特許 6010649 太陽電池モジュールおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6010649

(24)【登録日】2016年9月23日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】太陽電池モジュールおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 51/44 20060101AFI20161006BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 124

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-46239(P2015-46239)

(22)【出願日】2015年3月9日

(65)【公開番号】特開2016-167511(P2016-167511A)

(43)【公開日】2016年9月15日

【審査請求日】2015年3月9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２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 有機薄膜太陽電池モジュールの創製に関する研究開発（新構造モジュールの研究開発）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118876

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 順生

(72)【発明者】

【氏名】森 茂彦

(72)【発明者】

【氏名】五反田 武志

(72)【発明者】

【氏名】中尾 英之

(72)【発明者】

【氏名】丁 香美

(72)【発明者】

【氏名】松井 明洋

(72)【発明者】

【氏名】大岡 青日

(72)【発明者】

【氏名】都鳥 顕司

【審査官】 井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０９６０９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２３５９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０３８９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１００８８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８、３１／１８−３１／２０、

５１／４２−５１／４８

Ｈ０２Ｓ １０／００−５０／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明な基板上に設けられ直列に接続された複数のセルを備え、各セルは、前記基板上に設けられた透明な第１電極と、前記第１電極の上面および側面に設けられた有機光電変換膜と、前記有機光電変換膜の上面にのみ設けられた金属製の第２電極と、を有し、
第２段以降のセルにおいて、当該セルの前記第１電極、前記有機光電変換膜、および前記第２電極の、前段のセル側の側面はそれぞれ、前段のセルの前記第２電極の、当該セル側の側面よりも前段のセル側に位置している太陽電池モジュール。

【請求項2】

各セルにおいて、当該セルの前記第２電極の、前段のセル側の側面と反対側の側面は、当該セルの前記有機光電変換膜の前段のセル側の側面と反対側の側面と同じ位置にある請求項１記載の太陽電池モジュール。

【請求項3】

前記有機光電変換膜は、正孔輸送層と、電子輸送層と、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との間に設けられた光電変換層と、を備えている請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。

【請求項4】

各セルにおいて、前記有機光電変換膜は前記第１電極の前記上面の一部の領域および前記側面に設けられ、前記第２電極は前記有機光電変換膜の前記上面の一部の領域に設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。

【請求項5】

透明な基板上に設けられ直列に接続された第１のセルと第２のセルを備え、
前記第１のセルおよび前記第２のセルは、前記基板上に設けられた透明な第１電極と、前記第１電極の上面および側面に設けられた有機光電変換膜と、前記有機光電変換膜の上面にのみ設けられた金属製の第２電極と、を有し、
前記第２のセルの前記第１電極、前記有機光電変換膜、および前記第２電極の側面はそれぞれ、前記第１のセルの前記第２電極の側面より前記第１のセル側に位置している太陽電池モジュール。

【請求項6】

透明な基板上に互いに分離された第１部分と、第２部分とを有する透明な第１電極を形成する工程と、
前記第１電極における前記第１部分の上面の一部および前記第２部分側の側面を覆う第３部分と、前記第１電極における前記第２部分の上面の一部および前記第１部分と反対側の側面を覆う第４部分とを有する第１有機光電変換膜を形成する工程と、
前記第１有機光電変換膜における第３部分の上面の前記第４部分側の一部のみを覆う第５部分と、前記第１有機光電変換膜における前記第４部分の上面の前記第３部分と反対側の一部のみを覆う第６部分とを有する金属製の第２電極を形成する工程と、
前記第２電極における第５部分の上面の一部を覆う第７部分と、前記第１電極の前記第２部分に接続する第８部分と、を有し、前記第１電極と同じ材料の連続した第３電極を形成する工程と、
前記第３電極における前記第７部分の上面の一部を覆う第９部分と、前記第１有機光電変換膜の前記第４部分に接続する第１０部分と、を有し、前記第１有機光電変換膜と同じ構成を有する連続した第２有機光電変換膜を形成する工程と、
前記第２有機光電変換膜における前記第９部分の上面の一部のみを覆う第１１部分と、前記第２電極の前記第６部分に接続する第１２部分と、を有し、前記第２電極と同じ材料の連続した第４電極を形成する工程と、を備えた太陽電池モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、太陽電池モジュールおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

有機光電変換素子として、例えば、有機薄膜太陽電池が知られている。有機薄膜太陽電池は、導電性ポリマー、フラーレン等を組み合わせた有機薄膜半導体を用いた太陽電池である。有機薄膜太陽電池は、シリコン、ＣＩＧＳ(Copper Indium Gallium DiSelenide)、ＣｄＴｅなどの無機系材料をベースとした太陽電池に比べて光電変換膜を塗布または印刷という簡便な方法で生産でき、低コスト化できる可能性がある。その反面、有機薄膜太陽電池の変換効率は、従来の無機系太陽電池と比較して低いという問題を有していた。

【0003】

一方、有機薄膜太陽電池の効率は近年飛躍的に向上しており、１９９５年ごろは効率が２％〜３％だったものが、２０１４年には１１％台にまで増加している。

【0004】

有機薄膜太陽電池モジュールの光電変換効率を向上させる方法の１つはモジュールの開口率を上げることである。開口率は、
開口率＝発電面積／（発電面積＋非発電面積）
の関係式を有しているので、開口率を上げるためには、非発電面積を小さくし、発電面積を大きくすることである。非発電面積の部分はセル間の背面電極の部分に相当する。しかし、非発電面積の部分は、背面電極用蒸着マスクの強度制限から１ｍｍ程度以下にすることは困難である。したがって、開口率の増加には発電面積を広くする、すなわち、セルの幅を大きくすることが重要である。

【0005】

また、光電変換効率の増加に伴い短絡電流の密度も増加している。短絡電流の密度が増加すると、セルの透明電極を流れる電荷の抵抗損失も無視できなくなる。この問題を回避するためには、セルの幅を小さくすることである。ところが、セルの幅を小さくすることは、発電面積を小さくすることに対応し、その結果、開口率が減少してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−２８４６６号公報

【特許文献2】特開２００４−３０３４６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本実施形態は、光電変換効率が高い太陽電池モジュールおよびその製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本実施形態の太陽電池モジュールは、基板上に設けられ直列に接続された複数のセルを備え、各セルは、前記基板上に設けられた第１電極と、前記第１電極の上面および側面に設けられた有機光電変換膜と、前記有機光電変換膜の上面に設けられた第２電極と、を有し、第２段以降のセルにおいて、前記第１電極、前記有機光電変換膜、および前記第２電極の、前段のセル側の側面はそれぞれ、前段のセルの前記第２電極の、前段のセルと反対側の側面よりも前段のセル側に位置している。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に至る経過を説明する太陽電池モジュールの例を示す断面図。

【図2】第１実施形態による太陽電池モジュールを示す断面図。

【図3】有機光電変換膜の構成を示す断面図。

【図4】図４Ａ乃至図４Ｆは、第１実施形態の太陽電池モジュールの製造工程を示す断面図。

【図5】図５Ａ乃至図５Ｄは、第２実施形態の太陽電池モジュールの製造工程を示す断面図。

【図6】第３実施形態による太陽電池モジュールを示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

【0011】

実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。

【0012】

太陽電池モジュールは、直列に接続された複数のセルを有し、このセルは、透明な基板と、この透明な基板上に設けられた透明な第１電極と、この第１電極上に設けられた有機光電変換膜と、この有機光電変換膜上に設けられた第２電極（背面電極）と、を備えている。

【0013】

このような構成を有する太陽電池モジュールの例を図１に示す。この例の太陽電池モジュール１００は直列に接続された複数のセル１_１、１_２を有し、各セル１_ｉ（ｉ＝１，２）は、透明な基板１０上に設けられた透明な第１電極１２と、この第１電極１２上に設けられた有機光電変換膜１４と、有機光電変換膜１４上に設けられた第２電極１６と、を備えている。各電池セルにおいて、有機光電変換膜１４は第１電極１２の上面の一部と、側面とを覆っている。第２電極１６は、有機光電変換膜１４の上面の一部と、側面とを、覆うとともに、次段の電池セルの第１電極１２の上面の側面および上面の一部に接続される。

【0014】

この第１例の太陽電池モジュール１００においては、セル１_１の発電領域は、有機光電変換膜の上面に位置する第２電極１６の端部から第１電極１２のセル１_２側の端部までの領域であり、電池セル１_１の非発電領域は、第１電極１２のセル１_２側の端部からセル１_２の第２電極１６の有機光電変換膜１４の上面に位置する端部までの領域となる。各セル１_ｉ（ｉ＝１，２）の発電領域の幅を１２ｍｍとし、セル１_ｉの非発電領域の幅を１ｍｍとする。このとき、各セル１_ｉ（ｉ＝１，２）の開口率は１２ｍｍ／（１２ｍｍ＋１ｍｍ）＝９２％である。開口率を上げるためには、非発電領域の面積を小さくし、発電領域の面積を大きくする必要がある。非発電領域の面積部分はセル間の第２電極部分に相当する。

【0015】

太陽電池モジュールのサイズが大きくなると、第２電極用蒸着マスクにおける非発電領域の面積部分の剛性が低下するため、非発電領域の面積部分への正確な位置決めが困難になる。

【0016】

したがって、第２電極用蒸着マスクの非発電領域の面積部分の幅は約１ｍｍに制限される。よって、開口率の増加には発電領域の面積を広くする、すなわち、セルの幅を大きくすることが重要である。

【0017】

また、光電変換効率の増加に伴い短絡電流密度も増加する。短絡電流密度が増加すると、セルの透明電極（第１電極）を流れる電荷の抵抗損失も無視できなくなる。この問題を回避するためには、セルの発電領域の幅を小さくすることである。

【0018】

ところが、セルの発電領域の幅を小さくすることは、発電領域の面積を小さくすることに対応し、その結果、開口率が減少してしまう。例えば、図１に示す例おいて、発電領域の幅を１２ｍｍから６ｍｍに減少させた場合は、開口率は６ｍｍ／（６ｍｍ＋１ｍｍ）＝８６％に減少する。

【0019】

そこで、本発明者達は、短絡電流密度の増加による透明電極の直列抵抗成分の増加に起因する光電変換効率の低下を抑制するために、各セルの発電領域の幅を小さくしても高い開口率が得られることで光電変換効率が高い太陽電池モジュールを発明した。この太陽電池モジュールを以下に実施形態として説明する。

【0020】

（第１実施形態）
第１実施形態による太陽電池モジュールを図２に示す。この実施形態の太陽電池モジュール１００は、直列に接続された複数のセル１_１、１_２、１_３を有し、各セル１_ｉ（ｉ＝１，２，３）は、透明な基板１０上に設けられた透明な第１電極１２と、この第１電極１２上に設けられた有機光電変換膜１４と、有機光電変換膜１４上に設けられた第２電極１６と、を備えている。有機光電変換膜１４は、図３に示すように、第１キャリア輸送層１４_１と、光電変換層１４_２と、第２キャリア輸送層１４_３とがこの順序で積層された積層膜である。第１キャリア輸送層１４_１が正孔輸送層であれば、第２キャリア輸送層１４_３は電子輸送層である。また、第１キャリア輸送層１４_１が電子輸送層であれば、第２キャリア輸送層１４_３は正孔輸送層である。光電変換層は、有機Ｐ型半導体と有機Ｎ型半導体が混合したバルクヘテロジャンクション構造を有する。なお、本明細書では、透明であるとは、光の透過率が６０％以上であることを意味し、半透明であるとは、光の透過率が３０％以上６０％未満であることを意味する。

【0021】

各セルにおいて、有機光電変換膜１４は第１電極１２の上面の一部と、側面とを覆っている。第２電極１６は、有機光電変換膜１４の上面の一部と、側面とを、覆っている。第１段のセル１_１より後の段のセル１_ｉ（ｉ＝２，３）のそれぞれは、第１電極１２が前段のセル１_ｉ−１の第２電極１６の上面の一部と側面とを覆っている。すなわち、第２段以降の各セルは、前段のセルと一部分が重なるように設けられている。なお、第１実施形態においては、第２段以降のセル１_ｉ（ｉ＝２，３）においては、第１電極１２、有機光電変換膜１４、および第２電極１６の、前段のセル１_ｉ−１側の端面、すなわち図面上で左側の端面はそれぞれ、前段のセル１_ｉ−１の第２電極１６の右側の端面（側面）よりも前段のセル１_ｉ−１側に位置している。また、太陽電池モジュール１００が受ける光は、基板１０に対して各セルが設けられた側と反対側から入射する。

【0022】

この第１実施形態の太陽電池モジュール１００においては、第１段のセル１_１の発電領域は、第２電極１６の左側の端面から有機光電変換膜１４の右側の端面までの領域である。また、第２段以降の各セル１_ｉ（ｉ＝２，３）においては、発電領域は、前段のセル１_ｉ−１の第２電極１６の右側の側面から有機光電変換膜１４の右側の側面までの領域である。そして隣接するセルにおける非発電領域は、第２電極１６の厚さに相当する領域である。各セルの第１電極１２、有機光電変換膜１４、第２電極１６がそれぞれ、メニスカス塗布法により形成される場合は、それぞれの厚さが０．１ｍｍの精度で形成することが可能である。すなわち、第２電極１６の厚さを０．１ｍｍとすることが可能となるので、非発電領域は幅が０．１ｍｍとなる。発電領域を図１に示す場合と同様に、１２ｍｍとすると、第１実施形態の太陽電池モジュールにおける開口率は、１２／（１２＋０．１）＝９９．２％となる。

【0023】

以上説明したように、本実施形態によれば、図１に示す場合に比べて、非発電領域の幅を狭くすることが可能となるので、発電領域の幅を小さくしても高い開口率を得ることができる。すなわち、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを得ることができる。

【0024】

（製造方法）
次に、第１実施形態の太陽電池モジュールの製造方法について、図４Ａ乃至図４Ｆを参照して説明する。図４Ａ乃至図４Ｆは、太陽電池モジュールの製造方法を示す上面図である。

【0025】

まず、透明な基板１０上に第１段のセル１_１の第１電極１２を塗布法により形成する（図４Ａ）。この第１電極１２の上面の一部を覆うように第１段のセル１_１の有機光電変換膜１４を塗布法により形成する（図４Ｂ）。この有機光電変換膜１４の上面の一部を覆うように第１段のセル１_１の第２電極１６を塗布法により形成する（図４Ｃ）。続いて、図４Ｄに示すように、第１段のセル１_１の第２電極１６の上面の一部を覆うように、第２段のセル１_２の第１電極１２を塗布法により形成する。この第１電極１２の上面の一部を覆うように第２段のセル１_２の有機光電変換膜１４を塗布法により形成する（図４Ｅ）。この有機光電変換膜１４の上面の一部を覆うように第２段のセル１_２の第２電極１６を塗布法により形成する（図４Ｆ）。以下、上述した工程を繰り返すことにより、直列に接続された複数のセルを備えた第１実施形態の太陽電池モジュールが完成する。なお、上記製造方法においては、有機光電変換膜１４は同じセルの第１電極１２の側面も覆い、第２電極１６は同じセルの有機光電変換膜の側面も覆うように形成される。

【0026】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による太陽電池モジュールを図５Ａ乃至図５Ｄを参照して説明する。図５Ａ乃至図５Ｄは、第２実施形態の太陽電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。

【0027】

まず、図５Ａに示すように、透明な基板１０上に、複数のセル１_１、１_２の基本構造（太陽電池素子）２_１、２_２を形成する。各基本構造２_ｉ（ｉ＝１，２）は、基板１０上に形成された透明な第１電極１２と、この第１電極１２の上面の一部を覆う有機光電変換膜１４と、この光電変換膜１４の上面の一部を覆う第２電極１６とを有している。これらの基本構造２_１、２_２は、基板１０上に互いに分離して形成される。更に各基本構造２_ｉ（ｉ＝１，２）においては、第２電極１６は、その右側の端面が有機光電変換膜１６の右側の端面に一致するように形成される。各基本構造２_ｉ（ｉ＝１，２）において、第１電極１２、有機光電変換膜１４、および第２電極１６はそれぞれ、塗布法を用いて形成される。

【0028】

続いて、図５Ｂに示すように、第１電極１２と同じ材料を用いて、基本構造２_１の第２電極１６の上面の一部を覆うとともに基本構造２_２の第１電極１２の左側の側面に接続するように、第１セル１_１の第１電極１２を形成する。これにより、第１セル１_１の基本構造２_１と第２セル１_２の基本構造２_２が直列に接続される。

【0029】

その後、図５Ｃに示すように、有機光電変換膜１４と同じ材料を用いて、基本構造２_２の第１電極１２の上面における一部の領域を覆うとともに基本構造２_２の有機光電変換膜１４の左側の側面に接続するように、セル１_２の有機光電変換膜１４を形成する。

【0030】

続いて、図５Ｄに示すように、第２電極１６と同じ材料を用いて、第２セル１_２の基本構造２_２の有機光電変換膜１４の上面における一部の領域を覆うとともに基本構造２_２の第２電極１６の左側の側面に接続するように、第２セル１_２の第２電極１６を形成する。

【0031】

このようにして製造された太陽電池モジュールにおいては図５Ｄに示すように、隣接するセル間には非発電領域が存在しない。このため、開口率は１００％となる。

【0032】

なお、第２実施形態においては、第１実施形態と同様に、第２段以降のセル１_ｉ（ｉ＝２）においては、第１電極１２、有機光電変換膜１４、および第２電極１６の、前段のセル１_ｉ−１側の端面、すなわち図面上で左側の端面はそれぞれ、前段のセル１_ｉ−１の第２電極１６の右側の端面（側面）よりも前段のセル１_ｉ−１側に位置している。また、太陽電池モジュール１００が受ける光は、基板１０に対して各セルが設けられた側と反対側から入射する。

【0033】

以上説明したように、本実施形態によれば、隣接するセル間の非発電領域を無くすことが可能となるので、発電領域の幅を小さくしても１００％の開口率を得ることができる。すなわち、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを得ることができる。

【0034】

（第３実施形態）
第３実施形態による太陽電池モジュールの断面を図６に示す。この第３実施形態の太陽電池モジュール１００は、直列に接続されたセル１_１、１_２、１_３を有している。各セル１_ｉ（ｉ＝１，２，３）は、基板１０上に設けられた第１積層構造４ａと、この第１積層構造４ａの上面の一部の領域を覆う第２積層構造４ｂと、を備えている。

【0035】

第１積層構造４ａは、基板１０上に設けられた透明な第１電極１２と、この第１電極１２の上面の一部の領域および側面を覆う有機光電変換膜１４ａと、この有機光電変換膜１４ａの上面の一部の領域および側面を覆う透明または半透明な第１中間電極１５ａと、を備えている。

【0036】

第２積層構造４ｂは、第１中間電極１５ａの上面の一部の領域および側面を覆う透明または半透明な第２中間電極１５ｂと、この第２中間電極１５ｂの上面の一部の領域および側面を覆う有機光電変換膜１４ｂと、この有機光電変換膜１４ｂの上面の一部の領域および側面を覆う第２電極１６と、を備えている。なお、有機光電変換膜１４ａ、１４ｂはそれぞれ、図２に示す有機光電変換膜１４と同じ構成、すなわち一方が順構造を有していれば、他方も順構造を有し、一方が逆構造であれば他方も逆構造となる。

【0037】

第２段以降の各セル１_ｉ（ｉ＝２，３）においては、第１積層構造の第１電極１２は、前段のセル１_ｉ−１における第２積層構造の第２中間電極１５ｂと接続され、第１積層構造の有機光電変換膜１４ａは、前段のセル１_ｉ−１における第２積層構造の有機光電変換膜１４ｂと接続され、第１積層構造の中間電極１５ａは、前段のセル１_ｉ−１における第２積層構造の第２電極１６と接続される。

【0038】

第３実施形態の太陽電池モジュール１００は、例えば、第１実施形態で説明した製造方法と同様の製造方法を用いて製造される。例えば、第３実施形態の太陽電池モジュール１００の製造方法は、以下のように行われる。第１実施形態で説明した塗布法を用いて、第１段のセル１_１における第１積層構造４ａの第１電極１２、有機光電変換膜１４ａ、および第１中間電極１５ａを形成し、その後、第２積層構造４ｂの第２中間電極１５ｂを形成する。

【0039】

次に、第２段以降の各セル１_ｉ（ｉ＝２，３）においては、前段のセル１_ｉ−１の第２中間電極１５ｂを形成した後、この第２中間電極１５ｂに接続するように当該セル１_ｉの第１電極１２を形成する。なお、第２中間電極１５ｂが第１電極１２と同じ材料であれば、第１電極１２と同時に形成してもよい。その後、前段のセル１_ｉ−１の第２積層構造４ｂの有機光電変換膜１４ｂとともに当該セル１_ｉ（ｉ＝２，３）の第１積層構造４ａの有機光電変換膜１４ａを形成する。続いて、前段のセル１_ｉ−１の第２積層構造４ｂの第２電極１６を形成する。続いて、前段のセルの第２積層構造４ｂの第２電極１６に接続するように、当該セル１_ｉ（ｉ＝２，３）の第１積層構造４ａの中間電極１５ａを形成し、その後、第２積層構造４ｂの第２中間電極１５ｂを形成する。以下、上述した工程を繰り返す。

【0040】

このように構成された第３実施形態の太陽電池モジュール１００においては、図６に示すように、隣接するセル１_ｉ、１_ｉ＋１（ｉ＝１，２）間には、非発電領域が存在しないため、開口率が１００％となる。

【0041】

したがって、第３実施形態も第２実施形態と同様に、隣接するセル間の非発電領域を無くすことが可能となるので、発電領域の幅を小さくしても１００％の開口率を得ることができる。すなわち、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを得ることができる。

【0042】

また、各セルは、一部が重なるように積層された第１および第２積層構造を有し、かつ第１および第２中間電極が透明または半透明である。このため、第１および第２実施形態においては第２電極で吸収された光を、第１および第２中間電極を透過して有機光電変換膜において光電変換に利用することが可能となり、これにより、第１および第２実施形態に比べて、光電変換効率を更に高くすることができる。

【0043】

次に、上記第１乃至第３実施形態の太陽電池モジュールを構成する各要素について詳細に説明する。

【0044】

（基板）
基板１０は、他の部材を支持するためのものである。この基板１０は、透明で電極を形成でき、熱や有機溶剤によって著しく変質しないものが好ましい。基板１０の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエチレン、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、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム等が挙げられる。

【0045】

基板１０は、光が入射する側であるため、透明もしくは半透明な材料が使用される。基板１０の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度と可撓性があれば、特に限定されない。

【0046】

また、基板１０の光入射面には、例えばモスアイ構造の反射防止膜を設けることで光を効率的に取り込み、セルのエネルギー変換効率を向上させることが可能である。モスアイ構造は、表面に１００ｎｍ程度の規則的な突起配列を有する構造をしており、この突起構造により厚み方向の屈折率が連続的に変化する。このため、反射防止膜を設けることで屈折率が不連続的に変化する面が無くなり、光の反射が減少し、セルの光電変換効率が向上する。

【0047】

（第１電極１２）
第１電極１２は、塗布法で成膜ができ、光透過性と導電性を有するもの（透明電極）であれば特に限定されない。

【0048】

透明な第１電極１２の材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルホン酸（以下、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ(poly(３，４−ethylenedioxythiopherene)：polystyrene acid）とも云う））、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてよい。

【0049】

また、透明な第１電極１２の材料として、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ(Fluorine-doped Tin Oxide)）、またはインジウム、亜鉛、およびオキサイド等からなる導電性ガラスを用いて作製された酸化スズ膜等が用いられる。特に、ＩＴＯまたはＦＴＯが好ましい。また、金、白金、銀、銅等の金属を用いてもよい。

【0050】

電極１２の膜厚は、例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いた場合、３０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。３０ｎｍより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、光電変換効率の低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの光吸収が大いいため、光電流が低下する。

【0051】

さらに、第１電極１２のシート抵抗は可能な限り低いことが好ましく、１０Ω／□以下であることが好ましい。第１電極１２は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。

【0052】

（第１キャリア輸送層１４_１および第２キャリア輸送層１４_３）
図３に示す第１キャリア輸送層１４_１および第２キャリア輸送層１４_２は、一方が正孔輸送層で他方が電子輸送層として機能する。

【0053】

順構造型有機薄膜太陽電池の場合、第１キャリア輸送層は正孔輸送層、第２キャリア輸送層は電子輸送層として機能する。一方、逆構造型有機薄膜太陽電池の場合、第１キャリア輸送層は電子輸送層、第２キャリア輸送層は正孔輸送層として機能する。

【0054】

正孔輸送層は、電子をブロックして正孔のみを効率的に輸送する機能、および光電変換層と正孔輸送層との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。同様に、電子輸送層は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、および光電変換層と電子輸送層との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。

【0055】

正孔輸送層と電子輸送層の有機物を含む材料は、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳやゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。無機物ではフッ化リチウム、金属カルシウム、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化バナジウムなどが挙げられる。

【0056】

（光電変換層１４_２）
図３に示す光電変換層１４_２は、第１キャリア輸送層１４_１上に配置される。光電変換層１４_２は、バルクへテロ接合型の光電変換層である。バルクヘテロ接合型の光電変換層は、Ｐ型半導体とＮ型半導体が光電変換層中で混合してミクロ層分離構造を取ることが特徴である。バルクへテロ接合型は、混合されたＰ型半導体とＮ型半導体が光電変換層内でナノオーダーのサイズのＰＮ接合を形成し、接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。

【0057】

Ｐ型半導体は、電子供与性の性質を有する材料で構成される。これに対して、Ｎ型半導体は、電子受容性の性質を有する材料で構成される。各実施形態においては、Ｐ型半導体およびＮ型半導体の少なくとも一方が有機半導体であってもよい。

【0058】

Ｐ型有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、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、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を使用することができ、これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が挙げられる。

【0059】

好ましいＰ型有機半導体は、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体である。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、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。ポリチオフェンおよ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、ポリ３−ド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等が挙げられる。

【0060】

また近年では、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９”−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体やチエノチオフェンとベンゾジチオフェンからなる共重合体であるＰＴＢ７（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−ジル］［３−フルオロ−２−［（２−エチルヘキシル）カルボニル］チエノ［３，４−６］チオフェンジル］）やＰＴＢ７−Ｔｈ（ポリ［［４，８−ビス［５−（２−エチルヘキシル）チオフェン−２−イル］ベンゾ［１，２−ｂ：４−５−ｂ’］ジチオフェン−コ−３フルオロチエノ［３，４−ｂ］チオフェン−２−カルボキシレート］）などの誘導体が、優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。

【0061】

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法等により、安価な設備にて低コストで製造できるという利点がある。

【0062】

Ｎ型有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。ここで使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

【0063】

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基等のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ_６０Ｈ_３６、Ｃ_７０Ｈ_３６等の水素化フラーレン、Ｃ_６０、Ｃ_７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。

【0064】

上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ_６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ_７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

【0065】

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ_７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ_７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。

【0066】

光電変換層におけるＮ型有機半導体とＰ型有機半導体の混合比率は、Ｎ型有機半導体の含有率をＰ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合、およそＮ：Ｐ＝１：１とすることが好ましく、ｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、およそＮ：Ｐ＝４：１とすることが好ましい。また、ｐ型半導体がＰＴＢ７系の場合、およそＮ：Ｐ＝１：１．５とすることが好ましい。

【0067】

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解する必要があるが、それに用いる溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

【0068】

溶液を塗布し成膜する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

【0069】

（第２電極）
第２電極１６は、導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。電極材料としては、金属ペースト、金属ナノインク、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜等が挙げられる。

【0070】

第２電極１６は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。単層では例えば、銀、アルミニウム、金、銅が挙げられる。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

【0071】

第２電極１６の膜厚は、１ｎｍ〜５００ｎｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。膜厚が上記範囲より薄い場合は、抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない。

【0072】

次に、実施例について説明する。

【0073】

（実施例１）
実施例１は、順構造型の有機光電変換膜を有する第２実施形態の太陽電池モジュールである（図５Ａ乃至図５Ｄ）。この実施例１の太陽電池モジュールは、以下のように形成される。

【0074】

まず、基板１０としてＰＥＴ、第１電極としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いている。ここで、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層はそれぞれ順構造型有機光電変換膜１４の正極（この実施例１では第１電極）および正孔輸送層（有機光電変換膜の第１キャリア輸送層）として機能する。まず、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを、ダイコート塗布装置を用いて６ｍｍ幅で短冊状に基板１０上に塗布し、１５０℃で乾燥させる。これにより、第１電極１２と有機光電変換膜１４の第１キャリア輸送層が形成される。

【0075】

その後、Ｐ型有機半導体材料のＰＴＢ７−Ｔｈとｎ型有機半導体材料の７０ＰＣＢＭを溶かした溶液を、ダイコート塗布装置を用いて全セルの領域に重なるように塗布し、５０℃で乾燥させる。これにより、有機光電変換膜１４の光電変換層が形成される。

【0076】

次に、先ほどと同じように、有機光電変換膜１４の電子輸送層として酸化チタン層を全セルの領域に重なるように塗布、乾燥する。

【0077】

全セルの領域に重なるように、第２電極１６としてＡｇを、マスクを用いて蒸着により形成する。ここで、作製した複数の太陽電池素子（セルの基本構造）は開口部が６ｍｍ、非開口部が１ｍｍである。

【0078】

次に、太陽電池素子１_１の基本構造２_１のＡｇ電極上の一部から隣接する太陽電池素子１_２の基本構造２_２のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳまでの間の領域に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布法で成膜する。続いて、Ｐ型有機半導体材料のＰＴＢ７−Ｔｈとｎ型有機半導体材料の７０ＰＣＢＭを溶かした溶液を、太陽電池素子１_１の基本構造２_１のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層上の一部から隣接する太陽電池素子１_２の基本構造２_２の光電変換層までの間の領域に、塗布法で成膜する。同様に、太陽電池素子１_１の基本構造２_１の光電変換層上の一部から隣接する太陽電池素子１_２の基本構造２_２の酸化チタン層までの間の領域に、電子輸送層である酸化チタン層を全セルの領域に重なるように塗布、乾燥する。

【0079】

最後に、太陽電池素子１_１の基本構造２_１の酸化チタン層上の一部から隣接する太陽電池素子１_２の基本構造２_１のＡｇ電極間に、Ａｇペースト溶液を塗布して乾燥する。

【0080】

このように、非開口部にも太陽電池素子構造を作製することで当初開口率が６ｍｍ／（６ｍｍ＋１ｍｍ）＝８５．７％だったものが１００％に増加した。

【0081】

（実施例２）
実施例２では、逆構造型の有機光電変換膜を有する第２実施形態の太陽電池モジュールである。この実施例２の太陽電池モジュールは、以下のように形成される。

【0082】

まず、基板１０としてＰＥＴ、第１電極としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いている。電子輸送層として、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを、ダイコート塗布装置を用いて６ｍｍの幅で短冊状に基板１０に塗布し、１５０℃で乾燥させる。これにより、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳからなる第１電極１２および電子輸送層（有機光電変換膜１４の第１キャリア輸送層）が形成される。

【0083】

その後、Ｐ型有機半導体材料のＰＴＢ７−ＴｈとＮ型有機半導体材料の７０ＰＣＢＭを溶かした溶液をダイコート塗布装置を用いて全セルの領域に重なるように塗布し、５０℃で乾燥させる。これにより、有機光電変換膜１４の光電変換層が形成される。

【0084】

次に、正孔輸送層（有機光電変換膜１４の第２キャリア輸送層）としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層を全セルの領域に重なるように塗布、乾燥する。

【0085】

Ａｇペーストを全セルの領域に重なるように形成する。ここで、作製した複数の太陽電池素子は開口部が６ｍｍ、非開口部が１ｍｍである。

【0086】

次に、太陽電池素子１_１のＡｇ電極上の一部から隣接する太陽電池素子１_２のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ間に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布法で成膜する。続いて、Ｐ型有機半導体材料のＰＴＢ７−Ｔｈと、Ｎ型有機半導体材料の７０ＰＣＢＭを溶かした溶液を、太陽電池素子１のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層上の一部から隣接する太陽電池素子１_２の光電変換層までの間の領域に塗布法で成膜する。同様に、太陽電池素子１_１の光電変換層上の一部から隣接する太陽電池素子１_２のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層までの間の領域に、正孔輸送層であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層を全セルの領域に重なるように塗布、乾燥する。

【0087】

最後に、太陽電池素子１のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層上の一部から隣接する太陽電池素子２のＡｇ電極までの間の領域に、Ａｇペースト溶液を塗布して乾燥する。

【0088】

このように、非開口部にも太陽電池素子構造を作製することで当初開口率が６ｍｍ／（６ｍｍ＋１ｍｍ）＝８５．７％だったものが１００％に増加した。

【0089】

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。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0090】

１_１〜１_３ セル
２_１、２_２ セルの基本構造
１０ 基板
１２ 第１電極
１４ 有機光電変換膜
１４ａ 第１有機光電変換膜
１４ｂ 第２有機光電変換膜
１４_１ 第１キャリア輸送層
１４_２ 光電変換層
１４_３ 第２キャリア輸送層
１５ａ、１５ｂ 中間電極
１６ 第２電極
１００ 太陽電池モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】