とする有機薄膜型太陽電池の製造方法。
- 有機アルカリ金属塩がドープされていない層を光電変換層上に形成した後、ドープされた層を形成し、続けて陰極を形成することを特徴とする請求項8に記載の有機薄膜型太陽電池の製造方法。
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