CN102017283A

CN102017283A - 染料敏化太阳能电池

Info

Publication number: CN102017283A
Application number: CN2009801159826A
Authority: CN
Inventors: 宇田彻
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2011-04-13
Also published as: WO2009136517A1; EP2273604A1; US20110005584A1; JP2009272168A; KR20110021706A

Abstract

本发明提供一种染料敏化太阳能电池，其目的在于：能够不使用粘接剂，在光电极或者对电极的一方固定密封垫，因此密封机构不会因电解液或太阳光等而发生劣化，可获得具有长期可靠性的密封状态。因此，在光电极与对电极之间设置密封电解质层的密封机构的染料敏化太阳能电池中，所述的密封机构的构成为被夹持在所述光电极与所述对电极之间，通过形成于所述光电极或者所述对电极的任一方的保持机构而固定，为密封所述电解质层的弹性材料制的唇形的密封垫。

Description

染料敏化太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种耐久性良好的染料敏化太阳能电池。

背景技术

最近，担忧温暖化等地球环境的恶化，作为绿色能源的太阳光能发电被注目。

但是，其普及还未达到能够满足的状态。

并且，阻碍普及的最大原因之一是在于现在作为主流的硅系太阳能电池的制造成本高。

该制造成本降低不下的主要原因是要廉价且大量地供应硅系太阳能电池所必需的硅半导体，其制法上有局限，今后也不会有大的改善。

相对于该硅系太阳能电池，Gratzel们的小组发表的染料敏化太阳能电池为将被分光敏化染料敏化的光变换层作为工作电极的湿式太阳能电池。

该湿式太阳能电池的基本构成由设置在玻璃等透明基板上的透明导电电极、电解质、分光敏化染料、氧化钛等多孔质半导体层、设置于基板的对电极构成。

这种染料敏化太阳能电池所使用的材料廉价，制作时，因为不需要硅系太阳能电池所必需的真空工艺等的大型设备，所以，作为低成本的太阳能电池受到了注目。

但是，至今与硅系的太阳能电池相比较，开发的染料敏化太阳能电池的可靠性低。

其原因之一是作为电子载体的电解质的密封问题。

当电解质发生泄漏，或者水分等从外部侵入电解质时，不但发电效率降低，而且产生光变换层的劣化，引起染料敏化太阳能电池的寿命变短的问题。

电解质中可列举有液体、凝胶和固体等形态。

泄漏少的凝胶或固体适用电解质密封(专利文献1)。

但是，为了得到硅系同等的高变换效率，优选液体，而且，乙腈等极性高且挥发性高的有机溶剂。

但是，将所涉及的电解液密封于太阳能电池的单元中较难。

因此，为了提高染料敏化太阳能电池的长期可靠性，将处于透明导电电极和对电极的基板之间的电解液通过使用密封材料密封基板端部周边，防止电解液的泄漏或水分的侵入是必不可少的。

作为至今研究的密封方法，有使用液状粘接剂(专利文献2)、热熔薄膜(专利文献3)和玻璃料(专利文献4)等的粘接方式。

并且，在液状粘接剂中可列举硅氧树脂、环氧树脂、丙烯树脂等，但是，任一粘接剂为了提高与基板等的被粘接剂的粘接性，具有一定程度的极性。

因此，由于该极性而使与电解液的亲和性变高，由于侵蚀或膨胀，长期性的密封性能降低。

另一方面，作为极性小的粘接剂报道过聚异乙烯系树脂。

因此，虽然一定程度上抑制因电解液引起的侵蚀或膨胀，但是因为其粘接性低劣，担心长期来看会由于剥离引起密封性能降低。

此外，热熔薄膜中可列举分子链中具有羧酸基的热塑性树脂，具体是HIMILAN(三井杜邦化学制品公司)(专利文献5)。

但是，因为液状粘接剂同样具有极性，所以，担心长期的密封性会降低。

另一方面，利用玻璃料的密封虽然密封性能好，但是因为需要一般为450℃以上的热处理，所以，担心会导致以敏化染料为主的构成部件变质。

此外，操作变得繁杂，导致制造成本的恶化。

另一方面，通过使用水玻璃等硅酸盐，能够将固化温度设为60℃以下。

可是，水玻璃中含有的水或钠等溶解于电解质，担心会使变换效率降低(专利文献7)。

再者，因为太阳能电池是通过太阳光的照射而使电池温度上升，所以，在任何的粘接方式中，在密封材料和基板的线膨胀率不同的情况下，担心会由于因温度的变化引起的膨胀收缩而产生粘接部分的剥离或基板的破损。

对于这种粘接方式的密封问题，提出了将具备弹性的合成树脂用于如图2所示的密封材料，将其配置于基板端部的周边，通过由基板夹持压缩，从而密封电解液的非粘接方式(专利文献6)。

即，光电极104由透明的第一电极基材101、设在该第一电极基材101的一表面的第一导电膜102、采用半导体材料形成于该第一导电膜102上并且吸着敏化染料而成的多孔质的半导体层103构成。

此外，对电极107由第二电极基材105、以及设在该第二电极基材105的一表面的第二导电膜106构成。

含有液状或者凝胶状电解质的电解质层108介于该光电极104和对电极107之间。

再者，在光电极104和对电极107之间设有密封电解质层108的密封材料，使用具有弹性的合成树脂制密封垫109作为该密封材料。

此外，为了使这些部件一体化，通过四个螺栓111和螺母112紧固保持光电极104和对电极107的四处的角部。

根据本方法，由于密封材料具有弹性，从而可以随着基材的膨胀收缩，因此粘接部分的剥离或基板的破损的担心减少，能够确保密封的长期可靠性。

可是，因为所提案的密封材料的形状是O字环状，所以，基板之间的间隙变大，采用粘接方式设为作为一般的间隙厚度100μm以下是非常困难的。

因此，即使密封性好，也不能期待高变换效率。

此外，为了对O字环状的弹性体进行压缩且密封，一般需要较大的密封表面压力。

因此，在单元大面积化的情况下，担心会由于大的压缩力而基板产生弯曲，或者因情况不同而产生破损。

再者，在通过螺栓111和螺母112紧固保持的情况下，引起光电极104与对电极107的间隙不固定的问题。

再进一步，提出了在光电极或者对电极的一方使用粘接剂安装弹性材料制的密封垫的方法。

但是，由于电解液或太阳光等引起粘接剂发生劣化，获得具有长期可靠性的密封状态是困难的。

此外，由于制造工时也增加，因此导致制造成本增加的问题。

专利文献1：日本特开2002-299665号公报

专利文献2：日本特开2002-368236号公报

专利文献3：日本特开2003-188394号公报

专利文献4：日本特开2004-172048号公报

专利文献5：日本特开2007-335197号公报

专利文献6：日本特开2006-202681号公报

专利文献7：日本特开2007-073401号公报

发明内容

(发明所要解决的课题)

因为能够不使用粘接剂，在光电极或者对电极的一方能够固定密封垫，所以，密封机构不会由于电解液或太阳光等发生劣化，获得具有长期可靠性的密封状态。

(用于解决课题的手段)

为了达到上述目的，本发明中的染料敏化太阳能电池设置有：光电极，由透明的第一电极基材、设在所述第一电极基材的一表面的第一导电膜、以及采用半导体材料形成于所述第一导电膜上并且吸着敏化染料而成的多孔质的半导体层构成；对电极，由第二电极基材、以及设在所述第二电极基材的一表面的第二导电膜构成；电解质层，配置于所述光电极与所述对电极之间；以及密封机构，在所述光电极与所述对电极之间密封所述电解质层；所述染料敏化太阳能电池的特征在于，所述密封机构被夹持在所述光电极和所述对电极之间，通过形成于所述光电极或者所述对电极的任一方的保持机构而固定，为密封所述电解质层的弹性材料制的唇形的密封垫。

(发明效果)

在本发明实现下面所记载的效果。

根据本发明第1方面记载的染料敏化太阳能电池，因为能够不使用粘接剂，在光电极或者对电极的一方固定密封机构，所以，密封机构不会由于电解液或太阳光等发生劣化，能够获得具有长期可靠性的密封状态。

此外，根据本发明第2方面记载的染料敏化太阳能电池，能够可靠地将密封机构固定在光电极或者对电极的一方。

再者，根据本发明第3方面记载的染料敏化太阳能电池，能够容易地将密封机构固定在光电极或者对电极的一方。

再者，根据本发明第4方面记载的染料敏化太阳能电池，能够高精度且固定地保持光电极4与对电极7的间隙。

此外，根据本发明第5方面记载的染料敏化太阳能电池，因为即使不使用特别的粘接剂也能够将密封垫和基板一体化，所以，能够提高耐电解液性。

此外，根据本发明第6方面记载的染料敏化太阳能电池，能够发挥密封垫的良好的密封功能。

再者，根据本发明第7方面记载的染料敏化太阳能电池，密封垫的低温特性和耐压缩永久变形良好。

附图说明

图1为表示涉及染料敏化太阳能电池的本发明的实施方式的剖视图。

图2为表示涉及染料敏化太阳能电池的本发明的其他实施方式的剖视图。

图3为涉及现有技术的染料敏化太阳能电池的剖视图。

(符号说明)

1第一电极基材

2第一导电膜

3半导体层

4光电极

5第二电极基材

6第二导电膜

7对电极

8电解质层

9密封垫

11槽部

12间隔薄膜

13保持机构

131贯通孔

132燕尾槽

具体实施方式

下面，对用于实施本发明的最佳实施方式进行说明。

根据图1和图2，对用于实施本发明的最佳实施方式进行说明。

即，光电极4由透明的第一电极基材1、设在该第一电极基材1的一表面的第一导电膜2、以及采用半导体材料形成于该第一导电膜2上并且吸着敏化染料而成的多孔质的半导体层3构成。

此外，对电极7由第二电极基材5、以及设在该第二电极基材5的一表面的第二导电膜6构成

含有液状或者凝胶状电解质的电解质层8介于该光电极4与对电极7之间。

再者，作为密封机构，配置有被夹持在光电极4与对电极7之间、并且密封电解质层8的弹性材料制的唇形的密封垫9。

用于该密封垫9的材料为具有弹性和耐电解液性的合成橡胶或者合成树脂，优选使用烯烃系橡胶或氟素橡胶，特别是优选液状的三元乙丙橡胶(EPDM)。

此外，在这种材料中适当添加安定剂、粘接增粘剂、分型剂、阻燃剂、短纤维等而使用。

这种材料使用硬度(杜罗回跳式硬度计A)为30-50范围的材料。

当硬度为50以上时，低温特性、伸长率和耐压缩永久变形变坏，当硬度为30以下时，得不到足够的密封表面压力，在上述任一情况下，都不能发挥良好的密封功能。

此外，密封垫9具备从基部101向前端延伸的唇部102。

并且，基部101经过设置在对电极7侧的槽部11的底部上所设置的贯通孔131，到达背面侧。

由此，密封垫9不使用粘接剂，牢固地固定在对电极7侧。

该槽部11的深度比密封垫9的高度浅，而且，密封垫9的截面积设计成比槽部11的截面积小。

此外，唇部102的形状呈三角形或者梯形，其顶部与光电极4密封接触。

再者，间隔薄膜12配置在密封垫9的内侧。

通过该间隔薄膜12能够高精度且固定地保持光电极4与对电极7的间隙。

作为该间隔薄膜12所要求的性能为绝缘性、耐电解液性、以及厚度加工精度良好。

作为满足这些要求性能的材质可列举树脂薄膜，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺为优选材料。

并且，为了使这些部件一体化，通过四个螺栓111和螺母112紧固保持光电极4和对电极7的四处的角部。

接着，根据图2对本发明的其他实施方式进行说明。

与先前所示的实施例的不同点为作为保持机构13，图1的发明利用了贯通孔131，而本实施例利用了燕尾槽132。

通过这种实施方式，不改变染料敏化太阳能电池的外观，能够制造不使用粘接剂的产品。

用于第一电极基材1的材料只要是透明的，并没有特别限定，可以使用玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸脂、聚醚砜等透明或者透光性好、而且具有夹入密封材料程度的强度的材料，可以单独使用这些材料，或者使用多种材料形成混合物、层压物。

此外，对于第二电极基材5，只要是能够形成具有形成第二导电膜6程度的平滑性的表面，且具有夹入密封材料程度的强度的材料，并没有特别限定，不论无机材料、有机材料、金属材料等材质，都能够使用。

此外，电解质层8只要含有液状或者凝胶状的电解质，并没有特别限定，都能够使用，但是，优先能够使用使碘和碘化锂溶解于乙腈中的混合溶液，或甲氧基丙睛等溶剂中加入碘化锂、碘等的液体电解质、或高分子凝胶电解液等凝固体化电解质。

再者，在液状的情况下，为了降低粘性而使离子的扩散顺利进行，使用常温熔融盐，具体是1，2-二甲基-3-丙基咪唑碘。

再者，作为在形成半导体层3的多孔质的半导体层形成中所使用的半导体材料，优选是氧化钛(TiO₂)，但是，并不局限于此，可以使用SnO₂、ZnO、MgO、Al₂O₃等。

此外，形成半导体3的敏化染料作为钌金属络合物染料，能够使用含有羧基的钌联吡啶络合物、联吡啶系、菲咯啉、喹啉等。

通过真空气相沉积法、溅射气相沉积法、离子镀法等适宜的方法，将透明性能良好且具备高导电性的掺锡氧化铟(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)、金、白金等或将这些多个组合而成的材料，形成用于形成第一导电膜2的材料。

此外，对于第二导电膜6，只要是与第一导电膜2产生电位差的材料即可，能够使用白金、碳等形成。

此外，本发明并不局限于用于实施上述发明的最佳实施方式，只要不脱离本发明要旨，当然能够采用其他各种构成。

Claims

1.一种染料敏化太阳能电池，设置有：光电极(4)，由透明的第一电极基材(1)、设在所述第一电极基材(1)的一表面的第一导电膜(2)、以及采用半导体材料形成于所述第一导电膜(2)上并且吸着敏化染料而成的多孔质的半导体层(3)构成；对电极(7)，由第二电极基材(5)、以及设在所述第二电极基材(5)的一表面的第二导电膜(6)构成；电解质层(8)，配置于所述光电极(4)与所述对电极(7)之间；以及密封机构，在所述光电极(4)与所述对电极(7)之间密封所述电解质层(8)；所述染料敏化太阳能电池的特征在于，所述密封机构被夹持在所述光电极(4)和所述对电极(7)之间，通过形成于所述光电极(4)或者所述对电极(7)的任一方的保持机构(13)而固定，为密封所述电解质层(8)的弹性材料制的唇形的密封垫(9)。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述保持机构(13)为设置在所述光电极(4)或者所述对电极(7)的任一方上的贯通孔(131)。

3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述保持机构(13)为设置在所述光电极(4)或者所述对电极(7)的任一方上的燕尾槽(132)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：在所述光电极(4)与所述对电极(7)之间配置间隔薄膜(12)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述密封垫(9)通过液状橡胶喷射成形，固定于所述光电极(4)或者所述对电极(7)的任一方。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述密封垫(9)由三元乙丙橡胶(EPDM)材料制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述密封垫(9)的材质为硬度(杜罗回跳式硬度计A)30-50范围的弹性材料。