(57)【要約】【課題】エネルギー変換効率を高めることができる有機薄膜太陽電池を提供する。【手段】有機薄膜太陽電池は、互いに離間して対向配置された第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極の間に充填されかつそれぞれに電気的に接続された光電変換層とを含む有機薄膜太陽電池であって、第１電極の第２電極への対向面に突設されかつ電気的に接続された電気伝導体からなる複数の第１突起体と、第２電極の第１電極への対向面に突設されかつ電気的に接続された電気伝導体からなる複数の第２突起体と、を有し、第１突起体及び第２突起体は光電変換層内において互いの間に挿入されるように配置される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間して対向配置された記第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び第２電極の間に充填されかつそれぞれに電気的に接続された光電変換層とを含む有機薄膜太陽電池であって、
前記第１電極に電気的に接続されかつその第２電極への対向面に突設された電気伝導体からなる複数の第１突起体と、前記第２電極に電気的に接続されかつその第１電極への対向面に突設された電気伝導体からなる電気伝導体からなる複数の第２突起体と、を有し、前記第１及び第２突起体は前記光電変換層内において互いの間に挿入されるように配置されたことを特徴とする有機薄膜太陽電池。
【請求項２】
前記第１及び第２突起体のおのおのはその先端の面積がその側面の面積よりも小であることを特徴とする請求項１記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項３】
前記光電変換層がｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の積層から構成されかつ前記ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の積層の界面が前記第１及び第２突起体の側面の間に配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項４】
前記光電変換層がｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合層から構成されかつ前記混合層が前記第１及び第２突起体の側面の間に配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項５】
前記光電変換層が前記第１または第２突起体のいずれかに対してショットキー接合を形成することを特徴とする請求項１または２記載の有機薄膜太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換層に有機半導体を用いる有機太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換層にシリコンなどの無機材料のｐ型半導体及びｎ型半導体を用いる無機太陽電池は、製造コストはかかるが、エネルギー変換効率が高いので、太陽電池の主流となっている。無機半導体の代わりにｐ型有機半導体及びｎ型有機半導体を用いる有機太陽電池の研究開発が続いているが、有機太陽電池のエネルギー変換効率は数％である。
【０００３】
有機材料を用いる有機太陽電池には、色素増感型太陽電池（グレッツェルセル）や、有機薄膜太陽電池などが知られている。色素増感型太陽電池は湿式であり、有機薄膜太陽電池は全固体型である。
【０００４】
全固体型である有機薄膜太陽電池において、エネルギー変換効率を高めるためにナノチューブを用いた光電変換素子が提案されている（特許文献１、参照）。
【０００５】
かかる先行技術の有機薄膜太陽電池では、図１に示すように、第１電極９２と、該第１電極と電気的に接続された第１ナノチューブ９４１と、第２電極９６と、該第２電極と電気的に接続された第２ナノチューブ９４２と、第１ナノチューブおよび第２ナノチューブを埋設した半導体層９５１，９５２（光電変換層）とからなる半導体素子において、第１及び第２ナノチューブ９４１，９４２は接触していない構成としている。
【特許文献１】特開２００４−１５２７８７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる先行技術の有機薄膜太陽電池では、図２に示すように、第１および第２電極９２、９６に植設した第１及び第２ナノチューブの層９４１，９４２がそれらナノチューブ先端で対向するため、各ナノチューブ側面の光電変換層９５中で生成した電子ｅ及びホールｈの電荷の移動距離が長くなってしまう。このため、電子ｅ及びホールｈが移動中に再結合してしまいやすい。
【０００７】
さらに、かかる先行技術の有機薄膜太陽電池では、第１及び第２ナノチューブ先端の間の光電変換層９５の膜厚が数ナノメートル程度であり、シリコン太陽電池の光電変換層の厚みマイクロメートルオーダーと比べて３桁ほど薄いため、ほとんどの太陽光が吸収されずに素通りしてしまい、入射光全体のほんの一部の量しか光電変換に利用できない。また、使用している有機材料の電荷輸送能力が低いため、光電変換層の膜厚をさらに薄くする必要がある。これは、電荷輸送能力が低いため、厚膜にしてしまうと電荷が光電変換層を移動中に再結合などで失われてしまい変換効率が逆に低下してしまうためである。よって、光電変換層が薄いと入射光を十分に吸収することができない。従って、有機薄膜太陽電池においてエネルギー変換効率を高めることが難しいものであった。
【０００８】
本発明の解決しようとする課題には、エネルギー変換効率を高めることができる有機薄膜太陽電池を提供することが一例として挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の有機薄膜太陽電池は、互いに離間して対向配置された記第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び第２電極の間に充填されかつそれぞれに電気的に接続された光電変換層とを含む有機薄膜太陽電池であって、
前記第１電極に電気的に接続されかつその第２電極への対向面に突設された電気伝導体からなる複数の第１突起体と、前記第２電極に電気的に接続されかつその第１電極への対向面に突設された電気伝導体からなる電気伝導体からなる複数の第２突起体と、を有し、前記第１及び第２突起体は前記光電変換層内において互いの間に挿入されるように配置されたことを特徴とする。
【００１０】
このように、本発明によれば、第１電極及び第２電極に複数の突起体をそれぞれ設け光電変換層内において互いの間に挿入されるので、突起体側面から光照射により発生した電子とホールを効率よく外部に取り出すことが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態の有機薄膜太陽電池パネルを図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図３に示すように、有機薄膜太陽電池は、少なくともいずれかが透光性の第１基板１１Ｂと第２基板１２Ｂの内面にそれぞれに互いに離間して対向配置された第１電極及び第２電極の間に充填されかつそれぞれに電気的に接続された光電変換層１３とを含む。太陽光などの入射光は第１電極及び第２電極１１及び１２の少なくとも一方側から照射される。
【００１３】
図４に示すように、第１基板１１Ｂと第２基板１２Ｂ内面の第１電極１１の第２電極１２への対向面には、第２電極１２へ向けて突設された電気伝導体からなる複数の第１突起体１１Ｐが形成されている。また、第２電極１２の第１電極１１への対向面には、第１電極１１へ向けて突設された電気伝導体からなる複数の第２突起体１２Ｐが形成されている。第１突起体１１Ｐは第１電極１１へ電気的に接続され、第２突起体１２Ｐは第２電極１２へ電気的に接続されている。平行ストライプ状の第１突起体１１Ｐ及び第２突起体１２Ｐは光電変換層１３内において互いの間に挿入されが形成されている。よって、いずれの電極を透過した入射光は光電変換層１３の膜厚方向に対して斜め方向において通過する。また、各電極と光電変換層１３界面には、コンタクトを良好にするための有機中間層を導入してもよい。さらに、第１突起体１１Ｐ及び第２突起体１２Ｐはストライプ状に限られず互いにドット形状でも、第１突起体１１Ｐ及び第２突起体１２Ｐが互いの間に挿入されるように配置できる形状であればよい。さらに、第１及び第２突起体１１Ｐ及び１２Ｐのおのおのはその先端の面積がその側面の面積よりも小である。
【００１４】
第１電極１１と第２電極１２の双方に、互いに接触しない突起体１１Ｐ及び１２Ｐを設けた構造により、第１電極１１と第２電極１２の間隔を大きくとっても突起体１１Ｐ及び１２Ｐ間の間隔を狭く保つことが可能となり、入射光により生成した電子とホールが再結合することなく、それぞれが効率よく第１電極１１と第２電極１２に形成した突起体１１Ｐ及び１２Ｐへと流れていくことが可能となる。また、それぞれの電極上に突起体１１Ｐ及び１２Ｐを設けることから入射光が散乱され、より多くの光を吸収することが可能となる。
【００１５】
有機薄膜太陽電池の第１電極１１と第２電極１２上の突起体１１Ｐ及び１２Ｐは、それぞれ１ナノメートル〜１００マイクロメートルの高さで、各電極（基板）に対して垂直方向に伸びる導電性材料からなる。この突起体１１Ｐ及び１２Ｐは互いに接すること無く互い交差している。そして、この突起体１１Ｐ及び１２Ｐの間に光電変換材料（光電変換層１３）が充填されている。陽極側の突起体の材料は、ＩＴＯや、酸化モリブデン、ＰＥＤＯＴ、酸化バナジュウム等の透明材用を用いるが、これに限らずホールを流しやすい材料であれば何でもよい。また陰極側の突起体の材料は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの金属や、酸化亜鉛などの酸化物でもよい。また、カーボンナノチューブなどででも良く、これらに限らず、突起体の材料は電子、ホールを流しやすい材料ならばよい。
【００１６】
本実施形態では、第１電極１１と第２電極１２に作成した突起体が互いに光電変換材料を介して交差しているため、両者の距離を短くすることが可能となり、電荷の再結合を防止することができるため、高効率化が可能となる。また、電荷の移動距離が短くなるため、光電変換層を厚膜化することができるので、入射した光を十分吸収することもでき、高効率化につながる。
【００１７】
本実施形態によれば、光電変換層１３は光を電気に変換するが、従来は厚みが充分でなかったが、突起体１１Ｐ及び１２Ｐによって光電変換層１３を入射した透過光に斜めに配置できるので、ほとんどの太陽光が吸収できるようになる。
【００１８】
第１基板と第２基板に形成する突起体１１Ｐ及び１２Ｐの太さ、幅及び長さ等の大きさを変えることができる。これにより、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料の移動度に違いがある場合は突起体の大きさを変えて電子とホールの移動距離を調整できる。また、突起体の電気伝導度が違う場合も突起体の大きさを調整することにより両者間のバランスを取ることができる。
【００１９】
光電変換層１３への励起光の照射により起電力が発生する光起電力効果は、光照射時に、ｐｎ接合部またはショットキー接合部に発生した電子とホールが界面の電場により引き分けられ電位差が生じ、それぞれに電極を設けて、回路を構成して得られる。光電変換層１３には、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体とを接触させた界面のｐｎ接合を設けても、金属と有機半導体を接触させた界面のショットキー接合を設けてもよい。よって、光電変換層がｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の積層から構成された場合は、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の積層の界面が第１及び第２突起体の側面の間に配置される。また、ショットキー接合を形成する場合は、光電変換層が第１または第２突起体のいずれかに対してショットキー接合を形成する材料の組あわせとする。光電変換層１３の光電変換材料としては、ｎ型有機半導体として、フラーレン、Ｃ６０、フラーレン誘導体のＰＣＢＭなどが用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。ｐ型有機半導体として、フタロシアニンの誘導体、ＺｎＰｃ、Ｃｕ−Ｐｃ、Ｐ３ＨＴなどのポリチオフェン、ポリフィリン、ペンタセン、ルブレン、ＭＥＨ−ＰＰＶなどのポリフェニレンビニレンなどを用い得るが、これらに限定されるものではない。光電変換層１３といずれかの金属電極との間でショットキー接合になる仕事関数の関係は、金属とｎ型有機半導体の接合と、金属とｐ型有機半導体の接合とでは異なり、金属とｎ型有機半導体の接合ではφｍ＞φｓとし、金属とｐ型有機半導体の接合ではφｍ＜φｓとする（ただし、金属仕事関数＝φｍ、半導体（光電変換層１３）仕事関数＝φｓ）。このとき、他方の金属電極と光電変換層１３とは、仕事関数の関係が前記とは逆の材料の組み合わせとしてオーミック接合とする。
【００２０】
さらに、光電変換層１３には、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体との間にバルクヘテロ層を積層、接触させたｐｉｎ接合としてもよい。これにより、光電変換層１３の実効的な膜厚を拡大できる。また、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体の混合層を用いたバルクヘテロ層を光電変換層としてもよい。
【００２１】
有機薄膜太陽電池パネルの製造方法を、図３のＡＡの断面を示す図５などを用いて説明する。
【００２２】
先ず図５に示すように、有機薄膜太陽電池パネルのガラス又は樹脂フィルムなどの第１基板１１Ｂ上に、導電性材料からなる第１電極１１を一様に形成する。具体的には、第１基板上に蒸着法やスパッタ法などにより導電性材料を成膜する。
【００２３】
次に、図６に示すように、第１電極１１上に、所定ピッチで、導電性材料からなるブレード状の突起体１１Ｐの複数を平行に固着させ設ける。例えば、突起体１１Ｐは、その先が同一の平面に存在するように、あるいは同一の高さとなるように形成される。
【００２４】
また、平行な突起体１１Ｐパターンは、図７に示すように、例えばガラス板のエッチングを行うことにより第１基板１０と一体的に形成しておいて、蒸着法やスパッタ法などにより、その凹凸表面に導電性材料の薄膜、第１電極１１を成膜してもよい。または、第一電極上に導電性材料を蒸着やスパッタ法などにより成膜し、エッチングにより突起パターンを形成してもよい。また、ＣＶＤ法などにより、突起パターンを成長させるように成膜してもよい。
【００２５】
そして、図８に示すように、蒸着法やスパッタ法、スピンコート法、スプレー法、ディップ法、印刷法、インクジェット法などにより、第１電極１１上と隣接する突起体１１Ｐ上の全てに光電変換材料の有機半導体１３を成膜する。
【００２６】
一方、図９に示すように、第２基板２Ｂ上の第２電極１２上に、所定ピッチで、導電性材料からなるブレード状の突起体１２Ｐの複数を固着させ設けたものを用意する。突起体１２Ｐは突起体１１Ｐと同一形状とすることができる。第１及び第２基板いずれに作成する突起体は、それが基板に対し垂直に立っているように、形成する。また、突起体は、接触防止のため、基板間距離の間で接触しない範囲の角度を持って突起体の側面が形成されている。
【００２７】
そして、図１０に示すように、蒸着法やスパッタ法、スピンコート法、スプレー法、ディップ法、印刷法、インクジェット法などにより、第２電極１２上と隣接する突起体１２Ｐ上の全てには光電変換材料の有機半導体１３を成膜する。
【００２８】
第１及び第２基板のいずれ有機半導体１３も、第１電極１１と第２電極１２の短絡を防ぐため、突起体１１Ｐ、１２Ｐを十分に覆うことが好ましい。そのような有機半導体１３を形成するためには、具体的には、基板を自公転させた蒸着法や、塗布法を用いればよい。
【００２９】
なお、有機半導体１３は複数のステップに分けて成膜した多層構造とすることができ、有機機能層の少なくとも一層が形成されていればよい。
【００３０】
次に、図１１に示すように、第１基板の突出する突起体１１Ｐを第２基板に向け第１基板を押圧して、位置合わせを行いながら両基板を貼り合せる。この時、両基板を光電変換材料のガラス転移温度程度まで加熱してもよい。ここで、第１基板を突起体１１Ｐの長手方向に動かし（一方向又は双方向）ながら貼り合せてもよい。
【００３１】
両者の突起体が接触しないように、図３に示すように、貼り合わせ時に位置合わせを行うためのマークＭを第１基板と第２基板に作成しておくことが好ましい。
【００３２】
また、突起体が基板に接触しないよう、一定の間隔を保つため、基板の一部にスペーサーを設けてもよい。
【００３３】
他の実施形態においては、さらに、図１２に示すように、第１突起体１１Ｐ及び第２突起体１２Ｐはそれぞれドット形状でも、図１３に示すように、第１突起体１１Ｐが第２突起体１２Ｐを受容するような凹部を形成するように突出し、ドット形状第２突起体１２Ｐが当該凹部第１突起体１１Ｐに光電変換層を介して挿入されるように配置できる形状であってよい。また、図の突起体は先端が尖った形状であるが、円柱状の形状としてもよい。
【００３４】
他の実施形態においては、突起体の形成された第１基板と第２基板とを、あらかじめ一定の間隔をあけた状態で固定した後、基板間にｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体を混合した溶液を接触させ、毛管現象により第１基板と第２基板の隙間に注入した後、溶媒を蒸発させることにより、光電変換層を形成する方法でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の有機薄膜太陽電池パネルの概略部分断面図である。
【図２】従来の有機薄膜太陽電池パネルの概略部分断面図である。
【図３】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの部分拡大平面図である。
【図４】図３の線ＡＡに沿って切断したときの部分断面図である。
【図５】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図６】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図７】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図８】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図９】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図１０】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図１１】本発明による実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの製造過程における基板の部分断面図である。
【図１２】本発明による他の実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの部分拡大平面図である。
【図１３】本発明による他の実施形態の有機薄膜太陽電池パネルの部分拡大平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１  第１電極
１２  第２電極
１３  有機半導体
１１Ｐ、１２Ｐ  突起体
【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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