(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-225982(P2015-225982A)
(43)【公開日】2015年12月14日
(54)【発明の名称】光発電糸及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 51/44 20060101AFI20151117BHJP
H01L 51/46 20060101ALI20151117BHJP
【FI】
H01L31/04 135
H01L31/04 166
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2014-110732(P2014-110732)
(22)【出願日】2014年5月29日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成25年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「社会課題対応センサーシステム開発プロジェクト」共同研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】390014487
【氏名又は名称】住江織物株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(71)【出願人】
【識別番号】504180239
【氏名又は名称】国立大学法人信州大学
(72)【発明者】
【氏名】池田 佳加
(72)【発明者】
【氏名】杉野 和義
(72)【発明者】
【氏名】布川 正史
(72)【発明者】
【氏名】木村 睦
【テーマコード(参考)】
5F151
【Fターム(参考)】
5F151AA11
5F151BA15
5F151CB13
5F151FA02
5F151FA06
5F151FA07
(57)【要約】 (修正有)
【課題】曲げることが可能で柔軟性に優れると共に、高効率な発電性能を発揮する光発電糸を提供する。
【解決手段】導電線材2を中心としてその周囲に中心側から順に、陰極側バッファー層(ホールブロック層)3、活性層4、透明電極層5、電気取出し線6、封止層(被覆層)7が積層された光発電糸1であって、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層の厚さを5nm〜1000nmにし、かつ、電気取り出しに金属線を使用する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電線材を中心としてその周囲に中心側から順に、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層、電気取出し線、封止層(被覆層)が積層された光発電糸であって、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さを5nm〜1000nmにし、かつ、電気取り出し線が金属線からなり、前記透明電極層上に巻き付けられており、前記封止層(被覆層)が前記透明電極層と透明電極層上に巻き付けられた電気取り出し線を封止していることを特徴とする光発電糸。
【請求項2】
前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)が、酸化チタン(TiOx)、酸化亜鉛(ZnO)から選ばれるn型半導体層からなり、厚さが5nm〜50nmであることを特徴とする請求項1に記載の光発電糸。
【請求項3】
前記活性層が、ポリチオフェン誘導体及びフラーレン誘導体を含む有機半導体層からなることを特徴とする請求項1または2に記載の光発電糸。
【請求項4】
前記活性層において、前記ポリチオフェン誘導体がポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)であって、前記フラーレン誘導体がフェニルC61ブチル酸メチルエステル(PCBM)、フラーレンビスインデン付加体(ICBA)から選ばれる有機半導体層からなり、厚さが100nm〜1000nmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光発電糸。
【請求項5】
前記透明電極層が、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)/ポリスチレンスルホン酸(PSS)の導電性高分子層からなり、厚さが100nm〜1000nmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光発電糸。
【請求項6】
前記電気取出し線が、金、ステンレス、銀から選ばれる金属線からなり、厚さ(太さ)が、20μm〜100μmで、前記透明電極層上に巻き付けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光発電糸。
【請求項7】
前記封止層(被覆層)が、フェニルシリコーン、メチルシリコーン、エポキシシリコーンから選ばれる樹脂層からなり、厚さが50μm〜200μmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光発電糸。
【請求項8】
導電線材の周囲に陰極側バッファー層(ホールブロック層)液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより陰極側バッファー層(ホールブロック層)を得る陰極側バッファー層積層工程と、前記陰極側バッファー層の周囲に活性層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより活性層を得る活性層積層工程と、前記活性層の周囲に透明電極層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより透明電極層を得る透明電極層積層工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付ける電気取出し線巻付け工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付けた周囲上に封止層(被覆層)液を塗工し、熱処理することにより封止層を得る封止層積層工程と順に各工程を実施することを特徴とする光発電糸の製造方法。
【請求項9】
前記各層を塗工する方法は、塗工液中を通過して垂直方向に下から上に一定速度で塗工物を引き上げて塗工し、熱処理し、乾燥し、前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さを5nm〜1000nmとすることを特徴とする請求項8に記載の光発電糸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発電効率の向上した光発電糸及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
地球温暖化をもたらす化石燃料の代替エネルギーとして、風力、地熱、太陽光といった自然エネルギーの活用のための研究開発が進められており、中でも太陽エネルギーを直接電力に変換する太陽電池を利用した太陽光発電の普及が期待されている。
【0003】
太陽電池は、光起電力効果により太陽光を即時に電力に変換するもので、現在ではシリコン太陽電池が主流ではあるが、価格が高く、多くの家庭や事業所に普及するまでには至っていない。近年では、製法が簡便で生産コストを低く抑えることのできる有機化合物を用いた太陽電池の研究開発も行われてきている。
【0004】
このような有機化合物を用いた太陽電池として、特許文献1には、透明材料の管の内面に透明導電層、色素増感多孔質半導体層、電解質層を順に設け、管の中央部分に対極が挿入された構造の色素増感光電変換素子が開示されている。
【0005】
また、出願人は特許文献2に、耐久性に優れると共に、柔軟で高効率な発電性能を発揮する光発電糸として、導電糸の周囲に中心側から順に、活性層、導電性高分子層、及び熱可塑性樹脂層が積層された光発電糸において、該熱可塑性樹脂層の厚さが0.1μm〜50μmで、かつ、該熱可塑性樹脂層の厚さが前記導電糸の直径に対して1/20〜1/5である耐久性に優れた光発電糸を開示している。
【0006】
しかしながら、特許文献1の技術は、布帛にするための製編あるいは製織に好適とはいえず、特許文献2よりもさらに発電効率の向上した光発電糸が求められている。
【特許文献1】特開2007−012545
【特許文献2】特開2012−234959
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、その目的は、曲げることが可能で柔軟性に優れると共に、高効率な発電性能を発揮する光発電糸を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者は、このような課題を解決するために鋭意検討の結果、導電線材を中心としてその周囲に中心側から順に、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層、電気取出し線、封止層(被覆層)が積層された光発電糸であって、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さを5nm〜1000nmにし、かつ、電気取り出しに金属線を使用することによって電気取り出し性能を向上させることができ、高効率な発電性能を有する光発電糸が得られることを見出し本発明に到達した。本発明は以下の手段を提供する。
【0009】
[1]導電線材を中心としてその周囲に中心側から順に、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層、電気取出し線、封止層(被覆層)が積層された光発電糸であって、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さを5nm〜1000nmにし、かつ、電気取り出し線が金属線からなり、前記透明電極層上に巻き付けられており、前記封止層(被覆層)が前記透明電極層と透明電極層上に巻き付けられた電気取り出し線を封止していることを特徴とする光発電糸。
【0010】
[2]前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)が、酸化チタン(TiOx)、酸化亜鉛(ZnO)から選ばれるn型半導体層からなり、厚さが5nm〜50nmであることを特徴とする前項1に記載の光発電糸。
【0011】
[3]前記活性層が、ポリチオフェン誘導体及びフラーレン誘導体を含む有機半導体層からなることを特徴とする前項1または2に記載の光発電糸。
【0012】
[4]前記活性層において、前記ポリチオフェン誘導体がポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)であって、前記フラーレン誘導体がフェニルC
61ブチル酸メチルエステル(PCBM)、フラーレンビスインデン付加体(ICBA)から選ばれる有機半導体層からなり、厚さが100nm〜1000nmであることを特徴とする前項1〜3のいずれか1項に記載の光発電糸。
【0013】
[5]前記透明電極層が、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)/ポリスチレンスルホン酸(PSS)の導電性高分子層からなり、厚さが100nm〜1000nmであることを特徴とする前項1〜4のいずれか1項に記載の光発電糸。
【0014】
[6]前記電気取出し線が、金、ステンレス、銀から選ばれる金属線からなり、厚さ(太さ)が、20μm〜100μmで、前記透明電極層上に巻き付けられていることを特徴とする前項1〜5のいずれか1項に記載の光発電糸。
【0015】
[7]前記封止層(被覆層)が、フェニルシリコーン、メチルシリコーン、エポキシシリコーンから選ばれる樹脂層からなり、厚さが50μm〜200μmであることを特徴とする前項1〜6のいずれか1項に記載の光発電糸。
【0016】
[8]導電線材の周囲に陰極側バッファー層(ホールブロック層)液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより陰極側バッファー層(ホールブロック層)を得る陰極側バッファー層積層工程と、前記陰極側バッファー層の周囲に活性層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより活性層を得る活性層積層工程と、前記活性層の周囲に透明電極層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより透明電極層を得る透明電極層積層工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付ける電気取出し線巻付け工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付けた周囲上に封止層(被覆層)液を塗工し、熱処理することにより封止層を得る封止層積層工程と順に各工程を実施することを特徴とする光発電糸の製造方法。
【0017】
[9]前記各層を塗工する方法は、塗工液中を通過して垂直方向に下から上に一定速度で塗工物を引き上げて塗工し、熱処理し、乾燥し、前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さを5nm〜1000nmとすることを特徴とする前項8に記載の光発電糸の製造方法。
【発明の効果】
【0018】
[1]の発明では、導電線材を中心としてその周囲に中心側から順に、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層、電気取出し線、封止層(被覆層)が積層された光発電糸であって、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さを5nm〜1000nmにしているので、均一な薄膜塗工がなされ、発電効率を向上させることができる。さらに、電気取り出し線が金属線からなり、前記透明電極層上に巻き付けられているので、セル有効面積が小さくなり発電効率は低下するものの、それ以上に電気取り出し性能を向上させることができ、実質のエネルギー変換効率を向上することができる。また、前記封止層(被覆層)が前記透明電極層と透明電極層上に巻き付けられた電気取り出し線を封止しているので、酸素及び水分を遮蔽すると共に、耐久性に優れた光発電糸とすることができる。
【0019】
[2]の発明では、前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)が、酸化チタン(TiOx)、酸化亜鉛(ZnO)から選ばれるn型半導体層からなるので、ホールブロック層を陰極側に形成し、陰極近傍における正孔―電子の再結合を抑制し、整流性が改善され、短絡電流が向上することができる。また、厚さが5nm〜50nmであるので、均一な薄膜塗工がなされ、安定した電子の移動を可能にし、陰極の保護層として有効なものとすることができる。
【0020】
[3]の発明では、前記活性層が、ポリチオフェン誘導体及びフラーレン誘導体を含む有機半導体層からなるので、太陽光の照射により光起電力を発生することができる。
【0021】
[4]の発明では、前記活性層の前記ポリチオフェン誘導体がポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)であって、前記フラーレン誘導体がフェニルC
61ブチル酸メチルエステル(PCBM)、フラーレンビスインデン付加体(ICBA)から選ばれる有機半導体層からなるので、太陽光の照射により光起電力を発生することができ、かつ厚さが100nm〜1000nmであるので高効率な発電性能を発揮する光発電糸とすることができる。
【0022】
[5]の発明では、前記透明電極層が、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)/ポリスチレンスルホン酸(PSS)の導電性高分子層からなり、厚さが100nm〜1000nmであるので安定して活性層3で発生した正孔を取り出すことができる。
【0023】
[6]の発明では、前記電気取出し線が、金、ステンレス、銀から選ばれる金属線からなり、厚さ(太さ)が、20μm〜100μmで、前記透明電極層上に巻き付けられているので、セル有効面積が小さくなり発電効率は低下するのであるが、それ以上に電気取り出し性能を向上させることができるので、実質のエネルギー変換効率を向上することができる。
【0024】
[7]の発明では、前記封止層(被覆層)が、フェニルシリコーン、メチルシリコーン、エポキシシリコーンから選ばれる樹脂層からなるので、150℃未満の温度で硬化することができ、有機半導体層に熱ダメージを与えずに硬化させることができる。また、これらの樹脂層は、2mm厚フィルム状態での波長400nmの光透過率が70%以上であるので、照射される光エネルギーの損失をおさえることができる。さらにこれらの樹脂は、室温で粘度が1Pa・S〜35Pa・Sであるので、厚さが50μm〜200μmでの塗工が可能となる。50μm〜200μmの厚さで塗工を行うことで酸素及び水分を遮蔽し、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層、電気取出し線を保護するとともに、光発電糸に耐久性を付与することができる。
【0025】
[8]の発明では、導電線材の周囲に陰極側バッファー層(ホールブロック層)液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより陰極側バッファー層(ホールブロック層)を得る陰極側バッファー層積層工程と、前記陰極側バッファー層の周囲に活性層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより活性層を得る活性層積層工程と、前記活性層の周囲に透明電極層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより透明電極層を得る透明電極層積層工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付ける電気取出し線巻付け工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付けた周囲上に封止層(被覆層)液を塗工し、熱処理することにより封止層を得る封止層積層工程と順に実施するので、耐久性に優れ、柔軟で高効率な発電性能を発揮する光発電糸の製造方法とすることができる。
【0026】
[9]の発明では、前記各層を塗工する方法が、塗工液中を通過して垂直方向に下から上に一定速度で塗工物を引き上げて塗工し、熱処理し、乾燥する方法とするので、前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層の厚さを5nm〜1000nmと非常に薄い膜厚に制御して塗工することができる光発電糸の製造方法とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
本発明に係る光発電糸の一実施形態を
図1及び
図2に示す。本実施形態の光発電糸1は、導電線材2の周囲に中心側から順に、陰極側バッファー層(ホールブロック層)3、活性層4、透明電極層5、電気取出し線6、封止層(被覆層)7が積層された光発電糸である。
【0028】
導電線材2としては、例えば金属(アルミニウム、ステンレス、金、銀等)薄膜を蒸着処理した繊維、無機繊維(ステンレス線、銅線、アルミニウム線、金線、銀線等)、導電性繊維(カーボン練り込み繊維、導電性高分子からなる繊維)等を採用することができる。中でも導電性と表面均一性に優れた無機繊維が好ましく、ステンレス線は耐久性に優れ好ましい。導電線材2の太さは、選定する導電線材によるが、ステンレス線の場合は0.05mm〜0.8mmの範囲が好ましい。0.05mmより細くなると、発電糸の強度が弱くなり、取扱いが困難となり好ましくない。また、0.8mmより太くなると、発電糸の柔軟性が不充分となるので好ましくない。また、ステンレス線は、表面に凹凸のないものが好ましい。表面に凹凸があると陰極側バッファー層(ホールブロック層)3の塗工ムラとなり、均一な薄膜が得られない。
【0029】
陰極側バッファー層(ホールブロック層)3は、酸化チタン(TiOx)、酸化亜鉛(ZnO)から選ばれるn型半導体層からなり、厚さが5nm〜50nmであることがより好ましい。厚さが5nm未満では、均一な薄膜が得られなかったり、ホールブロック効果が十分に得られない。また、50nmを超えた厚さにすると、絶縁性が高くなり、また柔軟性のある光発電糸とならない。
【0030】
導電線材2の周囲に陰極側バッファー層(ホールブロック層)3を塗工する方法は、
図3のように塗工液9を溜める容器の中央部に導電線材2の通過する穴を有した容器8を用い、塗工液中から導電線材を垂直方向に引き上げて塗布する方法が好ましい。均一な塗工薄膜を得るためには、導電線材2の径に合わせた、前記容器の穴径の選定、塗工液の粘度や塗工物の取り出しスピード等の調整が必要となる。さらに塗工液を塗工した導電線材を大気下で熱処理し、乾燥して陰極側バッファー層(ホールブロック層)3を導電線材2に固着する。また熱処理温度は、溶媒にもよるが、200〜300℃、30〜90分間でよい。
【0031】
陰極側バッファー層(ホールブロック層)3の塗工液は、例えばチタニウムテトライソプロポキシド、酢酸亜鉛水和物、ポリフルオレン等をエタノール、メチルセロソルブ等の溶媒に溶解して用いるのが好ましい。
【0032】
このように、本発明においては、導電線材の周囲に陰極側バッファー層(ホールブロック層)液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより陰極側バッファー層(ホールブロック層)を得る工程を陰極側バッファー層(ホールブロック層)積層工程といい、以下それぞれ活性層を得る工程を活性層積層工程と、透明電極層を得る工程を透明電極層積層工程と、透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付ける工程を電気取出し線巻付け工程と、封止層を得る工程を封止層積層工程という。
【0033】
陰極側バッファー層(ホールブロック層)積層工程と、活性層積層工程と、透明電極層積層工程は、
図3のような方法でそれぞれの塗工液を塗布し、熱処理し、乾燥する。活性層積層工程と透明電極層積層工程は、酸素濃度1%以下の不活性ガス雰囲気下で塗工液を塗布し、熱処理し、乾燥するのが好ましいが、その他の工程については大気下でもかまわない。酸素濃度1%以下の不活性ガス雰囲気下で熱処理し、乾燥するのは、発電性能を低下させる酸素を遮蔽するために行うものである。陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層のそれぞれの厚さは、5nm〜1000nmにするのが好ましい。均一な薄膜塗工がなされ、発電効率を向上させることができる。
【0034】
活性層4としては、ポリチオフェン誘導体及びフラーレン誘導体を溶媒に溶解した塗工液を作成し、
図3のような方法で塗布し乾燥する。活性層4は、ポリチオフェン誘導体及びフラーレン誘導体からなり、電子供与性のポリチオフェン誘導体がドナー、電子吸引性の強いフラーレン誘導体がアクセプターとして働くので、太陽光の照射により活性層内部で光を吸収し励起子が生成し、光起電力が生じることで、高効率な光発電糸とすることができる。
【0035】
ポリチオフェン誘導体としては、安定して高い開放電圧を与えるポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)が好ましい。また、フラーレン誘導体としては、フラーレン骨格を有するものであれば特に限定されないが、例えば、フェニルC
61ブチル酸メチルエステル(PCBM)、フラーレンビスインデン付加体(ICBA)を挙げることができる。溶媒としては、例えばクロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン、トルエン等を挙げることができ、3〜8mPa・Sの粘度に調整をして使用するのが好ましい。
【0036】
活性層4の厚さは100nm〜1000nmであることがより好ましい。厚さが100nm未満では均一な薄膜が得られないため、また膜が薄くなることで光照射により生じる励起子の数も少なくなるため、発電性能が低下する。また、1000nmを超えた厚さにすると、光を吸収し励起子が生成しても接合界面にたどり着く前に再結合してしまい失活してしまう。
【0037】
透明電極層5としては、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)/ポリスチレンスルホン酸(PSS)の導電性高分子層からなり、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)にポリスチレンスルホン酸(PSS)がドープされた混合物は活性層4で発生した正孔(ホール)を安定的に取り出すので、高効率な光発電糸とすることができる。透明電極層塗工液の粘度は、10〜30mPa・Sの粘度で、濡れ性改善のため界面活性剤を添加するのが好ましい。
【0038】
透明電極層5の厚さは100nm〜1000nmであることがより好ましい。厚さが100nm未満では均一な薄膜が得られなかったり、安定した正孔(ホール)の移動が得られない。また、1000nmを超えた厚さにすると、透明電極層内の膜抵抗が大きくなり、さらに、光透過率も低下するため、照射光が活性層まで到達せず発電性能の低下につながる。
【0039】
電気取出し線6としては、金、ステンレス、銀、銅、ニッケル、錫等から選ばれる金属線、あるいはこれらの金属がメッキされた金属線を採用することができる。これらの金属線は、導電性がよく、透明電極層上に巻き付けられているので、透明電極層5に溜まった電荷を効率的に取り出すことができる。また、電気取出し線6は、厚さ(太さ)が、20μm〜100μmであるが好ましい。20μmを下回る厚さでは、強度が弱く透明電極層に巻き付けられない。また、100μmを超える厚さでは、硬く、透明電極層を傷つけて巻き付けられない。
【0040】
封止層(被覆層)7は、フェニルシリコーン、メチルシリコーン、エポキシシリコーンから選ばれる150℃未満の温度で硬化する透明封止用液状樹脂材料からなり、酸素及び水分を遮蔽し、陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層、電気取出し線を保護すると共に、光発電糸に耐久性を付与するために、50μm〜200μmの厚みで塗工することが好ましい。50μmを下回る厚さでは、光発電糸を完全に被覆することができず、200μmを超える厚みでは光透過率が低くなりすぎるため発電性能が低下してしまう。また、封止層(被覆層)7の硬化に要する温度としては150℃未満の温度が好ましい。150℃を超える温度では、光発電糸が熱によって劣化し発電性能が低下してしまう。そのため、室温に近い硬化温度を有する透明封止用液状樹脂材料を用いることがより好ましい。
【0041】
封止層(被覆層)7を透明電極層、電気取出し線上に塗工する方法は、他の各層の塗工方法と同様に、
図3のように塗工液を溜め、中央部に塗工物の通過する穴を有した容器を用い、塗工液中から塗工物を垂直方向に引き上げて塗布する方法が好ましい。その後熱処理し、透明封止用液状樹脂材料を硬化させて封止層(被覆層)7を形成してやればよい。
【0042】
本発明に係る光発電糸1の製造方法は、導電線材の周囲に陰極側バッファー層(ホールブロック層)液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより陰極側バッファー層(ホールブロック層)を得る陰極側バッファー層積層工程と、前記陰極側バッファー層の周囲に活性層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより活性層を得る活性層積層工程と、前記活性層の周囲に透明電極層液を塗工し、熱処理し、乾燥することにより透明電極層を得る透明電極層積層工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付ける電気取出し線巻付け工程と、前記透明電極層の周りに電気取出し線を巻き付けた周囲上に封止層(被覆層)液を塗工し、熱処理することにより封止層を得る封止層積層工程と順に実施することを特徴とする。
【0043】
また、本発明に係る光発電糸1の製造方法では、前記各層を塗工する方法が、
図3に示すような構造を有する容器8に塗工液9を溜め、該塗工液中を通過して垂直方向に下から上に一定速度で塗工物を引き上げて塗工し、熱処理し乾燥する方法を特徴とする。したがって、この塗工を行う場合、塗工液の濃度、粘度管理は重要で、前記陰極側バッファー層(ホールブロック層)、活性層、透明電極層の厚さをそれぞれ5nm〜1000nmと非常に薄い膜厚に制御して塗工することを特徴とする。
【実施例】
【0044】
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例のものに特に限定されるものではない。なお、試験方法及び評価は次の通り行った。
【0045】
(ソーラーシミュレーター特性評価)
擬似太陽光(AM1.5 100mW/cm
2 エアマスクフィルタを装置したソーラーシュミレーター 分光計器製OTENTO−SUN III)を照射し、ソースメーターユニット(KEITHLEY2400)を用いて、太陽電池性能(短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、FF(曲線因子)、エネルギー変換効率(PCE))を調べた。照射される光量の校正については、JIS C8931に準じた標準セルで校正した。エネルギー変換効率が1.0%以上を◎、1.0%未満〜0.1%以上○、0.1%未満を×として評価した。
【0046】
(各層厚の測定方法)
光発電糸を数箇所割断し、割断面をSEMで観察。得られたSEM画像より各層の膜厚を計測した。
【0047】
<実施例1>
次の(1)〜(5)の工程を順に加工して光発電糸を作成した。
(1) 導電線材2として直径0.1mmのステンレス線を用意した。陰極側バッファー層(ホールブロック層)塗工液として酢酸亜鉛水和物をメチルセロソルブ溶媒に常温で4重量%溶解し、粘度3mPa・Sの塗工液を用意し、中央部の穴径が0.8mmの
図3の容器に入れた。次に前記ステンレス線を前記容器の穴の中央にセットし、10mm/Secの塗工スピードで垂直方向に引き上げて塗工した。次に酸化亜鉛の塗工されたステンレス線を乾燥機にて250℃×1時間で乾燥させ、乾燥機内で10時間徐冷して、陰極側バッファー層(ホールブロック層)の塗工を行った。陰極側バッファー層の厚さは20nmであった。
【0048】
(2) 次に、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)とフェニルC
61ブチル酸メチルエステル(PCBM)を2対1に混合し、クロロベンゼン30%オルトジクロロベンゼン70%の溶媒に常温で3重量%溶解し、粘度2mPa・Sの活性層塗工液を用意し、中央部の穴径が1mmの
図3の容器に入れた。次に前記(1)で作成した陰極側バッファー層の塗工されたステンレス線を前記容器の穴の中央にセットし、20mm/Secの塗工スピードで垂直方向に引き上げて活性層を塗工した。次に酸素濃度1%以下の不活性ガス雰囲気下において該ステンレス線を145℃×15分間乾燥させ、次に10分間徐冷して、活性層の塗工を行った。活性層の厚さは300nmであった。
【0049】
(3) 次に、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)/ポリスチレンスルホン酸(PSS)水溶液95重量%とエチレングリコール5重量%の溶液にフッ素系界面活性剤を0.5体積%加えて、粘度20mPa・Sの透明電極層塗工液を用意し、中央部の穴径が2mmの
図3の容器に入れた。次に前記(2)で作成した活性層の塗工されたステンレス線を前記容器の穴の中央にセットし、40mm/Secの塗工スピードで垂直方向に引き上げて透明電極層を塗工した。次に酸素濃度1%以下の不活性ガス雰囲気下で該ステンレス線を120℃×10分間で乾燥させ、10分間徐冷して、透明電極層の塗工を行った。透明電極層の厚さは300nmであった。
【0050】
(4) 次に、電気取出し線としては、直径40μmの金線を用意し、前記(3)で作成した透明電極層上に5mmピッチで巻き付けて、電気取出し線とした。
【0051】
(5) 次に、粘度3000mPa・Sのフェニルシリコーンの溶液を用意し、中央部の穴径が5mmの
図3の容器に入れた。次に前記(4)で作成した透明電極層上に電気取出し線を巻きつけたステンレス線を前記容器の穴の中央にセットし、0.4mm/Secの塗工スピードで垂直方向に引き上げて封止層を塗工した。次に該ステンレス線を乾燥機にて120℃×10分間で乾燥させ、乾燥機外に出し10分間徐冷して、封止層の塗工を行った。封止層の厚さは100μmであった。
【0052】
こうして得られた光発電糸に擬似太陽光を照射し、エネルギー変換効率(PCE))を調べたところ表1のように良好な光発電糸が得られた。
【0053】
<実施例2>
導電線材2として直径0.8mmの銅線を用意し、陰極側バッファー層(ホールブロック層)塗工液としてチタニウムテトライソプロポキシドをエタノールに常温で0.4重量%溶解し、粘度2mPa・Sの塗工液を用意し、前記銅線に塗工し、熱処理し、乾燥して陰極側バッファー層の厚さが50nmとなった以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0054】
<実施例3>
実施例1において活性層の塗工スピードを40mm/Secにした以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。活性層の厚さは600nmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0055】
<実施例4>
活性層塗工液として、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)とフラーレンビスインデン付加体(ICBA)を2対1に混合し、クロロベンゼン30%オルトジクロロベンゼン70%の溶媒に常温で3重量%溶解し、粘度2mPa・Sの活性層塗工液を用意した以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。活性層の厚さは300nmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0056】
<実施例5>
実施例1において、活性層の塗工スピードを3mm/Secとした以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。活性層の厚さは110nmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0057】
<実施例6>
電気取出し線として、直径80μmの銀線を用意した以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0058】
<実施例7>
封止層塗工液として、粘度4000mPa・Sのエポキシシリコーンの溶液を用意した以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。封止層の厚さは180μmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0059】
<実施例8>
実施例1において、陰極側バッファー層(ホールブロック層)の塗工スピードを5mm/Secとした以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。陰極側バッファー層の厚さは5nmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0060】
<実施例9>
実施例1において、活性層の塗工スピードを3mm/Secとした以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。活性層の厚さは110nmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0061】
<実施例10>
実施例1において、透明電極層の塗工スピードを20mm/Secとした以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。透明電極層の厚さは100nmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0062】
<実施例11>
実施例1において、封止層塗工液の樹脂をメチルシリコーンとし、塗工スピードを0.8mm/Secとした以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。封止層の厚さは60μmであった。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0063】
<実施例12>
電気取出し線としては、直径60μmのステンレス線を用意した以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。光発電糸のエネルギー変換効率は表1のような結果が得られた。
【0064】
<比較例1〜10>
表2のように塗工スピードと塗工液粘度を調整して、各層の厚さを変化させた光発電糸を作成し、エネルギー変換効率を確認した。表2のような結果が得られた。なお、比較例9では、エネルギー変換効率は良好で◎と評価されているが、封止層が薄く、電気取出し線が露出しており、耐久性に問題のあるものであった。
【0065】
<比較例11>
電気取出し線としては、直径50μmの銅線を用意した以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。光発電糸のエネルギー変換効率は表2のような結果が得られた。
【0066】
<比較例12>
電気取出し線を透明電極層上に巻かずにフェニルシリコーンの封止層の塗工を行った以外は実施例1と同様にして光発電糸を得た。光発電糸のエネルギー変換効率は表2のような結果が得られた。
【0067】
【表1】
【0068】
【表2】
【図面の簡単な説明】
【0069】
【
図1】本発明に係わる光発電糸の一実施形態を示す概略図である。
【
図2】本発明に係わる光発電糸の一実施形態を示す概略断面図である。
【
図3】本発明に係わる光発電糸の各層の塗工液を溜め、塗工するための容器を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【0070】
1・・・光発電糸
2・・・導電線材
3・・・陰極側バッファー層(ホールブロック層)
4・・・活性層
5・・・透明電極層
6・・・電気取出し線
7・・・封止層(被覆層)
8・・・容器(塗工液を溜め、中央部に塗工物の通過する穴を有した容器)
9・・・塗工液
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明に係る光発電糸は、例えば製編あるいは製織し布帛にすることで、曲げることが可能で、柔軟性に優れ、発電効率の向上した光発電布帛として応用できる。