(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に間隙を介して形成された複数の太陽電池セルを有し、各々の前記太陽電池セルは積層された透明電極と光電変換層と対向電極とからなり、隣り合う前記太陽電池セルは直列に接続され、隣り合う前記太陽電池セル間の間隙に対応して光反射層が形成された太陽電池サブモジュールを有し、
前記光電変換層は有機薄膜を含み、前記光反射層は隣り合う前記太陽電池セル間の間隙において一方の太陽電池セルの透明電極と他方の太陽電池セルの対向電極とを接続する金属膜で形成され、前記太陽電池サブモジュールのペアは、それらの透明基板の主面を一方向に対してそれぞれ正の傾きおよび負の傾きをもって非平行に傾斜させ、近接端と開口端とをもつように対向させて配置されている薄膜太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記透明基板は樹脂を含むフレキシブルな基板であり、前記透明基板の一主面は前記光反射層とその一部を被覆する無機絶縁層によって被覆されている請求項１に記載の薄膜太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記太陽電池サブモジュールのペアを、前記一方向に沿って複数配置した請求項１または２に記載の薄膜太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記一方向に対する前記太陽電池サブモジュールの透明電極の平均傾斜角度が４０°ないし５０°または５５°ないし６５°である請求項１乃至３のいずれか１項の薄膜太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は薄膜太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機薄膜太陽電池は、有機薄膜半導体、たとえば導電性ポリマーとフラーレンとの混合物を用いた太陽電池である。有機薄膜太陽電池には、シリコン、ＣＩＧＳおよびＣｄＴｅなどの無機材料を使用した太陽電池と比較して、簡便な方法で生産でき、低コストであるという利点がある。その反面、有機薄膜太陽電池は、光電変換効率や寿命が、無機系太陽電池と比較して低いという問題を有している。そこで有機薄膜太陽電池の光電変換効率を向上させるために種々の工夫がなされている。
【０００３】
有機薄膜太陽電池モジュールの効率が低くなる要因として、以下の事項が挙げられる。
【０００４】
有機薄膜からなる光電変換層中でのキャリアの移動距離は短いため、光電変換層を１００ｎｍ程度に薄く形成する必要がある。その結果、受光した光が十分に吸収されずに、その一部が反射光として外部へ逃げてしまう。
【０００５】
また、有機薄膜の材料物性に起因して、太陽電池セルのリーク電流の電圧依存性が高いため、電流方向に沿って陽極−陰極間に生じる電位差を制限する必要がある。このため、デバイスを所望の電圧範囲で動作させるために、幅が狭い複数の太陽電池セルを、間隙を介して縞状に形成し、隣接する太陽電池セルを直列に接続する。しかし、有機薄膜太陽電池モジュールでは製造工程の制約から、セル領域に対する間隙領域の面積比率が高くなるため、他の材料系の太陽電池モジュールほど開口率を高くできない。その結果、有機薄膜太陽電池モジュールの発電効率は小面積の太陽電池セル効率と比較して極端に低くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、光電変換効率が高い薄膜太陽電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールは、透明基板上に間隙を介して縞状に並行して形成された複数の太陽電池セルを有し、各々の前記太陽電池セルは透明電極と光電変換層と対向電極とを含み、隣り合う前記太陽電池セルは直列に接続され、隣り合う前記太陽電池セル間の間隙に対応して、前記透明基板側から前記太陽電池セルへ向かって入射する光を反射する光反射層が形成された太陽電池サブモジュールを有する。前記太陽電池サブモジュールのペアは、それらの透明基板の主面を一方向に沿ってそれぞれ正の傾きおよび負の傾きをもって非平行に傾斜させ、近接端と開口端とをもつように対向させて配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの断面図。
【図２】第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの断面図。
【図３】第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの一例を示す断面図。
【図４】第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの他の例を示す断面図。
【図５】第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの一例を示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの他の例を示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの他の例を示す断面図。
【図８】バルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池を概略的に示す断面図。
【図９】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの一例を示す断面図。
【図１１】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を示す平面図。
【図１２】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を示す平面図。
【図１３】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を示す平面図。
【図１４】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を示す平面図。
【図１５】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を示す平面図。
【図１６】第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【００１０】
図１は第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの断面図である。図１において、薄膜太陽電池モジュール１００は１対の太陽電池サブモジュール５０で形成されている。１つの太陽電池サブモジュール５０は、１枚の透明基板１０上に間隙を介して縞状に並行して形成された複数の太陽電池セル３０を有する。後述するように、個々の太陽電池セル３０は透明電極と光電変換層と対向電極とを含み、隣り合う太陽電池セル３０は直列に接続されている。また、有機薄膜太陽電池セルの光電変換層は、たとえばｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とを含むバルクヘテロ接合型のものである。
【００１１】
太陽電池サブモジュール５０のペアは、それらの透明基板１０の主面を一方向（図１のｘ方向）に沿ってそれぞれ正の傾きおよび負の傾きをもって非平行に傾斜させ、近接端Ｅ１と開口端Ｅ０とをもつように対向させて配置されている。太陽電池サブモジュール５０のペアは、一方向（図１のｘ方向）に沿って複数配置されている。
【００１２】
図１においては、各々の太陽電池サブモジュール５０の透明基板１０の太陽電池セル３０が形成されている面（以下、裏面という）に、隣り合う太陽電池セル３０間の間隙に対応して光反射層２０が形成されている。光反射層２０の光反射率は９０〜１００％の範囲であることが好ましい。後述するように、図１の光反射層２０は隣り合う太陽電池セル３０を接続するための配線として用いられる。
【００１３】
光は薄膜太陽電池モジュールへ開口端Ｅ０側から入射し、各々の太陽電池サブモジュール５０において透明基板１０の表面側から裏面の太陽電池セル３０へ向かって入射する。ここで、光反射層２０がなければ、光が隣り合う太陽電池セル３０間の間隙を抜けて利用されない確率が増す。これに対して、第１の実施形態においては、隣り合う太陽電池セル３０間の間隙に対応して光反射層２０が形成されているので、光反射層２０で反射された光を対向する太陽電池サブモジュール５０において利用することができる。したがって、薄膜太陽電池モジュールの開口率を実効的に高めて、光電変換効率を高めることができる。
【００１４】
図２は第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの断面図である。図２において、図１と異なる点は、隣り合う太陽電池セル３０間の間隙に対応して形成されている光反射層２０が、透明基板１０の裏面側ではなく、透明基板１０の表面側に形成されていることである。すなわち、光反射層２０は、透明基板１０の太陽電池セル３０が設けられた主面と対向する主面に形成されている。
【００１５】
第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、薄膜太陽電池モジュールの開口率を実効的に高めて、光電変換効率を高めることができる。
【００１６】
実施形態に係る太陽電池サブモジュールにおいて、前記一方向（ｘ方向）、または開口端面（強度が最も高い光の入射方向に対して垂直な面）に対する太陽電池セル３０の平均傾斜角度θは４０°ないし５０°または５５°ないし６５°であることが好ましい。太陽電池セルを光の入射方向に対して傾斜させることにより、一方のセルで反射した光を対向するセルで受光して再利用することができ、光の利用率を高めることができる。角度θが４０〜５０°である範囲は反射回数１の周辺条件であり、セル面積に対する発電効率が極大化する角度であるため、コストパフォーマンスに優れている。角度θが５５〜６５°である範囲は反射回数２の周辺条件であり、光利用率が１に近付く条件である。これ以上の角度では光利用率は高まるものの飽和傾向にあり、一方でセル面積に対する発電効率が急激に低下するため、適切な角度は６０°近辺である。反射回数２回で無効な光量は１０％以下になる。透明基板１０が湾曲している場合には、透明基板１０の接線あるいは透明基板１０の太陽電池セル３０が設けられた部分の接線の傾斜角度θが４０°ないし５０°または５５°ないし６５°であることが好ましい。
【００１７】
次に、第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの構造を図３および図４を参照して説明する。
【００１８】
図３は第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの一例を示す断面図である。図３に示すように、太陽電池セル３０は、たとえばガラスからなる透明基板１０上に形成されており、透明電極（陽極）１１、有機薄膜からなる光電変換層１２および対向電極（陰極）１３が積層された構造を基本構造とする。図３に示すように、透明電極１１と光電変換層１２と対向電極１３とが、一部重複するように積層されている場合には、透明電極１１と光電変換層１２と対向電極１３とが積層された部分を太陽電池セル３０と称する。
【００１９】
ここで、隣り合う２つの太陽電池セル３０のうち、一方の太陽電池セル３０の透明電極１１と他方の太陽電池セル３０の対向電極１３との間の領域が間隙（ギャップ）Ｇと定義される。
【００２０】
図３では、太陽電池セル３０のアレイが形成されている透明基板１０の裏面に間隙Ｇに対応して光反射層２０が形成される。すなわち、透明基板１０の裏面に間隙Ｇに対応して光反射層２０が形成され、その上にＳｉＯ２などの無機材料からなる絶縁層２１が形成されている。絶縁層２１にコンタクトホールが形成され、絶縁層２１上にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などのパターンからなる透明電極１１と対向電極１３の取り出し電極２２とが形成され、光反射層２０と接続されている。透明電極１１上に塗布された有機薄膜からなる光電変換層１２が形成されている。光電変換層１２上にＡｌなどの金属からなる対向電極１３が形成され、取り出し電極２２と接続されている。このように、図３における光反射層２０は、太陽電池セル３０の配線として用いられている。
【００２１】
対向電極１３が取り出し電極２２と接続される部分であり、光電変換層１２を覆わない部分については太陽電池セル３０に含まない。また、透明電極１１の取り出し電極２２と接続される部分であり、対向電極１３に覆われない部分については太陽電池セル３０に含まない。すなわち、透明電極１１と光電変換層１２と対向電極１３とが積層された部分同士の間の領域が間隙（ギャップ）Ｇである。
【００２２】
図３には図示しないが、透明電極１１と光電変換層１２との間に正孔輸送層を設け、光電変換層１２と対向電極１３との間に電子輸送層を設けるのが一般的である。また、太陽電池セルの背面には封止フィルムを設けるのが一般的である。
【００２３】
図４は第１の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの他の例を示す断面図である。図４の太陽電池セルは、図３のそれと同じ構造を有する。透明基板１０の表面には、間隙Ｇに対向する位置に光反射層としての光拡散反射層２３が形成され、太陽電池セル３０に対向する位置に無反射膜２４が形成されている。
【００２４】
図５は第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの一例を示す断面図である。透明基板１０の裏面に間隙Ｇに対応して光反射層２０を形成した図３と異なり、図５においては透明基板１０の裏面に透明電極（陽極）１１、有機薄膜からなる光電変換層１２および対向電極（陰極）１３が順次積層されている。透明基板１０の表面には、間隙Ｇに対向して光反射層としての光拡散反射層２３が形成されている。光拡散反射層２３の材料としては、高反射率かつ低コストであることから、たとえば発泡ＰＥＴフィルムが用いられる。図示していないが、さらに透明基板１０の表面全面を覆うように無反射膜を形成してもよい。
【００２５】
図６は第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの他の例を示す断面図である。図６の太陽電池セルでは、透明基板１０の表面に間隙Ｇに対向して光反射層２０および光透過拡散層２３が光反射層として積層されて形成されている。それ以外は図５と同様な構造を有する。
【００２６】
図７は第２の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの他の例を示す断面図である。図７の太陽電池セルでは、透明基板１０の表面全面に無反射膜２４が形成され、その上に間隙Ｇに対向して光反射層２０が積層されて形成されている。それ以外は図５と同様な構造を有する。図７の構造は、無反射フィルム上にストライプパターンを形成するように金属を蒸着したストライプフィルムを透明基板２０に貼り付けることによって作製することができる。
【００２７】
なお、光反射層と無反射層とを交互に一体化して作製したフィルムを、透明基板１０の光入射面に付加した構造も有効である。たとえば、後述するモスアイフィルムを代表とする無反射フィルム上に、蒸着（またはスパッタリング）により銀またはアルミニウムの薄膜をストライプ状に形成したフィルムを、それぞれセルおよび間隙に対向する位置に配置されるように貼り付けることによって所望の構造を作製することができる。
【００２８】
以下、実施形態に係る有機薄膜太陽電池セルの各構成部材について説明する。
【００２９】
（透明基板）
透明基板１０は、他の構成部材を支持するためのものである。この透明基板１０は、電極を形成し、熱や有機溶剤によって変質しないものが好ましい。透明基板１０の材料としては、たとえば、無アルカリガラス、石英ガラスなどの無機材料、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などのプラスチック、高分子フィルムなどが挙げられる。基板の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度があれば、特に限定されない。
【００３０】
透明基板１０の光入射面には、たとえばモスアイ構造の反射防止膜を設置す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。無反射フィルムを媒介させることで屈折率の不連続的な変化面がなくなるため光の反射が減少し、セル効率が向上する。
【００３１】
（透明電極）
透明電極（陽極）１１は、透明基板１０の裏面に形成される。透明電極（陽極）の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明の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、塗布法などで成膜する。透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜などが挙げられる。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インジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイドなどからなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡなど）や、金、白金、銀、銅などが用いられる。特に、ＩＴＯまたはＦＴＯ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などを用いてもよい。陽極１１の膜厚は、ＩＴＯの場合、３０〜３００ｎｍ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、光電変換効率低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が作用するとひび割れてしまう。陽極１１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。陽極１１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。
【００３２】
（正孔輸送層）
正孔輸送層は、任意に、透明電極１１と光電変換層１２との間に配置される。正孔輸送層の機能は、下部の電極の凹凸をレベリングして太陽電池素子の短絡を防ぐこと、正孔のみを効率的に輸送すること、光電変換層１２の界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐことなどである。正孔輸送層の材料としては、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））などのポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロールなど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、たとえば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓ  ＰＨ５００、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ  Ｐ  Ａｌ  ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１が挙げられる。無機物では、酸化モリブテンが好適な材料である。
【００３３】
正孔輸送層の材料としてＣｌｅｖｉｏｓ  ＰＨ５００を使用する場合、膜厚は２０〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎる場合は、下部電極の短絡を防止する作用がなくなり、ショートが発生する。厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限するため、光変換効率が低下する。
【００３４】
正孔輸送層の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、たとえばスピンコート法などで塗布することが可能である。正孔輸送層の材料を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレートなどで加熱乾燥する。１４０〜２００℃で数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。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。
【００３５】
（光電変換層）
光電変換層１２は、透明電極１１と対向電極１３との間に配置される。バルクヘテロ接合型の太陽電池セルは、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とる。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。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。一方、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。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よい。
【００３６】
ｐ型有機半導体としては、たとえば、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など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、たとえば、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などが挙げられる。
【００３７】
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など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）など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など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などが挙げられる。
【００３８】
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。
【００３９】
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、印刷法などにより、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。
【００４０】
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、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４など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。
【００４１】
フラーレン誘導体における官能基としては、たとえば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子などのハロゲン原子；メチル基、エチル基などのアルキル基；ビニル基などのアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基などのアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基などの芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基などの芳香族複素環基などが挙げられる。具体的には、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６などの水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０などのオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体などが挙げられる。
【００４２】
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。
【００４３】
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、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。
【００４４】
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Ｐ３ＨＴ系の場合、およそｎ：ｐ＝１：１とすることが好ましい。また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。
【００４５】
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、たとえば、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−ブチルベンゼンなど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など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など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など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。
【００４６】
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、インクジェット法などが挙げられ、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。
【００４７】
（電子輸送層）
電子輸送層は、任意に光電変換層１２と対向電極１３との間に配置される。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、および光電変換層１２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。
【００４８】
電子輸送層の材料としては、金属酸化物、たとえば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。成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、たとえば、スピンコート法が挙げられる。電子輸送層の材料として酸化チタンを使用する場合、膜厚は５〜２０ｎｍの厚さに成膜する事が望ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、ホールブロック効果が減少するため、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。膜厚が厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限するため光変換効率が低下する。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℃〜１００℃で数分〜１０分間程度、空気中にて加水分解を促進しながら加熱乾燥する。無機物では蒸着法で形成した金属カルシウム膜などが好適である。
【００４９】
（対向電極）
対向電極（陰極）１３は、光電変換層１２（または電子輸送層）の上に積層される。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、塗布法などで成膜する。電極材料としては、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜などが挙げられる。透明電極１１を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、対向電極１３には仕事関数の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、たとえば、アルカリ金属、アルカリ土類金属などが挙げられる。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。
【００５０】
対向電極１３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。また、前記仕事関数の低い材料のうちの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−アルミニウム合金などが挙げられる。
【００５１】
対向電極１３の膜厚は、１ｎｍ〜５００ｎｍ、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。膜厚が厚い場合には、対向電極１３の成膜に長時間を要するため材料温度が上昇し、有機層にダメージを与えて性能が劣化する。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。
【００５２】
（光反射層）
太陽電池セルと一体化させて裏面に形成される光反射層２０は、銀もしくは銀合金、アルミニウムなど高反射率の金属膜を、透明基板のセル形成面の最下層に、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの方法で形成する。Ａｇ合金薄膜からなる光反射層は高い導電性を有するため、セル間の配線に兼用することができる。セル間の短絡を防ぐためにその一部をアルミナ、シリカ、チッ化珪素を代表とする無機物の透明絶縁体で被覆することが好ましい。
【００５３】
透明基板１０の表面に形成される光反射層は反射率の高い表面を有する材質で、たとえば表面が良く研磨されたアルミニウムや、クロムなどの金属、ガラスや樹脂などの表面に銀メッキなどで反射膜を設けた鏡状の反射板、ガラスや樹脂などの表面にアルミを蒸着した反射板、各種金属箔、屈折率を調整した有機反射シートなどを用いることができる。具体的な有機反射シートには、たとえば３Ｍ社製の反射フィルム  ビキュイティＥＳＲや麗光社のルイルミラーなどを選択することで９７％以上の反射率を有する反射膜を作製できる。また、高反射率の散乱体（光拡散反射層）として光反射層よりも光反射率が低く光散乱性を有する材料を用いることができる。例えば、古川電工のＭＣＰＥＴを代表とするマイクロ発泡フィルム（９８％以上の拡散反射）を適用することもできる。無反射膜としてはモスアイ構造を有するフィルムやフッ化マグネシウムの単層膜などを用いることができる。例えば一枚のフィルムで光反射層を形成する場合には、モスアイ構造を代表とする無反射膜とマイクロ発泡構造を代表とする光散乱完全反射層をフィルム上に交互に形成したストライプフィルムを、太陽電池セルと間隙の位置に合わせて（セル位置に無反射膜、間隙位置に完全反射膜を配置して）基板裏面に貼り付けてもよい。さらに異なる反射層構成として、反射鏡面の上に光拡散シートを積層してもよい。この積層構造には鏡面表面に直接的に積層する構成と、透明基板を挟んで鏡面と光拡散シートとを対向させて形成する構成がある。
【００５４】
透明基板が樹脂ベースのフレキシブル透明基板である場合、光電変換層を構成する有機薄膜の劣化を抑制するために、外界の酸素や水を遮蔽する遮蔽膜（防湿・防酸素膜）として無機絶縁材料からなる表面被覆層または中間層を形成する。透明基板の裏面に形成される反射層および無機絶縁層は、酸素や水に対して遮蔽膜の機能を有するため、フレキシブル透明基板の補助遮蔽膜として有効である。一般的に有機薄膜太陽電池モジュールの保存安定性を上げるためには、１０−４オーダーより良好な防湿・防酸素特性が望まれる。
【００５５】
図８は、バルクへテロ接合型の太陽電池の動作メカニズムを説明する図である。図８において、参照符号１および２は、それぞれ、ｐ型半導体およびｎ型半導体を表している。また、参照符号ＣＰおよびＣＥは、それぞれ、正孔および電子を表している。
【００５６】
有機薄膜太陽電池の光電変換プロセスは、ａ）有機分子が光を吸収してエキシトンを発生する過程、ｂ）エキシトンの移動および拡散の過程、ｃ）エキシトンの電荷分離の過程、ｄ）両極への電荷輸送の過程に大きく分けられる。
【００５７】
ステップａ）では、ｐ型有機半導体又はｎ型有機半導体が光を吸収することによりエキシトンが発生する。この発生効率をη１とする。ステップｂ）では、発生したエキシトンがｐ／ｎ接合面へ拡散により移動する。この拡散効率をη２とする。エキシトンには寿命があるため、拡散長程度しか移動できない。ステップｃ）では、ｐ／ｎ接合面に到達したエキシトンがエレクトロンと正孔に分離される。このエキシトンの分離の効率をη３とする。ステップｄ）では、それぞれの光キャリアはｐ／ｎ材料中を通じて電極へ輸送されて外部回路に取り出される。この輸送効率をη４とする。
【００５８】
照射された光子に対する発生したキャリアの外部取り出し効率は、次の式で表すことができる。この値が太陽電池の量子効率に相当する。  
ηＥＱＥ＝η１・η２・η３・η４。
【００５９】
光電変換効率を向上させるには、前記ａ）〜ｄ）の特性に鑑みて有機薄膜太陽電池素子を作製すればよい。すなわち、ステップａ）においては、光電変換層が入射してくる光子を１００％吸収すること；ステップｂ）およびｃ）においては、有機半導体材料の移動度か高く、ｐ／ｎ接合が確実に行われていること；ステップｄ）においては、両極へのキャリアパスが形成され、電極までの距離が短く、トラップになるような欠陥がないことに留意すればよい。
【００６０】
このような前提に基づいて有機薄膜太陽電池を作製すれば、高効率な素子を実現できるが、現状の材料や製膜法ではこの理想の形には程遠い。有機薄膜太陽電池は、従来の無機系太陽電池に比べ、エキシトンの解離確率が低く、エキシトンの拡散長が短く、さらにキャリアの移動度が低いという問題がある。有機半導体には、純度や分子量分布、配向性など、制御が困難なパラメータが多いためである。
【００６１】
前記ステップａ）を改善するために、光電変換層を厚くして光子の吸収率を向上させる手段が考えられる。光電変換層を厚くすることにより光路長が長くなるため、光子の吸収率は高まるが、光電変換層の厚さの増加に伴い電気抵抗が増大し、キャリアがトラップされやすくなる。そのため、発生したキャリアは電極へ到達することができず、光電変換効率が低下する。
【００６２】
また、前記ステップｄ）を改善するために、光電変換層を薄くして電極間の距離を短くする手段が考えられる。電極間の距離を短くすることにより、発生したキャリアは電極に到達しやすくなり、膜の電気抵抗も低下する。そのため、光電変換効率が向上するようにも思われる。しかし、光電変換層の膜厚が薄いと、前記ステップａ）において発生するエキシトンの量が低下する。光電変換層に用いられる材料は光吸収性があまり高くないため、膜厚が薄いと光子は光電変換層に全て吸収されず外部へ逃げてしまうからである。このため、キャリア数が少なくなり、電流が減少する。その結果として、光電変換効率が低下する。
【００６３】
このように光電変換層の膜厚が厚くなると、発生するエキシトンの数は増加するが、キャリアの電極への輸送能力が劣化する。一方、光電変換層の膜厚が薄くなると、キャリアの電極への輸送性には優れるのであるが、発生するエキシトンが少なくなってしまう。従って、どちらの条件においても最終的には光電変換効率が低下する。
【００６４】
図９は、第３の実施形態に係るフレキシブル透明基板を用いて作製した薄膜太陽電池モジュールの断面図である。基板１０として樹脂を含むフレキシブルな基板を用いている。この薄膜太陽電池モジュール１００は、収納時には折り畳み、使用時には左右に開いて展開させて受光する。図９に示されるように、このモジュールは、左右に開いて側面を見た形状に基づいてＹ字モジュールと呼ばれる。
【００６５】
隣接する太陽電池サブモジュール５０は、一方向（ｘ方向）に沿って交互に谷折と山折の折り加工が施されてつながっている。太陽電池サブモジュール５０のペアを、直列接続することが好ましいが、並列接続も可能である。図９では、谷折部において、フレキシブル透明基板１０Ｆの裏面の電極を高導電性の導電テープ５４で接続しているので、折り加工による断線などのアセンブリトラブルは発生しにくい。谷折部におけるフレキシブル透明基板１０Ｆの接着面を両面接着テープで接着することにより、谷の底部にまで発電領域が達するモジュールを構成することができる。山折部において、フレキシブル透明基板の表面を３Ｍ社製のビキュイティフィルムやアルミフィルムのような反射テープ５５で接続している。山折部におけるフレキシブル透明基板１０Ｆの裏面には、電極（タブ線）を接着するための高導電性両面接着テープを配置して、サブモジュール間の導通を確保しながら山折部の反射領域の厚みを低減させる。
【００６６】
図１０は第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの一例を示す断面図である。図１０の太陽電池セル３０のアレイは、樹脂シートからなるフレキシブル透明基板１０Ｆを用いていることを除けば、図３に示した構造と同等である。
【００６７】
図１０には図示していないが、太陽電池セルアレイの背面には、無機絶縁材料からなる防湿・防酸素層を形成した封止シート（フィルム）が被覆されている。フレキシブル透明基板１０Ｆの裏面に形成されている反射層２０および無機材料からなる絶縁層２１も酸素と水に対する遮蔽性を有するが、これらによる遮蔽性が十分でない場合は、フレキシブル透明基板１０Ｆの表面（または中間層）に透明無機材料からなる遮蔽層を形成してもよい。
【００６８】
次に、図１１〜図１６を参照して、第３の実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造方法（アセンブリプロセス）の一例を説明する。図１１〜図１５は薄膜太陽電池モジュールを太陽電池セルが形成されている裏面から見た図である。図１６は薄膜太陽電池モジュールの斜視図である。
【００６９】
図１１に示すように、１枚の樹脂シートからなるフレキシブル透明基板の裏面に、太陽電池サブモジュール５０に対応する太陽電池セルアレイ５１と陰極取り出し電極５２および陽極取り出し電極５３を形成する。この図には６枚の太陽電池サブモジュール５０が含まれる。この樹脂シートを、谷折Ｖおよび山折Ｍのそれぞれの予定位置で正確に切断して並列させる。
【００７０】
図１２に示すように、太陽電池サブモジュール５０の谷折位置Ｖの裏面に導電テープ５４（高導電性の銅箔テープまたは太陽電池用のタブ線接続テープ）を貼り付け、隣り合う太陽電池サブモジュール５０間で陰極取り出し電極５２と陽極取り出し電極５３とを接着して直列接続する。
【００７１】
図１３に示すように、太陽電池サブモジュール５０の山折位置Ｍの表面に反射テープ５５（たとえばアルミ箔接着テープや３Ｍのビキュイティ接着シート）を貼り付け、隣り合う太陽電池サブモジュール５０を接着する。
【００７２】
図１４に示すように、太陽電池サブモジュール５０の山折位置Ｍの裏面に両面接着導電テープ５６（高導電性の銅箔テープまたは太陽電池用のタブ線接続テープ）を貼り付け、隣り合う太陽電池サブモジュール５０間で陰極取り出し電極５２と陽極取り出し電極５３とを接着して直列接続する。
【００７３】
図１５に示すように、太陽電池サブモジュール５０の谷折位置Ｖの表面に両面接着テープ５７を貼り付け、隣り合う太陽電池サブモジュール５０を接着する。
【００７４】
図１６に示すように、谷折と山折を繰り返して、折畳んだ薄膜太陽電池モジュール１００を製造する。この薄膜太陽電池モジュール１００を左右に広げ、図９に示したＹ字モジュールの形態で使用して光起電力を得る。
【００７５】
このようにフレキシブル透明基板を用いて作製した薄膜太陽電池モジュールは、たとえば非常用持ち出し袋に入れて災害時の充電電源として用いることができる。折り畳んだフレキシブル太陽電池モジュールは防湿梱包に窒素封止しておく。これにより比較的遮蔽性の低いフィルムを使用したモジュールでも、数年以上にわたって僅かな特性劣化を招くだけで太陽電池を保存できる。開封後は徐々に発電効率が低下するので、２〜３ヶ月の使用でモジュールを廃棄することもあるが、それでも非常時に必要最小限の電源を確保する用途に十分使える。
【００７６】
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００７７】
１…ｐ型半導体、２…ｎ型半導体、１０…透明基板、１０Ｆ…フレキシブル透明基板、１１…透明電極、１２…光電変換層、１３…対向電極、２０…光反射層、２１…絶縁層、２２…取り出し電極、２３…光拡散反射層、２４…無反射膜、３０…太陽電池セル、５０…太陽電池サブモジュール、５１太陽電池セルアレイ、５２陰極取り出し電極、５３陽極取り出し電極、５４…導電テープ、５５…反射テープ、５６…導電テープ、５７…両面接着テープ、１００…薄膜太陽電池モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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