(57)【要約】本発明は少なくとも二つの光活性層を含む太陽電池に関する。この種の太陽電池又は光起電力要素はまた、タンデム型太陽電池又は光起電力マルチ電池と称される。タンデム型太陽電池は、本質的には、二つの光活性層が光学的かつ電気的に直列に接続した状態からなる。本発明は特に、有機タンデム型太陽電池であって、二つの光起電力性の活性層の間に配置されるとともに実質的に有機材料から形成される少なくとも一つの共有電極を含む有機タンデム型太陽電池に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンデム型光起電力電池であって、前記タンデム型光起電力電池は、少なくとも二つの光活性層と、二つの外側電極と、二つの対応する隣接した光活性層の間に配置されるとともに該光活性層を互いに電気的かつ機械的に接続する少なくとも一つの共有電極とを含み、前記少なくとも一つの共有電極は溶液から適用される材料より形成されることを特徴とする光起電力電池。
【請求項２】
請求項１に記載の光起電力電池であって、前記溶液から適用される材料は実質的には有機材料であることを特徴とする光起電力電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光起電力電池であって、前記共有電極の有機材料はＰＥＤＯＴを含むことを特徴とする光起電力電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光起電力電池であって、前記共有電極の有機材料はＰＡＮＩを含むことを特徴とする光起電力電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光起電力電池であって、前記中間層は、溶液から加工可能な導電性ナノ粒子を含むことを特徴とする光起電力電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光起電力電池であって、前記中間層はポリマーマトリックス中に混合され、それにより溶液から加工可能となる導電性ナノ粒子を含むことを特徴とする光起電力電池。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光起電力電池であって、前記光起電力電池は有機光起電力電池であることを特徴とする光起電力電池。
【請求項８】
請求項１乃至７にいずれか一項に記載の光起電力電池であって、前記有機材料は半透明であることを特徴とする光起電力電池。
【請求項９】
タンデム型光起電力電池を製造する方法であって、前記光起電力電池は二つの外側電極と少なくとも二つの光活性層とを含み、二つの隣接する光活性層の各々の間には該光活性層を互いに機械的かつ電気的に接続する共有電極が配置されており、導電性有機材料から形成される少なくとも一つの共有電極は前記少なくとも二つの光活性層の一方に適用されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、導電性半透明有機材料から形成される少なくとも一つの電極は、溶媒から適用されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の方法において、前記光活性層の少なくとも一つは溶媒から適用されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は少なくとも二つの光活性層を含む太陽電池に関する。この種の太陽電池又は光起電力要素はまた、タンデム型太陽電池又は光起電力マルチ電池（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｓｃｈｅ  Ｍｕｌｔｉｚｅｌｌｅｎ）と称されている。タンデム型太陽電池は、本質的には、光学的かつ電気的に直列に接続された二つの光活性層を含む。本発明は、特に有機タンデム型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンデム型太陽電池自体は、本質的には公知である。タンデム型太陽電池は本質的には、二つの（半）太陽電池から構成される直列回路を含む。本明細書に記載されているタンデム型太陽電池は、機械的、光学的かつ電気的に直列に接続された二つの太陽電池を構成する。これにより、（半）太陽電池の個々の電圧が累積されるので、開路電圧が増大する。タンデム型太陽電池は二つの太陽電池の間にある共有電極の形態において独特の特徴を備え、該電極において、一方及び他方の太陽電池の二つのタイプの電荷担体が再結合する。仮にこの電極が金属層により調製される場合、この金属層により光が反射され、反射による損失を誘導し、よって、第二の電池における電力が損失する。
【０００３】
そのようなタンデム型光起電装置は、例えば、ドイツ国第６９３３０８３５Ｔ２号により公知である。しかしながら、ドイツ国第６９３３０８３５Ｔ２号はその開示に関して、ｐ−及びｎ−ドープされた半導体材料に制限されており、いかなる種類の有機光起電力装置も開示していない。反射による損失を低減するために共有電極を構築するまったく別の方法は、論文“界面金属ナノクラスターを組み込んだ高光起電力マルチ−ヘテロ接合有機太陽電池（Ｈｉｇｈ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ）”（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８０、Ｎｏ．９、ｐｐ．１６６７−１６６９（２００２年３月４日））に特定されている。
【０００４】
該論文のタイトルに提案されているように、連続的な金属層としてこれまでに実施されている共有電極を、個々に分配された金属ナノクラスターに置き換えることが提案されている。即ち、該論文は、その全体の領域にわたって誘導する電極を、個々の本質的に点状の導電接合に置き換えるという基本的な概念から進められている。この概念は、入射光に対面する従来の太陽電池の側において使用される格子型の電極の副産物であると思われる。共有電極は電荷を分散させる必要がなく、それらを次の層に導電するのみであるので、本質的に点状の導電体の配置が金属電極に対して最も低い反射指数を提供する解決法である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、幾らかのその他の方法にて、反射指数を著しく低減させる解決法は知られていない。
【０００６】
従って、共有電極の反射指数により生ずる損失を低減するタンデム型太陽電池を備えることが望ましい。
更に、タンデム型太陽電池の生産をスピードアップし、かつ簡略化し、該生産にかかる費用を低減することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様に従って、本発明はタンデム型光起電力電池を提供し、該電池は少なくとも二つの光活性層と、二つの外側電極と、該二つの光活性層を互いに接続する少なくとも一つの共有電極とを含み、溶液から加工可能な材料より形成される少なくとも一つの共有電極により特徴付けられる。
【０００８】
溶液から加工され得る材料は、例えば、気体相から蒸着する必要のある材料よりは使用時の費用が少ない。
溶液から加工可能な材料は、好ましくは有機材料である。加えて、その固有の化学構造よるか、あるいはその組成物若しくはドーピングの結果として該材料は導電性である。例えば、該材料は、フラーレン及び／又はポリマーからの正孔より電子を受け取る。これは、金属及び、小さなバンドギャップを有する大いにドープされた半導体、わずかにより大きなバンドギャップを有するドープされた半導体等を用いて最良に達成され得る。必要な半透明性は非常に薄い層を形成することにより達成される。
【０００９】
「外側電極」なる用語は、電極の光活性層に対する位置に関するものであり、タンデム型太陽電池の全体に対する位置に関するものではない。非導電性の基質に適用された太陽電池の場合、「外側電極」はまた太陽電池の光活性層と基質との間に配置される。
【００１０】
タンデム型電池における光活性層の数は任意である。その理由は、本発明は、基本的には任意の数の個々の電池から構成されるタンデム型電池において使用されるからである。多くの数の個々の層から構成されるタンデム型電池は、対応する個々の光活性層の利用可能なバンドギャップと、入射光のスペクトル分布、対応する吸収率により、実施可能ではないことは明らかである。
【００１１】
共有電極に課される更なる必要条件は、正電荷と負電荷との再結合が好ましくは電極上又は電極内にて起こるように電極の電気特性がデザインされることである。
本発明の好ましい実施形態において、共有電極の導電性有機材料はポリマーを含み、特にＰＥＤＯＴ、ＰＡＮＩ及び／又はそれらの誘導体及び／又はそれらの混合物を含む。ＰＥＤＯＴ（ポリー３，４−エチレンジオキシチオフェン）は、ジエステル架橋により重合化した複素環式チオフェンに基づく導電性ポリマーである。ＰＥＤＯＴはまた、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳとして使用され得る。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、ポリスチレンスルホン酸でドープされたＰＥＤＯＴである。
【００１２】
一実施形態において、光起電力電池は、溶液から加工され得る導電性ナノ粒子（本質的に金属性又は半導体性、例えば、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣＩＳ、ＺｎＯ、Ａｇ又はＡｕナノ粒子等）を含有する中間層を含む。この場合において一つの容易に実施可能な選択肢は、ナノ粒子をポリマーマトリックス中に組み込むことであり、それによりそれらは溶液から加工され得る。
【００１３】
本発明の別の好ましい実施形態において、共有電極の導電性有機材料はＰＡＮＩ（ポリアニリン）を含む。ＰＡＮＩ及びＰＥＤＯＴは、これに関連して、機能に関しては比較的同程度である。
【００１４】
本発明の光起電力電池は好ましくは有機光起電力電池である。しかしながら、有機材料の半透明導電層は無機タンデム型太陽電池においても使用され得る。
本発明はまた、光起電力性化合物タンデム型電池においても使用され得る。光起電性化合物の電池は、例えば、有機材料から形成される本発明の共有される、透明かつ導電性電極により接触された有機太陽電池を含む無機太陽電池として実施され得る。そのような化合物電池の全吸収量は、随意に制御可能である。
【００１５】
別の態様に従って、本発明は少なくとも二つの光活性層と、二つの外側電極と、該二つの光活性層を互いに接続する少なくとも一つの共有電極とからなるタンデム型光起電力電池を製造することのできる方法を提供し、導電性有機材料から形成される共有電極が該二つの光活性層の間に適用されることにより特徴づけられる。有機材料から形成される導電層の使用は、溶液から層を適用することを可能にし、それ以外の標準的な真空処理された金属層の場合と比較して、工程のかなりの簡略化と費用の削減とを示した。使用される導電性半透明有機材料はまた、その下側に存在する半導体を攻撃したり、傷つけたり又は溶解したりすることのない溶媒中においてプリントされ得る。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、該方法は、光活性層の少なくとも一方が溶媒から適用されるという事実により特徴付けられる。
導電性半透明有機材料の使用に由来する更なる利点は、有機材料層が、第二の半導体層に使用される化学物質に対して抵抗性を有する点にある。第一の半導体層はそれにより保護され、かつ第二の半導体層は、従来の中間電極が使用された場合に半導体層を攻撃する、溶解する、又は破壊する可能性のある溶媒から提供されることが可能となる。従って、一般的に言えば、半導体層及び中間電極は、真空処理法を使用しないで製造することができる。処理法を管理する点からすれば、これは大きな改良であり、製造コストを低減する。
【００１７】
有機材料の導電性半透明層は、仮に二つの隣接する層が製造時に真空処理法により適用されるものであれば、同様に真空処理により適用され得る。このように、タンデム型太陽電池の全体の製造ラインを真空条件にて維持することができ、そして、通常の雰囲気下にてこの一つの作業工程を実施するには非実用的であろう。
【００１８】
本明細書における「有機材料」なる用語は、全てのタイプの有機材料、金属有機材料及び／又は無機合成材料を包含し、例えば、英語において「プラスチック（ｐｌａｓｔｉｃｓ）」なる用語により示されるものである。これは、従来のダイオード（ゲルマニウム、シリコン）に使用される半導体及び典型的な金属導電体を除く全てのタイプの材料を含む。従って、有機材料を教義上の意味において含炭素材料として限定することを意図しておらず、むしろ、例えばシリコンの広汎的な使用もまた考慮される。更に、該用語は、分子の大きさ、特にポリマー及び／又はオリゴマー材料に関するいかなる限定を意味することも意図しておらず、代わりに、「小さな分子」の使用もまた完全に実施可能である。
【００１９】
有機材料の導電性半透明層はまた、例えば導電性を備えてはいないが導電性充填剤を添加することにより導電性となる結合ポリマーであり得る。その他の代替物は、溶媒及び／又は真空処理法により適用されるとともに導電性及び半透明性に関して設定された要件を満たす有機材料である。
【００２０】
タンデム型太陽電池の一つの利点は、該太陽電池のスペクトル吸収が直列に接続した二つの太陽電池を使用することにより実質的に広くなる点にある。例えば、仮に異なるバンドギャップを備えた半導体（第一の半導体：青色に吸収を備える大きなバンドギャップ、第二の半導体：赤色に吸収を備える小さなバンドギャップ）が二つの半電池に対して使用される場合、電池が得られる総吸収量は、個々の電池又は半電池の累積したものを本質的には示す。
【００２１】
この原理は、二つ以上の半電池、例えば三つ、四つ又はそれ以上の数の半電池に拡張可能であることを再び明記したい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、以下に添付した図面を参照して記載される。
図１は本発明に従うタンデム型太陽電池の断面図である。太陽電池は、保持材料即ち基質４に適用される。基質４は、有機材料、例えば可撓性の材料、シート、ガラス、プラスチック、結晶又は同様の材料から形成され得る。基質４の厚みが本発明には無関係であり、かつ変更可能であることを示すために、該基質４は切断部６を備えた状態にて記載されている。該基質は、適切な機械的強度、そして選択的に表面保護を備えた太陽電池を提供するための機能を備えるのみである。該基質は入射光に対面する側に設けられているが、反射による損失を低減又は回避するために反射防止コーティング２（又は処理）が施されている。
【００２３】
基質上の第一の層８は、太陽電池の一つの電極８を構成する。電極がカソードであるか、又はアノードであるかは本発明において実質的には重要な問題ではない。
非限定的ではあるが、光は下方から基質４を介して図示された太陽電池に進入するものと仮定する。従って、第一の電極８は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、…ＩＴＯ（インジウム／すず酸化物）等から形成されるべきである。入射光に対面する電極（この場合は電極８）は透明若しくは半透明である、及び／又は格子構造を有すると好ましいことが明記されるべきである。電極８はまた、従来技術に従う多層構造を備え得る。
【００２４】
簡略化のために、基質４上に配置された電極８がカソードであると仮定する。
電極８に第一の活性層１０が積層される。活性層１０の組成は、本発明においては実質的にそれほど重要ではない。活性層は通常、電子供与体を備えた一つの領域１４と電子受容体を備えた一つの領域１２とを含み、この二つの領域は空乏層により互いに接続される。入射光により活性層に発生した電荷担体（電子−正孔対）は隣接する層にそれぞれ別々にドレインされる。
【００２５】
第一の活性層は例えばｐｎ接合を備えた従来の単結晶、多結晶又はアモルファス半導体から構成され得る。しかしながら、本発明は、例えば、Ｐ３ＨＴ／ＰＢＣＭ、ＣｕＰｃ／ＰＴＣＢＩ、ＺＮＰＣ／Ｃ６０又は結合ポリマー成分及びフラーレン成分を含む有機太陽電池において使用するために特に有用である。
【００２６】
図示された太陽電池の場合において、活性層１０の基質に対面する側１２は電子受容体の役割を担い、基質に対面していない側１４は電子供与体の役割を担う。
電子供与体側１４の活性層１０上には、例えば半透明導電性ポリマーから形成される共有有機電極１６が存在する。例えば、厚み及び屈折率のような共有電極１６の更なる特性は、該共有電極１６が第一の活性層１０と、その後に続く層即ち第二の活性層１８と、の間に反射層を形成するように選択され得る。仮に電極の反射特性が二つの活性層の異なるスペクトル吸収領域に一致される場合、総吸収において付加的な正の効果を有するであろう。例えば、仮に異なるバンドギャップを備えた半導体（第一の半導体：青色に吸収を備える大きなバンドギャップ、第二の半導体：赤色に吸収を備える小さなバンドギャップ）が二つの半電池に対して使用される場合、半透明電極の厚みは、光の短波部分が第一の光活性層に反射して戻る一方で長波部分は、より長い波長吸収を備えた第二の光活性層に到達すべく電極を通過することが可能となるように調整され得る。総吸収はまた、光活性層に異なる厚みを与えることにより影響され得る。
【００２７】
半透明電極１６の後に第二の光活性層１８が続く。第二の活性層１８の組成はまた、本発明においては基本的に重要ではない。第二の活性層はまた、電子供与体を備えた領域２２と、電子受容体を備えた領域２０を含み、二つの領域は、空乏層により互いに接続される。入射光により活性層に発生した電荷担体（電子−正孔対）は隣接する層にそれぞれ別々にドレインされる。
【００２８】
第二の活性層はまた、例えばｐｎ接合を備えた従来の単結晶、多結晶又はアモルファス半導体から構成され得る。しかしながら、本発明は、例えば、Ｐ３ＨＴ／ＰＢＣＭ、ＣｕＰｃ／ＰＴＣＢＩ、ＺＮＰＣ／Ｃ６０又は結合ポリマー成分及びフラーレン成分を含む有機太陽電池において使用するために特に有用である。当然のことながら、従来の半導体材料の組み合わせはまた有機半導体と結合され得る。
【００２９】
第二の光活性層は、次に外側電極又は接続電極により積層される。与えられた実施例において、この電極２４はアノードである。アノードの電極材料は、本実施形態においては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、…ＩＴＯ等から構成され得る。本実施例において、アノードは入射光に対向した面にはないが、厚み、透明度又は任意のその他の制限に関して任意の種類に制限されることはない。アノードは更に、例えばワニスのような保護層（図示しない）でコーティングされ得る。
【００３０】
波状の矢印２６は入射光の方向を示す。
言うまでもないことであるが、太陽電池はまた、逆に、例えば非透明性の基質４上、若しくは従来の結晶太陽電池上に直接構成することも可能であり、その場合、光は上方から入射する。しかしながら、この種の「逆の」構造は、入射光に面した構造及び層が大気中の酸素、塵等のような環境の影響にさらされて該太陽電池を迅速に損傷させ、又は使用不能にする可能性があるという欠点を伴う。
【００３１】
仮に「逆の」構造が使用される場合、例えば、反射防止コーティング２を太陽電池の他方の側に施す必要があろう。
本発明は、従来の単結晶又は多結晶太陽電池と共に使用され得る。再び述べるが、中間電極１６はタンデム型太陽電池の活性層の間に配置される。
【００３２】
中間電極１６はガス相または溶液から堆積され、それにより該中間層の加工及び製造に係る費用を低減できる。
本発明は、少なくとも二つの光活性層を含む太陽電池に関する。この種の太陽電池はまた、タンデム型太陽電池又は光起電力マルチ電池と称される。タンデム型太陽電池は、本質的には二つの光活性層が光学的かつ電気的に直列に接続した状態から構成される。本発明は特に有機タンデム型太陽電池に関し、該有機タンデム型太陽電池は二つの光起電性光活性層の間に配置されるとともに実質的に有機材料から形成される少なくとも一つの共有電極を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に従う太陽電池の断面図を示す。
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【国際調査報告】
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