JP5127261B2 - Manufacturing method of photoelectric conversion module - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換効率及び信頼性に優れた太陽電池や受光素子等の色素増感型の光電変換素子を複数個形成した光電変換モジュールに関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion module in which a plurality of dye-sensitized photoelectric conversion elements such as solar cells and light receiving elements excellent in photoelectric conversion efficiency and reliability are formed.

従来、光電変換装置の一種である色素増感型太陽電池は、その製造に際して真空装置を必要としないことから、低コストで低環境負荷型の太陽電池であると考えられ、活発に研究開発が行われている。   Conventionally, a dye-sensitized solar cell, which is a type of photoelectric conversion device, does not require a vacuum device for its production, so it is considered to be a low-cost, low-environmental load-type solar cell, and is actively researched and developed. Has been done.

特許文献1では、導電性ガラス基板上に塗布された二酸化チタンに、光増感剤としてルテニウム錯体色素等が付着された光増感剤複合体が形成された光作用極基板と、導電性ガラス基板上に白金やカーボンの対極層を形成した対極基板とを、多孔質酸化チタン層と対極層とを互いに対向させ、両基板を貼り合わせ、これら基板間にヨウ素/ヨウ化物レドックス対を含む電解質溶液を対極基板に開けた貫通孔から注入して満たし、対極基板の貫通孔を塞いで成る構成の色素増感型太陽電池が記載されている。   In Patent Document 1, a photoactive electrode substrate in which a photosensitizer complex in which a ruthenium complex dye or the like is attached as a photosensitizer to titanium dioxide coated on a conductive glass substrate, and conductive glass An electrolyte containing a counter electrode substrate in which a platinum or carbon counter electrode layer is formed on a substrate, a porous titanium oxide layer and a counter electrode layer facing each other, and bonding both substrates together, and an iodine / iodide redox pair between these substrates A dye-sensitized solar cell having a structure in which a solution is injected and filled through a through hole formed in a counter electrode substrate and the through hole of the counter electrode substrate is closed is described.

特許文献2では、色素増感型太陽電池において、半導体を設けた第1の基板と導電膜が形成された第2の基板の周縁部をガラスフリットで封止したものが記載されている。これにより、封止性が向上することによって電解液が洩れ出したり揮発したりすることが減少し、電解液を十分保持することができ、長期間安定した光電変換効率(以下、変換効率ともいう)を示す色素増感型太陽電池を得ることが可能となる。   Patent Document 2 describes a dye-sensitized solar cell in which the periphery of a first substrate provided with a semiconductor and a second substrate provided with a conductive film are sealed with glass frit. As a result, the leakage of the electrolytic solution or volatilization is reduced by improving the sealing performance, the electrolytic solution can be sufficiently retained, and the photoelectric conversion efficiency (hereinafter also referred to as conversion efficiency) stable for a long period of time. ) Can be obtained.

特許文献3に記載された大面積色素増感型太陽電池は、チタン,白金,金などからなり、無数の開口部が形成された金属製グリッドを用い、この金属製グリッドに、酸化チタンなどの酸化物半導体焼結物を一体的に結合したものを光電極とする構成である。この構成により、比抵抗が大きいITO,FTOなどの導電薄膜に比べて、金属製グリッドの比抵抗が格段に低くなり、低抵抗が実現できる。
特開2002−512729号公報 特開2001−185244号公報 特開2003−123855号公報
The large-area dye-sensitized solar cell described in Patent Document 3 is made of titanium, platinum, gold, etc., and uses a metal grid in which an infinite number of openings are formed. The metal grid is made of titanium oxide or the like. This is a structure in which an oxide semiconductor sintered product is integrally bonded to form a photoelectrode. With this configuration, the specific resistance of the metal grid is significantly lower than that of a conductive thin film such as ITO or FTO having a large specific resistance, and a low resistance can be realized.
JP 2002-512729 A JP 2001-185244 A JP 2003-123855 A

しかしながら、特許文献1,2の構成のように、光作用極基板と対極基板との2つの基板を貼り合せたセル構造では、増感色素を吸着した多孔質酸化チタン層の表面と対極表面との間の電解質を満たしたギャップを狭くかつ一定に保って製造することは困難であり、変換効率が高くかつ安定であり、信頼性が高いものを製造することは困難であった。   However, as in the configurations of Patent Documents 1 and 2, in the cell structure in which two substrates of the photoactive electrode substrate and the counter electrode substrate are bonded, the surface of the porous titanium oxide layer adsorbing the sensitizing dye and the surface of the counter electrode It was difficult to manufacture the gap filled with the electrolyte between them with a narrow and constant gap, and it was difficult to manufacture a product with high conversion efficiency and stability and high reliability.

また、特許文献3の大面積色素増感型太陽電池のように基板サイズが大きくなると、比抵抗が大きいITO,FTOなどの導電性薄膜に比べて、低抵抗の金属製グリッドを導入しても直列抵抗が問題となってくる。   In addition, when the substrate size is increased as in the large area dye-sensitized solar cell of Patent Document 3, a metal grid having a low resistance is introduced as compared with conductive thin films such as ITO and FTO having a large specific resistance. Series resistance becomes a problem.

さらに、屋外での使用にあたっては、直列接続することによって電圧を高めるモジュール構成にする必要があり、従来技術では変換効率の向上と信頼性の確保とを両立させることはできなかった。   Furthermore, when used outdoors, it is necessary to have a module configuration in which the voltage is increased by connecting them in series, and the conventional technology cannot achieve both improvement in conversion efficiency and ensuring reliability.

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光電変換素子が複数個配列された光電変換モジュールにおいて、光電変換素子間を電気的に接続する導電体を電解質に対する耐腐食性を高めたものとすることによって確実な接続を実現し、高い信頼性の確保と変換効率の向上とを両立させることのできる色素増感型の光電変換モジュールを提供するものである。   Accordingly, the present invention has been completed in view of the problems in the conventional technology described above, and an object thereof is to electrically connect the photoelectric conversion elements in a photoelectric conversion module in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged. Providing a dye-sensitized photoelectric conversion module that realizes reliable connection by ensuring the corrosion resistance of the conductor to the electrolyte, ensuring both high reliability and improved conversion efficiency To do.

本発明の光電変換モジュールの製造方法は、増感色素を担持した多孔質の半導体層が形成された一方の極としての第1の導電層と、前記多孔質の半導体層に対向して配置された対極としての第2の導電層との間に、電解質を配置して光電変換素子を形成し、前記光電変換素子を複数個配列して光電変換モジュールを製造する光電変換モジュールの製造方法であって、前記光電変換素子の前記第1の導電層と隣接する前記光電変換素子の前記第2の導電層とを電気的に接続するためのガラスフリットを含む導電性ペーストを、前記第1及び第2の導電層の少なくとも一方に塗布し、次に前記導電性ペーストの周囲にガラスペーストを塗布し、次に前記導電性ペースト及び前記ガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによって、導電体及びガラス層を形成することを特徴とする。   In the method for producing a photoelectric conversion module of the present invention, a first conductive layer as one electrode on which a porous semiconductor layer carrying a sensitizing dye is formed, and the porous semiconductor layer are disposed opposite to each other. A photoelectric conversion module manufacturing method in which an electrolyte is disposed between the second conductive layer as a counter electrode to form a photoelectric conversion element, and a plurality of the photoelectric conversion elements are arranged to manufacture a photoelectric conversion module. A conductive paste containing glass frit for electrically connecting the first conductive layer of the photoelectric conversion element and the second conductive layer of the photoelectric conversion element adjacent to the first conductive layer; The conductive material is applied to at least one of the two conductive layers, and then a glass paste is applied around the conductive paste, and then the conductive paste and the glass paste are irradiated with laser light and fired. And forming a fine glass layer.

本発明の光電変換モジュールの製造方法は好ましくは、前記光電変換素子を形成した後に、前記光電変換素子の周囲にガラスペーストを塗布し、次に前記ガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによってガラス封止層を形成することを特徴とする。   In the method for producing a photoelectric conversion module of the present invention, preferably, after the photoelectric conversion element is formed, a glass paste is applied around the photoelectric conversion element, and then the glass paste is irradiated with laser light and fired. A glass sealing layer is formed by.

本発明の光電変換モジュールの製造方法は、増感色素を担持した多孔質の半導体層が形成された一方の極としての第1の導電層と、多孔質の半導体層に対向して配置された対極としての第2の導電層との間に、電解質を配置して光電変換素子を形成し、光電変換素子を複数個配列して光電変換モジュールを製造する光電変換モジュールの製造方法であって、光電変換素子の第1の導電層と隣接する光電変換素子の第2の導電層とを電気的に接続するためのガラスフリットを含む導電性ペーストを、第1及び第2の導電層の少なくとも一方に塗布し、次に導電性ペーストの周囲にガラスペーストを塗布し、次に導電性ペースト及びガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによって、導電体及びガラス層を形成することから、光電変換モジュール全体を昇温することによって封止しないため、従来のように増感色素を吸着及び電解質を注入した後に対極層を積層形成する際や封止する際の熱処理等によって増感色素及び電解質が劣化するのを防ぐことができ、その結果変換効率が高まる。   In the method for producing a photoelectric conversion module of the present invention, a first conductive layer as one electrode on which a porous semiconductor layer carrying a sensitizing dye is formed, and the porous semiconductor layer are arranged opposite to each other. It is a method for manufacturing a photoelectric conversion module, in which an electrolyte is arranged between a second conductive layer as a counter electrode to form a photoelectric conversion element, and a plurality of photoelectric conversion elements are arranged to manufacture a photoelectric conversion module, Conductive paste containing glass frit for electrically connecting the first conductive layer of the photoelectric conversion element and the second conductive layer of the adjacent photoelectric conversion element is used as at least one of the first and second conductive layers. Next, a glass paste is applied around the conductive paste, and then the conductive paste and the glass paste are irradiated with laser light and fired to form a conductor and a glass layer. conversion Since the entire joule is not sealed by increasing the temperature, the sensitizing dye and the electrolyte are formed by heat treatment or the like when the counter electrode layer is laminated or sealed after the sensitizing dye is adsorbed and the electrolyte is injected as in the past. Deterioration can be prevented, resulting in an increase in conversion efficiency.

本発明の光電変換モジュールの製造方法は好ましくは、光電変換素子を形成した後に、光電変換素子の周囲にガラスペーストを塗布し、次にガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによってガラス封止層を形成することにより、レーザ光でガラスペーストを溶着しているので、前もって封止部近辺まで増感色素吸着部を吸着させることができ、入射する光の利用効率を向上させることができる。   In the method for producing a photoelectric conversion module of the present invention, preferably, after the photoelectric conversion element is formed, a glass paste is applied around the photoelectric conversion element, and then the glass paste is irradiated with laser light and fired. By forming the stop layer, the glass paste is welded with laser light, so the sensitizing dye adsorbing part can be adsorbed to the vicinity of the sealing part in advance, and the utilization efficiency of incident light can be improved. .

本発明の光電変換モジュール及びその製造方法についての実施の形態を、図1,図2に基き以下に詳細に説明する。なお、各図において、同一部材には同一符号を付している。また、図2の第1の導電層3は光電変換モジュールの内部の様子がわかりすいように半分の長さで描いている。   Embodiments of the photoelectric conversion module and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same member. Further, the first conductive layer 3 in FIG. 2 is drawn with a half length so that the inside of the photoelectric conversion module can be easily understood.

本発明の光電変換モジュールの断面図を図1に示す。図1の光電変換モジュール1は、基板2上に透明導電層等から成る第1の導電層3、増感色素4を吸着(担持)した多孔質の半導体層5が積層され、対極側基板9上に対極層である第2の導電層7が形成されており、多孔質の半導体層5と第2の導電層7が対向するように基板2と対極側基板9とを対向させてそれらの間に電解質6を配置するとともに、基板2及び対極側基板9の外周部がガラス封止層10で封止されている。   A cross-sectional view of the photoelectric conversion module of the present invention is shown in FIG. In the photoelectric conversion module 1 of FIG. 1, a first conductive layer 3 composed of a transparent conductive layer or the like and a porous semiconductor layer 5 adsorbing (supporting) a sensitizing dye 4 are laminated on a substrate 2, and a counter electrode side substrate 9. A second conductive layer 7 as a counter electrode layer is formed thereon, and the substrate 2 and the counter electrode side substrate 9 are opposed to each other so that the porous semiconductor layer 5 and the second conductive layer 7 are opposed to each other. The electrolyte 6 is disposed therebetween, and the outer peripheral portions of the substrate 2 and the counter electrode side substrate 9 are sealed with a glass sealing layer 10.

また、基板2及び対極側基板9の内側において、面方向に、第1の導電層3、多孔質の半導体層5、電解質6及び第2の導電層7の組(光電変換素子のユニット)が複数組形成されており、隣接する組同士について、光電変換素子の第1の導電層3と隣接する光電変換素子の第2の導電層7とが、ガラス層12で覆われた、ガラスフリットを含む導電体8によって接続されている。   Further, inside the substrate 2 and the counter electrode side substrate 9, a set (photoelectric conversion element unit) of the first conductive layer 3, the porous semiconductor layer 5, the electrolyte 6, and the second conductive layer 7 is provided in the plane direction. A plurality of pairs are formed, and for adjacent pairs, a glass frit in which the first conductive layer 3 of the photoelectric conversion element and the second conductive layer 7 of the adjacent photoelectric conversion element are covered with the glass layer 12 is used. It is connected by the conductor 8 containing.

本発明の光電変換モジュール1の製造方法は、増感色素4を担持した多孔質の半導体層5が形成された一方の極としての第1の導電層3と、多孔質の半導体層5に対向して配置された対極としての第2の導電層7との間に、電解質6を配置して光電変換素子を形成し、光電変換素子を複数個配列して光電変換モジュール1を製造する光電変換モジュールの製造方法であって、光電変換素子の第1の導電層3と隣接する光電変換素子の第2の導電層7とを電気的に接続するためのガラスフリットを含む導電性ペーストを、第1及び第2の導電層3,7の少なくとも一方に塗布し、次に導電性ペーストの周囲にガラスペーストを塗布し、次に導電性ペースト及びガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによって、導電体8及びガラス層12を形成する構成である。   The method for producing the photoelectric conversion module 1 of the present invention is such that the first conductive layer 3 as one electrode on which the porous semiconductor layer 5 carrying the sensitizing dye 4 is formed and the porous semiconductor layer 5 are opposed to each other. The photoelectric conversion element 1 is manufactured by disposing an electrolyte 6 between the second conductive layer 7 as a counter electrode disposed to form a photoelectric conversion element, and arranging a plurality of photoelectric conversion elements. A method for manufacturing a module, comprising: a conductive paste containing a glass frit for electrically connecting a first conductive layer 3 of a photoelectric conversion element and a second conductive layer 7 of an adjacent photoelectric conversion element; By applying to at least one of the first and second conductive layers 3 and 7, then applying a glass paste around the conductive paste, and then irradiating the conductive paste and the glass paste with laser light and firing. , Conductor 8 and glass layer It is configured to form a 2.

具体的には、図1の光電変換モジュール1は、基板2上に第1の導電層3及び多孔質の半導体層5がこの順で一体的に積層された積層体を形成し、次にこの積層体を増感色素4溶液に浸漬して多孔質の半導体層5に増感色素4を吸着させ、第1の導電層3と対極側基板9上の第2の導電層7とを導電体8を介して電気的に接続するとともに、積層体上に電解質6の領域を介して対極側基板9を配置し、次に基板2と対極側基板9の周縁部をガラス封止層10で接合して封止し、同時に導電体8の周囲にもガラス封止層10を形成し、ガラス封止層10に形成された貫通孔から電解質6の溶液を注入して多孔質の半導体層5に浸透させることによって製造される。   Specifically, the photoelectric conversion module 1 in FIG. 1 forms a laminate in which a first conductive layer 3 and a porous semiconductor layer 5 are integrally laminated in this order on a substrate 2, and then this The laminate is immersed in the sensitizing dye 4 solution to adsorb the sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5, and the first conductive layer 3 and the second conductive layer 7 on the counter electrode side substrate 9 are connected to the conductor. 8, the counter electrode side substrate 9 is disposed on the laminated body through the region of the electrolyte 6, and then the peripheral portion of the substrate 2 and the counter electrode side substrate 9 is bonded by the glass sealing layer 10. At the same time, a glass sealing layer 10 is formed around the conductor 8, and a solution of the electrolyte 6 is injected from a through hole formed in the glass sealing layer 10 to form the porous semiconductor layer 5. Manufactured by infiltration.

次に、上述した光電変換モジュール1を構成する各要素について詳細に説明する。   Next, each element which comprises the photoelectric conversion module 1 mentioned above is demonstrated in detail.

<第1の導電層>
基板2及び第1の導電層3としては、絶縁基板上に金属層あるいは透明導電層を形成したものでよい。基板2が透光性を有する場合、多孔質の半導体層5を光作用側極基板である基板2に形成して、光入射側に多孔質の半導体層5を配置でき、変換効率が高いものとなる。また、基板2及び対極側基板9が透光性を有する場合、光電変換モジュール1の主面のどちらの面からでも光を入射させることができるので、両主面側から光を入射させて変換効率を高めることができる。
<First conductive layer>
The substrate 2 and the first conductive layer 3 may be formed by forming a metal layer or a transparent conductive layer on an insulating substrate. When the substrate 2 has translucency, the porous semiconductor layer 5 can be formed on the substrate 2 which is a light working side electrode substrate, and the porous semiconductor layer 5 can be arranged on the light incident side, so that the conversion efficiency is high. It becomes. Moreover, when the board | substrate 2 and the counter electrode side board | substrate 9 have translucency, since light can enter from any surface of the main surface of the photoelectric conversion module 1, it makes light incident from both main surface sides, and converts Efficiency can be increased.

基板2の材料としては、白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス等のガラス、セラミックス等の無機材料、ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリカーボネート(PC),アクリル,ポリエチレンナフタレート(PEN),ポリイミド等の樹脂材料、有機無機ハイブリッド材料等がよい。   The material of the substrate 2 is glass such as white plate glass, soda glass, borosilicate glass, inorganic materials such as ceramics, resin such as polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), acrylic, polyethylene naphthalate (PEN), polyimide, etc. Materials, organic-inorganic hybrid materials, etc. are preferable.

透光性の基板2としては、少なくとも可視光の波長範囲において高い光透過性、例えば厚み0.7mmの白板ガラスの基板の場合、400〜1100nmの波長範囲で92%以上の光透過率であり、ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリカーボネート(PC)の基板の場合、可視光で約90%程度の光透過率であり、好適な光透過率としては少なくとも可視光の波長範囲で90%以上の光透過率を有する基板であれば利用できる。この透光性の基板2の材料としては、白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス等のガラス、セラミックス等の無機材料、ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリカーボネート(PC),アクリル,ポリエチレンナフタレート(PEN),ポリイミド等の樹脂材料、有機無機ハイブリッド材料等がよい。   As the translucent substrate 2, at least in the wavelength range of visible light, for example, in the case of a white glass substrate having a thickness of 0.7 mm, it has a light transmittance of 92% or more in the wavelength range of 400 to 1100 nm. In the case of a polyethylene terephthalate (PET) or polycarbonate (PC) substrate, the light transmittance is about 90% for visible light, and the preferred light transmittance is at least 90% light transmission in the visible light wavelength range. Any substrate having a rate can be used. As the material of the light-transmitting substrate 2, glass such as white plate glass, soda glass, borosilicate glass, inorganic materials such as ceramics, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), acrylic, polyethylene naphthalate (PEN) , Resin materials such as polyimide, and organic-inorganic hybrid materials are preferable.

第1の導電層3としては、弗素や金属をドープした金属酸化物の透明導電層が利用できる。この中で熱CVD法により形成したフッ素ドープの二酸化スズ膜(SnO:F膜)等が耐熱性を有しており、特によい。また、低温成長のスパッタリング法や低温スプレー熱分解法で形成したスズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)や不純物ドープの酸化インジウム膜(In膜)等がよい。他に、溶液成長法で形成した不純物ドープの酸化亜鉛膜(ZnO膜)等がよい。また、これらの透明導電層を種々の組合せで積層して用いてもよい。また透明導電層は、Ti層,ITO層,Ti層を順次積層したものでもよく、密着性と耐食性を高めた積層膜となる。 As the first conductive layer 3, a transparent conductive layer of metal oxide doped with fluorine or metal can be used. Among them, a fluorine-doped tin dioxide film (SnO 2 : F film) formed by a thermal CVD method has heat resistance and is particularly good. In addition, a tin-doped indium oxide film (ITO film) or an impurity-doped indium oxide film (In 2 O 3 film) formed by a low-temperature growth sputtering method or a low-temperature spray pyrolysis method is preferable. In addition, an impurity-doped zinc oxide film (ZnO film) formed by a solution growth method is preferable. Further, these transparent conductive layers may be laminated and used in various combinations. Further, the transparent conductive layer may be a laminate of a Ti layer, an ITO layer, and a Ti layer sequentially, and becomes a laminated film with improved adhesion and corrosion resistance.

透明導電層の厚みは高い導電性と高い光透過性の点で0.001〜10μm、好ましくは0.05〜2.0μmがよい。0.001μm未満では、透明導電層の抵抗が増大し、10μmを超えると、透明導電層の光透過性が低下する。   The thickness of the transparent conductive layer is 0.001 to 10 μm, preferably 0.05 to 2.0 μm from the viewpoint of high conductivity and high light transmittance. When the thickness is less than 0.001 μm, the resistance of the transparent conductive layer increases. When the thickness exceeds 10 μm, the light transmittance of the transparent conductive layer decreases.

透明導電層の他の成膜法として、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ディップコート法、ゾルゲル法等がある。これらの成膜法によって、透明導電層の表面に入射光の波長オーダーの凹凸を形成するとよく、光閉じ込め効果を付与できる。   Other film forming methods for the transparent conductive layer include a vacuum deposition method, an ion plating method, a dip coating method, a sol-gel method, and the like. By these film forming methods, it is preferable to form irregularities in the order of the wavelength of incident light on the surface of the transparent conductive layer, and a light confinement effect can be imparted.

従って、第1の導電層3として、真空蒸着法やスパッタリング法等で形成した金,パラジウム,チタン,アルミニウム,ステンレススチール,銀,銅,ニッケル等から成る薄膜を、真空蒸着法やスパッタリング法で形成したものがよい。または電解質6による腐食防止のためにSnO:F層等の透明導電層(不純物ドープの金属酸化物層)等を金属から成る基板2上に形成したものがよい。 Therefore, as the first conductive layer 3, a thin film made of gold, palladium, titanium, aluminum, stainless steel, silver, copper, nickel, or the like formed by vacuum deposition or sputtering is formed by vacuum deposition or sputtering. What you did is good. Alternatively, a transparent conductive layer (impurity-doped metal oxide layer) such as a SnO 2 : F layer or the like may be formed on the substrate 2 made of metal to prevent corrosion by the electrolyte 6.

<多孔質の半導体層>
図1に示すように、基板2及び第1の導電層3上に多孔質の半導体層5を形成する。この多孔質の半導体層5の材料や組成としては、酸化チタン(TiO)が最適であり、他の材料としては、チタン(Ti),亜鉛(Zn),スズ(Sn),ニオブ(Nb),インジウム(In),イットリウム(Y),ランタン(La),ジルコニウム(Zr),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),ストロンチウム(Sr),バリウム(Ba),カルシウム(Ca),バナジウム(V),タングステン(W)等の金属元素の少なくとも1種以上の金属酸化物半導体がよく、また窒素(N),炭素(C),弗素(F),硫黄(S),塩素(Cl),リン(P)等の非金属元素の1種以上を含有していてもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい2〜5eVの範囲にあり、好ましい。また、多孔質の半導体層5は、電子エネルギー準位においてその伝導帯が増感色素4の伝導帯よりも低いn型半導体がよい。
<Porous semiconductor layer>
As shown in FIG. 1, a porous semiconductor layer 5 is formed on the substrate 2 and the first conductive layer 3. The material and composition of the porous semiconductor layer 5 is optimally titanium oxide (TiO 2 ), and other materials include titanium (Ti), zinc (Zn), tin (Sn), and niobium (Nb). , Indium (In), yttrium (Y), lanthanum (La), zirconium (Zr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), strontium (Sr), barium (Ba), calcium (Ca), vanadium (V) Metal oxide semiconductors of at least one metal element such as tungsten (W) are preferable, and nitrogen (N), carbon (C), fluorine (F), sulfur (S), chlorine (Cl), phosphorus ( One or more non-metallic elements such as P) may be contained. Titanium oxide or the like is preferable because it has an electron energy band gap in the range of 2 to 5 eV, which is larger than the energy of visible light. The porous semiconductor layer 5 is preferably an n-type semiconductor whose conduction band is lower than that of the sensitizing dye 4 in the electron energy level.

多孔質の半導体層5としては、二酸化チタン等からなるとともに内部に微細な空孔(空孔径が好ましくは10〜40nm程度のものであり、22nmのときに変換効率がピークを示す)を多数有する多孔質のn型酸化物半導体層等であるのがよい。多孔質の半導体層5の空孔径が10nm未満の場合、増感色素4の浸透及び吸着が阻害され、十分な増感色素4の吸着量が得られず、また、電解質6の拡散が妨げられるために拡散抵抗が増大することから、変換効率が低下することとなる。40nmを超えると、多孔質の半導体層5の比表面積が減少するため、増感色素4の吸着量を確保するためには厚みを厚くしなければならなくなり、厚みを厚くしすぎると光が透過しにくくなり、増感色素4が光を吸収できないこと、また、多孔質の半導体層5に注入された電荷の移動距離が長くなるため電荷の再結合によるロスが大きくなること、さらに、電解質6の拡散距離も増大するため拡散抵抗が増大することから、やはり変換効率が低下することとなる。   The porous semiconductor layer 5 is made of titanium dioxide or the like, and has a large number of fine pores (having a pore diameter of preferably about 10 to 40 nm, with a peak conversion efficiency at 22 nm). It may be a porous n-type oxide semiconductor layer or the like. When the pore diameter of the porous semiconductor layer 5 is less than 10 nm, the penetration and adsorption of the sensitizing dye 4 are inhibited, and a sufficient amount of adsorption of the sensitizing dye 4 cannot be obtained, and the diffusion of the electrolyte 6 is hindered. Therefore, the diffusion resistance increases, so that the conversion efficiency is lowered. If the thickness exceeds 40 nm, the specific surface area of the porous semiconductor layer 5 decreases, so that the amount of adsorption of the sensitizing dye 4 must be increased, and if the thickness is increased too much, light is transmitted. The sensitizing dye 4 cannot absorb light, and the movement distance of the charge injected into the porous semiconductor layer 5 is increased, resulting in an increase in loss due to charge recombination, and the electrolyte 6 Since the diffusion distance also increases and the diffusion resistance increases, the conversion efficiency also decreases.

多孔質の半導体層5は、粒状体、または針状体,チューブ状体,柱状体等の線状体、またはこれら種々の線状体が集合してなるものであって、多孔質体であることにより、増感色素4を吸着する表面積が増え、変換効率を高めることができる。多孔質の半導体層5は、空孔率が20〜80%、より好適には40〜60%である多孔質体であるのがよい。多孔質化により光作用極層としての表面積を1000倍以上に高めることができ、光吸収と光電変換と電子伝導を効率よく行うことができる。   The porous semiconductor layer 5 is a porous body that is a granular body, or a linear body such as a needle-like body, a tubular body, or a columnar body, or a collection of these various linear bodies. Thereby, the surface area which adsorb | sucks the sensitizing dye 4 increases, and conversion efficiency can be improved. The porous semiconductor layer 5 is preferably a porous body having a porosity of 20 to 80%, more preferably 40 to 60%. The surface area as the light working electrode layer can be increased 1000 times or more by making it porous, and light absorption, photoelectric conversion, and electronic conduction can be performed efficiently.

なお、多孔質の半導体層5の空孔率は、ガス吸着測定装置を用いて窒素ガス吸着法によって試料の等温吸着曲線を求め、BJH(Barrett-Joyner-Halenda)法,CI(Chemical Ionization)法,DH(Dollimore-Heal)法等によって空孔容積を求め、これと試料の粒子密度から得ることができる。   The porosity of the porous semiconductor layer 5 is obtained by obtaining an isothermal adsorption curve of the sample by a nitrogen gas adsorption method using a gas adsorption measuring device, and using a BJH (Barrett-Joyner-Halenda) method or a CI (Chemical Ionization) method. , DH (Dollimore-Heal) method or the like can be used to determine the pore volume and obtain it from the particle density of the sample.

多孔質の半導体層5の形状は、その表面積が大きくなりかつ電気抵抗が小さい形状がよく、例えば微細粒子もしくは微細線状体からなるのがよい。その平均粒径もしくは平均線径は5〜500nmであるのがよく、より好適には10〜200nmがよい。ここで、平均粒径もしくは平均線径の5〜500nmにおける下限値は、これ未満になると材料の微細化ができず、上限値は、これを超えると接合面積が小さくなり光電流が著しく小さくなることによる。   The shape of the porous semiconductor layer 5 is preferably a shape having a large surface area and a small electric resistance, and is preferably composed of fine particles or fine linear bodies, for example. The average particle diameter or average wire diameter is preferably 5 to 500 nm, and more preferably 10 to 200 nm. Here, if the lower limit of the average particle diameter or the average wire diameter of 5 to 500 nm is less than this, the material cannot be miniaturized, and if the upper limit exceeds this, the junction area is reduced and the photocurrent is significantly reduced. It depends.

また、多孔質の半導体層5を多孔質体とすることにより、これに増感色素4を吸着させて成る色素増感型光電変換体としての表面が凹凸状となり、光閉じ込め効果をもたらして、変換効率をより高めることができる。   Moreover, by making the porous semiconductor layer 5 into a porous body, the surface of the dye-sensitized photoelectric conversion body formed by adsorbing the sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5 becomes uneven, resulting in a light confinement effect, The conversion efficiency can be further increased.

また、多孔質の半導体層5の厚みは0.1〜50μmがよく、より好適には1〜20μmがよい。ここで、0.1〜50μmにおける下限値は、これより厚みが小さくなると光電変換作用が著しく小さくなって実用に適さず、上限値は、これを超えて厚みが厚くなると光が透過しなくなって光が入射しなくなることによる。   The thickness of the porous semiconductor layer 5 is preferably 0.1 to 50 μm, more preferably 1 to 20 μm. Here, the lower limit value at 0.1 to 50 μm is not suitable for practical use when the thickness is smaller than this, and the upper limit value is not suitable for practical use. This is because light is not incident.

多孔質の半導体層5が酸化チタンからなる場合、以下のようにして形成される。まず、TiOのアナターゼ粉末にアセチルアセトンを添加した後、脱イオン水とともに混練し、界面活性剤で安定化させた酸化チタンのペーストを作製する。作製したペーストをドクターブレード法やバーコート法等で基板2上の第1の導電層3上に一定速度で塗布し、大気中で300〜600℃、好適には400〜500℃で、10〜60分、好適には20〜40分加熱処理することにより、多孔質の半導体層5を形成する。この手法は簡便であり、好ましい。 When the porous semiconductor layer 5 is made of titanium oxide, it is formed as follows. First, acetylacetone is added to TiO 2 anatase powder, and then kneaded with deionized water to prepare a titanium oxide paste stabilized with a surfactant. The prepared paste is applied at a constant speed onto the first conductive layer 3 on the substrate 2 by a doctor blade method, a bar coating method, or the like, and is 300 to 600 ° C. in air, preferably 400 to 500 ° C. The porous semiconductor layer 5 is formed by heat treatment for 60 minutes, preferably 20 to 40 minutes. This method is simple and preferable.

多孔質の半導体層5の低温成長法としては、電析法、泳動電着法、水熱合成法等がよく、電子輸送特性を良くするための後処理としては、マイクロ波処理、CVD法によるプラズマ処理や熱触媒処理等、UV照射処理等がよい。低温成長法による多孔質の半導体層5としては、電析法による多孔質ZnO層、泳動電着法による多孔質TiO層等からなるものがよい。 As a low temperature growth method of the porous semiconductor layer 5, an electrodeposition method, an electrophoretic electrodeposition method, a hydrothermal synthesis method or the like is preferable. As a post-treatment for improving electron transport properties, a microwave treatment or a CVD method is used. A UV treatment such as plasma treatment or thermal catalyst treatment is preferable. The porous semiconductor layer 5 formed by the low temperature growth method is preferably composed of a porous ZnO layer formed by the electrodeposition method, a porous TiO 2 layer formed by the electrophoretic electrodeposition method, and the like.

また、多孔質の半導体層5の多孔質体の表面に、TiCl処理、即ちTiCl溶液に10時間浸漬し、水洗し、450℃で30分間焼成する処理を施すとよく、電子電導性がよくなって変換効率が高まる。 Further, the surface of the porous body of the porous semiconductor layer 5 may be treated with TiCl 4 treatment, that is, immersed in a TiCl 4 solution for 10 hours, washed with water, and fired at 450 ° C. for 30 minutes. The conversion efficiency is improved.

また、多孔質の半導体層5と基板2との間に、n型酸化物半導体の極薄の緻密層を挿入するとよく、逆電流が抑制できるので変換効率が高まる。   In addition, an ultrathin dense layer of an n-type oxide semiconductor may be inserted between the porous semiconductor layer 5 and the substrate 2, and the reverse current can be suppressed, so that the conversion efficiency is increased.

また、多孔質の半導体層5は、酸化物半導体微粒子の焼結体から成るとともに、酸化物半導体微粒子の平均粒径が基板2側より厚み方向に漸次大きくなっていることが好ましく、例えば多孔質の半導体層5が酸化物半導体微粒子の平均粒径が異なる2層の積層体からなるものとするのがよい。具体的には、基板2側に平均粒径が小さい酸化物半導体微粒子を用い、第2の導電層7側に平均粒径が大きい酸化物半導体微粒子(散乱粒子)を用いることで、平均粒径が大きい第2の導電層7側の多孔質の半導体層5によって光散乱と光反射による光閉じ込め効果が生じ、変換効率を高めることができる。   The porous semiconductor layer 5 is preferably composed of a sintered body of oxide semiconductor fine particles, and the average particle diameter of the oxide semiconductor fine particles is preferably gradually increased in the thickness direction from the substrate 2 side. The semiconductor layer 5 is preferably composed of a two-layer laminate in which the average particle diameter of the oxide semiconductor fine particles is different. Specifically, the oxide semiconductor fine particles having a small average particle diameter are used on the substrate 2 side, and the oxide semiconductor fine particles (scattering particles) having a large average particle diameter are used on the second conductive layer 7 side. The porous semiconductor layer 5 on the side of the second conductive layer 7 having a large thickness produces a light confinement effect due to light scattering and light reflection, so that the conversion efficiency can be increased.

より具体的には、平均粒径が小さい酸化物半導体微粒子として、平均粒径が約20nmのものを100wt%(重量%)使用し、平均粒径が大きい酸化物半導体微粒子として、平均粒径が約20nmのものを70wt%及び平均粒径が約180nmのものを30wt%混合して使用すればよい。これらの重量比、平均粒径、それぞれの膜厚を変えることで、最適な光閉じ込め効果が得られる。また、積層数を2層から複数層に増やしたり、これらの境界が生じないように塗布形成したりすることにより、平均粒径を基板2側から厚み方向に漸次大きくなるように形成することができる。   More specifically, as oxide semiconductor fine particles having a small average particle diameter, 100 wt% (wt%) having an average particle diameter of about 20 nm is used, and as the oxide semiconductor fine particles having a large average particle diameter, the average particle diameter is What is necessary is just to use 70 wt% of about 20 nm and 30 wt% of those having an average particle diameter of about 180 nm. By changing these weight ratios, average particle diameters, and respective film thicknesses, an optimum light confinement effect can be obtained. Further, by increasing the number of stacked layers from two layers to a plurality of layers, or by applying and forming so that these boundaries do not occur, the average particle diameter can be gradually increased from the substrate 2 side in the thickness direction. it can.

<第2の導電層>
対極側基板9上に第2の導電層7が形成されている。対極側基板9としては、非透光性でも透光性でも構わない。対極側基板9は絶縁体であるのがよく、その場合電解質6による腐食に対する耐久性やガラス封止層10との接合性に優れた材料を自由に選ぶことができるため、光電変換モジュール1の信頼性が高まってよい。
<Second conductive layer>
A second conductive layer 7 is formed on the counter electrode side substrate 9. The counter electrode side substrate 9 may be non-translucent or translucent. The counter electrode side substrate 9 is preferably an insulator, and in this case, a material excellent in durability against corrosion by the electrolyte 6 and bonding property with the glass sealing layer 10 can be freely selected. Reliability may be increased.

具体的には、対極側基板9の材料としては、白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス等のガラス、セラミックス等の無機材料、ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリカーボネート(PC),アクリル,ポリエチレンナフタレート(PEN),ポリイミド等の樹脂材料、有機無機ハイブリッド材料等がよい。また、対極側基板9の表裏で電気的接続を確保するために、対極側基板9の周囲にチタン,ステンレススチール,アルミニウム,銀,銅,ニッケル等からなる導電層を被覆するとよい。   Specifically, as the material of the counter electrode side substrate 9, glass such as white plate glass, soda glass, borosilicate glass, inorganic materials such as ceramics, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), acrylic, polyethylene naphthalate ( PEN), a resin material such as polyimide, and an organic-inorganic hybrid material are preferable. In order to secure electrical connection between the front and back surfaces of the counter electrode side substrate 9, a conductive layer made of titanium, stainless steel, aluminum, silver, copper, nickel, or the like may be coated around the counter electrode side substrate 9.

また、透光性の対極側基板9としては、少なくとも可視光の波長範囲において高い光透過性、例えば厚み0.7mmの白板ガラスの基板の場合、400〜1100nmの波長範囲で92%以上の光透過率であり、ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリカーボネート(PC)の基板の場合、可視光で約90%程度の光透過率であり、好適な光透過率としては少なくとも可視光の波長範囲で90%以上の光透過率を有する基板であれば利用できる。   Further, as the translucent counter electrode side substrate 9, at least in the wavelength range of visible light, for example, in the case of a white glass substrate having a thickness of 0.7 mm, light of 92% or more in a wavelength range of 400 to 1100 nm. In the case of a substrate of polyethylene terephthalate (PET) or polycarbonate (PC), the transmittance is about 90% for visible light, and the preferred light transmittance is 90% at least in the wavelength range of visible light. Any substrate having the above light transmittance can be used.

対極側基板9は光電変換モジュール1内に充分な量の電解質6を保持する目的で設置するため、その厚みは機械的強度及びコストの点で0.5〜50mm、好ましくは1〜20mmがよい。対極側基板9の厚みが0.5mm未満では機械的強度が確保できず、50mmを超えるとコストが増大する。また、対極側基板9が絶縁体の周囲に導電層を形成したものである場合、その導電層の厚みは0.001〜10μm、好ましくは0.05〜2.0μmがよい。   Since the counter electrode side substrate 9 is installed for the purpose of holding a sufficient amount of the electrolyte 6 in the photoelectric conversion module 1, the thickness thereof is 0.5 to 50 mm, preferably 1 to 20 mm in terms of mechanical strength and cost. . If the thickness of the counter electrode side substrate 9 is less than 0.5 mm, the mechanical strength cannot be secured, and if it exceeds 50 mm, the cost increases. Moreover, when the counter electrode side board | substrate 9 forms the conductive layer around the insulator, the thickness of the conductive layer is 0.001-10 micrometers, Preferably 0.05-2.0 micrometers is good.

第2の導電層7としては、電解質6との電荷の授受を容易にするという触媒機能を有する白金,カーボン等の極薄膜がよい。他に、金(Au),パラジウム(Pd),アルミニウム(Al)等の極薄膜を電析したものが挙げられる。また、これらの材料の微粒子等から成る多孔質膜、例えばカーボン微粒子の多孔質膜等が、第2の導電層7の表面積が増え、気孔部に電解質6の溶液を含有させることができ、変換効率を高めることができる。触媒層は薄くて済むので、透光性とすることもできる。   The second conductive layer 7 is preferably an extremely thin film of platinum, carbon or the like having a catalytic function of facilitating transfer of charges with the electrolyte 6. In addition, an electrodeposited ultrathin film such as gold (Au), palladium (Pd), and aluminum (Al) can be used. In addition, a porous film made of fine particles of these materials, for example, a porous film of carbon fine particles can increase the surface area of the second conductive layer 7 and can contain the electrolyte 6 solution in the pores. Efficiency can be increased. Since the catalyst layer can be thin, it can also be made translucent.

第2の導電層7は、Pt等から成る触媒層と対極側基板9との間に、触媒層の導電性を補完する導電膜を形成したものとしてもよい。この導電膜としては、非透光性、透光性のいずれの層も用途に応じて利用できる。非透光性の導電膜の材料としては、チタン,ステンレススチール,アルミニウム,銀,銅,金,ニッケル,モリブデン等がよい。また、カーボンや金属の微粒子や微細線を含浸させた樹脂、導電性樹脂等でもよい。光反射性の非透光性の導電膜の材料としては、アルミニウム,銀,銅,ニッケル,チタン,ステンレススチール等の光沢のある金属薄膜を単独で形成したもの、あるいは電解質6による腐食防止のために不純物ドープの金属酸化物から成る膜を光沢のある金属薄膜上に被覆したものがよい。また他の導電膜として、Ti層,Al層,Ti層を順次積層し、密着性や耐食性や光反射性を高めた多層積層体等からなるのがよい。これらの導電膜は、真空蒸着法,イオンプレーティング法,スパッタリング法,電解析出法等で形成できる。   The second conductive layer 7 may be formed by forming a conductive film that complements the conductivity of the catalyst layer between the catalyst layer made of Pt or the like and the counter electrode side substrate 9. As the conductive film, either a non-light-transmitting layer or a light-transmitting layer can be used depending on the application. As a material for the non-light-transmitting conductive film, titanium, stainless steel, aluminum, silver, copper, gold, nickel, molybdenum, or the like is preferable. Further, a resin or conductive resin impregnated with fine particles or fine wires of carbon or metal may be used. As a material for the light-reflective and non-light-transmitting conductive film, a thin metallic thin film such as aluminum, silver, copper, nickel, titanium, stainless steel or the like, or for preventing corrosion by the electrolyte 6 Further, a film made of a metal oxide doped with impurities is preferably coated on a glossy metal thin film. In addition, as another conductive film, a Ti layer, an Al layer, and a Ti layer are sequentially laminated, and it is preferable that the conductive film is formed of a multilayer laminated body having improved adhesion, corrosion resistance, and light reflectivity. These conductive films can be formed by vacuum deposition, ion plating, sputtering, electrolytic deposition, or the like.

透光性の導電膜としては、低温膜成長法のスパッタリング法や低温スプレー熱分解法で形成した、スズドープ酸化インジウム膜(ITO膜),不純物ドープの酸化インジウム膜(In膜),不純物ドープの酸化スズ膜(SnO膜),不純物ドープの酸化亜鉛膜(ZnO膜)等がよい。また、熱CVD法で形成したフッ素ドープの二酸化スズ膜(SnO:F膜)等は低コストでよい。また、Ti層,ITO層,Ti層を順次積層した密着性を高めた積層体でもよい。他には、簡便な溶液成長法で形成した不純物ドープの酸化亜鉛膜(ZnO膜)等でもよい。 As the translucent conductive film, a tin-doped indium oxide film (ITO film), an impurity-doped indium oxide film (In 2 O 3 film), an impurity formed by a sputtering method of a low-temperature film growth method or a low-temperature spray pyrolysis method A doped tin oxide film (SnO 2 film), an impurity-doped zinc oxide film (ZnO film), or the like is preferable. Further, a fluorine-doped tin dioxide film (SnO 2 : F film) or the like formed by a thermal CVD method may be inexpensive. Moreover, the laminated body which improved the adhesiveness which laminated | stacked Ti layer, ITO layer, Ti layer one by one may be sufficient. In addition, an impurity-doped zinc oxide film (ZnO film) formed by a simple solution growth method may be used.

これらの膜の他の成膜法として、真空蒸着法,イオンプレーティング法,ディップコート法,ゾルゲル法等がある。これらの成膜法によって入射光の波長オーダーの表面凹凸を導電膜に形成すると光閉じ込め効果を付与できる。また、真空蒸着法やスパッタリング法等で形成した透光性を有するAu,Pd,Al等の薄い金属膜でもよい。透光性の導電膜の厚みは、高い導電性と高い光透過性の点で0.001〜10μmがよく、より好ましくは0.05〜2.0μmがよい。0.001μm未満では、導電膜の抵抗が増大し、10μmを超えると、導電膜の光透過性が低下する。   As other film forming methods of these films, there are a vacuum deposition method, an ion plating method, a dip coating method, a sol-gel method and the like. By forming surface irregularities in the wavelength order of incident light on the conductive film by these film forming methods, a light confinement effect can be imparted. Further, a thin metal film such as light-transmitting Au, Pd, or Al formed by vacuum vapor deposition or sputtering may be used. The thickness of the light-transmitting conductive film is preferably 0.001 to 10 μm, more preferably 0.05 to 2.0 μm in terms of high conductivity and high light transmittance. When the thickness is less than 0.001 μm, the resistance of the conductive film increases. When the thickness exceeds 10 μm, the light transmittance of the conductive film decreases.

ここで、第2の導電層7及び対極側基板9が透光性を有する場合、光電変換モジュール1の主面のどちらの面からでも光を入射させることができるので、両主面側から光を入射させて変換効率を高めることができる。   Here, in the case where the second conductive layer 7 and the counter electrode side substrate 9 have translucency, light can be incident from either side of the main surface of the photoelectric conversion module 1, so that light can be incident from both main surface sides. Can increase the conversion efficiency.

<ガラス封止層>
図1において、ガラス封止層10は、電解質6の溶液が外部に漏れるのを防ぐ、機械的強度を補強する、積層体を保護するとともに外部環境と直接接して光電変換機能が劣化するのを防ぐ、という目的で設ける。
<Glass sealing layer>
In FIG. 1, the glass sealing layer 10 prevents the electrolyte 6 solution from leaking to the outside, reinforces the mechanical strength, protects the laminate, and directly deteriorates the photoelectric conversion function in contact with the external environment. Provide for the purpose of preventing.

ガラス封止層10の材料としては、ガラス(Bi,ZnO,B,SiO,MgO等を含む),あるいはカーボンを混入したガラスフリット等が封止性及び耐候性に優れ特によい。カーボンは、カーボン粒子としてガラス封止層10に混入させればよく、その含有量は0.1〜20重量%がよい。0.1重量%未満では、レーザ光の吸収が少なくなり、20重量%を超えると、形成された膜が導電性を呈することとなる。カーボン粒子の平均粒径は0.01〜20μmがよい。0.01μm未満では、高温時に粒子表面が酸化されることとなり、20μmを超えると、チキソ性が高くなりスクリーン印刷が困難となる。 As the material of the glass sealing layer 10, glass (including Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 , SiO 2 , MgO, etc.) or glass frit mixed with carbon is excellent in sealing performance and weather resistance. Especially good. Carbon may be mixed into the glass sealing layer 10 as carbon particles, and the content thereof is preferably 0.1 to 20% by weight. If it is less than 0.1% by weight, the absorption of the laser beam is reduced, and if it exceeds 20% by weight, the formed film exhibits conductivity. The average particle size of the carbon particles is preferably 0.01 to 20 μm. If it is less than 0.01 μm, the particle surface is oxidized at a high temperature, and if it exceeds 20 μm, the thixotropy becomes high and screen printing becomes difficult.

焼成はレーザ光を用いることによって短時間で行うことができる。この他にも、赤外光を、レンズで焦点を絞ることによる加熱焼成も可能である。   Firing can be performed in a short time by using laser light. In addition to this, heating and firing can be performed by focusing infrared light with a lens.

ガラス封止層10の厚みは0.1μm〜6mm、好ましくは1μm〜4mmがよい。また、遮熱性、耐熱性、低汚染性、抗菌性、防かび性、意匠性、耐疵付き・耐摩耗性、帯電防止性、遠赤外線放射性、耐酸性、耐食性、環境対応性等をガラス封止層10に付与することにより、信頼性や商品性をより高めることができる。   The thickness of the glass sealing layer 10 is 0.1 μm to 6 mm, preferably 1 μm to 4 mm. In addition, it is sealed with heat-shielding, heat resistance, low contamination, antibacterial, antifungal, design, rust and abrasion resistance, antistatic, far infrared radiation, acid resistance, corrosion resistance, environmental friendliness, etc. By imparting to the stop layer 10, reliability and merchantability can be further enhanced.

<導電体>
図1において、導電体8は、第2の導電層7と第1の導電層3とを電気的に接続するために形成する。
<Conductor>
In FIG. 1, the conductor 8 is formed to electrically connect the second conductive layer 7 and the first conductive layer 3.

導電体8は、ガラス層12で覆われた、ガラスフリット(低融点ガラス)を含むものであり、好ましくは、導電体8は、アルミニウム,クロム,ニッケル,コバルト及びチタンの少なくとも1種の導電性粒子を含んでいる。これらの導電性粒子は、ヨウ素を含む電解質6による導電体8の腐食を低減する効果を有する。   The conductor 8 includes a glass frit (low melting point glass) covered with a glass layer 12, and preferably, the conductor 8 has at least one conductivity of aluminum, chromium, nickel, cobalt, and titanium. Contains particles. These conductive particles have an effect of reducing corrosion of the conductor 8 by the electrolyte 6 containing iodine.

例えば、導電体8は、低融点ガラスから成る層中に、アルミニウムやニッケル等の導電性粒子を70〜95重量%程度含有させたものである。この場合、導電性粒子の含有量が70重量%未満では、有機物の残渣が生じ易く、95重量%を超えると、印刷パターン形成が困難となる。また、導電性粒子の平均粒径は0.5〜15μmが好ましく、0.5μm未満では、導電率への寄与が小さくなり、15μmを超えると、望ましいパターン精度が得られ難くなる。   For example, the conductor 8 is one in which about 70 to 95% by weight of conductive particles such as aluminum and nickel are contained in a layer made of low-melting glass. In this case, when the content of the conductive particles is less than 70% by weight, an organic residue is likely to be generated, and when it exceeds 95% by weight, it becomes difficult to form a printed pattern. The average particle size of the conductive particles is preferably 0.5 to 15 μm. If the average particle size is less than 0.5 μm, the contribution to the conductivity is small, and if it exceeds 15 μm, it is difficult to obtain desirable pattern accuracy.

導電体8の厚みは20〜140μmがよく、20μm未満では、多孔質の半導体層5での散乱強度の低下が発生し易くなり、140μmを超えると、電解質6において電流損失が増大し易くなる。   The thickness of the conductor 8 is preferably 20 to 140 μm. If the thickness is less than 20 μm, the scattering intensity of the porous semiconductor layer 5 is likely to decrease. If the thickness exceeds 140 μm, current loss tends to increase in the electrolyte 6.

導電体8に含まれるガラスフリットは、ホウケイ酸鉛系ガラス,酸化チタン等を含んで成る。   The glass frit contained in the conductor 8 includes lead borosilicate glass, titanium oxide, or the like.

導電体8を覆うガラス層12は、Bi,ZnO,B,SiO,MgO等を含むガラスから成り、ガラス封止層10と同じガラス成分から成るものであってよい。その場合、ガラス層12は、ガラス封止層10が導電体8を覆うように延在するものであってよく、ガラス封止層10と同様にレーザ光の照射によって焼成することができる。 The glass layer 12 covering the conductor 8 is made of glass containing Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 , SiO 2 , MgO, or the like, and may be made of the same glass component as the glass sealing layer 10. In that case, the glass layer 12 may extend so that the glass sealing layer 10 covers the conductor 8, and can be baked by laser light irradiation in the same manner as the glass sealing layer 10.

導電体8を覆うガラス層12の厚みは100〜300μmがよく、100μm未満では、導電体8がパターン精度の不具合で電解質6に露出し易くなり、300μmを超えると、受光面積が小さくなる。   The thickness of the glass layer 12 covering the conductor 8 is preferably 100 to 300 μm. If the thickness is less than 100 μm, the conductor 8 is likely to be exposed to the electrolyte 6 due to a defect in pattern accuracy, and if it exceeds 300 μm, the light receiving area is reduced.

その他の導電体8としては、チタン,ステンレススチール,アルミニウム,銀,銅,金,ニッケル,モリブデン等の電解質6に対する耐腐食性を有する金属からなるもの、カーボン等の有機導電体からなるもの、またはプラスチックや二酸化珪素等の絶縁体の表面に電解質6に対する耐腐食性を有するチタン層,ステンレススチール層,金属酸化物層等を被覆したものがよい。   Other conductors 8 include those made of a metal having corrosion resistance to the electrolyte 6 such as titanium, stainless steel, aluminum, silver, copper, gold, nickel, molybdenum, those made of an organic conductor such as carbon, or It is preferable that the surface of an insulator such as plastic or silicon dioxide is coated with a titanium layer, a stainless steel layer, a metal oxide layer, or the like having corrosion resistance to the electrolyte 6.

<増感色素>
増感色素4としては、例えば、ルテニウム−トリス,ルテニウム−ビス,オスミウム−トリス,オスミウム−ビス型の遷移金属錯体、多核錯体、またはルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体、またはフタロシアニンやポルフィリン、多環芳香族化合物、ローダミンB等のキサンテン系色素であることが好ましい。
<Sensitizing dye>
Examples of the sensitizing dye 4 include ruthenium-tris, ruthenium-bis, osmium-tris, osmium-bis transition metal complexes, polynuclear complexes, ruthenium-cis-diaqua-bipyridyl complexes, phthalocyanines, porphyrins, polycycles, and the like. Xanthene dyes such as aromatic compounds and rhodamine B are preferred.

多孔質の半導体層5に増感色素4を吸着させるためには、増感色素4に少なくとも1個以上のカルボキシル基,スルホニル基,ヒドロキサム酸基,アルコキシ基,アリール基,ホスホリル基等を置換基として有することが有効である。ここで、置換基は増感色素4自体を多孔質の半導体層5に強固に化学吸着させることができ、励起状態の増感色素4から多孔質の半導体層5へ容易に電荷移動できるものであればよい。   In order to adsorb the sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5, the sensitizing dye 4 is substituted with at least one carboxyl group, sulfonyl group, hydroxamic acid group, alkoxy group, aryl group, phosphoryl group, etc. It is effective to have as. Here, the substituent is capable of firmly chemisorbing the sensitizing dye 4 itself to the porous semiconductor layer 5 and easily transferring charge from the excited sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5. I just need it.

多孔質の半導体層5に増感色素4を吸着させる方法としては、例えば基板2上に形成された多孔質の半導体層5を、増感色素4を溶解した溶液に浸漬する方法が挙げられる。   Examples of the method for adsorbing the sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5 include a method of immersing the porous semiconductor layer 5 formed on the substrate 2 in a solution in which the sensitizing dye 4 is dissolved.

多孔質の半導体層5に増感色素4を吸着させる際の増感色素4を溶解させる溶液の溶媒としては、エタノール等のアルコール類,アセトン等のケトン類,ジエチルエーテル等のエーテル類,アセトニトリル等の窒素化合物等を1種または2種以上混合したものが挙げられる。溶液中の増感色素4の濃度は5×10−5〜2×10−3mol/l(l(リットル):1000cm)程度が好ましい。 Solvents for dissolving the sensitizing dye 4 when adsorbing the sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5 include alcohols such as ethanol, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether, acetonitrile, and the like. Or a mixture of two or more of these nitrogen compounds. The concentration of the sensitizing dye 4 in the solution is preferably about 5 × 10 −5 to 2 × 10 −3 mol / l (l (liter): 1000 cm 3 ).

多孔質の半導体層5に増感色素4を吸着させる際、溶液及び雰囲気の温度の条件は特に限定するものではなく、例えば、大気圧下もしくは真空中、室温もしくは基板2加熱の条件が挙げられる。増感色素4の吸着にかける時間は増感色素4及び溶液の種類、溶液の濃度、増感色素4の溶液の循環量等により適宜調整することができる。これにより、増感色素4を多孔質の半導体層5に吸着させることができる。   When adsorbing the sensitizing dye 4 to the porous semiconductor layer 5, the conditions of the temperature of the solution and the atmosphere are not particularly limited, and examples thereof include conditions of room temperature or heating of the substrate 2 under atmospheric pressure or in vacuum. . The time required for adsorption of the sensitizing dye 4 can be appropriately adjusted depending on the kind of the sensitizing dye 4 and the solution, the concentration of the solution, the circulation amount of the solution of the sensitizing dye 4 and the like. Thereby, the sensitizing dye 4 can be adsorbed to the porous semiconductor layer 5.

<電解質>
電解質6としては、第4級アンモニウム塩やLi塩等を用いる。電解質6溶液の組成としては、例えば炭酸エチレン,アセトニトリルまたはメトキシプロピオニトリル等に、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム,ヨウ化リチウム,ヨウ素等を混合し調製したものを用いることができる。
<Electrolyte>
As the electrolyte 6, a quaternary ammonium salt, a Li salt, or the like is used. As the composition of the electrolyte 6 solution, for example, a solution prepared by mixing tetrapropylammonium iodide, lithium iodide, iodine or the like with ethylene carbonate, acetonitrile, methoxypropionitrile, or the like can be used.

本発明において、電解質6は、液状のものでよいが、液相体からゲル体に相変化する化学ゲルからなるものであってもよい。化学ゲルの液相体からゲル体への相変化は、加熱によって行うことができる。   In the present invention, the electrolyte 6 may be in a liquid form, but may be composed of a chemical gel that undergoes a phase change from a liquid phase body to a gel body. The phase change from the liquid phase body of the chemical gel to the gel body can be performed by heating.

また、本発明の光電変換モジュール1は、第1の導電層3、増感色素4を吸着した多孔質の半導体層5、電解質6及び第2の導電層7から構成される光電変換素子を厚み方向に1素子分設けたものに限らず、厚み方向に複数素子分積層した構成としてもよい。   Further, the photoelectric conversion module 1 of the present invention has a thickness of a photoelectric conversion element composed of the first conductive layer 3, the porous semiconductor layer 5 adsorbing the sensitizing dye 4, the electrolyte 6, and the second conductive layer 7. The configuration is not limited to one provided in the direction, and a configuration in which a plurality of elements are stacked in the thickness direction may be employed.

また、本発明の光電変換モジュール1の用途は太陽電池に限定されるものではなく、光電変換機能を有するものであれば適用でき、各種受光素子や光センサ等にも適用可能である。   Moreover, the use of the photoelectric conversion module 1 of the present invention is not limited to the solar battery, but can be applied as long as it has a photoelectric conversion function, and can be applied to various light receiving elements, optical sensors, and the like.

本発明の光電変換モジュールの実施例について、以下に説明する。   Examples of the photoelectric conversion module of the present invention will be described below.

まず、基板2として、その一主面に第1の導電層3としてのシート抵抗が5Ω/□(スクエア)のフッ素ドープ酸化スズから成る厚み1μmの第1の導電層3が形成されたガラス基板(縦5cm×横5cm×厚み2mm)を用いた。   First, as a substrate 2, a glass substrate in which a first conductive layer 3 having a thickness of 1 μm made of fluorine-doped tin oxide having a sheet resistance of 5Ω / □ (square) as a first conductive layer 3 is formed on one main surface. (Length 5 cm × width 5 cm × thickness 2 mm) was used.

次に、第1の導電層3上にレジストを塗布してエッチングすることにより、短冊状の第1の導電層3の領域が4個並ぶようにパターニングした。4個の短冊状の領域は、外部電極を兼ねる一端のものが縦4cm×横1.5cmの大きさであり、他の3個が縦4cm×横1cmの大きさである。また、領域間の間隔は0.5mmとした。これにより、直列接続された4個の光電変換素子が平面内において配列されるようにした。   Next, by applying a resist on the first conductive layer 3 and etching, patterning was performed so that four regions of the strip-shaped first conductive layer 3 were arranged. Of the four strip-shaped regions, one end also serving as an external electrode has a size of 4 cm in length × 1.5 cm in width, and the other three have a size of 4 cm in length × 1 cm in width. The interval between the regions was 0.5 mm. Thereby, four photoelectric conversion elements connected in series were arranged in a plane.

次に、第1の導電層3の各領域上に二酸化チタンから成る多孔質の半導体層5を形成した。この多孔質の半導体層5は以下のようにして形成した。まず、TiOのアナターゼ粉末(平均粒径20nm)にアセチルアセトンを添加した後、脱イオン水とともに混練し、界面活性剤で安定化させた酸化チタンのペーストを作製した。作製したペーストをドクターブレード法で第1の導電層3の各領域上に一定速度で塗布し、大気中450℃で30分間焼成した。 Next, a porous semiconductor layer 5 made of titanium dioxide was formed on each region of the first conductive layer 3. This porous semiconductor layer 5 was formed as follows. First, acetylacetone was added to a TiO 2 anatase powder (average particle size 20 nm), and then kneaded with deionized water to prepare a titanium oxide paste stabilized with a surfactant. The prepared paste was applied onto each region of the first conductive layer 3 at a constant speed by a doctor blade method, and baked at 450 ° C. for 30 minutes in the atmosphere.

次に、対極側基板9としてガラス基板(縦5cm×横5cm×厚み2mm)を用い、その一主面に、スパッタリング装置及びPtターゲットを用いて、対極層である第2の導電層7としての白金層を、シート抵抗が0.6Ω/□となるように厚み約200nmで形成した。このとき、メタルマスクを用いて第2の導電層7を形成することにより、第1の導電層3と同様にして、4個の短冊状の領域を形成した。   Next, a glass substrate (length 5 cm × width 5 cm × thickness 2 mm) is used as the counter electrode-side substrate 9, and a sputtering apparatus and a Pt target are used on one main surface thereof as the second conductive layer 7 as a counter electrode layer. The platinum layer was formed with a thickness of about 200 nm so that the sheet resistance was 0.6 Ω / □. At this time, by forming the second conductive layer 7 using a metal mask, four strip-shaped regions were formed in the same manner as the first conductive layer 3.

次に、導体層8を形成するためのペーストとして、モリブデン粒子を主成分とし、ガラスフリット(成分:ホウケイ酸ガラス,酸化チタン等)、エポキシ樹脂バインダー及び酢酸ブチル溶媒を混合した導電性ペーストを用い、第1の導電層3と第2の導電層7を接続するために、対極側基板9の一主面上における第2の導電層7の領域間の各隙間に、導体層8となる厚み50μmの導電性ペースト層を形成した。   Next, as a paste for forming the conductor layer 8, a conductive paste containing molybdenum particles as a main component and mixed with glass frit (components: borosilicate glass, titanium oxide, etc.), an epoxy resin binder, and a butyl acetate solvent is used. In order to connect the first conductive layer 3 and the second conductive layer 7, the thickness that becomes the conductor layer 8 in each gap between the regions of the second conductive layer 7 on one main surface of the counter electrode side substrate 9. A 50 μm conductive paste layer was formed.

なお、導電性ペーストにおいて、モリブデン粒子の含有量は90重量%、ガラスフリットの含有量は3重量%、エポキシ樹脂バインダーの含有量は3重量%、酢酸ブチル溶媒の含有量は4重量%であった。また、モリブデン粒子の平均粒径は6μmとした。   In the conductive paste, the molybdenum particle content was 90% by weight, the glass frit content was 3% by weight, the epoxy resin binder content was 3% by weight, and the butyl acetate solvent content was 4% by weight. It was. The average particle diameter of the molybdenum particles was 6 μm.

次に、ガラス成分としてBi,ZnO,B,SiO及びMgOを含み、さらにカーボン粒子、エポキシ樹脂バインダー、酢酸ブチル溶媒から成るガラス封止層10となるガラスペーストを、ディスペンサーにより対極側基板9の周縁部に塗布するとともに導体層8の露出した表面を覆うように塗布した。ガラスペーストにおいて、ガラス成分の含有量は86重量%、カーボン粒子の含有量は7重量%、エポキシ樹脂バインダーの含有量は3重量%、酢酸ブチル溶媒の含有量は4重量%であった。また、カーボン粒子の平均粒径は4μmとした。 Next, a glass paste that contains Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 , SiO 2 and MgO as glass components and further becomes a glass sealing layer 10 made of carbon particles, an epoxy resin binder, and a butyl acetate solvent is dispensed. The coating was applied to the peripheral edge of the counter electrode side substrate 9 while covering the exposed surface of the conductor layer 8. In the glass paste, the glass component content was 86% by weight, the carbon particle content was 7% by weight, the epoxy resin binder content was 3% by weight, and the butyl acetate solvent content was 4% by weight. The average particle size of the carbon particles was 4 μm.

また、このとき、ガラス封止層10の一部に貫通孔11を形成するために、光電変換素子ごとに、塗布したガラスペースト層の2か所にディスペンサー法によって、開口が約50μm×500μmの四角形の貫通孔を形成した。   At this time, in order to form the through-hole 11 in a part of the glass sealing layer 10, the opening is about 50 μm × 500 μm by the dispenser method at two places of the applied glass paste layer for each photoelectric conversion element. A square through hole was formed.

多孔質の半導体層5と第2の導電層7とが対向するように基板2と対極側基板9を対向させて配置し、炭酸ガスレーザ光を導電性ペースト層及びガラスペースト層に照射して、導体層8の焼成とともにガラス封止層10による封止を行った。   Arrange the substrate 2 and the counter electrode side substrate 9 so that the porous semiconductor layer 5 and the second conductive layer 7 face each other, and irradiate the conductive paste layer and the glass paste layer with a carbon dioxide laser beam, The conductive layer 8 was fired and sealed with the glass sealing layer 10.

次に、チュービングポンプを用いて貫通孔11を通して増感色素4溶液を光電変換モジュール1内に注入し、室温で毎分5mlの流量で増感色素4溶液を光電変換モジュール1内を5時間循環させ、多孔質の半導体層5に増感色素を吸着させた。増感色素4溶液(増感色素4の含有量が0.3mモル/l)は、増感色素(ソラロニクス・エスエー社製「N719」)を溶媒のアセトニトリルとt−ブタノール(容積比で1:1)に溶解したものを用いた。   Next, the sensitizing dye 4 solution is injected into the photoelectric conversion module 1 through the through hole 11 using a tubing pump, and the sensitizing dye 4 solution is circulated in the photoelectric conversion module 1 for 5 hours at a flow rate of 5 ml per minute at room temperature. The sensitizing dye was adsorbed on the porous semiconductor layer 5. The sensitizing dye 4 solution (the content of the sensitizing dye 4 is 0.3 mmol / l) is obtained by using a sensitizing dye ("N719" manufactured by Solaronics SA) as a solvent and acetonitrile and t-butanol (volume ratio 1: What was dissolved in 1) was used.

次に、貫通孔11を通して電解質6の溶液を多孔質の半導体層5に浸透させた。本実施例では、電解質6として、液体電解質である沃素(I)と沃化リチウム(LiI)とアセトニトリル溶液とを調製して用いた。 Next, the solution of the electrolyte 6 was permeated into the porous semiconductor layer 5 through the through hole 11. In this example, iodine (I 2 ), lithium iodide (LiI), and an acetonitrile solution, which are liquid electrolytes, were prepared and used as the electrolyte 6.

次に、オレフィン系樹脂から成るシートを貫通孔11を外部から塞ぐように被せ、加熱して貫通孔封止部を形成した。   Next, the sheet | seat which consists of olefin resin was covered so that the through-hole 11 might be plugged from the outside, and it heated and formed the through-hole sealing part.

こうして得られた光電変換モジュール1の光電変換特性を評価したところ、AM1.5、100mW/cmで変換効率5.2%を示した。この光電変換モジュール1を暗中85℃の環境下で高温放置試験を行ったところ、100時間経過後も試験前の7割を超える光電変換効率を維持した。 When the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion module 1 obtained in this way were evaluated, the conversion efficiency was 5.2% at AM 1.5 and 100 mW / cm 2 . When this photoelectric conversion module 1 was subjected to a high temperature standing test in the dark at 85 ° C., the photoelectric conversion efficiency exceeding 70% before the test was maintained even after 100 hours had elapsed.

以上のように、本実施例の光電変換モジュール1は、高い変換効率が得られ、さらに高い耐久性を示すことを確認できた。   As described above, it was confirmed that the photoelectric conversion module 1 of the present example has high conversion efficiency and exhibits higher durability.

本発明の光電変換モジュールについて実施の形態の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of embodiment about the photoelectric conversion module of this invention. 本発明の光電変換モジュールについて実施の形態の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of embodiment about the photoelectric conversion module of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:光電変換モジュール
2:基板
3:第1の導電層
4:増感色素
5:多孔質の半導体層
6:電解質
7:第2の導電層
8:導電体
9:対極側基板
10:ガラス封止層
11:貫通孔
12:ガラス層
1: Photoelectric conversion module 2: Substrate 3: First conductive layer 4: Sensitizing dye 5: Porous semiconductor layer
6: Electrolyte 7: Second conductive layer 8: Conductor 9: Counter electrode substrate 10: Glass sealing layer 11: Through hole 12: Glass layer

Claims (2)

増感色素を担持した多孔質の半導体層が形成された一方の極としての第1の導電層と、前記多孔質の半導体層に対向して配置された対極としての第2の導電層との間に、電解質を配置して光電変換素子を形成し、前記光電変換素子を複数個配列して光電変換モジュールを製造する光電変換モジュールの製造方法であって、前記光電変換素子の前記第1の導電層と隣接する前記光電変換素子の前記第2の導電層とを電気的に接続するためのガラスフリットを含む導電性ペーストを、前記第1及び第2の導電層の少なくとも一方に塗布し、次に前記導電性ペーストの周囲にガラスペーストを塗布し、次に前記導電性ペースト及び前記ガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによって、導電体及びガラス層を形成することを特徴とする光電変換モジュールの製造方法。A first conductive layer as one electrode on which a porous semiconductor layer carrying a sensitizing dye is formed, and a second conductive layer as a counter electrode arranged opposite to the porous semiconductor layer A method of manufacturing a photoelectric conversion module, wherein an electrolyte is disposed to form a photoelectric conversion element, and a plurality of the photoelectric conversion elements are arranged to manufacture a photoelectric conversion module, wherein the first of the photoelectric conversion elements Applying a conductive paste containing glass frit for electrically connecting the conductive layer and the second conductive layer of the photoelectric conversion element adjacent to the conductive layer to at least one of the first and second conductive layers; Next, a glass paste is applied around the conductive paste, and then the conductive paste and the glass paste are irradiated with laser light and fired to form a conductor and a glass layer. light Method of manufacturing a conversion module. 前記光電変換素子を形成した後に、前記光電変換素子の周囲にガラスペーストを塗布し、次に前記ガラスペーストにレーザ光を照射して焼成することによってガラス封止層を形成することを特徴とする請求項1記載の光電変換モジュールの製造方法。After forming the photoelectric conversion element, a glass paste is applied around the photoelectric conversion element, and then a glass sealing layer is formed by irradiating the glass paste with laser light and baking. The manufacturing method of the photoelectric conversion module of Claim 1.
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