(57)【要約】 【課題】電子輸送層及び正孔輸送層と光電変換層との接触面積の大きい有機薄膜太陽電池を低コストで製造する。【解決手段】本実施形態によれば、有機薄膜太陽電池の製造方法は、第１電極上に、凹凸パターンを有する第１輸送層及び前記凹凸パターンの表面に設けられた光電変換層を形成する工程と、第２電極上に第２輸送層を形成する工程と、表面に前記光電変換層が形成された前記凹凸パターンを前記第２輸送層に接触させて、前記第２輸送層を成型する工程と、を備える。【選択図】図１
2012174921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極上に、凹凸パターンを有する第１輸送層及び前記凹凸パターンの表面に設けられた光電変換層を形成する工程と、
第２電極上に第２輸送層を形成する工程と、
表面に前記光電変換層が形成された前記凹凸パターンを前記第２輸送層に接触させて、前記第２輸送層を成型する工程と、
を備える有機薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記第１電極上に前記凹凸パターンを有する第１輸送層を形成し、ＡＬＤ法を用いて前記凹凸パターンの表面に前記光電変換層を形成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製造方法。
【請求項３】
前記第１電極上に前記凹凸パターンを有する第１輸送層を形成し、前記凹凸パターンを覆うように光電変換層形成材料を塗布し、前記光電変換層形成材料を体積収縮させて前記光電変換層を形成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製造方法。
【請求項４】
前記第１電極上に、第１輸送層形成材料及び前記第１輸送層形成材料の表面に位置する光電変換層形成材料を塗布し、
前記第１輸送層形成材料及び前記光電変換層形成材料に、前記凹凸パターンに対応するパターンを有するテンプレートを接触させ、
前記テンプレートを接触させた状態で、前記第１輸送層形成材料及び前記光電変換層形成材料を硬化させて、前記第１輸送層及び前記光電変換層を形成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製造方法。
【請求項５】
第１電極上に、凹凸パターンを有する第１輸送層を形成する工程と、
第２電極上に、第２輸送層形成材料及び光電変換層形成材料を形成する工程と、
前記凹凸パターンを第２輸送層形成材料及び光電変換層形成材料に接触させ、前記第２輸送層形成材料及び光電変換層形成材料を硬化させて第２輸送層及び光電変換層を形成する工程と、
を備える有機薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】
第１電極上に、凹凸パターンを有する第１輸送層を形成する工程と、
第２電極上に第２輸送層形成材料を形成する工程と、
前記凹凸パターンを第２輸送層形成材料に接触させ、前記第２輸送層形成材料を硬化させて第２輸送層を形成する工程と、
前記第１輸送層と前記第２輸送層との間に隙間を作り、この隙間に光電変換層を形成する工程と、
を備える有機薄膜太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、有機薄膜太陽電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代太陽電池の１つとして、有機薄膜太陽電池が注目されている。有機薄膜太陽電池は、光が入射すると、光電変換層（有機半導体）において、電子と正孔の対である励起子（エキシトン：Ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成する。励起子が電荷分離すると、電子及び正孔はそれぞれ、光電変換層を挟むように設けられている電子輸送層及び正孔輸送層へ移動する。
【０００３】
このような有機薄膜太陽電池では、電子輸送層及び正孔輸送層と光電変換層との接触面積（界面面積）を増やすことで、光電変換効率を高めることができる。そのため、電子輸送層及び正孔輸送層と光電変換層との接触面積の大きい有機薄膜太陽電池を低コストで製造することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電子輸送層及び正孔輸送層と光電変換層との接触面積の大きい有機薄膜太陽電池を低コストで製造する方法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】
【０００６】
本実施形態によれば、有機薄膜太陽電池の製造方法は、第１電極上に、凹凸パターンを有する第１輸送層及び前記凹凸パターンの表面に設けられた光電変換層を形成する工程と、第２電極上に第２輸送層を形成する工程と、表面に前記光電変換層が形成された前記凹凸パターンを前記第２輸送層に接触させて、前記第２輸送層を成型する工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図２】図１に続く工程断面図である。
【図３】第１の変形例による有機薄膜太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図４】他の変形例による有機薄膜太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図５】第２の変形例による有機薄膜太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図６】第３の変形例による有機薄膜太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図７】他の変形例による有機薄膜太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
本発明の実施形態に係る有機薄膜太陽電池の製造方法を図１及び図２に示す工程断面図を用いて説明する。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、ガラス基板１０１上に、膜厚１５０ｎｍ程度の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）をスパッタして、シート抵抗１０Ω／□の透明電極１０２を形成する。
【００１１】
図１（ｂ）に示すように、透明電極１０２上に、液状の正孔輸送層形成材料１０３ａを塗布する。この正孔輸送層形成材料１０３ａは、後述する正孔輸送層１０３を形成する材料、例えば、PEDOT/PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonic acid))を含んでいる。また、正孔輸送層形成材料１０３ａは光硬化性を有している。
【００１２】
図１（ｃ）に示すように、正孔輸送層形成材料１０３ａに、凹凸を有するテンプレート１１０を接触させる。テンプレート１１０は、例えば、一般のフォトマスクに用いる全透明な石英基板にプラズマエッチングで凹凸のパターンを形成したものである。
【００１３】
テンプレート１１０を正孔輸送層形成材料１０３ａに接触させると、図１（ｄ）に示すように、液状の正孔輸送層形成材料１０３ａはテンプレート１１０の凹凸パターンに従って流動して入り込む。
【００１４】
図２（ａ）に示すように、テンプレート１１０の凹凸パターン内に正孔輸送層形成材料１０３ａが充填された後、光（ＵＶ光）を照射し、正孔輸送層形成材料１０３ａを硬化させる。
【００１５】
図２（ｂ）に示すように、テンプレート１１０を正孔輸送層形成材料１０３ａから分離する。既にこの状態では正孔輸送層形成材料１０３ａは硬化されているので、テンプレート１１０が接触していたときの状態（形状）に維持される。これにより、凹凸パターン面を有する正孔輸送層１０３が形成される。
【００１６】
図２（ｃ）に示すように、アルミニウム等からなる金属電極１０４上に、膜厚１０ｎｍ程度の電子輸送層形成材料１０５ａを形成する。電子輸送層形成材料１０５ａは、後述する電子輸送層１０５を形成する材料、例えば酸化チタン（ＴｉＯｘ）を含んでいる。
【００１７】
さらに、電子輸送層形成材料１０５ａ上に、膜厚１００ｎｍ程度の光電変換層形成材料１０６ａを形成する。光電変換層形成材料１０６ａは、後述する光電変換層１０６を形成し、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体の混合材料を含んでいる。例えばｐ型有機半導体としてＰ３ＨＴ、ＰＣＤＴＢＴ、ＰＴＢ７などの高分子系有機半導体、ｎ型有機半導体としてＣ６０、Ｃ７０、ＰＣ６１ＢＭ、ＰＣ７１ＢＭなどが代表的な材料である。
【００１８】
なお、電子輸送層形成材料１０５ａ及び光電変換層形成材料１０６ａは共に、光硬化性又は熱硬化性が付与された材料である。
【００１９】
そして、図２（ｂ）に示す工程で作製したガラス基板１０１、透明電極１０２、及び正孔輸送層１０３からなる積層体を、金属電極１０４、電子輸送層形成材料１０５ａ、及び光電変換層形成材料１０６ａからなる積層体に接触させる。このとき、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面を、光電変換層形成材料１０６ａ及び電子輸送層形成材料１０５ａに押し込むようにする。
【００２０】
図２（ｄ）に示すように、光電変換層形成材料１０６ａ及び電子輸送層形成材料１０５ａが、正孔輸送層１０３の凹凸パターンに入り込む。そして、凹凸パターン内に光電変換層形成材料１０６ａ及び電子輸送層形成材料１０５ａが充填された後、光照射又は加熱を行って、光電変換層形成材料１０６ａ及び電子輸送層形成材料１０５ａを硬化させる。これにより、凹凸パターン面を有する電子輸送層１０５が形成される。また、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面と電子輸送層１０５の凹凸パターン面との間に位置する光電変換層１０６が形成される。
【００２１】
このようにして、図２（ｄ）に示すような、金属電極１０４、電子輸送層１０５、光電変換層１０６、正孔輸送層１０３、透明電極１０２、及びガラス基板１０１が順に積層された有機薄膜太陽電池が得られる。この有機薄膜太陽電池は、ガラス基板１０１、透明電極１０２、及び正孔輸送層１０３を介して光電変換層１０６に光が入射すると、光電変換層１０６において、励起子（エキシトン：Ｅｘｃｉｔｏｎ）が生成される。この励起子が電荷分離すると、電子は電子輸送層１０５へ移動し、正孔は正孔輸送層１０３へ移動する。
【００２２】
本実施形態では、正孔輸送層１０３及び電子輸送層１０５と光電変換層１０６との接触界面が凹凸になっている。そのため、接触界面が一様な平面である場合と比較して、接触面積（界面面積）が増えるため、光電変換効率を高めることができる。
【００２３】
また、本実施形態では、テンプレート１１０を用いてインプリント法により凹凸構造の正孔輸送層１０３を形成し、その後、正孔輸送層１０３で構成された凹凸構造のテンプレートを用いて、電子輸送層１０５及び光電変換層１０６の２層を一括成型している。そのため、凹凸パターン面を有する正孔輸送層１０３及び電子輸送層１０５と、それらの間に位置する光電変換層１０６とを容易かつ低コストに作製することができる。
【００２４】
また、電荷輸送パスとしての凸凹をインプリント法により強制的に作ることができる。
【００２５】
（第１の変形例）上記実施形態では、正孔輸送層１０３で構成された凹凸構造のテンプレートを用いて、電子輸送層１０５及び光電変換層１０６の２層を一括成型していたが、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面に光電変換層１０６を形成し、正孔輸送層１０３及び光電変換層１０６で構成された凹凸構造のテンプレートを用いて、電子輸送層１０５を成型してもよい。
【００２６】
例えば、図２（ｂ）に示すように正孔輸送層１０３を形成した後、図３（ａ）に示すように、正孔輸送層１０３の凹凸パターンの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて光電変換層形成材料を成膜して、光電変換層１０６を形成する。
【００２７】
そして、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板１０１、透明電極１０２、正孔輸送層１０３、及び光電変換層１０６からなる積層体を、金属電極１０４及び電子輸送層形成材料１０５ａからなる積層体に接触させる。
【００２８】
図３（ｃ）に示すように、電子輸送層形成材料１０５ａが、正孔輸送層１０３及び光電変換層１０６の凹凸パターンに入り込む。そして、凹凸パターン内に電子輸送層形成材料１０５ａが充填された後、光照射又は加熱を行って、電子輸送層形成材料１０５ａを硬化させる。
【００２９】
このような方法によっても、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面と電子輸送層１０５の凹凸パターン面との間に光電変換層１０６が設けられた有機薄膜太陽電池を製造することができる。この製造方法は、上記実施形態に係る製造方法と比較してコストは高くなるが、光電変換層１０６を、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面と電子輸送層１０５の凹凸パターン面との間に確実に形成することができる。
【００３０】
光電変換層形成材料を、塗布後に体積収縮するフィラー剤とすることでも、正孔輸送層１０３の表面に光電変換層１０６を形成できる。例えば、図４（ａ）に示すように、正孔輸送層１０３を覆い凹凸パターンを埋め込むようにフィラー剤１０６ｂを形成する。その後、フィラー剤１０６が体積収縮することで、正孔輸送層１０３の表面に光電変換層１０６を形成することができる。
【００３１】
（第２の変形例）上記実施形態では、テンプレート１１０を用いて正孔輸送層１０３を成型していたが、テンプレート１１０を用いて正孔輸送層１０３及び光電変換層１０６の２層を一括成型してもよい。
【００３２】
例えば、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１０１上に透明電極１０２を形成した後、図５（ａ）に示すように、透明電極１０２上に、液状の正孔輸送層形成材料１０３ａを塗布する。このとき、正孔輸送層形成材料１０３ａの表面に、光電変換層形成材料１０６ａが薄く局在するように調整する。
【００３３】
そして、図５（ｂ）に示すように、光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａに、凹凸を有するテンプレート１１０を接触させる。
【００３４】
テンプレート１１０を光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａに接触させると、図５（ｃ）に示すように、光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａはテンプレート１１０の凹凸パターンに従って入り込む。凹凸パターン内に光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａが充填された後、光（ＵＶ光）を照射し、光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａを硬化させる。
【００３５】
図５（ｄ）に示すように、テンプレート１１０を光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａから分離する。既にこの状態では光電変換層形成材料１０６ａ及び正孔輸送層形成材料１０３ａは硬化されているので、テンプレート１１０が接触していたときの状態（形状）に維持される。これにより、凹凸パターン面を有する正孔輸送層１０３及び正孔輸送層１０３の表面に設けられた光電変換層１０６が形成される。
【００３６】
その後は、上記第１の変形例と同様の方法により、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面と電子輸送層１０５の凹凸パターン面との間に光電変換層１０６が設けられた有機薄膜太陽電池を製造することができる。このような方法によっても、凹凸パターン面を有する正孔輸送層１０３及び電子輸送層１０５と、それらの間に位置する光電変換層１０６とを容易かつ低コストに作製することができる。
【００３７】
（第３の変形例）正孔輸送層１０３の凹凸パターン面と、電子輸送層１０５の凹凸パターン面とを形成した後に、光電変換層１０６を形成してもよい。
【００３８】
例えば、図２（ｂ）に示すように正孔輸送層１０３を形成した後、図６（ａ）に示すように、ガラス基板１０１、透明電極１０２、及び正孔輸送層１０３からなる積層体を、金属電極１０４及び電子輸送層形成材料１０５ａからなる積層体に接触させる。
【００３９】
図６（ｂ）に示すように、電子輸送層形成材料１０５ａが、正孔輸送層１０３の凹凸パターンに入り込む。そして、凹凸パターン内に電子輸送層形成材料１０５ａが充填された後、光照射又は加熱を行って、電子輸送層形成材料１０５ａを硬化させる。これにより、凹凸パターン面を有する電子輸送層１０５が形成される。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示すように、正孔輸送層１０３と電子輸送層１０５との間に隙間１２０を形成する。例えば、正孔輸送層１０３及び電子輸送層１０５の少なくともいずれか一方を硬化収縮させることで、隙間１２０を形成できる。
【００４１】
そして、図６（ｄ）に示すように、隙間１２０に毛細管力で光電変換層形成材料を染み込ませて、光電変換層１０６を形成する。このような方法によっても、正孔輸送層１０３の凹凸パターン面と電子輸送層１０５の凹凸パターン面との間に光電変換層１０６が設けられた有機薄膜太陽電池を製造することができる。
【００４２】
上記実施形態及び変形例において、テンプレート１１０によって成型される正孔輸送層１０３の形状は図７（ａ）に示すように丸みを帯びたものでもよい。正孔輸送層１０３をこのような形状にすることで、電子輸送層１０５及び光電変換層１０６の２層を一括成型する際に、図７（ｂ）に示すように、光電変換層１０６の膜厚のばらつきを抑制することができる。
【００４３】
また、上記実施形態及び変形例では、テンプレート１１０により正孔輸送層１０３を成型し、その後、正孔輸送層１０３をテンプレートとして電子輸送層１０５を成型していたが、これとは逆に、テンプレート１１０により電子輸送層１０５を成型し、その後、電子輸送層１０５をテンプレートとして正孔輸送層１０３を成型してもよい。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０１  ガラス基板
１０２  透明電極
１０３  正孔輸送層
１０３ａ  正孔輸送層形成材料
１０４  金属電極
１０５  電子輸送層
１０５ａ  電子輸送層形成材料
１０６  光電変換層
１０６ａ  光電変換層形成材料
【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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