JP6034429B2 - 光電変換装置および光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Description

実施形態の発明は、光電変換装置および光電変換装置の製造方法に関する。

光電変換装置の一つである有機薄膜太陽電池は、例えばシリコン太陽電池等よりも軽量・フレキシブルであり、また塗布法等を用いて安価に製造することが可能であるため、次世代太陽電池として注目されている。

有機薄膜太陽電池は、陽極と陰極との間に設けられ、ｐｎ接合を形成する光電変換層を有する光電変換セルを具備する。有機薄膜太陽電池では、照射された太陽光等の光を活性層で吸収することで光励起により励起子を発生させ、ｐｎ接合界面まで拡散させて電荷分離を行い、得られた電子を陰極側に正孔を陽極側に移動させることにより発電を行う。

単位面積あたりの光電変換装置の光電変換効率を向上させるためには、所定の面積を有する基板上にできるだけ多くの光電変換セルを設けて光電変換に寄与する領域（光電変換領域ともいう）の面積を大きくすることが好ましい。しかしながら、同一基板上に複数の光電変換セルを形成するためには、光電変換層の形成工程におけるパターニング精度等を考慮して光電変換セル同士の間隔を一定間隔以上に広げて設計する必要がある。

特開２０１２−１５６４２３号公報 特開２０１３−０１６６６８号公報

実施形態の発明が解決しようとする課題は、単位面積あたりの光電変換装置の光電変換効率を向上させることである。

実施形態の光電変換装置は、第１の領域と、第１の領域を囲む第２の領域と、を有する基板と、第１の領域上に設けられた第１の電極と、第１の電極の上面に接するように設けられた光電変換層と、光電変換層の上面に接し、かつ光電変換層を挟んで第１の電極に重畳するように設けられた第２の電極と、を有する素子部と、光電変換層の側面に接するように第１の領域上に設けられた第１の隔壁部と、第１の隔壁部から第２の領域まで延在し、かつ第２の領域上に空隙部を含む第２の隔壁部と、を有する隔壁部と、素子部を封止するように設けられ、かつ空隙部において第２の領域に接する封止部と、を具備する。

光電変換装置の構造例を示す模式図である。 光電変換装置の構造例を示す模式図である。 光電変換装置の構造例を示す模式図である。 隔壁部の拡大図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 塗布装置を用いた塗布法により光電変換層を形成する場合の模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。 光電変換パネルの例を示す模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１ないし図３は、光電変換装置の構造例を示す模式図であり、図１は平面図であり、図２は図１における線分Ａ１−Ｂ１の断面図であり、図３は図１における線分Ａ２−Ｂ２の断面図である。

図１ないし図３に示す光電変換装置は、基板１と、電極２１と光電変換層２２と電極２３とを有する素子部２と、隔壁部３（３ａ、３ｂ）と、封止部４と、基板５と、を具備する。なお、図１では便宜のため基板５を省略している。

基板１は、第１の領域１ａと、第１の領域１ａを囲む第２の領域１ｂと、第２の領域１ｂの外側（第１の領域１ａとの接触部の反対側）に設けられた第３の領域１ｃとを有する。第１の領域１ａは、素子部２を設けるための領域であり、光電変換に寄与する領域を含む光電変換領域である。第２の領域１ｂおよび第３の領域１ｃは、周辺領域である。基板１は、例えば支持基板としての機能を有する。なお、図１において、第３の領域１ｃは、第２の領域１ｂを囲むように設けられているが、例えば第２の領域１ｂの外側の一部にのみ第３の領域１ｃを設けてもよい。

素子部２は、光電変換セルを有する。例えば、図２において、電極２１と、光電変換層２２と、電極２３と、の重畳部を一つの光電変換セルとみなしてもよい。このとき、素子部２は、互いに直列接続で電気的に接続された複数の光電変換セル（第１の光電変換セルないし第Ｎ（Ｎは２以上の自然数）の光電変換セル）を有するとみなすことができる。

電極２１は、第１の領域１ａ上に設けられる。このとき、電極２１は、第２の領域１ｂまたは第３の領域１ｃまで延在していてもよい。電極２１は、光電変換セルの陽極または陰極の一方としての機能を有する。

図１ないし図３に示す光電変換装置は、基板１上に複数の電極２１を具備する。第３の領域１ｃまで延在する電極２１上に電極パッドとなる別の電極を形成してもよい。なお、電極２１の数は、特に限定されない。

光電変換層２２は、電極２１上に設けられる。図１および図２では、複数の電極２１のうち、互いに異なる電極２１の上面に接するように複数の光電変換層２２が設けられている。光電変換層２２は、第２の領域１ｂおよび第３の領域１ｃまで延在していてもよい。光電変換層２２は、照射される光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。

光電変換層２２は、例えば電極２１上に設けられたバッファ層２２ａと、バッファ層２２ａ上に設けられた光活性層２２ｂと、光活性層２２ｂ上に設けられたバッファ層２２ｃと、を有する。バッファ層２２ａの側面、光活性層２２ｂの側面、およびバッファ層２２ｃの側面は連続していてもよい。これに限定されず、バッファ層２２ａが電極２１の側面に接し、バッファ層２２ａを挟んで光活性層２２ｂが電極２１の側面に重畳していてもよい。また、光活性層２２ｂが電極２１の側面に接していてもよい。光活性層２２ｂとバッファ層２２ｃとの間に段差を設けてもよい。さらに、必ずしもバッファ層２２ａおよびバッファ層２２ｃを設けなくてもよい。

バッファ層２２ａは、電極２１と光活性層２２ｂとの間の中間層であり、バッファ層２２ｃは、光活性層２２ｂと電極２３との間の中間層である。バッファ層２２ａおよびバッファ層２２ｃの一方は、正孔輸送層としての機能を有し、他方は電子輸送層（または正孔ブロック層）としての機能を有する。

正孔輸送層は、正孔を効率的に輸送する機能や、光活性層２２ｂの界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐ機能を有する。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、および光活性層２２ｂとの界面で生じた励起子（エキシトン）の消滅を防ぐ機能を有する。

図１ないし図３に示す光電変換装置は、複数の電極２１のうち、互いに異なる電極２１の上面に接するように複数の光電変換層２２を具備する。なお、光電変換層２２の数は、特に限定されない。

電極２３は、光電変換層２２上に設けられる。電極２３は、光電変換セルの陽極または陰極の他方としての機能を有する。

図１ないし図３に示す光電変換装置は、複数の光電変換層２２のうち、互いに異なる光電変換層２２の上面に接するように設けられた複数の電極２３を具備する。このとき、第Ｎの光電変換セルを構成する電極２３は、第１の領域１ａから第２の領域１ｂまで延在していてもよい。また、第Ｎ−１の光電変換セルを構成する電極２３は、第Ｎの光電変換セルを構成する電極２１に電気的に接続される。第３の領域１ｃに延在する電極２３上に電極パッドとなる別の電極を形成してもよい。なお、電極２３の数は、特に限定されない。

例えば、電極２１が陰極である場合、バッファ層２２ａは、電子輸送層としての機能を有する。また、電極２３が陽極である場合、バッファ層２２ｃは、正孔輸送層としての機能を有する。

隔壁部３は、光電変換層２２の側面に接して基板１の一方向に延在するように設けられる。隔壁部３の延在方向は、例えば光電変換層２２の塗布方向に平行な方向であることが好ましい。また、光電変換セルの並置方向に対して基板１の平面上に沿って垂直な方向に隔壁部３を延在させてもよい。隔壁部３は、第１の領域１ａから第３の領域１ｃまで延在していてもよい。なお、平行とは、平行方向から±１０度ずれた状態（略平行）を含んでいてもよい。

図１ないし図３に示す光電変換装置は、互いに異なる光電変換層２２の側面に接するように複数の隔壁部３を具備する。換言すると、隔壁部３は、複数の光電変換層２２を分断するように設けられる。例えば、隔壁部３は、隔壁部３ａおよび隔壁部３ｂを有する。隔壁部３ａは基板１上に接して設けられ、光電変換層２２の対向する一対の側面の一方に接する。隔壁部３ｂは電極２１上に接して設けられ、上記一対の側面の他方に接する。なお、隔壁部３の数は、特に限定されず、必ずしも隔壁部３ａおよび隔壁部３ｂの両方を設けなくてもよい。

隔壁部３は、第３の領域１ｃに設けられた一端と、第１の領域１ａまたは第２の領域１ｂに設けられた他端と、を有することが好ましい。すなわち、隔壁部３の一端を第３の領域１ｃまで延在させ、他端を第３の領域１ｃまで延在させず、第１の領域１ａまたは第２の領域１ｂまでしか延在させないことにより、基板１と封止部４との固着面積を大きくすることができるため、基板１と封止部４との接着強度を高めることができる。

さらに、隔壁部３は、図３に示すように、第１の領域１ａ上に設けられた第１の隔壁部３１と、第１の隔壁部３１から第２の領域１ｂまで延在する第２の隔壁部３２と、第２の隔壁部３２から第３の領域１ｃまで延在する第３の隔壁部３３と、を有する。第２の隔壁部３２および第３の隔壁部３３は、例えば基板１上に設けられる。なお、必ずしも第３の隔壁部３３を設けなくてもよい。

図４は第２の隔壁部３２の拡大図である。図４に示すように、第２の隔壁部３２は、空隙部３２０を有する。空隙部３２０において、封止部４は基板１に固着される。よって、基板１と封止部４との接着強度を高めることができる。なお、第２の隔壁部３２は、必ずしも空隙部３２０を挟んで間欠的に設けられていなくてもよく、例えば貫通孔により空隙部３２０を形成してもよい。

隔壁部３の厚さは、例えば光電変換層２２の厚さに応じて適宜設定される。隔壁部３の厚さは、例えば光電変換層２２の厚さ以上であることが好ましく、電極２１の厚さと光電変換層２２の厚さとの和以上であることがより好ましい。また、塗布法を用いて光電変換層２２を形成する場合、光電変換層２２の材料の塗布層は、光電変換層２２よりも体積が大きいことが多いため、隔壁部３の厚さは、光電変換層２２の厚さよりも厚いことが好ましく、電極２１の厚さと光電変換層２２の厚さとの和よりも厚いことがより好ましい。

隔壁部３の厚さは、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。また、隔壁部３の上面の高さは、光電変換層２２の上面の高さ以上または光電変換層２２の上面の高さよりも高いことが好ましい。これにより、光電変換層２２の不要な広がりをより効果的に抑制することができる。

延在方向に垂直な方向における隔壁部３の幅は、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。幅が１０μｍ未満であると、基板１上に隔壁部３を形成する際の歩留まりが悪くなる。また、幅が１０００μｍを超えると、光電変換領域の面積が小さくなる。また、延在方向における隔壁部３の長さは、光電変換セルの大きさに応じて光電変換セルよりも長くなるように適宜設定される。

隔壁部３は、絶縁性を有することが好ましい。これにより、隔壁部３を介する不要な電流漏れを抑制することができる。例えば、隔壁部３の体積抵抗率は、１×１０^１０Ω以上であることが好ましい。例えば、厚さ１μｍの隔壁部３における１ｃｍ^２あたりの電気抵抗を１ＭΩとし、電極２１と電極２３との間に１Ｖの電位差を有するとき、１ｃｍ^２あたり１μＡオーダーの電流が流れることになる。

封止部４は、素子部２を封止するように設けられる。例えば、少なくとも電極２１と光電変換層２２と電極２３との重畳部を封止するように封止部４を設ければよい。図１ないし図３に示す光電変換装置において、封止部４は、素子部２を囲むように第２の領域１ｂ上に設けられる。これに限定されず、素子部２を覆うように封止部４を設けてもよい。また、封止部４は、空隙部３２０において第２の領域１ｂに接するように設けられる。これにより、封止部４と基板１との接着強度を高めることができる。

基板５は、素子部２に重畳するように封止部４上に設けられる。基板５は、例えば対向基板としての機能を有する。なお、基板５に凹部を形成し、凹部に素子部２が位置するように基板５を設けてもよい。また、例えば素子部２を覆うように封止部４を形成する場合、必ずしも基板５を設けなくてもよい。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、第１の電極、光電変換層、および第２の電極に加え、光電変換層に沿って基板の第１の領域から少なくとも第２の領域まで延在する隔壁部を有する。

光電変換装置における光電変換効率の低下の原因としては、例えば開口率の低下が挙げられる。有機薄膜太陽電池に限定されず、透光性を有する電極を備える太陽電池では、例えば１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の幅を有する複数の光電変換セルを直列接続または並列接続で電気的に接続することにより光電変換モジュールを構成する。これは、透光性を有する電極の抵抗値が金属からなる電極の抵抗値よりも高くなりやすいためである。また、一辺が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下の基板上において、１０以上１５以下程度の複数の光電変換セルを直列接続で電気的に接続することにより光電変換モジュールを構成する。

複数の光電変換セルを直列接続で電気的に接続する際に、透光性を有する第１の電極から最上層の第２の電極まで配線を設ける必要がある。この配線を設けるスペースを設けるために、発電に寄与しない領域が増え、光電変換装置の開口率が低下する。

例えば、ＣＩＧＳやａ−Ｓｉ太陽電池では、スクライビング技術を用いることにより、配線の通り道を形成する。しかしながら、有機薄膜太陽電池では、材料の光吸収特性や剛性等の違いから、スクライビング技術が有効ではない。そのため、有機薄膜太陽電池において、特に高分子有機材料を用いる場合、各光電変換セルにおける光電変換層が離間するように、光電変換層を構成する膜を成膜する。例えば、光電変換層に有機材料を用いる場合、有機材料を溶媒に溶かし、それを塗布法を用いて塗布することにより、光電変換層を形成することができる。

上記塗布法を用いた成膜方法は、例えば蒸着法やスパッタリング法等の成膜方法と比較して、真空装置が不要である点から初期コストを抑制できるという利点を有する。しかしながら、複数の光電変換セルを並べて形成する場合、上記塗布技術を用いた成膜方法では、パターニング精度の観点から光電変換セル同士の間隔を広くしなければならない。その結果、塗布技術で作製することが可能な高分子有機材料を用いた太陽電池モジュールは、光電変換セル同士の間隔を広げる必要があり、開口率が低く、光電変換効率が低くなるという難点を有する。

これに対し、本実施形態の光電変換装置では、隔壁部を設けることにより、例えば塗布法を用いて光電変換層を形成する場合、光電変換層の塗布層の広がりが抑えられるため、第１の電極、光電変換層、および第２の電極からなる光電変換セル同士の間隔を狭くすることができる。よって、光電変換領域の面積を大きくし、開口率を高め、単位面積あたりの光電変換効率を高めることができる。

複数の光電変換セルの間隔、すなわち一の光電変換セルと他の光電変換セルとの間のスペース（非光電変換部）は、例えば４ｍｍ未満、２ｍｍ未満、さらには１．２ｍｍ未満であることが好ましい。また、光電変換装置の開口率は、例えば７５％以上、８０％以上、さらには９０％以上であることが好ましい。

また、本実施形態の光電変換装置では、第２の隔壁部の一部に空隙を設け、当該空隙において基板と封止部とを接する構造にすることにより、基板と封止部との接着強度を高めることができる。

次に、図１ないし図４に示す光電変換装置の製造方法例について図５ないし図１４を参照して説明する。図５ないし図１４は、光電変換装置の製造方法例を説明するための平面模式図である。なお、図１ないし図４に示す光電変換装置と共通する部分については、上記の図１ないし図４に示す光電変換装置の説明を適宜援用することができる。

まず、基板１の第１の領域１ａ上に電極２１を形成する。基板１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、高分子フィルム等を用いることができる。プラスチックや高分子フィルムの場合、水分や酸素の透過率が高いのでＳｉＯ_２等の無機材料をコーティングした複合材料フィルムが用いられている。

基板１は、電極の形成が可能であり、熱や有機溶剤によって変質しにくいことが好ましい。基板１を介して光を入射させる場合、基板１は、透光性を有する。また、これに限定されず、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン基板、金属基板等を用いることができる。このとき、基板１の平面の少なくとも一部は、絶縁表面を有することが好ましい。基板１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を有するのであれば特に限定されない。

電極２１としては、例えば酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、フッ素を含む酸化錫（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・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膜（ＮＥＳＡ等）等の金属酸化物材料や、金、白金、銀、銅、アルミニウム、モリブデン、チタン、タングステン、マンガン、コバルト、ニッケル、錫等の金属材料を用いることができる。基板１を介して光を入射させる場合、電極２１は、透光性を有し、特に、ＩＴＯまたはＦＴＯを用いることが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーである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もよい。電極２１は、例えば、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、塗布法等により上記材料の膜を成膜することにより形成される。

電極２１の厚さは、ＩＴＯの場合、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍよりも薄くすると、シート抵抗が高くなり、光電変換効率が低下する原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、可撓性が低くなり、応力によりひび割れが起こりやすくなる。電極２１のシート抵抗は低いことが好ましく、例えば１０Ω／□以下であることが好ましい。電極２１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の積層であってもよい。

次に、図６に示すように、第１の隔壁部３１と、第２の隔壁部３２と、第３の隔壁部３３と、を有する隔壁部３を形成する。隔壁部３の延在方向は、後に形成する光電変換層２２の材料の塗布方向に応じて予め設定される。

第３の隔壁部３３は、光電変換層２２の材料を塗布する際の助走部としての機能を有する。第３の隔壁部３３は、光電変換層２２の材料を塗布する際の上流側、すなわち塗布の始点側に延在することが好ましい。塗布法を用いて光電変換層２２を形成する際、特に始点付近において塗布幅がずれやすい。よって、塗布の始点側に第３の隔壁部３３を設けることにより、光電変換層３の幅を制御しやすくすることができる。よって、光電変換セル同士の間隔を狭くすることができる。

第３の隔壁部３３は、例えば２ｃｍ以上、１０ｃｍ以上、さらには１５ｃｍ以上の長さを有することが好ましい。２ｃｍ未満であると、第１の領域１ａにおいて光電変換層２２の材料の塗布幅がずれた領域が形成されてしまう。また、第３の隔壁部３３は、光電変換層２２の材料を塗布する際の下流側、すなわち塗布の終点側には延在しないことが好ましい。これにより、隔壁部３における封止部４に重なる領域の面積を最小限に抑えることができるため、基板１と封止部４との接着強度の低下を抑制することができる。

隔壁部３としては、例えば、感光性のポリイミド材料等の光硬化樹脂、酸化シリコン等を用いることができる。例えば、塗布法等により上記材料を塗布した後、塗布層の一部をエッチングすることにより隔壁部３を形成することができる。光硬化樹脂を用いる場合、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて隔壁部３を形成することができる。また、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法等を用いて隔壁部３を形成してもよい。

次に、図７に示すように、第１の隔壁部３１ないし第３の隔壁部３３に沿うように、第３の領域１ｃから第１の領域１ａに向かって基板１上に光電変換層２２の材料を塗布して光電変換層２２を形成する。例えば、まずバッファ層２２ａの材料を塗布してバッファ層２２ａを形成する。次に光活性層２２ｂの材料を塗布して光活性層２２ｂを形成する。次に、バッファ層２２ｃの材料を塗布してバッファ層２２ｃを形成する。以上により、光電変換層２２を形成することができる。

正孔輸送層としては、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ（３，４−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））等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーを使用することができる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓＰＨ５００、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１等が挙げられる。また、正孔輸送層として、酸化モリブテンなどの無機材料を用いてもよい。

正孔輸送層は、例えばスピンコート法等の塗布法を用いて形成される。例えば、スピンコート法により正孔輸送層に適用可能な材料からなる所望の厚さの塗布層を形成した後、ホットプレート等で加熱乾燥することにより正孔輸送層を形成することができる。例えば、１４０〜２００℃で数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。また、塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

電子輸送層としては、例えば金属酸化物を用いることができる。金属酸化物としては、例えばゾルゲル法を用いてチタンアルコキシドを加水分解して得られるアモルファスの酸化チタンなどが挙げられる。電子輸送層は、例えばスピンコート法等の塗布法を用いて形成される。

電子輸送層の材料として酸化チタンを使用する場合、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さにすることが好ましい。厚さが５ｎｍ未満の場合、ホールブロック効果が減少してしまうため、発生したエキシトンが電子とホールに解離する前に失活してしまい、効率的に電流を取り出すことができない。厚さが２０ｎｍを超える場合、抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため光電変換効率が低下する場合がある。塗布溶液は、あらかじめフィルターで濾過したものを使用することが望ましい。規定の膜厚に塗布した後、ホットプレートなどを用いて加熱乾燥する。５０℃以上１００℃以下の温度、２分以上１０分以下の時間で、空気中で加水分解を促進しながら加熱乾燥する。また、電子輸送層としては、金属カルシウム等を用いてもよい。

光活性層２２ｂとしては、例えばバルクへテロ接合型の光活性層を用いることができる。バルクヘテロ接合型の光活性層は、光活性層中で混合されたｐ型半導体とｎ型半導体とのミクロ層分離構造を有する。光電変換装置では、混合されたｐ型半導体とｎ型半導体が光活性層２２ｂ内でナノオーダーのサイズのｐｎ接合を形成し、光が入射することにより接合面で生じる光電荷分離を利用して電流を得ることができる。ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方は、有機半導体であってよい。

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。ｐ型半導体としては、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用いることができる。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用いてもよい。

ｐ型半導体としては、例えば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を用いることができる。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。

また、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）］）などの誘導体を用いてもよい。上記誘導体を用いることにより、光電変換効率を高めることができる。

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される。従って、安価な設備を用いて低コストでかつ大面積の光電変換装置を製造することができる。

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。ｎ型半導体としては、例えばフラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。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。例えば、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４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。

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、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６等の水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０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。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Ｃ６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、光電変換装置に使用するのに適している。

光活性層におけるｎ型半導体とｐ型半導体の混合比率（ｎ：ｐ）は、ｎ型半導体の含有率は、ｐ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合、およそ１：１であることが好ましい。またｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、およそ４：１であることが好ましい。

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。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。

光電変換層１３の材料を塗布する方法としては、例えばスピンコート法、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。

図８は、塗布装置を用いた塗布法により光電変換層２２を形成する場合の模式図である。図８には、材料吐出用ヘッド６０と、基板１および隔壁部３とを示す。材料吐出用ヘッド６０は、例えば塗布装置に設けられる。材料吐出用ヘッド６０は、塗布材料が供給されるスリット６１を有する。なお、材料吐出用ヘッド６０をアプリケータともいう。塗布装置としては、ダイコーター等を用いることができる。このとき、材料吐出用ヘッド６０をダイヘッドともいい、スリット６１をダイスリットともいう。

材料吐出用ヘッド６０を用いて光電変換層２２の材料を塗布する場合、材料吐出用ヘッド６０と基板１との間にスリット６１を介して光電変換層２２の材料を供給し、光電変換層２２の材料からなる液溜まり領域７０を形成する。液溜まり領域７０は、曲面状、いわゆるメニスカス形状の側面７１を有する。このとき、光電変換層２２の塗布方向における液溜まり領域７０の幅は、隔壁部３の延在方向における空隙部３２０の幅よりも広いことが好ましい。

また、隔壁部３の延在方向における空隙部３２０の周期は１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましく、光電変換層２２の塗布方向における液溜まり領域７０の幅は２ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。また、上記幅を有する液溜まり領域７０に重畳する空隙部３２０の数を例えば１以上２以下にすることにより、塗布幅のずれを抑制することができる。

その後、材料吐出用ヘッド６０および基板１の少なくとも一方を塗布方向に沿って移動させながら光電変換層２２の材料を塗布して光電変換層２２を形成する。

次に、図９に示すように、光電変換層２２の上面に接し、かつ光電変換層２２を挟んで電極２１に重畳するように電極２３を形成する。

電極２３としては、例えば電極２１に適用可能な金属または金属酸化物等を用いることができる。基板５を介して光を入射する場合、電極２３は透光性を有する。また、電極２３が電子輸送層に接する場合、電極２３として仕事関数が低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、およびこれらの合金を挙げることができる。

電極２３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複数の層の積層であってもよい。また、仕事関数が低い材料のうちの１つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫などとの合金でもよい。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。

電極２３の厚さは、例えば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。１ｎｍよりも薄い場合、電気抵抗が高くなり、発生した電荷が取り出しにくくなる。５００ｎｍよりも厚い場合、電極２３の成膜に長時間を要するため材料温度が上昇し、光電変換層２２にダメージを与え、性能が劣化してしまう。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置を占有する時間が長くなり、コストアップに繋がる。

電極２３は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で上記導電性を有する材料を成膜することにより形成される。また、光電変換層２２に適用可能な塗布法を用いて電極２３を形成してもよい。

次に、図１０に示すように、素子部２を封止し、かつ空隙部３２０において基板１に接するように、封止部４を形成する。

封止部４としては、例えばガラスフリットや熱硬化性や光硬化性の樹脂等を用いることができる。また、空隙部３２０に樹脂等を充填しつつ、封止部４を形成することにより、空隙部３２０において、基板１と封止部４とを固着することができる。封止部４を設けることにより、不純物である酸素や水分と光電変換層２２との接触を抑制することができる。

空隙部３２０を設けずに隔壁部３を形成した場合、封止部４が基板１から剥がれやすくなる。これは隔壁部３と封止部４との接着強度が基板１と封止部４との接着強度よりも低いためである。例えば、光電変換装置に応力が与えられた場合、封止部４が隔壁部３を挟んで基板１から剥がれやすくなる。このため、隔壁部３に空隙部３２０を設けることにより、基板１と封止部４との接着強度を高めることができる。また、同様な理由により、光電変換層を塗布する際の下流側に隔壁部３を延在させないことにより、基板１と封止部４との接着強度をさらに高めることができる。

次に、図１１に示すように、素子部２を覆うように封止部４上に基板５を貼り合わせる。このとき、少なくとも第１の電極２１と光電変換層２２と第２の電極との重畳部が封止されることが好ましい。基板５としては、例えば基板１に適用可能な材料を用いることができる。なお、基板５を介して光を入射させる場合、基板５は透光性を有することが好ましい。

なお、図１２に示すように、素子部２を封止した後、封止部４の外側に位置する光電変換層２２の一部および第３の隔壁部３３の一部を含むように基板１の一部を切断してもよい。これにより、光電変換装置のサイズを小さくすることができる。

以上のように、本実施形態における光電変換装置の製造方法では、少なくとも一端が光電変換領域から周辺領域まで延在する隔壁部を形成することにより、少なくとも光電変換層を塗布する際の助走部を周辺領域に設ける。その後、周辺領域から助走部を含む隔壁部に沿って光電変換層の材料を塗布することにより、塗布幅が制御されるため、光電変換セル同士の間隔を狭くすることができる。

本実施形態の光電変換装置の製造方法例は、図５ないし図１２を参照して説明した製造方法例に限定されない。図１３および図１４は、光電変換装置の製造方法例を示す平面模式図である。なお、図５ないし図１２を参照して説明した製造方法例と共通する部分は、上記説明を適宜援用することができる。

上記工程と同様に、電極２３まで形成した後、図１３に示すように第２の隔壁部３２の少なくとも一部に沿って光電変換層２２の一部を除去し、基板１の一部を露出させることにより、光電変換層２２の一部に空隙部２２０を形成する。例えば、光電変換層２２の材料を塗布後に乾燥させて機械的に剥がす、または粘着テープ等で剥がすことにより空隙部２２０を形成することができる。

その後、図１４に示すように、空隙部２２０において基板１に接するように封止部４を形成する。その後、上記工程と同様に封止部４に基板５を貼り合わせる。上記工程により、基板１と封止部４との接触面積を増やすことができるため、基板１と封止部４との接着強度を高めることができる。

（第２の実施形態）
図１５は、横１ｍ×縦１．２ｍの光電変換パネルの例を示す模式図である。図１５に示す光電変換パネルは、１つあたり２０〜３０ｃｍ角の縦４×横３の合計１２個の光電変換モジュール１００を具備する。光電変換モジュール１００は、第１の実施形態の光電変換装置を複数具備する。複数の光電変換モジュールは、互いに直列接続または並列接続で電気的に接続されていてもよい。

図１５に示すように、第１の実施形態における光電変換装置を用いて光電変換モジュールを構成することができ、複数の光電変換モジュールを用いて光電変換パネルを構成することができる。上記光電変換モジュールおよび光電変換パネルは、例えば単位面積あたりの光電変換効率が高いため、例えば自動車や住宅用の太陽電池パネルとしても好適である。

実施例として、上記実施形態における第１の隔壁部と、第２の隔壁部と、第３の隔壁部とを有する隔壁部を備える光電変換モジュールと、比較例として隔壁部を備えていない光電変換モジュールと、をそれぞれ作製した。実施例の光電変換モジュールにおいて、隔壁部の材料として、感光性ポリイミドを用い、隔壁部の延在方向に垂直な方向の幅を４０μｍ以上４００μｍ以下とし、隔壁部の延在方向における空隙の幅を１ｍｍとし、隔壁部の厚さを１μｍとし、第３の隔壁部の長さを３ｃｍとした。また、金属酸化物からなる電子輸送層と、ポリチオフェン系Ｐ型材料とフラーレン誘導体を混合した光活性層と、ポリチオフェン系ポリマー材料からなる正孔輸送層とを順に形成することにより、厚さ０．２μｍの光電変換層を形成した。

隔壁部を備えていない比較例の光電変換モジュールでは、４ｍｍまでしか光電変換セルの間隔を狭くすることができず、開口率も７２％と低かった。これに対し、隔壁部を備える実施例の光電変換モジュールでは、１．２ｍｍまで光電変換セルの間隔を狭くすることができ、開口率を９１％まで高くすることができた。このことから、隔壁部を設けることにより、光電変換セルを集積化され、光電変換領域の面積が大きくなり、開口率を高めることができることがわかる。

１…基板、１ａ…第１の領域、１ｂ…第２の領域、１ｃ…第３の領域、２…素子部、２１…電極、２２…光電変換層、２２０…空隙部、２２ａ…バッファ層、２２ｂ…光活性層、２２ｃ…バッファ層、２３…電極、３…隔壁部、３ａ…隔壁部、３ｂ…隔壁部、３１…第１の隔壁部、３２…第２の隔壁部、３２０…空隙部、３３…第３の隔壁部、４…封止部、５…基板、６０…材料吐出用ヘッド、６１…スリット、７０…液溜まり領域、７１…側面、１００…光電変換モジュール。

Claims (15)

1. 第１の領域と、前記第１の領域を囲む第２の領域と、を有する基板と、
   前記第１の領域上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極の上面に接するように設けられた光電変換層と、前記光電変換層の上面に接し、かつ前記光電変換層を挟んで前記第１の電極に重畳するように設けられた第２の電極と、を有する素子部と、
   前記光電変換層の側面に接するように前記第１の領域上に設けられた第１の隔壁部と、前記第１の隔壁部から前記第２の領域まで延在し、かつ前記第２の領域上に空隙部を含む第２の隔壁部と、を有する隔壁部と、
   前記素子部を封止するように設けられ、かつ前記空隙部において前記第２の領域に接する封止部と、を具備する、光電変換装置。
2. 前記基板は、前記第２の領域よりも外側に第３の領域をさらに有し、
   前記隔壁部は、前記第２の隔壁部から前記第３の領域まで延在する第３の隔壁部をさらに有する、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記隔壁部は、前記第３の領域に設けられた一端と、前記第１の領域または前記第２の領域に設けられた他端と、を有する、請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記第３の隔壁部は、２ｃｍ以上の長さを有する、請求項２または請求項３に記載の光電変換装置。
5. 前記隔壁部の延在方向は、前記光電変換層の塗布方向に平行な方向であり、
   前記光電変換層は、前記第３の領域まで延在する、請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
6. 前記隔壁部は、絶縁性を有する、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
7. 前記隔壁部の上面の高さは、前記光電変換層の上面の高さ以上である、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光電変換装置。
8. 前記素子部は、前記第１の電極、前記光電変換層、および前記第２の電極からなる光電変換セルを複数備え、
   複数の前記光電変換セルの間隔は、４．０ｍｍ未満である、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
9. 開口率が７５％以上である、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光電変換装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光電変換装置を具備する、光電変換モジュール。
11. 請求項１０に記載の光電変換モジュールを具備する、光電変換パネル。
12. 第１の領域と前記第１の領域を囲む第２の領域と前記第２の領域の外側に設けられた第３の領域とを有する基板の前記第１の領域上に第１の電極を形成し、
    前記第１の領域上に設けられた第１の隔壁部と、前記第１の隔壁部から前記第２の領域まで延在し、前記第２の領域に空隙を含む第２の隔壁部と、前記第２の隔壁部から前記第３の領域まで延在する第３の隔壁部と、を有する隔壁部を形成し、
    前記第１の隔壁部ないし前記第３の隔壁部に沿って、前記第３の隔壁部から前記第１の隔壁部まで前記基板上に光電変換層の材料を塗布して前記光電変換層を形成し、
    前記光電変換層の上面に接し、かつ前記光電変換層を挟んで前記第１の電極に重畳するように第２の電極を形成し、
    前記第１の電極と前記光電変換層と前記第２の電極とを有する素子部を封止し、かつ前記空隙において前記基板に接するように封止部を形成する、光電変換装置の製造方法。
13. 前記素子部を封止した後、前記封止部の外側に位置する前記光電変換層の一部および前記第３の隔壁部の一部を含むように前記基板の一部を切断する、請求項１２に記載の光電変換装置の製造方法。
14. 前記第２の隔壁部は、前記空隙からなる第１の空隙を含み、
    前記光電変換層を形成した後に、前記第２の隔壁部の一部に沿って前記光電変換層の一部を除去し、前記基板の一部を露出させることにより、前記光電変換層の一部に第２の空隙を形成し、前記第２の空隙において前記基板に接するように前記封止部を形成する、請求項１２または請求項１３に記載の光電変換装置の製造方法。
15. 塗布装置の材料吐出用ヘッドと前記基板との間に前記光電変換層の材料を供給して前記材料からなる液溜まり領域を形成し、前記材料吐出用ヘッドおよび前記基板の少なくとも一方を塗布方向に沿って移動させながら前記材料を塗布することにより、前記光電変換層を形成し、
    前記液溜まり領域の塗布方向における幅は、前記隔壁部の延在方向における前記空隙の幅よりも広い、請求項１２ないし請求項１４のいずれか一項に記載の光電変換装置の製造方法。

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