CN101154692A

CN101154692A - 光电转换元件及其制造方法

Info

Publication number: CN101154692A
Application number: CNA2007101629148A
Authority: CN
Inventors: 新海正博; 田边顺志; 土屋匡广; 筱原秀则; 门田敦志
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: US20080078438A1; EP1906416A2; JP2008084762A; EP1906416A3; CN101154692B

Abstract

本发明提供一种可以容易地获得包含多个端面入射型的光电转换单元电池的光电转换元件。在折叠形状的金属片11的折叠面(ZX折叠面)上配置多个色素增感型的单元电池2A～2D。在这些单元电池2A～2D中，将从各单元电池的叠层结构的端面入射的光L1进行光电转换。与单纯地排列多个端面入射型的单元电池的情况相比，太阳能电池的制造工序简单化。

Description

光电转换元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及利用色素而构成的光电转换元件及其制造方法。

背景技术

以往，作为将太阳光等的光能转换成电能的太阳能电池，已知使用色素作为光增感剂的色素增感型太阳能电池。该色素增感型太阳能电池与一般普及的使用了硅半导体的太阳能电池相比，可以削减制造成本，不需要大型的设备，因此作为新型的太阳能电池受到瞩目，并正在进行面向实用化的开发(例如，专利文献1～4)。

一般来说，色素增感型太阳能电池是利用色素吸收光并放出电子的性质进行发电的电池，其特征是，具有夹着电解液的电化学单元电池结构。具体地，例如，如图7所示，具有如下结构：在透明电极101上烘烤二氧化钛(TiO₂)等氧化物而制成多孔结构，使色素吸附，并在其(氧化物层102)上通过电解液103贴合作为对电极的透明电极104。在这样的结构中，如果吸收了光L101的色素放出电子，则该电子从氧化物中被注入，并在透明电极101、104间移动，另一方面，在电解液103中反复进行氧化还原反应。由此，成为稳定地进行光电转换的结构。

但是，如图7所示，以往的色素增感型太阳能电池中，光沿着叠层方向入射(平面入射)。此时，为了得到大的电功率，必须使电池增大，需要大的设置面积。

因此，例如在专利文献5中，如图8所示，提出了光(光L201)从透明电极201、204、氧化物层202以及电解液203的端面入射(端面入射)的色素增感型的太阳能电池。

[专利文献1]特开平1-220380号公报

[专利文献2]特开平5-504023号公报

[专利文献3]特表2002-512729号公报

[专利文献4]特开2003-308891号公报

[专利文献5]特开2005-93406号公报

发明内容

按照上述专利文献5，如果沿着光的入射方向使电池增大，即使在狭小的设置面积也可以得到大的电功率。但是，如果要在面内设置多个这样的端面入射型的单元电池，则存在导致制造工序复杂化的问题。由此，由于电极的引出结构复杂化，有必要加大用于引出结构的设置面积，因此存在不能充分增大单位面积的发电量的问题。

本发明就是鉴于这些问题进行的，其第1个目的在于提供能够简便地得到包含多个端面入射型的光电转换单元电池的光电转换元件以及光电转换元件的制造方法，

本发明的第2个目的在于提供能够进一步提高单位面积的光电转换量的光电转换元件。

本发明的光电转换元件包括：折叠形状的导电片；和在该导电片的折叠面上以叠层结构配置、并将从该叠层结构的端面入射的光进行光电转换的多个色素增感型的光电转换单元电池。

对于本发明的光电转换元件，在折叠形状的导电片的折叠面上配置的多个色素增感型的光电转换单元电池中，从这些叠层结构的端面入射的光分别进行光电转换。

在本发明的光电转换元件中，优选在上述导电片上形成多个导电图案。这样构成时，从各光电转换单元电池中电极的引出结构简单化。在该情况下，可以在上述导电图案上依次叠层氧化物层、由该氧化物层担载的色素、电解质层、对置电极，同时由这些氧化物层、色素、电解质层和对置电极构成上述光电转换单元电池。这样构成时，从各光电转换单元电池的叠层结构的端面入射的光被色素吸收。而且，吸收了光的色素放出电子，该电子从氧化物层注入后，传递过作为正极的导电图案，并向作为负极的对置电极移动。另一方面，在电解质层中，伴随着电子在对置电极和导电图案之间的移动，反复进行氧化还原反应。由此，电子连续地在对置电极、导电图案和电解质中移动，稳定地进行光电转换。

在本发明的光电转换元件中，优选具有导光板，该导光板配置在各光电转换单元电池的叠层方向，同时将从自身的端面入射的入射光导入到各光电转换单元电池内。这样构成时，比从光电转换单元电池的叠层结构的端面入射的光多的光被导光板导入到光电转换单元电池内，用于光电转换。因此，外部光的利用效率提高。在该情况下，更加优选在上述导光板的面中的除了上述入射光入射的入射面和将该入射光导入到光电转换单元电池内的导光面以外的面上具有反射入射光的反射膜。这样构成时，入射到导光板上的光不遗漏地导入到光电转换单元电池中，对入射光的光电转换效率提高。

本发明的光电转换元件中，上述导电片可以折叠成例如折曲形状。

本发明的光电转换元件的制造方法包含如下工序：在绝缘片上形成多个导电图案的工序、在导电图案上分割成多个区域形成氧化物层的工序、使色素分别担载在各氧化物层上的工序、分别在各氧化物层上将电解质层夹在中间而配置对置电极的工序、和将上述绝缘片和导电图案折叠的工序。

发明的效果

按照本发明的光电转换元件，由于在折叠形状的导电片的折叠面上配置多个色素增感型的光电转换单元电池，并将从各光电转换单元电池的叠层结构的端面入射的光进行光电转换，因此与单纯地排列多个这样的端面入射型的光电转换单元电池的情况相比，可以使光电转换元件的制造工序简单化。因此，可以容易地获得包含多个端面入射型的光电转换单元电池的光电转换元件。

特别是，上述导电片由用于将2个光电转换单元电池中的相同电极或不同电极间连接的多个导电图案构成时，还可以使从各光电转换单元电池中电极的引出结构简单化。因此，可以减小用来设置电极的引出结构的面积，与以往相比，可以进一步提高单位面积的光电转换量。

另外，按照本发明的光电转换元件的制造方法，由于包括在绝缘片上形成多个导电图案的工序、在导电图案上分割成多个区域形成氧化物层的工序、使色素分别担载在各氧化物层上的工序、分别在各氧化物层上将电解质层夹在中间而配置对置电极的工序、和将上述绝缘片和导电图案折叠的工序，因此与单纯地排列多个端面入射型的光电转换单元电池的情况相比，可以使光电转换元件的制造工序简单化。因此，可以容易地获得包含多个端面入射型的光电转换单元电池的光电转换元件。

附图说明

图1是表示作为本发明的一个实施方式的光电转换元件的太阳能电池的整体结构的立体图。

图2是表示图1所示的单元电池的详细结构的剖面图。

图3是放大表示图2所示的I部分的剖面图。

图4是用于说明多个单元电池之间的连接关系的模式图。

图5是表示作为本发明的变形例的光电转换元件的太阳能电池的整体结构的立体图。

图6是表示作为本发明的变形例的光电转换元件的太阳能电池中的电池单元的结构的剖面图。

图7是表示以往的太阳能电池的构成例的剖面图。

图8是表示以往的太阳能电池的另一构成例的剖面图。

符号说明

1、1A～1C...太阳能电池

10...高分子片

11、12...金属片

11A、12A...导电图案(正极)

11B、12B...导电图案

2A～2D、5A～5D、6A...单元电池

20...玻璃基板

21、25...对置电极(负极)

22...氧化物层

23...电解液层

24...色素

3A、3B...隔板

4...连接部

L1、L2、L21、L22...光

具体实施方式

下面，参照附图详细地说明具体实施方式(以下，只称为实施方式)。

图1是表示作为本发明的一个实施方式的色素增感型光电转换元件的太阳能电池(太阳能电池1)的整体结构的图。该太阳能电池1具有：绝缘片10、金属片11和多个色素增感型的单元电池2A～2D。

绝缘片10折叠成折曲形状，由成为沿着Y轴方向延伸的ZX平面的折叠面(以下，称为ZX折叠面)、和形成YZ平面并与该ZX折叠面彼此连接的折叠面(以下，称为YZ折叠面)构成。该绝缘片10由例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等高分子材料等构成，厚度为例如10～500μm。

金属片11形成在绝缘片10的单面一侧，与绝缘片10同样地折叠成折曲形状。在该金属片11上设置同样的折曲形状的开口图案P1，由此，金属片11沿着Z轴方向分离成2个导电图案(沿着Z轴的正方向依次为导电图案11A、11B)。另外，该开口图案P1设置在金属片11的下方，这样使导电图案11A的面积比导电图案11B的面积变大。金属片11由例如SUS不锈钢材料)、镍(Ni)、铜(Cu)或铝(Al)等金属或它们的合金构成，厚度为例如1～100μm。

单元电池2A～2D分别配置在金属片11的ZX折叠面上。这些单元电池2A～2D具有如后面叙述的叠层结构，是将从该叠层结构的端面(形成了XY平面的上方侧的端面)入射(端面入射)的光L1进行光电转换的端面入射型的单元电池。图1中示出了4个单元电池2A～2D，但作为单元电池的数量，并不限定于此。

图2是表示图1的II-II部分的箭头方向的剖面结构的图，表示单元电池2A、导电图案11A、11B和绝缘片10等的剖面结构。在导电图案11A上依次形成后述的担载色素24的氧化物层22、电解液层23和对置电极21，由这些氧化物层22、色素24、电解液层23以及对置电极构成单元电池2A。另外，如后面所述，对于外部电路，在作为正极发挥功能的导电图案11A和作为负极发挥功能的对置电极21之间，配置一对由可以透过端面入射的光L1的材料(例如，丙烯酸类树脂等)构成的隔板3A、3B，使两极间得到支撑。另一方面，导电图案11B通过由导电糊等构成的连接部4与对置电极21电连接。

氧化物层22由例如氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO₂)等氧化物半导体构成，厚度为例如1～100μm。另外，该氧化物层22可以是组合了2种以上的氧化物半导体的结构，其可以是掺杂层也可以是非掺杂层。

图3是放大表示图2的I部分的图。由该图3可知，氧化物层22为比表面积大的多孔结构。这是因为色素24吸附在表面附近。作为色素24，例如可列举具有吸收可见光区域和红外区域的光的特性的色素。由于色素必须是能够吸附在氧化物层13上的物质，因此优选在色素分子中具有羧基、酸酐基团、烷氧基、羟基、羟基烷基、磺酸基、酯基、巯基或膦酰基等。具体地，例如使用钌(Ru)金属配合物、偶氮类色素、醌类色素、醌亚胺类色素、喹吖啶酮类色素、スクアリリウム类色素、花青类色素、部花青类色素、三苯甲烷类色素、キサンラン类色素、多苯基类色素、酞菁类色素、苝类色素或靛蓝类色素等。由于构成氧化物层22的氧化物半导体几乎不吸收光L1，因此该色素24作为扩展光L1的吸收波长区域的光增感剂发挥功能，具有通过吸收光L1而放出激发的电子的性质。

电解液层23包含渗透到透明电极对置电极21和氧化物层22之间的电解液，该电解液含有作为氧化还原对的离子。作为电解液，例如可使用碘和碘化合物的混合溶液、溴和溴化物的混合溶液等，例如，优选使用含有氯化锌、溴化锌或碘化锌等卤化锌、硝酸锌或高氯酸锌的溶液。在该电解液层23中，含有的氧化还原对离子分别在负极(如后述的对置电极21)上反复进行氧化反应，在正极(如后述的导电图案11A)上反复进行还原反应，从而产生连续的电子的移动，可以稳定地进行光电转换。

对置电极2 1由可以反射端面入射的光L1的材料，例如SUS、镍、铜(Cu)或铝(Al)等金属或它们的合金构成，厚度为例如1～100μm。构成以可以反射光L1是为了能够使光L1反射，并且不遗漏地导入到色素24一侧。另外，还可以由对光L1具有透明性的电极(例如，在光透过性基板(例如，透明树脂、玻璃等)的任意面上形成了ITO(铟锡氧化物)或FTO(氟掺杂氧化锡)等)构成该对置电极21。

这里，金属片11对应于本发明的“导电片”的一个具体例子，单元电池2A～2D对应于本发明的“光电转换单元电池”的一个具体例子。导电图案11A、11B对应于本发明的“多个导电图案”的一个具体例子。

作为该光电转换元件的太阳能电池1，例如可按如下方法制造。

首先，使用例如蒸镀法、溅射法或箔贴附等在由上述材料制成的绝缘片10上形成由上述材料制成的金属片11。并且，使用例如CO₂激光器等形成开口图案P1，使金属片11分割构成2个导电图案11A、11B。另外，也可以最初在绝缘片10上形成包括2个导电图案11A、11B的金属片11。

接着，使用例如电解析出法、喷雾法或丝网印刷法等在导电图案11A上的规定位置，即配置单元电池2A～2D的位置上选择性地形成由上述材料构成的氧化物层22。

接着，在形成的各氧化物层22上分别吸附包含上述材料的色素24。具体地，使色素24溶解在例如甲醇等有机溶剂中，并通过将氧化物层22浸渍在该得到的溶液中来进行。

接着，将作为正极的导电图案11A和作为其对电极(负极)的对置电极21夹着各氧化物层22重叠。然后，通过使包括上述材料的电解液渗透到重叠的对置电极21和氧化物层22之间，形成电解液层23。

接着，在导电图案11A和各对置电极21之间配置一对由上述材料制成的隔板3A、3B，使两极间得到支撑，同时夹持电解液层23。另外，通过由上述材料制成的连接部4将各对置电极21和导电图案11B之间进行电连接。由此，在绝缘片10和金属片11上形成多个色素增感型的单元电池2A～2D。

最后，如图1所示，通过将形成了多个单元电池2A～2D的绝缘层10和金属片11折叠成折曲形状，分别在金属片11的ZX折叠面上配置单元电池2A～2D。这样，制造图1～图3所示的太阳能电池1。

在作为本实施方式的光电转换元件的太阳能电池1中，在多个色素增感型的单元电池2A～2D中，从它们的叠层结构的端面入射的光L1分别进行光电转换。具体地，从各光电转换单元电池的叠层结构的端面入射的光L1透过隔板3A之后，被担载在氧化物层22上的色素24吸收，激发色素24中的电子。该被激发的电子注入到氧化物层22的传导体中之后，传递到邻接的作为正极的导电图案11A上，通过外部电路(未图示)到达作为对电极(负极)的对置电极21。另一方面，在电解液层23中，残留在色素24中的空穴将电解液中的离子氧化，该被氧化的离子在对置电极21侧接受上述的电子而再次被还原。这样，通过反复进行在两极间的电子的移动和随之引起的氧化还原反应，在各光电转换单元电池中进行稳定的光电转换。

在本实施方式的太阳能电池1中，端面入射型的各单元电池2A～2D分别配置在折叠形状的金属片11的ZX折叠面上。即，如上所述，这些单元电池2A～2D通过使形成了单元电池2A～2D的绝缘层10和金属片11折叠成折曲形状而配置在金属片11的ZX折叠面上。因此，与单纯地排列多个图8所示的以往的端面入射型的光电转换单元电池的情况相比，太阳能电池整体的制造工序简单化。

在1个金属片11中包含作为各单元电池的正极发挥功能的导电图案11A、作为各单元电池的负极发挥功能的对置电极21和电连接的导电图案11B，换言之，金属片11由用于将2个单元电池的同极(正极或负极)彼此连接的2个导电图案11A、11B构成，因此，与单纯地排列多个图8所示的以往的端面入射型的光电转换单元电池的情况相比，从各单元电池的电极引出结构也简单化。

如上所述，在本实施方式中，由于在折叠形状的金属片11的折叠面(ZX折叠面)上配置多个色素增感型的单元电池2A～2D，并将从各单元电池的叠层结构的端面入射的光L1进行光电转换，因此，与单纯地排列多个图8所示的端面入射型的单元电池的情况相比，可以使太阳能电池的制造工序简单化。因此，可以容易地获得包含多个端面入射型的单元电池的太阳能电池。

另外，由于金属片11由用于将2个单元电池的同极(正极或负极)彼此连接的2个导电图案11A、11B构成，因此可以使从各单元电池的电极引出结构简单化。因此，可以减小用于电极引出结构的设置面积，与以往相比，可以更加提高单位面积的光电转换量。

由于将绝缘片10和金属片11折叠成折曲形状，因此可以高效地配置多个单元电池，从而可以更加提高单位面积的发电量。

另外，由于作为正极的导电图案11A和作为负极的对置电极21分别由金属材料构成，因此可以使入射的光L1反射并防止泄漏到外部，从而可以再利用。因此，可以更加提高入射的光L1的光电转换效率。

以上，列举实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于该实施方式，可以进行各种变形。

例如，在上述实施方式中，如图4(A)所示，对于各单元电池的正极(表示为“+”)之间以及负极(表示为“-”)之间分别由2个导电图案11A、11B相互并联连接的情况进行了说明，但也可以分别如例如图4(B)、(C)所示的太阳能电池1A、1B那样，形成开口图案并通过多个导电图案11C～11F、11G～11J等将邻接的2个单元电池的正极和负极相互串联连接。另外，还可以将它们组合，通过串联和并联的混合连接将金属片11上的多个单元电池彼此连接。并联连接时，可以增大流向外部电路的电流值，而串联连接时可以增大对外部电路施加的电压值，因此，串联和并联的混合连接的情况下，根据连接的方式，可以任意调节从太阳能电池中取出的电流值和电压值。

另外，在上述实施方式中，对于在绝缘片10的单面一侧形成金属片(金属片11)，并且只在该单面一侧配置单元电池(单元电池2A～2D)的情况进行了说明，但也可以如例如图5所示的太阳能电池1C那样，在绝缘片10的两面形成金属片(金属片11、12)，同时分别设置开口图案P1、P2并在各自上形成2个导电图案11A、11B以及导电图案12A、12B，然后分别在绝缘片10的两面配置单元电池(单元电池2A～2D以及单元电池5A～5D)。这样构成时，与上述实施方式相比，可以更加提高单位面积的发电量。

在上述实施方式中，以分别由金属材料构成作为正极的导电图案11A和作为负极的对置电极21的情况进行了说明，但根据太阳能电池的用途和使用目的等，可以使它们中的一方或两者由例如ITO或FTO等能够透过光L1的透明材料构成。

例如，如图6所示，还可以制成由透明电极构成的对置电极25来代替由金属电极构成的对置电极21(单元电池6A)，同时在玻璃基板20上形成该对置电极25，从而使该玻璃基板20作为导光板发挥功能。作为该玻璃基板20，由折射率比空气高，并且折射率比对置电极的构成材料低的材料构成。这样构成时，可以使基于从玻璃基板20的端面入射的光L2的光L21、L22全反射，导入到单元电池6A内的色素中，从而利用于光电转换。因此，除了从单元电池6A的叠层结构的端面入射的光L1以外，还可以使由玻璃基板20导入到单元电池6A内的大量的光L21、L22也利用于光电转换，从而可以更加提高单元电池中的光电转换效率。另外，如果在光L2的入射面以及光L21、L22等导光面以外的面上，即图中用S1、S2表示的面以及平行于纸面的2个面上设置可以反射光L21、L22等的反射膜，则可以防止这些光由玻璃基板20漏出，从而可以进一步提高光电转换效率。在这样的使用玻璃基板20使光L2入射但不利用光L1的情况下，可以由例如在树脂中混入了氧化物(例如TiO2、ZnO等)的材料等不使光L1透过的材料构成隔板3A、3B。

另外，在上述实施方式中，对金属片由多个导电图案构成的情况进行了说明，但金属片也可以是由单一的导电图案构成正极，同时从各单元电池中引出对置电极(负极)的结构。这样构成时，由于有必要设置负极的引出结构，因此单位面积的发电量减少，但依然可以比以往容易地制造。

在上述实施方式中，对将绝缘片10或金属片折叠成折曲形状，并且在ZX折叠面上配置多个单元电池的情况进行了说明，但根据情况，除了上述情况之外(代替上述情况)，也可以在YZ折叠面上设置单元电池。另外，作为绝缘片10和金属片的折叠形状，并不限定于折曲形状，也可以为其它的折叠形状。

在上述实施方式中，对于金属片由绝缘片10支撑的情况进行了说明，但在例如使金属片具有厚度而使强度提高的场合等，也可以不设置绝缘片10而只是将金属片折叠。

在上述实施方式中，对使用电解液作为电解质的情况进行了说明，但也可以使用固体电解质。

另外，在上述实施方式中，列举色素增感型的太阳能电池作为光电转换元件的一例进行了说明，但本发明的光电转换元件并不限定于色素增感型的太阳能电池，也可以适用于光传感器等其它的光电转换元件。

Claims

1.光电转换元件，包括：

折叠形状的导电片；和

在该导电片的折叠面上以叠层结构配置、并将从该叠层结构的端面入射的光进行光电转换的多个色素增感型的光电转换单元电池。

2.权利要求1所述的光电转换元件，其中，在上述导电片上形成多个导电图案。

3.权利要求2所述的光电转换元件，其中，

在上述导电图案上依次叠层氧化物层、由该氧化物层担载的色素、电解质层和对置电极，并且，

由上述氧化物层、上述色素、上述电解质层和上述对置电极构成上述光电转换单元电池。

4.权利要求1～3中任一项所述的光电转换元件，其中具有导光板，该导光板配置在各光电转换单元电池的叠层方向，并将从自身端面入射的入射光导入到各光电转换单元电池内。

5.权利要求4所述的光电转换元件，其中，上述导光板的面之中除了上述入射光入射的入射面和将该入射光导入到上述光电转换单元电池内的导光面以外的面上具有反射入射光的反射膜。

6.权利要求1～5中任一项所述的光电转换元件，其中，上述导电片折叠成折曲形状。

7.光电转换元件的制造方法，包含如下工序：

在绝缘片上形成多个导电图案的工序、

在上述导电图案上分多个区域形成氧化物层的工序、

分别在各氧化物层上担载色素的工序、

分别在各氧化物层上将电解质层夹在中间而配置对置电极的工序、和

将上述绝缘片和上述导电图案折叠的工序。