JP2010020938A - Dye-sensitized solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに対向するように配置された金属電極基板とガラス製電極基板とを備え、両電極間の間には、電解質層と色素で増感された半導体多孔質層とからなる発電領域が形成されている色素増感太陽電池に関する。 The present invention comprises a metal electrode substrate and a glass electrode substrate arranged to face each other, and a power generation region comprising an electrolyte layer and a semiconductor porous layer sensitized with a dye between the electrodes. Relates to a dye-sensitized solar cell in which is formed.
現在、地球規模の環境問題や化石エネルギー資源枯渇問題などの観点から太陽光発電に対する期待が大きく、単結晶及び多結晶シリコン光電変換素子が太陽電池として実用化されている。しかし、この種の太陽電池は、高価格であること、シリコン原料の供給問題などを有しており、シリコン以外の材料を用いた太陽電池の実用化が望まれている。 Currently, there is great expectation for photovoltaic power generation from the viewpoint of global environmental problems and fossil energy resource depletion problems, and single crystal and polycrystalline silicon photoelectric conversion elements are put into practical use as solar cells. However, this type of solar cell is expensive and has a problem of supply of silicon raw materials, and the practical application of solar cells using materials other than silicon is desired.
上記のような見地から、最近では、シリコン以外の材料を用いた太陽電池として、色素増感太陽電池が注目されている。この色素増感型太陽電池の代表的なものは、図1に示すように、金属電極基板1と透明電極基板3とが、色素増感半導体多孔質層5と電解質層7とを間に挟んで対峙した構造を有しており、金属電極基板1と透明電極基板3との周縁部分は、電解質層7が漏洩しないように、封止材9で封止されている。即ち、色素増感半導体多孔質層5と電解質層7とを間に挟んで金属電極基板1と透明電極基板3とが対峙している領域が発電領域Xとなっており、封止材9で封止されている領域が封止領域Yとなっている。
From the above viewpoint, recently, dye-sensitized solar cells have attracted attention as solar cells using materials other than silicon. As shown in FIG. 1, a typical dye-sensitized solar cell includes a metal electrode substrate 1 and a
このような色素増感太陽電池において、色素増感多孔質層5は、二酸化チタンなどの酸化物半導体の多孔質層に増感色素(例えばRu色素)を吸着担持させたものであり、例えば金属酸化物の薄層などからなる逆電防止層10を介して金属電極基板1上に形成されている。また、透明電極基板3の表面には、ITO等の透明導電膜11が形成され、さらにその上に、プラチナや白金等の蒸着膜が電子還元性導電層13として形成されている。
In such a dye-sensitized solar cell, the dye-sensitized
このような構造の色素増感太陽電池では、透明電極基板3側から可視光を照射すると、色素増感多孔質層5中の色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子は、この多孔質層5中の伝導帯へ注入され、外部回路(図示せず)を通って透明電極基板3に移動する。透明電極基板3に移動した電子は、電解質層7中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出されるわけである。このような色素増感太陽電池の発電メカニズムは、pn接合型光電変換素子と異なり、光の捕捉と電子伝導が別々の場所で行われ、植物の光電変換プロセスに非常に似たものとなっている。
In the dye-sensitized solar cell having such a structure, when visible light is irradiated from the
このような色素増感型太陽電池において、透明基板としては、高強度であるなどの観点から、ガラス製基板が広く使用されている。 In such a dye-sensitized solar cell, a glass substrate is widely used as the transparent substrate from the viewpoint of high strength.
ところで、上記のような金属電極基板1と透明電極基板3との周縁部(封止領域Y)を接合する封止材9としては、各種の合成樹脂、特にヒートシール可能な熱可塑性樹脂や接着剤樹脂などが使用されている(特許文献1,2参照)。
ところで、上記の透明電極基板としては、ガラス製基板が広く使用されているが、ガラス製基板を用いた場合には、金属電極基板の材質や電池の構造等に大きな制限を受けるという問題がある。即ち、金属電極基板の中には、ガラス製基板との熱膨張係数が大きく異なるものがあり、このような金属電極基板をガラス製基板と組み合わせて使用すると、この太陽電池が熱履歴を受けたとき、両基板を接合している封止材9に大きな剪断応力が発生し、この結果、セルの割れが発生したり、或いは封止材9が剥がれてしまうなどの不都合が生じてしまうという問題がある。このような不都合が生じると、当然ながら、電解質層を形成している電解液が漏洩してしまい、電池としての機能が損なわれてしまうこととなる。例えば、アルミニウム製基板の線膨張係数は、約23ppm/℃であり、Znは約33ppm/℃、ステンレススチール(SUS304)及び銅は約17ppm/℃、鉄は約12ppm/℃、ニッケルは約11ppm/℃であるのに対し、石英ガラスの線膨張係数は0.5ppm/℃、パイレックスガラスでは3.3ppm/℃、最も線膨張係数が大きい青板ガラスで9ppm/℃であり、特に軽量で安価であるとの観点から金属基板として有用なアルミニウム製基板やステンレススチール製基板などは、ガラス製基板との熱膨張係数が大きく異なっているため、上記のような問題を生じ易い。
By the way, as the transparent electrode substrate, a glass substrate is widely used. However, when the glass substrate is used, there is a problem that the material of the metal electrode substrate, the structure of the battery, and the like are greatly limited. . That is, some metal electrode substrates differ greatly in thermal expansion coefficient from glass substrates, and when such metal electrode substrates are used in combination with glass substrates, this solar cell received a thermal history. At this time, a large shearing stress is generated in the sealing
また、熱膨張係数差による問題を解決するためには、封止材9の応力吸収能を高めることが考えられる。封止材9の応力吸収能を高めるには、封止材9の幅や厚み(高さ)を大きくすればよいが、封止材9の幅を大きくすることは、透明電極基板や金属基板の大面積化をもたらし、不必要に電池を大型化することとなり、実用性の観点から採用することができない。また、封止材9の厚み(高さ)を大きくすることは、電池の大面積化を回避することは可能であるが、電池の変換効率を低下するという問題があった。
In order to solve the problem due to the difference in thermal expansion coefficient, it is conceivable to increase the stress absorbing ability of the sealing
封止材9の厚みを大きくすることにより生じる変換効率の低下という問題は、発電領域Xに形成されている電解質層7の厚みの変化に起因するものであると、本発明者等は推定している。即ち、封止材9の厚みを大きくすると、これに伴い、金属電極基板と透明電極基板(ガラス製電極基板)の間隔が大きくなり、この結果、電解質層7の厚みが厚くなる。しかるに、上述した構造の色素増感太陽電池では、透明電極基板側から光が照射されて発電するため、電解質層7の厚みが厚くなると、電解質層7での光の吸収の度合いが増大し、色素増感半導体層5中の色素に照射される光が減衰し、この結果、変換効率が低下することとなるのである。
The present inventors presume that the problem of a decrease in conversion efficiency caused by increasing the thickness of the sealing
従って、本発明の目的は、ガラス製電極基板と金属電極基板とが対向して配置されている色素増感太陽電池において、電極基板の大面積化や変換効率の低下を生じることなく、ガラス製電極基板と金属電極基板との熱膨張差に起因するセルの割れや封止材の剥がれなどの不都合が有効に回避され、電池として安定に機能し得る色素増感太陽電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell in which a glass electrode substrate and a metal electrode substrate are arranged to face each other, without increasing the area of the electrode substrate and reducing the conversion efficiency. Disclosed is a dye-sensitized solar cell that can effectively avoid problems such as cell cracking and peeling of a sealing material due to a difference in thermal expansion between an electrode substrate and a metal electrode substrate, and can function stably as a battery. .
本発明によれば、互いに対向するように配置された電極基板を備え、両電極基板間の間には、電解質層と色素で増感された半導体多孔質層とからなる発電領域と、該発電領域の周囲に位置し且つ両電極基板を結合している封止材からなる封止領域とが形成されている色素増感太陽電池において、
前記封止領域での両電極基板間の間隔が、前記発電領域での両電極基板間の間隔に比して大きく設定されていることを特徴とする色素増感太陽電池が提供される。
According to the present invention, an electrode substrate is provided so as to be opposed to each other, and a power generation region including an electrolyte layer and a semiconductor porous layer sensitized with a dye is provided between the electrode substrates, and the power generation In the dye-sensitized solar cell in which a sealing region made of a sealing material that is located around the region and combines both electrode substrates is formed,
Provided is a dye-sensitized solar cell in which a distance between both electrode substrates in the sealing region is set larger than a distance between both electrode substrates in the power generation region.
本発明の色素増感太陽電池においては、
(1)前記封止領域での両電極基板の間隔が、前記発電領域での両電極基板の間隔よりも10μm以上大きく設定されていること、
(2)一方の電極基板が金属電極基板、他方がガラス製電極基板からなり、前記金属電極基板の前記ガラス製電極基板側表面に段差が形成されており、この段差によって、前記発電領域と封止領域とが区画されていること、
(3)前記金属電極基板として、アルミニウム製基板、ステンレススチール製基板または銅基板が使用されていること、
が好適である。
In the dye-sensitized solar cell of the present invention,
(1) The interval between both electrode substrates in the sealing region is set to be 10 μm or more larger than the interval between both electrode substrates in the power generation region;
(2) One electrode substrate is a metal electrode substrate and the other is a glass electrode substrate, and a step is formed on the surface of the metal electrode substrate on the glass electrode substrate side. The stop area is partitioned,
(3) As the metal electrode substrate, an aluminum substrate, a stainless steel substrate or a copper substrate is used,
Is preferred.
本発明の色素増感太陽電池では、封止領域での金属電極基板とガラス製電極基板の間隔が、前記発電領域での両電極間の間隔に比して大きく設定されているため、発電領域での両電極基板間の間隔を大きくすることなく、封止材の厚みを増大させることができる。 In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the interval between the metal electrode substrate and the glass electrode substrate in the sealing region is set to be larger than the interval between both electrodes in the power generation region. The thickness of the sealing material can be increased without increasing the distance between the two electrode substrates.
即ち、本発明では、封止材の厚みを大きくすることにより封止材の応力吸収能を高め、金属電極基板とガラス製電極基板との間の熱膨張差に起因する種々の不都合、例えば、熱履歴によるセルの割れや封止材の剥がれなどの不都合が有効に回避することができる。具体的には、後述する実験例に示されているように、アルミニウム基板(線膨張係数:23ppm/℃)を用いて形成された金属電極基板とガラス基板(線膨張係数:9ppm/℃)を用いて形成されたガラス製電極基板とを備えており、両電極基板の線膨張係数差が非常に大きい場合に熱サイクルが加えられた場合にも、セル破壊や封止材の剥がれなどによる電解質液の漏れなどが有効に防止され、長期間にわたって安定に電池としての機能を維持させることができる。 That is, in the present invention, by increasing the thickness of the encapsulant, the stress absorption capacity of the encapsulant is increased, and various inconveniences caused by the difference in thermal expansion between the metal electrode substrate and the glass electrode substrate, for example, Inconveniences such as cell cracking due to thermal history and peeling of the sealing material can be effectively avoided. Specifically, as shown in an experimental example to be described later, a metal electrode substrate and a glass substrate (linear expansion coefficient: 9 ppm / ° C.) formed using an aluminum substrate (linear expansion coefficient: 23 ppm / ° C.) When the thermal cycle is applied when the difference in linear expansion coefficient between the electrode substrates is very large, the electrolyte due to cell destruction or peeling of the sealing material Liquid leakage and the like are effectively prevented, and the battery function can be maintained stably over a long period of time.
しかも、上記の利点は、封止材の幅を大きくすることによってもたらされるものではないため、電極基板の大面積化を有効に回避することができるばかりか、発電領域での両電極基板間の間隔を大きくする必要も無いため、電解質層の厚み増大による変換効率の低下も有効に回避することが可能となる。 In addition, since the above-mentioned advantage is not brought about by increasing the width of the sealing material, it is possible not only to effectively increase the area of the electrode substrate, but also between the electrode substrates in the power generation region. Since it is not necessary to increase the interval, it is possible to effectively avoid a decrease in conversion efficiency due to an increase in the thickness of the electrolyte layer.
<電池の構造>
本発明の色素増感太陽電池は、図2に示された構造を有するものであり、発電領域の構造は、実質的に図1に示された従来の色素増感太陽電池と同じ構造を有しているが、封止領域での構造に新規な特徴を有している。
<Battery structure>
The dye-sensitized solar cell of the present invention has the structure shown in FIG. 2, and the structure of the power generation region has substantially the same structure as the conventional dye-sensitized solar cell shown in FIG. However, it has a novel feature in the structure in the sealing region.
即ち、図2の構造において、本発明の色素増感太陽電池は、全体として20で示す金属製電極基板と、全体として30で示すガラス製電極基板とが対向して配置されており、両電極基板20,30の間に電解質層40が設けられ、この電解質層40が設けられている領域が発電領域Xとなっている。また、この発電領域Xの周縁部が封止領域Yとなっており、この領域Y、即ち、金属電極基板30及びガラス製電極基板30の周縁部分が封止材50によって封止され、発電領域X(電解質層40)からの液洩れが防止される構造となっている。
That is, in the structure of FIG. 2, the dye-sensitized solar cell of the present invention has a metal electrode substrate indicated by 20 as a whole and a glass electrode substrate indicated by 30 as a whole. An
金属電極基板20は、光不透過性であり、金属基板21と、必要により、金属基板21上に形成される逆電防止層23とからなる。
The
金属基板21は、低電気抵抗の金属材料から形成されたものであれば特に制限されないが、一般的には、6×10−6Ω・m以下の比抵抗を有する金属乃至合金、例えばアルミニウム、鉄(スチール)、銅、ニッケルなどが使用される。また、金属基板21の厚みは特に制限されず、適度な機械的強度が保持される程度の厚みを有していればよい。また、生産性を考慮しないのであれば、金属基板21は、例えば蒸着等により、樹脂フィルム等に形成されていてもよい。勿論、この樹脂フィルム等の基材は透明である必要はない。本発明においては、金属基板21がアルミニウム、ステンレススチール(SUS304)、銅等のガラス基板と線熱膨張係数が大きく異なる材料を用いた場合にも熱履歴に起因する種々の不都合を回避することができ、特に軽量であり且つ安価なアルミニウム製基板を用い得ることは、本発明の大きな利点である。
The
また、金属基板21上に適宜形成される逆電防止層23は、金属基板21に比して高抵抗の金属乃至金属酸化物からなる層であり、逆電流を阻止し、有効な整流障壁となるばかりか、耐腐食性を有するものであり、後述する電解質層40からの液の浸透による金属基板21の腐食を防止する機能も有している。このような逆電防止層23は、例えば特開2008−53165号などに開示されているものであり、化成処理、めっき法、クラッド法などにより、金属基板21の材質に応じて適宜の組成のものとすることができ、通常、1000nm以下、特に5〜500nm、最も好ましくは5乃至100nm程度の厚みに形成される。
The reverse
上記のような金属基板21及び必要に形成される逆電防止層23を備えた金属電極基板20の発電領域Xとなる部分(中央部分)には、色素増感半導体多孔質層25が形成される。
A dye-sensitized semiconductor
金属基板21(或いは逆電防止層23)の上に形成される色素増感半導体多孔質層25は、色素増感太陽電池において従来から使用されており、酸化物半導体層に色素を吸着担持させたものである。
The dye-sensitized semiconductor
色素を吸着担持させる酸化物半導体多孔質層は、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステンなどの金属の酸化物、或いはこれら金属を含有する複合酸化物、例えばSrTiO3、CaTiO3などのペロブスカイト型酸化物などにより形成され、その厚みは、通常、3乃至15μm程度である。 The oxide semiconductor porous layer for adsorbing and supporting the dye is, for example, an oxide of a metal such as titanium, zirconium, hafnium, strontium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, or a composite oxide containing these metals, such as SrTiO 3. And a perovskite type oxide such as CaTiO 3 , and the thickness is usually about 3 to 15 μm.
また、かかる酸化物半導体の多孔質層は、色素を担持させるため、多孔質であることが必要であり、例えば、アルキメデス法による相対密度が50乃至90%、特に50乃至70%程度であることが好ましく、これにより、大きな表面積を確保し、有効量の色素を担持させることができる。 Further, the porous layer of the oxide semiconductor needs to be porous in order to carry the dye, and for example, the relative density by the Archimedes method is 50 to 90%, particularly about 50 to 70%. It is preferable that a large surface area can be secured and an effective amount of the dye can be supported.
このような酸化物半導体多孔質層は、例えば上述した酸化物半導体の微粒子を、有機溶媒やキレート反応性を有する有機化合物に分散させて調製したペースト、若しくは、チタンアルコキシド(例えばテトライソプロポキシチタンなど)等のバインダー成分とともに有機溶媒中に分散させたスラリー乃至ペーストを金属基板21上に塗布し、600℃以下の温度で、前述した相対密度となる程度の時間、焼成することにより容易に形成することができる。即ち、焼成により、上記バインダー成分のゲル化(脱水縮合)により形成されたTiO2ゲルが半導体微粒子同士を接合し、多孔質化される。
Such an oxide semiconductor porous layer is, for example, a paste prepared by dispersing fine particles of the above-described oxide semiconductor in an organic solvent or an organic compound having chelate reactivity, or a titanium alkoxide (for example, tetraisopropoxy titanium). It is easily formed by applying a slurry or paste dispersed in an organic solvent together with a binder component such as) on the
尚、上記のようなスラリー乃至ペーストの形成に用いる半導体微粒子は、多孔質化の点で、その粒径が5〜500nm、特に5〜350nmの範囲にあるのがよい。また、キレート反応性の有機化合物としては、β−ジケトン、β−ケトアミン、β−ケトエステルが代表的であり、易揮発性であれば特に制限なく使用することができるが、β−ジケトンであるアセチルアセトンが特に好適であり、半導体微粒子重量に対して5乃至35重量%の量で使用するのがよい。また、バインダー成分のチタンアルコキシドは、二酸化チタン微粒子100重量部当り、10乃至60重量部、特に20乃至50重量部の量で使用するのがよく、有機溶媒としては、易揮発性であれば特に制限なく使用することができるが、一般的には、炭素数が4以下の低級アルコール、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノールなどが好適であり、これらの有機溶媒は、単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせた混合溶媒の形で使用することもできる。有機溶媒量は、スラリー乃至ペーストが適度なコーティング性を示す程度の量で使用すればよく、一般的には、スラリー乃至ペーストの固形分濃度が、5乃至50重量%、特に15乃至40重量%の範囲となる程度の量で使用するのがよい。溶媒量が多すぎると、スラリー乃至ペーストが低粘性となり、垂れ等により安定な厚みのコーティング層を形成することが困難となり、また、溶媒量が少ないと、高粘性となり作業性が低下してしまうからである。 The semiconductor fine particles used for forming the slurry or paste as described above should have a particle size in the range of 5 to 500 nm, particularly 5 to 350 nm from the viewpoint of making them porous. Further, as the chelate-reactive organic compound, β-diketone, β-ketoamine, and β-ketoester are representative and can be used without particular limitation as long as it is easily volatile. However, acetylacetone, which is a β-diketone, can be used. Is particularly suitable, and is preferably used in an amount of 5 to 35% by weight based on the weight of the semiconductor fine particles. Further, the titanium alkoxide as a binder component is preferably used in an amount of 10 to 60 parts by weight, particularly 20 to 50 parts by weight, per 100 parts by weight of titanium dioxide fine particles. In general, lower alcohols having 4 or less carbon atoms such as methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, t-butanol and the like are suitable, and these organic compounds can be used without limitation. A solvent may be used independently and can also be used in the form of the mixed solvent which combined 2 or more types. The amount of the organic solvent may be used in such an amount that the slurry or paste exhibits an appropriate coating property. In general, the solid content concentration of the slurry or paste is 5 to 50% by weight, particularly 15 to 40% by weight. It is better to use it in an amount that is in the range. If the amount of solvent is too large, the slurry or paste becomes low-viscosity and it becomes difficult to form a coating layer with a stable thickness due to dripping, etc., and if the amount of solvent is small, the viscosity becomes high-viscosity and workability decreases. Because.
上記のようにして形成される酸化物半導体多孔質層に吸着させる色素は、この多孔質層に色素溶液を接触させることにより、吸着担持される。色素溶液の接触は、通常は、ディッピングにより行われ、吸着処理時間(浸漬時間)は、通常、30分〜24時間程度であり、吸着後、乾燥して色素溶液の溶媒を除去することにより、表面及び内部に増感色素が吸着担持された色素増感半導体多孔質層23が形成される。
The dye adsorbed on the oxide semiconductor porous layer formed as described above is adsorbed and supported by bringing the dye solution into contact with the porous layer. The contact of the dye solution is usually performed by dipping, and the adsorption treatment time (immersion time) is usually about 30 minutes to 24 hours, and after adsorption, the solvent of the dye solution is removed by drying, A dye-sensitized semiconductor
用いる色素は、増感色素として機能し得るものであり、カルボキシレート基、シアノ基、ホスフェート基、オキシム基、ジオキシム基、ヒドロキシキノリン基、サリチレート基、α−ケト−エノール基などの結合基を有するそれ自体公知のものが使用される。例えばルテニウム錯体、オスミウム錯体、鉄錯体などを何ら制限なく使用することができる。特に幅広い吸収帯を有するなどの点で、ルテニウム−トリス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)、ルテニウム−シス−ジアクア−ビス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)などのルテニウム系錯体が好適である。このような増感色素の色素溶液は、溶媒としてエタノールやブタノールなどのアルコール系有機溶媒を用いて調製され、その色素濃度は、通常、3×10−4乃至5×10−4mol/l程度とするのがよい。 The dye used can function as a sensitizing dye and has a linking group such as a carboxylate group, a cyano group, a phosphate group, an oxime group, a dioxime group, a hydroxyquinoline group, a salicylate group, and an α-keto-enol group. Those known per se are used. For example, a ruthenium complex, an osmium complex, an iron complex, etc. can be used without any limitation. Ruthenium-tris (2,2′-bispyridyl-4,4′-dicarboxylate), ruthenium-cis-diaqua-bis (2,2′-bispyridyl-4,4) in that it has a particularly broad absorption band. Ruthenium-based complexes such as' -dicarboxylate) are preferred. Such a dye solution of a sensitizing dye is prepared using an alcohol-based organic solvent such as ethanol or butanol as a solvent, and the dye concentration is usually about 3 × 10 −4 to 5 × 10 −4 mol / l. It is good to do.
また、ガラス製電極基板30は、光透過性電極であり、この基板側から光が照射されて発電領域Xで発電が行われるものである。このガラス製電極基板30は、ガラス製基板31を有しており、このガラス製基板31の上に、透明導電膜33と電子還元性導電層35とが、この順に形成されている。
The
ガラス製基板31としては、高い光透過性を有している限り、特に制限されず、石英ガラス、パイレックスガラス等、任意のガラス材料から形成されているものを使用することができ、また、その厚みや大きさは、最終的に形成される色素増感太陽電池の用途に応じて適宜決定される。
The
ガラス製基板31の上に形成される透明導電膜33としては、酸化インジウム−酸化錫合金からなる膜(ITO膜)、酸化錫にフッ素をドープした膜(FTO膜)などが代表的であるが、電子還元性が高く、特にカソードとして望ましい特性を有していることから、ITO膜が好適である。これらは蒸着により上記のガラス製基板31上に形成され、その厚みは、通常、500nm乃至700nm程度である。
Typical examples of the transparent
また、上記の透明導電膜33上に形成される電子還元導電層35は、一般に白金の薄層からなり、透明導電膜33に流れ込んだ電子を電解質層40に速やかに移行せしめる機能を有するものである。このような電子還元導電層40は、光透過性が損なわれないように、その平均厚みが0.1乃至1.5nm程度となるように蒸着により薄く形成される。
The electron reduction
上述した金属製電極基板20とガラス製電極基板30との間に配置され、発電領域Xを形成する電解質層40は、公知の太陽電池と同様、リチウムイオン等の陽イオンや塩素イオン等の陰イオンを含む種々の電解質溶液により形成される。また、この電解質層40中には、酸化型構造及び還元型構造を可逆的にとり得るような酸化還元対を存在させることが好ましく、このような酸化還元対としては、例えばヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物、キノン−ヒドロキノンなどを挙げることができる。このような電解質層40は、発電領域Xの周縁に位置する封止領域Yに設けられる封止材50により封止され、電極間からの液の漏洩が防止されることとなるわけである。一般に、このような電解質層40の厚みは、最終的に形成される電池の大きさによっても異なるが、10μm以下程度である。
The
封止材50としては、ヒートシール可能な各種の熱可塑性樹脂乃至熱可塑性エラストマー、例えば、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ4−メチル−1−ペンテン、或いはエチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィン同士のランダム乃至ブロック共重合体等のポリオレフィン系樹脂;エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体等のエチレン−ビニル化合物共重合体樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、ABS、α−メチルスチレン−スチレン共重合体等のスチレン系樹脂;ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル等のビニル系樹脂;ナイロン6、ナイロン6−6、ナイロン6−10、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミド樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂;ポリカーボネート;ポリフェニレンオキサイド;カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース誘導体;酸化澱粉、エーテル化澱粉、デキストリンなどの澱粉;及びこれらの混合物からなる樹脂;などが使用される。
As the sealing
即ち、封止材50は、上記の熱可塑性樹脂等を用いての押出成形、射出成形等によって、封止領域Yに対応する幅のリング形状に成形することにより得られ、この封止材50を、互いに対抗して配置された金属電極基板20とガラス電極基板30との間に挟んだ状態でヒートシール(加熱圧着)することにより、金属電極基板20とガラス電極基板30とが接合され、次いで、この封止材50に注入管を挿入し、該注入管を介して、金属電極基板20とガラス電極基板30との間の空間内に、電解質層40を形成する電解質溶液を注入することにより、図2に示す構造の色素増感太陽電池を得ることができる。
That is, the sealing
尚、リング状に成形された封止材50をヒートシールするにあたっては、封止材50と金属電極基板20或いはガラス製電極基板30との接合面に、予め接着剤樹脂、例えば無水マレイン等の不飽和カルボン酸でグラフト変性された不飽和カルボン酸変性オレフィン系樹脂などを塗布し、かかる接着剤樹脂を介してのヒートシールにより封止材50を接合することができる。
When heat-sealing the sealing
上記のような構造を有する本発明の色素増感太陽電池においては、封止領域Yでの金属電極基板20とガラス製電極基板30との間隔dが、発電領域Xでの両電極基板の間隔Dに比して大きく設定されていることが重要な特徴である。
In the dye-sensitized solar cell of the present invention having the above-described structure, the interval d between the
即ち、図2から理解されるように、金属電極基板20の周縁部に環状の段差27が形成されており、封止領域Yでの表面部分が、発電領域Xでの表面部分よりも低い位置に存在しており、この段差27の高さhの分だけ、封止領域Yでの金属電極基板20とガラス製電極基板30との間隔dが、発電領域Xでの両電極基板の間隔Dよりも大きくなっている(h=d−D)。
That is, as understood from FIG. 2, an
上記の説明から理解されるように、本発明においては、上記のような段差27を形成することにより、このような段差27を形成していない場合に比して、封止材50の厚み(dに相当)が段差の高さhの分だけ厚く形成されることとなり、この結果、封止材50の応力吸収能が高められているのである。既に述べたように、金属電極基板20とガラス製電極基板30との間には、熱膨張係数が異なっており、例えば金属基板21やガラス基板31の材質によっては、その線膨張係数差は極めて大きく、このため、熱履歴が加えられたときに、金属電極基板20とガラス製電極基板30との間に熱応力が発生し、セル破壊や封止材50の剥がれなどを生じてしまい、電解質層40からの電解質溶液の漏れなどが生じてしまい、電池としての機能が損なわれてしまう。しかるに、本発明では、上記のような段差27を形成し、封止材50の厚みを厚くして応力吸収能が高められているため、熱履歴によって生じる熱応力が有効に緩和され、上記のような不都合を有効に防止することが可能となるのである。
As understood from the above description, in the present invention, by forming the
ここで重要なことは、上記のような段差27の形成によって封止材50の応力吸収能を高めた場合には、電解質層40の厚みtを大きくする必要がないということである。即ち、段差27を形成せず、単に封止材50の厚みを厚くすると、これに伴って電解質層40の厚みtも増大することとなる。しかるに、電解質層40の厚みが増大すると、発電領域Xに照射され、色素増感半導体層25に到達する光は、電解質層40の厚みの増加分に対応して減衰してしまい、この結果、変換効率の低下を招くこととなる。本発明では、段差27の形成によって封止材50の応力吸収能を高めているため、電解質層40の厚みは一定であり、増大しないため、変換効率の低下を有効に回避することができることとなる。
What is important here is that the thickness t of the
また、封止材50の応力吸収能50を高めるためには、封止材50の幅(封止領域Yの幅に相当)を大きくすることも考えられるが、電極基板20,30の熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和させるためには、この幅をかなり大きくする必要があり、電極の大面積化を生じてしまう。本発明では、電極の大面積化を生じることもない。
In order to increase the
本発明において、上記のような金属電極基板20に段差27を形成するための手段としては、金属基板21の周縁部をエッチング等により取り除く等の手段も考えられるが、一般的には、金属基板21の周縁部を適当な治具で保持した状態で、ポンチ等により中央部分を押圧して変形させるという手段が最も好適であり、容易に行うことができる。このようにして形成される金属基板21は、図3に示されているように、発電領域Xに相当する中央部分が、封止領域Yに相当する周縁部分に比して段差27の高さhに相当する分だけ高くなるように変形した形状となる。尚、このような押圧加工により段差27を形成する場合において、逆電防止層23を設ける場合には、加工前及び加工後の何れの時点で逆電防止層23を形成してもよい。
In the present invention, as means for forming the
また、上述した例では、金属電極基板20に段差27が形成されているが、ガラス製電極基板30に段差を形成することもできるし、さらには、金属電極基板20とガラス製電極30との両方に段差を形成することができる。但し、ガラス製電極基板30に段差を形成するためには、ガラス製基板31の周縁部を切削加工する必要があるため、金属電極基板20に段差27を形成する態様が最も有利である。
In the above-described example, the
尚、上述した本発明において、段差27の高さhは、少なくとも0.01mm以上の長さとすることがよい。この長さがあまり短いと、封止材50の応力吸収能を十分に高めることができず、金属電極基板20とガラス製電極30との熱膨張差に起因する不都合を十分に防止することが困難となるからである。この場合、段差27の高さhの上限値は、用いる金属基板21の厚みなどに応じて、十分な強度確保される程度の値とすればよい。また、封止材50の幅(即ち、封止領域Yの幅)は、目的とする色素増感太陽電池の大きさなどに応じて、必要以上に大面積化しないように、適宜の大きさとすればよい。
In the present invention described above, the height h of the
本発明を次の実験例により説明する。
(実験例1)
金属基板として、市販のアルミニウム板(幅20mm、長さ70mm、厚み0.3mm)を用意し、このアルミニウム板をポンチによる押圧にて中央部分に対して幅10mm×長さ60mm×厚み0.03mmの段差加工をおこなった。
こうして得られた段差加工された金属基板を十分に洗浄乾燥した後、酸化チタンペーストを金属基板中央部に10mm×60mmの面積でスクリーン印刷法により塗布し、420℃で30分において電気炉で熱処理を行い、酸化チタン多孔質膜を形成した。得られた酸化チタン多孔質膜の厚さは、ほぼ10μmであった。
The invention is illustrated by the following experimental example.
(Experimental example 1)
A commercially available aluminum plate (
After the stepped metal substrate thus obtained was sufficiently washed and dried, the titanium oxide paste was applied to the center of the metal substrate by a screen printing method with an area of 10 mm × 60 mm, and heat-treated in an electric furnace at 420 ° C. for 30 minutes. The titanium oxide porous membrane was formed. The obtained titanium oxide porous membrane had a thickness of about 10 μm.
酸化チタンペーストは、球状の粒径30nmと多面体状の粒径15nmの市販TiO2粒子2種類を主剤とし、溶媒として、テルピネオールを、ペースト中60重量%の量、バインダー剤として、エチルセルロースを、粘度が5〜15cPとなるように調整したものを使用した。
上記の酸化物半導体層を有機色素である三菱製紙株式会社製のD149色素を含む溶液中に4時間程度浸して、次いで乾燥することにより、酸化チタン微粒子に色素を修飾して負極電極とした。
The titanium oxide paste has two types of commercially available TiO 2 particles having a spherical particle size of 30 nm and a polyhedral particle size of 15 nm as a main agent, terpineol as a solvent, 60 wt% in the paste, ethyl cellulose as a binder agent, viscosity Was adjusted so as to be 5 to 15 cP.
The oxide semiconductor layer was dipped in a solution containing D149 dye manufactured by Mitsubishi Paper Industries, Ltd., which is an organic dye, for about 4 hours, and then dried to modify titanium oxide fine particles to form a negative electrode.
一方、ガラス基板上にスパッタ法により製膜した白金を持つFTOを対向電極(正極)として使用し、厚さ50μmのポリプロピレン樹脂から成る封止材により封止した。
作成した金属電極基板とガラス電極基板との間に電解質液を挟みこんで色素増感型太陽電池を作製した。尚、電解質液としては、LiI/I2(0.5M/0.025M)をメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに4−tert−ブチルピリジンを添加したものを用いた。
得られた太陽電池の変換効率を測定したところ、測定面積10mm×60mmで、以下のような結果となった。
変換効率:4.0%
FF:0.58
JSC:10.7
VOC:0.64
On the other hand, FTO having platinum formed by sputtering on a glass substrate was used as a counter electrode (positive electrode) and sealed with a sealing material made of polypropylene resin having a thickness of 50 μm.
A dye-sensitized solar cell was fabricated by sandwiching an electrolyte solution between the prepared metal electrode substrate and glass electrode substrate. As the electrolyte solution, used was added 4-tert-butylpyridine LiI / I 2 a (0.5M / 0.025 M) to that dissolved in methoxypropionitrile.
When the conversion efficiency of the obtained solar cell was measured, the measurement area was 10 mm × 60 mm, and the following results were obtained.
Conversion efficiency: 4.0%
FF: 0.58
JSC: 10.7
VOC: 0.64
(実験例2)
金属基板として、市販のアルミニウム板(幅20mm、長さ70mm、厚み0.3mm)を用意し、段差加工を実施しない以外は、実験例1と同様の条件で色素増感太陽電池を製作した。得られた太陽電池の変換効率を測定したところ測定面積10mm×60mmで下記の通りであり、実験例1と比較して低い変換効率であった。
変換効率:3.1%
FF:0.54
JSC:9.3
VOC:0.62
(Experimental example 2)
A commercially available aluminum plate (
Conversion efficiency: 3.1%
FF: 0.54
JSC: 9.3
VOC: 0.62
20:金属電極基板
21:金属基板
25:色素増感多孔質半導体層
27:段差
30:ガラス製電極
31:ガラス基板
33:透明導電膜
35:電子還元性導電層
40:電解質層
50:封止材
X:発電領域
Y:封止領域
20: Metal electrode substrate 21: Metal substrate 25: Dye-sensitized porous semiconductor layer 27: Step 30: Glass electrode 31: Glass substrate 33: Transparent conductive film 35: Electron reducing conductive layer 40: Electrolyte layer 50: Sealing Material X: Power generation area Y: Sealing area
Claims (4)
前記封止領域での両電極基板間の間隔が、前記発電領域での両電極基板間の間隔に比して大きく設定されていることを特徴とする色素増感太陽電池。 An electrode substrate is provided so as to be opposed to each other, and a power generation region composed of an electrolyte layer and a semiconductor porous layer sensitized with a dye is disposed between both electrode substrates, and is positioned around the power generation region. And in the dye-sensitized solar cell in which a sealing region made of a sealing material binding both electrode substrates is formed,
The dye-sensitized solar cell, wherein an interval between the two electrode substrates in the sealing region is set larger than an interval between the two electrode substrates in the power generation region.
前記金属電極基板の前記ガラス製電極基板側表面に段差が形成されており、この段差によって、前記発電領域と封止領域とが区画されている請求項1または2に記載の色素増感太陽電池。 One electrode substrate is a metal electrode substrate, the other is a glass electrode substrate,
The dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2, wherein a step is formed on the surface of the metal electrode substrate on the glass electrode substrate side, and the power generation region and the sealing region are partitioned by the step. .
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