(57)【要約】【課題】ロールツーロール法により有機薄膜太陽電池を成膜する際に、基材の全面に亘って膜厚を均一に形成することができ、高品質の有機薄膜太陽電池を製造することができ、さらに製造効率を高めること。【解決手段】本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置は、ロールツーロール法を用いて、長尺状の被処理体に所望の有機薄膜を複数、順に重ねて積層してなる有機薄膜太陽電池の成膜装置であって、前記被処理体に向けて前記有機薄膜の原材料を付着させる塗布手段、前記被処理体に付着した原材料を熱処理する焼成手段、及び、前記有機薄膜の厚さを求める膜厚評価手段を含み、前記塗布手段の後段側に前記焼成手段、前記膜厚評価手段が順に配置されると共に、前記膜厚評価手段により求めた情報に基づき、該膜厚評価手段より前段に位置する前記塗布手段の設定条件を調整する制御手段を付属してなるユニットを備えた、ことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロールツーロール法を用いて、長尺状の被処理体に所望の有機薄膜を複数、順に重ねて積層してなる有機薄膜太陽電池の成膜装置であって、
前記被処理体に向けて前記有機薄膜の原材料を付着させる塗布手段、
前記被処理体に付着した原材料を熱処理する焼成手段、及び、
前記有機薄膜の厚さを求める膜厚評価手段を含み、
前記塗布手段の後段側に前記焼成手段、前記膜厚評価手段が順に配置されると共に、
前記膜厚評価手段により求めた情報に基づき、該膜厚評価手段より前段に位置する前記塗布手段の設定条件を調整する制御手段を付属してなるユニットを備えた、ことを特徴とする有機薄膜太陽電池の成膜装置。
【請求項２】
前記有機薄膜太陽電池を構成する各層に対応して、前記ユニットが個別に配置されており、特定のユニットを構成する前記膜厚評価手段が、該特定のユニットにおいて形成された前記有機薄膜の厚さを求める際には、該特定のユニットより１つ前に位置するユニットを構成する前記膜厚評価手段が出力した情報を、該特定のユニットにおける前記被処理体の情報（バックグラウンド情報）として利用する、ことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置。
【請求項３】
前記膜厚評価手段は、エリプソ法を用いて、前記被処理体上に形成された前記有機薄膜の厚さを算出する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置。
【請求項４】
前記塗布手段は、インクジェット法を用いて、前記有機薄膜の原材料を前記被処理体に付着させる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機薄膜太陽電池の成膜装置に係り、より詳細には、ロールツーロール法を用い、均一な薄膜形成を可能とする有機薄膜太陽電池の成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの効率的な利用の観点から、近年、太陽電池はますます広く一般に利用されつつある。
現行の無機系太陽電池は、シリコンや化合物半導体材料をベースに半導体プロセスを用いて作製されるのに対し、有機薄膜太陽電池は、ポリマ系半導体材料やフラーレン等の材料をベースに塗布プロセスによって作製されるため、安価、軽量、フレキシブルといった特徴を備え、それらを活かした用途が期待されている。近年、有機薄膜太陽電池の変換効率が徐々に向上するにつれ、次世代太陽電池の一つとして注目を浴びるようになってきている。
【０００３】
また、地球温暖化防止を背景に太陽電池の需要が急増し、シリコンの供給がひっ迫した状態が続いている。このようなシリコン供給不安を背景に、電池材料の使用量が少なく低コストで製造可能な薄膜型太陽電池に対応するため、関連企業は生産能力を急速に拡大させている。
【０００４】
一方、民生用電子機器のトレンドに着目すると、ユビキタス社会の到来や安全・安心ニーズの高まりを受け、携帯機器、セキュリティー、防災システム等独立電源を必要とする分野も拡大基調にあることから、軽量、フレキシブルでデザイン性に優れる太陽電池の需要増も予測される。
【０００５】
以上のような需要動向に対し、プラスチックなどのフレキシブル材料を基板とする有機薄膜太陽電池は、印刷の製造プロセスを応用することで、ロールツーロール法などの大量生産方式が採用できて、コスト面でもプロセス時間面でも大幅に有利になる可能性が期待され、次世代太陽電池の有力候補の一つとして研究開発が盛んに行われている（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、ロールツーロール法により長尺状の基材に連続成膜する際に、基材全面に亘って膜厚を均一に形成することが困難であるという問題があった。膜厚の不均一は、得られる有機薄膜太陽電池の品質低下、製造効率の低下につながる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】桑野幸徳、近藤道雄  著、「図解  太陽光発電のすべて」、（株）工業調査会  2009年7月10日発行  p.128-131
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、ロールツーロール法により有機薄膜太陽電池を成膜する際に、基材の全面に亘って膜厚を均一に形成することができ、高品質の有機薄膜太陽電池を製造することができ、さらに製造効率を高めた、有機薄膜太陽電池の成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置は、ロールツーロール法を用いて、長尺状の被処理体に所望の有機薄膜を複数、順に重ねて積層してなる有機薄膜太陽電池の成膜装置であって、前記被処理体に向けて前記有機薄膜の原材料を付着させる塗布手段、前記被処理体に付着した原材料を熱処理する焼成手段、及び、前記有機薄膜の厚さを求める膜厚評価手段を含み、前記塗布手段の後段側に前記焼成手段、前記膜厚評価手段が順に配置されると共に、前記膜厚評価手段により求めた情報に基づき、該膜厚評価手段より前段に位置する前記塗布手段の設定条件を調整する制御手段を付属してなるユニットを備えた、ことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置は、請求項１において、前記有機薄膜太陽電池を構成する各層に対応して、前記ユニットが個別に配置されており、特定のユニットを構成する前記膜厚評価手段が、該特定のユニットにおいて形成された前記有機薄膜の厚さを求める際には、該特定のユニットより１つ前に位置するユニットを構成する前記膜厚評価手段が出力した情報を、該特定のユニットにおける前記被処理体の情報（バックグラウンド情報）として利用する、ことを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置は、請求項１又は２において、前記膜厚評価手段は、エリプソ法を用いて、前記被処理体上に形成された前記有機薄膜の厚さを算出する、ことを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の有機薄膜太陽電池の成膜装置は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記塗布手段は、インクジェット法を用いて、前記有機薄膜の原材料を前記被処理体に付着させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、ロールツーロール法を用いて、長尺状の被処理体に所望の有機薄膜を複数、順に重ねて積層形成する際に、前記被処理体に向けて前記有機薄膜の原材料を付着させる塗布手段、前記被処理体に付着した原材料を熱処理する焼成手段、及び、前記有機薄膜の厚さを求める膜厚評価手段、が順に配置され、前記膜厚評価手段により求めた情報に基づき、該膜厚評価手段より前段に位置する前記塗布手段の設定条件を調整する制御手段を付属してなるユニットを備え、該膜厚評価手段で測定された膜厚情報に基づいて、塗布手段の設定条件を調整しているので、基材の全面に亘って膜厚を均一に形成することができる。これにより本発明では、高品質の有機薄膜太陽電池を製造することができ、さらに製造効率を高めた有機薄膜太陽電池の成膜装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用して製造される有機薄膜太陽電池の一例を示す要部拡大斜視図。
【図２】図１の太陽電池の層構成を示す断面図。
【図３】本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置の一構成例を模式的に示す図。
【図４】分光エリプソメトリ方式による膜厚評価手段の光学系の一例を示す図。
【図５】本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置の一構成例を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る有機薄膜太陽電池の成膜装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明を適用して製造される有機薄膜太陽電池の一例を示す要部拡大斜視図である。また、図２は図１の太陽電池の層構成を示す断面図である。
太陽電池１０は、透明な絶縁性の基板１１の一面１１ａに光電変換体１２を形成してなる。基板１１は、例えば、透明樹脂フィルムなど、太陽光の透過性に優れ、可塑性のある絶縁材料で形成されていればよい。このような基板１１の他面１１ｂ側から太陽光を入射させる。
【００１３】
光電変換体１２は、基板１１側から順に第一電極層１３、半導体層（発電部）１４、第二電極層（裏面電極）１５を積層してなる。
第一電極層１３の構成材料としては、導電性と透明性を兼ね備えたものであれば特に限定されるものではなく、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ（ＺＡＯ）、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＳＺＯ）等を挙げることができ、中でも、ＩＴＯが好ましく用いられる。
また、第二電極層（裏面電極）１５は、Ａｇ，Ｃｕなど導電性の金属膜によって形成されていればよい。
【００１４】
半導体層（発電部）１４は、例えば、ｐ型有機半導体膜（ｐ層とも呼ぶ）１６上にｎ型有機半導体膜（ｎ層とも呼ぶ）１７が積層されてなるヘテロ接合を有する。この半導体層１４に太陽光が入射すると、ｐ層１６においてはホールが、ｎ層１７においては電子が、それぞれ生じ、ｐ層１６とｎ層１７との電位差によって、ｎ層の電子はｐ層へ、ｐ層のホールはｎ層へ流れ込む。これが連続的に繰り返されることで第一電極層１３と第二電極層１５との間に電位差が生じる（光電変換）。ゆえに、ｐ層はホール輸送層（Hole transport layer）あるいは電子受容体、ｎ層は電子輸送層（Electron transport layer）あるいは電子供与体、とも呼ばれる。
【００１５】
ｐ型有機半導体膜１６の材料としては、特に限定されるものではないが、インクジェット法により成膜可能なものであることが好ましい。中でも電子供与性の導電性高分子材料であることが好ましい。導電性高分子はいわゆるπ共役高分子であり、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系から成り立っており、半導体的性質を示すものである。また、導電性高分子材料は、導電性高分子材料を溶媒に溶解もしくは分散させた塗工液を用いることでインクジェット法により容易に成膜可能であることから、大面積の有機薄膜太陽電池を高価な設備を必要とせず低コストで製造できるという利点がある。
【００１６】
ｐ型有機半導体１６としては、例えば、ポリチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリシラン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポルフィリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、及びびこれらの誘導体、ならびにこれらの共重合体、あるいは、フタロシアニン含有ポリマ、カルバゾール含有ポリマ、有機金属ポリマ等の高分子材料が用いられる。上記の中でも、チオフェン−フルオレン共重合体、ポリアルキルチオフェン、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体、フェニレンエチニレン−チオフェン共重合体、フェニレンエチニレン−フルオレン共重合体、フルオレン−フェニレンビニレン共重合体、チオフェン−フェニレンビニレン共重合体等が好ましく用いられる。これらの電子供与性材料は、多くのｎ型有機半導体材料に対して、最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギー準位差が適切なヘテロ接合を形成することが可能である。
【００１７】
ｎ型有機半導体膜１７の材料としては、特に限定されるものではないが、インクジェット法により成膜可能なものであることが好ましい。ｎ型有機半導体としては、例えば、ポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、及びこれらの誘導体、ならびにこれらの共重合体等の高分子材料、あるいは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フェニルＣ６１−ブチリック酸メチルエスタ（ＰＣＢＭ）等のフラーレン誘導体、シアノ（ＣＮ）基又はトリフルオロメチル（ＣＦ３  ）基含有ポリマ、及びそれらの（ＣＦ３  ）基置換ポリマ等が用いられる。
【００１８】
光電変換体１２は、スクライブ線（スクライブライン）１９によって、例えば外形が短冊状の多数の区画素子２１，２１…に分割されている。この区画素子２１，２１…は互いに電気的に区画されるとともに、互いに隣接する区画素子２１どうしの間で、例えば電気的に直列に接続される。これにより、光電変換体１２は、区画素子２１，２１…を全て電気的に直列に繋いだ形態となり、高い電位差の電流を取り出すことができる。スクライブ線１９は、例えば、基板１１の一面に均一に光電変換体１２を形成した後、レーザー光線などによって光電変換体１２に所定の間隔で溝を形成することにより形成すれば良い。
【００１９】
なお、このような光電変換体１２をなす第二電極層１５の上に、さらに絶縁性の樹脂などからなる保護層（図示せず）を形成する構成がより好ましい。
【００２０】
次に、以上のような構成の太陽電池の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、透明な基板１１の一面１１ａに上に光電変換体１２を形成する（光電変換体の形成工程）。光電変換体１２は、例えば、基板１１側から順に第一電極層１３、半導体層１４（ｐ型有機半導体膜１６及びｎ型有機半導体膜１７）、第二電極層（裏面電極）１５を積層したものであればよい。
なお、本発明に係る半導体層１４としては、必要に応じて、ｐ型有機半導体膜１６の上にｎ型有機半導体膜１７が形成された結果、ｐ型有機半導体膜１６とｎ型有機半導体膜１７との間に、ｐ型とｎ型が混在してなる、マクロな真性半導体層［ｉ（intrinsic semiconductor）層］ が配された構成、いわゆるｐ−ｉ−ｎ接合型の構成としても構わない。
【００２１】
以下では、本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置について説明する。図３は、本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置１００Ａ（１００）の一構成例を模式的に示す図である。
本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置１００Ａ（１００）は、ロールツーロール法を用いて、長尺状の被処理体１０１に所望の有機薄膜１０２を複数、順に重ねて積層成膜するものであり、前記被処理体１０１に向けて前記有機薄膜１０２の原材料を付着させる塗布手段１１０、前記被処理体１０１に付着した原材料を熱処理する焼成手段１２０、及び、前記有機薄膜１０２の厚さを求める膜厚評価手段１３０を有するユニット１５０を備える。このユニット１５０においては、前記塗布手段１１０の後段側に前記焼成手段１２０、前記膜厚評価手段１３０が順に配置されている。
ここで、本発明の成膜装置１００Ａ（１００）で形成する有機薄膜１０２は、半導体層１４並びに、該半導体層１４をなすｐ型有機半導体膜１６及び／又はｎ型有機半導体膜１７を示すものとする。
【００２２】
ロールツーロール方式の成膜装置Ａ（１００）では、長尺フィルム上の被処理体１０１を連続走行させる巻出ロール１０７及び巻取ロール１０８を有し、被処理体１０１は、巻出ロール１０７から巻取ロール１０８へ向けて、間に複数配された支持ロール１０９に支持されつつ走行する。巻出ロール１０７と巻取ロール１０８との間の位置に前記ユニット１５０が配置されている。
なお、被処理体１０１には、基板１１上に第一電極層１３が予め形成されてなるものを用いてもよい。
【００２３】
塗布手段１１０は、巻出ロール１０７から供給された前記被処理体１０１に向けて前記有機薄膜１０２の原材料を付着させる。
本実施形態では、塗布手段１１０は、インクジェット法を用いて、前記有機薄膜１０２の原材料を前記被処理体１０１に付着させる。有機薄膜１０２を形成するための材料をインクジェット用塗工液（インク）として調製し、インクジェット法を適用することにより、大面積の被処理体１０１上にも、有機薄膜１０２を容易に形成することができる。また、インクジェット法を採用することにより、微細なパターン印刷が可能となるほか、設定条件を制御しやすくなる。例えば、インクジェットヘッド（塗布手段１１０）からの吐出液量や単位時間当たりの吐出回数を調整することによって有機薄膜１０２の厚みを制御することができる。有機薄膜１０２の形成材料としては、高分子ポリマ、溶剤を主成分とし、任意に添加剤などを添加した塗布組成物を使用することができる。
【００２４】
焼成手段１２０は、前記被処理体１０１に付着した原材料を熱処理する。
塗工液の塗布後は、焼成手段１２０によって熱処理し、塗膜を乾燥する。塗工液に含まれる溶媒等を早期に除去することにより、所望の有機薄膜１０２を高い生産性をもって形成することができる。
【００２５】
膜厚評価手段１３０は、前記有機薄膜１０２の厚さを求める。本実施形態において、膜厚評価手段１３０は、エリプソ法を用いて、前記被処理体１０１上に形成された前記有機薄膜１０２の厚さを算出する。
【００２６】
ここで、エリプソ法による膜厚の計測原理を説明する。図４は分光エリプソメトリ方式における分光波形取得のための光学系の一例を示す図である。まず、光源１３１から出射した光は偏光子１３２を通り透過光軸に沿った直線偏光になるように偏光子の回転角度を設定する。偏光子１３２を通過した光は試料１３３（ここでは有機薄膜１０２）に照射され、反射・回折した光は検光子１３４を通り、プリズム１３５にて周波数分解され、検出器１３６にて検出される。
【００２７】
検光子１３４は測定の際回転し、試料１３３へ照射前後の光の偏光状態の変化からエリプソパラメータとして、Δ、Ψが得られる（それぞれはｐ、ｓの偏光状態の位相差Δおよび振幅比Ψを示す）。そして、この得られたΔ、Ψより膜測値の算出が可能となる。
【００２８】
そして本発明の有機薄膜太陽電池の製造装置１００Ａ（１００）では、前記ユニット１５０が、前記膜厚評価手段１３０により求めた情報αに基づき、該膜厚評価手段１３０より前段に位置する前記塗布手段１１０の設定条件を調整βする制御手段１４０を付属してなる。
本実施形態では、インクジェットヘッド（塗布手段１１０）からの吐出液量を決定し、前記インクジェットヘッドからの吐出液量を制御するようにした。すなわち、有機薄膜１０２の膜厚を膜厚評価手段１３０により測定し、得られた膜厚から現実に吐出されている吐出液量を決定し、制御手段１４０において、現実の吐出液量と、設定されている吐出液量とを比較して、インクジェットヘッド（塗布手段１１０）からの吐出液量を調整する。
【００２９】
このように本発明では、有機薄膜１０２の測定された膜厚情報に基づいて、塗布手段１１０の設定条件を調整しているので、基材の全面に亘って膜厚を均一に形成することができる。これにより本発明では、高品質の有機薄膜太陽電池を製造することができ、さらに製造効率を高めることができる。
なお、ここでは、塗布手段１１０の設定条件として、インクジェットヘッド（塗布手段１１０）からの吐出液量を調整する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、吐出液量以外の条件を調整するものであってもよい。
【００３０】
図５は、本発明の有機薄膜太陽電池の成膜装置の一構成例を模式的に示す図である。
図５に示すように、この成膜装置１００Ｂ（１００）では、前記有機薄膜太陽電池１０を構成する各層に対応して、前記ユニット１５０が個別に配置されている。ここでは、被処理体１０１上にｐ型有機半導体膜１６を形成する第一ユニット１５１（１５０）、第一ユニット１５１（１５０）で形成されたｐ型有機半導体膜１６上にｎ型有機半導体膜１７を形成する第二ユニット１５２（１５０）が、順に配されている。
そして、特定のユニットを構成する前記膜厚評価手段１３０が、該特定のユニットにおいて形成された前記有機薄膜１０２の厚さを求める際には、該特定のユニットより１つ前に位置するユニットを構成する前記膜厚評価手段１３０が出力した情報γを、該特定のユニットにおける前記被処理体１０１の情報（バックグラウンド情報）として利用する。
【００３１】
すなわち、第二ユニット１５２を構成する前記膜厚評価手段が、該第二ユニット１５１において形成される前記ｎ型有機半導体膜１７の厚さを求める際には、第二ユニット１５０より１つ前に位置する第一ユニット１５１を構成する前記膜厚評価手段１３０が出力した情報（ｐ型有機半導体膜１６の厚さ）を、第二ユニット１５２における前記被処理体１０１の情報（バックグラウンド情報）として利用する。
これにより、第二ユニット１５２によって形成されるｎ型有機半導体膜１７の厚さを、所望の数値により正確に制御することが可能となる。
【００３２】
有機薄膜１０２（半導体層１４）が形成された被処理体１０１は、巻取ロール１０８に巻き取られ、その後、所定手段によって半導体層１４上に第二電極層１５が形成される。
次に、光電変換体１２に向けて、例えばレーザーを照射して、スクライブ線（スクライブライン）１９を形成し、短冊状の多数の区画素子２１，２１…に分割する（区画素子の形成工程）。
また、基板１１の他面１１ｂ側から、基板周縁部に所定のレーザーを照射して、積層膜の周縁部（いわゆる額縁部）の全周に亘って、その周縁部の下地層を含めて積層膜を除去するとともに、周縁部を絶縁処理する（エッジディレーション工程）。
【００３３】
以上のようにして、図１に示した有機薄膜太陽電池１０が得られる。この有機薄膜太陽電池１０は、電池を構成する各層が、基材の全面に亘って膜厚が均一に形成されているので、高品質のものとなる。また、生産効率も向上したものとなる。
【００３４】
以上、本発明の有機薄膜太陽電池の製造装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、被処理体として、基材上に第一電極が予め形成されたものを用い、インクジェット法により有機薄膜（ｐ型有機半導体膜及びｎ型有機半導体膜）を形成する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、基材上に、第一電極層、有機薄膜、第二電極層をインクジェット法により連続積層形成するものであってもよい。
【００３５】
また、上述した実施形態では、インクジェット法により有機薄膜を形成する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、インクジェット法以外の塗布方法により有機薄膜を形成するものであってもよい。
【００３６】
また、上述した実施形態では、半導体層の構成として、ｐ型有機半導体膜上にｎ型有機半導体膜を積層した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の層構成を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、有機薄膜太陽電池の成膜装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  有機薄膜太陽電池、１１  基板、１２  光電変換体、１３  第一電極、１４  半導体層、１５  第二電極、１６  ｐ型有機半導体膜、１７  ｎ型有機半導体膜、１９  スクライブ線、２１  区画素子、１００Ａ，１００Ｂ（１００）成膜装置、１１０  塗布手段、１２０  焼成手段、１３０  膜厚評価手段、１４０  制御手段、１５０  ユニット。
【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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