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(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】P2025099767
(43)【公開日】2025-07-03
(54)【発明の名称】ペロブスカイト太陽電池
(51)【国際特許分類】
   H10K 30/50 20230101AFI20250626BHJP
   H10K 30/40 20230101ALI20250626BHJP
   H10K 30/88 20230101ALI20250626BHJP
【FI】
H10K30/50
H10K30/40
H10K30/88
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023216684
(22)【出願日】2023-12-22
(71)【出願人】
【識別番号】000000011
【氏名又は名称】株式会社アイシン
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人R&C
(72)【発明者】
【氏名】神園 剛
(72)【発明者】
【氏名】田村 公宏
(72)【発明者】
【氏名】加藤 誠喜
(72)【発明者】
【氏名】岡本 朋也
(72)【発明者】
【氏名】清水 隆行
(72)【発明者】
【氏名】林 恭弘
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 文俊
(72)【発明者】
【氏名】片岡 寛暁
【テーマコード(参考)】
5F251
【Fターム(参考)】
5F251AA11
5F251CB12
5F251FA02
5F251FA03
5F251FA04
5F251FA06
5F251GA03
5F251JA02
5F251JA03
5F251XA01
5F251XA61
(57)【要約】
【課題】性能の低下が抑制されるペロブスカイト太陽電池を提供する。
【解決手段】ペロブスカイト太陽電池100は、基板1上に配置される導電性の導電層2と、導電層2上に配置される太陽電池素子3と、太陽電池素子3上に配置される電極4と、太陽電池素子3を封止する封止層7と、封止層7と導電層2とを接着する接着層6と、電極4と接着層6との間に配置される絶縁性の非接着層5と、を有する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に配置される導電性の導電層と、
前記導電層上に配置される太陽電池素子と、
前記太陽電池素子上に配置される電極と、
前記太陽電池素子を封止する封止層と、
前記封止層と前記導電層とを接着する接着層と、
前記電極と前記接着層との間に配置される絶縁性の非接着層と、を有するペロブスカイト太陽電池。
【請求項2】
前記非接着層は、前記封止層と前記導電層とを前記接着層を介して接着する際の温度よりも高い融点を有する請求項1に記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項3】
前記非接着層は、前記基板から前記導電層へ向かう第1方向において、前記電極の全領域と重複している請求項1又は2に記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項4】
前記第1方向に沿って視たときに、前記接着層は、前記非接着層よりも外側へ延在する延在部を有し、
前記延在部は、前記導電層と接着している請求項3に記載のペロブスカイト太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ペロブスカイト太陽電池に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池の一種であるペロブスカイト太陽電池は、他の太陽電池と比較して、エネルギー変換効率が高いこと、軽量であること等を理由として注目されている。しかしながら、ペロブスカイト太陽電池は、酸素、水等によって劣化し易いという課題があり、これらの課題に対する様々な技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
特許文献1には、支持体と、支持体上に設けられた太陽電池素子と、太陽電池素子全体を覆う接着剤層と、接着剤層の全体を覆い、太陽電池素子に水などが進入することを防止するための封止剤層とを含むペロブスカイト太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2023-42617号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に開示のペロブスカイト太陽電池では、太陽電池素子全体を接着剤層が覆う。このため、例えば、太陽電池素子上に電極が配置される構成では、電極が接着層と接着し、例えば、衝撃が与えられる等によりペロブスカイト太陽電池が振動して、接着層と電極との相対位置が変化すると、太陽電池素子上から電極が剥離して、ペロブスカイト太陽電池の性能が低下するおそれがある。
【0006】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、性能の低下が抑制されるペロブスカイト太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記に鑑みたペロブスカイト太陽電池の特徴構成は、基板上に配置される導電性の導電層と、前記導電層上に配置される太陽電池素子と、前記太陽電池素子上に配置される電極と、前記太陽電池素子を封止する封止層と、前記封止層と前記導電層とを接着する接着層と、前記電極と前記接着層との間に配置される絶縁性の非接着層と、を有する点にある。
【0008】
このような特徴構成によれば、電極と接着層との間に非接着層が配置されるため、電極と接着層との接触を回避することができる。これにより、例えば、衝撃が与えられる等によって、接着層と電極との相対位置が変化した場合であっても、太陽電池素子上からの電極の剥離が防止される。この結果、ペロブスカイト太陽電池の性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】実施形態に係るペロブスカイト太陽電池の構成を示す模式図である。
図2】実施形態に係るペロブスカイト太陽電池の平面模式図である。
図3】実施形態に係るペロブスカイト太陽電池の一部を模式的に示す斜視図である。
図4】実施形態に係る封止シートの接着方法を示す模式図である。
図5】実施形態に係る封止シートの接着方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に、本発明に係るペロブスカイト太陽電池の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【0011】
〔ペロブスカイト太陽電池の概略構成〕
図1に示すように、ペロブスカイト太陽電池100は、基板1と、導電層2と、太陽電池素子3と、電極4と、非接着層5と、接着層6と、バリア層7(封止層の一例)と、基材層8とを備える。なお、本実施形態では、接着層6とバリア層7と基材層8とは、一体のシート状に構成される。以下、接着層6とバリア層7と基材層8とを「封止シート9」と称する場合がある。
【0012】
〔基板〕
基板1は、ペロブスカイト太陽電池100の支持体として機能する。基板1は、透明ガラス基板、半透明ガラス基板、透明樹脂基板等であり、絶縁性を有する。図2に示すように、基板1は、Z方向に沿って見たとき、矩形状である。
【0013】
図1に示すように、基板1上には、導電性の導電層2が積層される。ペロブスカイト太陽電池100の使用時の向きは特に限定されないが、以下では、基板1から導電層2へ向かう方向を「Z1方向」(積層方向の一例)と称し、その反対方向を「Z2方向」と称し、Z1方向及びZ2方向を総称して「Z方向」と称する。また、Z方向に直交する方向のうちの1つを「X方向」と称し、Z方向及びX方向と直交する方向を「Y方向」と称する(図2参照)。なお、図2は、図1に示すペロブスカイト太陽電池100をZ方向に沿って視た図である。
【0014】
〔導電層〕
導電層2は、CVD(化学的気相成長法)、スパッタリング等によって基板1の一方の面(Z1方向の面)に形成される。本実施形態では、導電層2は、基板1の一方の面の全面に形成される。導電層2は、例えば、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化スズ(TO)等を材料として含む。導電層2上(Z1方向の面)には、太陽電池素子3が配置(積層)される。
【0015】
〔太陽電池素子〕
太陽電池素子3は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。太陽電池素子3は、電子輸送層31と、光電変換層32と、ホール輸送層33とを有し、電子輸送層31、光電変換層32、及び、ホール輸送層33が、Z1方向に沿ってこの順で配置される。Z方向に沿って視たときに、電子輸送層31、光電変換層32、及び、ホール輸送層33の各々は、矩形状であり、本実施形態では、Z方向に沿って視たときに、電子輸送層31、光電変換層32及びホール輸送層33の各々のサイズ(面積)は等しい。
【0016】
電子輸送層31は、導電層2のZ1方向の面に配置される。電子輸送層31は、後述の光電変換層32から受け取った電子が通過する(電子を輸送する)。電子輸送層31は、例えば、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛等の金属酸化物等を材料として含む。本実施形態では、電子輸送層31は、導電層2の一部が除去されることにより形成された凹部21に延在する絶縁層311を含む。絶縁層311は、導電層2を2つに区画する(図1に示す例ではX方向において2つに区画する)。電子は、電子輸送層31において、Z方向に沿う方向への移動は可能であるが、Z方向と直交する方向(X方向及びY方向)へは、移動し難く、導電層2の2つの区画の間における移動が規制される。なお、電子輸送層31は、「ブロッキング層」とも称される場合がある。
【0017】
基板1、導電層2及び電子輸送層31は、光透過性を有するため、太陽光、室内光等の光は、基板1、導電層2及び電子輸送層31で略吸収されることなく(又は、吸収されることなく)、光電変換層32へ導かれる。
【0018】
光電変換層32は、光エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換する。詳しくは、光電変換層32は、光を吸収して、励起した電子とホールとを移動させて光電変換を行う。光電変換層32は、ペロブスカイト化合物で構成されるペロブスカイト層を含む。また、光電変換層32は、多孔質酸化半導体層(例えば、多孔質チタン層)を更に含む。
【0019】
ホール輸送層33は、光電変換層32から受け取ったホールが通過する(ホールを輸送する)。ホール輸送層33は、例えば、クロロベンゼン等の有機化合物を材料として含む。ホール輸送層33上(Z1方向の面)には、電極4が配置される。
【0020】
〔電極〕
電極4は、導電性を有し、正極として、バスバーBを介して導電層2(負電)と電気的なパスを形成する。
【0021】
図2に示すように、Z方向に沿って視たとき、バスバーBは、太陽電池素子3よりも外側(X方向における外側)の導電層2のZ1方向の面に配置(積層)される。詳しくは、バスバーBは、導電層2のZ1方向の面(一部の領域)上に、太陽電池素子3と離間して配置される。バスバーBは、金、白金、銀、銅等の金属の単体、それらの合金、FTO、ITOといった酸化物導電体等を材料として含む。
【0022】
図1に示すように、電極4は、ホール輸送層33のZ1方向の面からZ方向に沿って太陽電池素子3の各々の側面を経由して、導電層2のZ1方向の面(一部の領域)上に配置される(図3も参照)。電極4は、例えば、カーボンナノチューブ(活物質の一例)を材料として含む。
【0023】
〔非接着層〕
非接着層5は、絶縁性を有し、Z方向において、電極4と接着層6との間に配置される。非接着層5は、フィルム状(シート状)の部材であり、本実施形態において、Z方向におけるサイズ(長さ)は、69±0.5μmである。以下、Z方向における長さを「厚み」と称する場合がある。
【0024】
図2に示すように、本実施形態において、非接着層5は、Z方向に沿って見たとき矩形状である。非接着層5のX方向におけるサイズ(長さ)は、280.48±0.05mm、Y方向におけるサイズ(長さ)は、285±0.05mmである。なお、基板1のX方向及びY方向の各々におけるサイズ(長さ)は、300±0.2mmである。また、基板1上に電極4が配置され得る領域のX方向におけるサイズ(長さ)は、279.48±0.02mm、Y方向におけるサイズ(長さ)は、283.8±0.15mmである。つまり、Z方向に沿って視たとき、非接着層5のサイズ(面積)は、電極4が配置され得る領域(すなわち、電極4のサイズ(面積))よりも大きい。換言すると、Z方向に沿って視たとき、非接着層5は、電極4の全領域を含むように配置され、電極4の全領域と重複する。なお、非接着層5は、電極4を保護する機能も有するため、「保護層」と称される場合がある。
【0025】
非接着層5には、非接着層5の内部と外部とを連通させる複数の連通孔(空気孔)が形成されている。非接着層5は、例えば、多孔質フィルム、メッシュシート、エンボス加工シート等であり、樹脂(PPS:ポリフェニレンサルファイド樹脂)、ガラス等を材料として含む。非接着層5は、バリア層7と導電層2とを接着層6を介して接着する際の温度(例えば、80度)よりも高い融点(例えば、120度以上)を有する。
【0026】
〔接着層〕
接着層6は、例えば、アクリル系の粘着剤であり、本実施形態において、厚みは、50±0.5μmである。図1に示すように、接着層6は、Z方向において、導電層2とバリア層7との間に配置される。詳しくは、接着層6は、太陽電池素子3、電極4及び非接着層5を導電層2との間で挟むように配置される。
【0027】
図2に示すように、Z方向に沿って視たときに、接着層6のサイズ(面積)は、非接着層5のサイズ(面積)よりも大きく、接着層6は、非接着層5よりも外側へ延在する延在部61を有する。
【0028】
接着層6の延在部61は、Z方向に沿って視たときに、太陽電池素子3、電極4及び非接着層5を囲むように配置され、導電層2とバリア層7(封止シート9)と接着(結合)させる。これにより、太陽電池素子3、電極4及び非接着層5を収容する内部空間Sが接着層6(封止シート9)と導電層2との間に形成される。接着層6のZ1方向の面には、バリア層7が配置される(図1参照)。
【0029】
〔バリア層〕
バリア層7は、導電性を有するシート状の封止剤であり、本実施形態において、厚みは、15±0.5μmである。バリア層7は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素といった金属酸化物、アルミニウムといった金属等を材料として含む。バリア層7は、内部空間Sへの水、酸素等の進入を防ぐことにより、内部空間S(太陽電池素子3)を封止する。なお、本実施形態では、内部空間Sは、真空に設定される。また、内部空間Sには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが充填されてもよい。バリア層7のZ1方向の面には、基材層8が配置される。
【0030】
〔基材層〕
基材層8は、シート状の基材であり、本実施形態において、厚みは、12±0.5μmである。基材層8は、PET(ポリエチレンテレフタレート)といった樹脂等を材料として含む。本実施形態において、封止シート9のX方向におけるサイズ(長さ)は、290±0.2mm、Y方向におけるサイズ(長さ)は、299.8±0.2mmである。つまり、封止シート9のサイズ(面積)は、非接着層5のサイズ(面積)よりも大きい。なお、Z方向に沿って視たとき、封止シート9を構成する接着層6、バリア層7及び基材層8の互いのサイズ(面積)は、等しい。
【0031】
光は、基板1、導電層2及び電子輸送層31を介して光電変換層32に到達すると、光電変換層32において吸収され、結果、電子とホールとが発生する。光電変換層32に発生した電子は、電子輸送層31を介して導電層2(負極)へ移動する。また、これとともに、光電変換層32において発生したホールは、ホール輸送層33と電気的に接続される電極4(正極)へ移動する。導電層2との電極4との間に負荷(不図示)が接続されると、ホールが負荷を経由してきた電子と結合する。この結果、電気が生成される。なお、電子輸送層31を移動する電子は、Z2方向に沿って円滑に移動して導電層2に到達するものの、上記のように、絶縁層311によってZ方向と直交する方向への移動が規制される。つまり、ペロブスカイト太陽電池100は、短絡しないように構成されている。
【0032】
〔封止シートの接着方法〕
次に、図3図5を参照して、封止シート9の導電層2(基板1上に配置された導電層2)へ接着方法について説明する。
【0033】
本実施形態では、図3に示すように、基板1、導電層2、太陽電池素子3及び電極4が積層された第1積層体S1を真空チャンバー内に配置する(第1配置ステップ)。その後、図4に示すように、第1積層体S1のZ1方向の面に非接着層5を配置し、非接着層5のZ1方向の面に封止シート9を配置する(第2配置ステップ)。以下、第1積層体S1に非接着層5と封止シート9と配置した積層体を「第2積層体S2」と称する。真空チャンバー内を真空にする前における第2積層体S2において、導電層2と接着層6との間には、非接着層5が介在することにより隙間が形成される。なお、上記のように、第2積層体S2において、Z方向に沿って視たときに、非接着層5のサイズは、電極4のサイズに対して大きく(わずかに大きく)、且つ、封止シート9(接着層6)のサイズに対して小さい。
【0034】
その後、真空チャンバー内を真空(例えば10Pa)に設定することにより、内部空間Sを真空とする(真空ステップ)。次いで、図5に示すように、ダイヤフラムDによって空気加圧(例えば、0.1~0.3MPaに加圧)する(加圧ステップ)。これにより、非接着層5及び封止シート9が圧縮(非接着層5が導電層2、太陽電池素子3、電極4及び非接着層5に吸着するように圧縮)される。なお、上記のように、非接着層5は、複数の連通孔を有している。このため、内部空間Sが真空になると、非接着層5が太陽電池素子3及び電極4と封止シート9とによって圧縮され、太陽電池素子3の少なくとも一部と電極4の少なくとも一部とが非接着層5に埋没する。なお、図1及び図5では、非接着層5及び封止シート9が圧縮されていないように示されているが、実際には、非接着層5及び封止シート9は圧縮されている。
【0035】
その後、加圧された第2積層体S2を加熱(真空チャンバー内を例えば80度で加熱)する(加熱ステップ)。これにより、接着層6が溶融し、バリア層7(封止シート9)と導電層2とが接着層6を介して接着する(結合する)。詳しくは、接着層6の延在部61を介してバリア層7と導電層2とが接着する。なお、加熱時間は、例えば3分間である。
【0036】
例えば、光エネルギー又は熱エネルギーを利用して封止シートを基板(導電層)に接着する接着剤の場合、基板と封止シートとを接着した後では、基板と封止シートとの間の太陽電池素子が配置される空間を真空にすることができない。基板と封止シートとの間の空間を真空にすることができない場合、上記空間に酸素及び/又は水が残存する可能性があり、残存する酸素及び/又は水と太陽電池素子が接触し、ペロブスカイト太陽電池が劣化するおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、非接着層5が導電層2(基板1)と接着層6との間に介在するため、内部空間Sが真空にされる前の第2積層体S2において、導電層2(基板1)と接着層6との間に隙間を形成することができる。つまり、隙間を介して内部空間Sの気体を吸引(外部へ排出)することができるため、内部空間Sを簡便に真空にすることができる。また、非接着層5が有する複数の連通孔を介して内部空間Sの気体を吸引(外部へ排出)することができるため、内部空間Sをより確実に真空にすることができる。このように、内部空間Sが真空に設定され、且つ、上記のように封止シート9(バリア層7)が内部空間Sへの水、酸素等の進入を防ぐように構成されるため、太陽電池素子3の劣化(酸化)が防止され、ペロブスカイト太陽電池100の劣化が抑制される。
【0037】
また、内部空間Sをより確実に真空にすることができることから、内部空間Sに気体(空気)が残存することが防止され、ペロブスカイト太陽電池100において、気泡の発生を低減することができる。封止シート9(バリア層7)と導電層2との接着部分(延在部61)に、気泡が存在すると、封止シート9(バリア層7)と導電層2との接着強度が低下して、酸素、水等が内部空間Sに進入し易くなり、ペロブスカイト太陽電池100の性能が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態によれば、導電層2と接着層6との間に非接着層5による隙間が形成され、接着層6が扱い易くなり、ペロブスカイト太陽電池100(延在部61も含む)において気泡の発生を低減することができる。この結果、ペロブスカイト太陽電池100の性能の低下が抑制される。
【0038】
また、例えば、加熱圧着ローラ等を用いて、封止シート(接着層)を基板に接着する構成では、基板上(又は太陽電池素子上)に配置された電極と接着層とが接着する。この場合、衝撃(振動)によって電極が剥離し、電池の性能の低下を招くおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、上記のように、非接着層5が接着層6と電極4との間に配置されるため、接着層6と電極4とが接着することはなく、衝撃(振動)による電極4の剥離を防止することができる。
【0039】
〔上記実施形態の概要〕
上記した実施形態では、下記の構成が想起される。
【0040】
(1)基板1上に配置される導電性の導電層2と、導電層2上に配置される太陽電池素子3と、太陽電池素子3上に配置される電極4と、太陽電池素子3を封止するバリア層7(封止層)と、バリア層7(封止層)と導電層2とを接着する接着層6と、電極4と接着層6との間に配置される絶縁性の非接着層5と、を有するペロブスカイト太陽電池100。
【0041】
本構成によれば、電極4と接着層6との間に絶縁性の非接着層5が配置されるため、電極4と接着層6との接触を回避することができる。このため、例えば、衝撃が与えられる等によりペロブスカイト太陽電池100が振動し、接着層6と電極4との相対位置が変化した場合であっても、電極4が非接着層5によって保護されるため、太陽電池素子3上からの電極4の剥離が防止される。この結果、ペロブスカイト太陽電池100の性能の低下を抑制することができる。
【0042】
(2)(1)のペロブスカイト太陽電池100において、非接着層5は、バリア層7(封止層)と導電層2とを接着層6を介して接着する際の温度よりも高い融点を有していると好適である。
【0043】
本構成によれば、非接着層5は、接着層6がバリア層7と導電層2とを接着する際の温度よりも高い融点を有するため、接着層6による接着のためにペロブスカイト太陽電池100を加熱した場合であっても、非接着層5は、融解せず、電極4との接着を防止することができる。このため、例えば、衝撃が与えられる等によりペロブスカイト太陽電池100が振動し、非接着層5と電極4との相対位置が変化した場合であっても、太陽電池素子3上からの電極4の剥離が防止される。この結果、ペロブスカイト太陽電池100の性能の低下を抑制することができる。
【0044】
(3)(1)又は(2)のペロブスカイト太陽電池100において、非接着層5は、基板1から導電層2へ向かうZ方向(第1方向)において、電極4の全領域と重複している好適である。
【0045】
本構成によれば、非接着層5は、Z方向において、電極4の全領域を覆うため、電極4をより確実に保護(電極4の剥離が防止される)することができる。
【0046】
(4)(3)のペロブスカイト太陽電池100において、Z方向(第1方向)に沿って視たときに、接着層6は、非接着層5よりも外側へ延在する延在部61を有し、延在部61は、導電層2と接着していると好適である。
【0047】
本構成によれば、接着層6の非接着層5よりも外側へ延在する延在部61が導電層2と接着するため、太陽電池素子3をより確実に保護しつつ、封止することができる。
【0048】
〔その他の実施形態〕
次に、その他の実施形態について説明する。
【0049】
(a)上記の各実施形態で開示された構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示された構成と組み合わせて適用することも可能である。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で単なる例示に過ぎない。したがって、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、適宜、種々の改変を行うことが可能である。
【0050】
(b)上記の実施形態で記載したサイズ(面積又は長さ)は、一例であり、Z方向に沿って視たときのサイズが、封止シート9>非接着層5>電極4である(Z方向に沿って視たとき、封止シート9のサイズが非接着層5のサイズよりも大きく、非接着層5のサイズが電極4のサイズよりも大きい)限り、適宜変更可能である。
【0051】
(c)上述した実施形態では、接着層6を封止シート9の全領域に設けたが、封止シート9の下面のうち導電層2との接着部位のみに設けてもよい。また、封止シート9は、基材層8を省略してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本開示に係る技術は、ペロブスカイト太陽電池に利用することができる。
【符号の説明】
【0053】
1:基板、2:導電層、3:太陽電池素子、4:電極、5:非接着層、6:接着層、61:延在部、7:バリア層、100:ペロブスカイト太陽電池
図1
図2
図3
図4
図5