DE102008023454A1

DE102008023454A1 - Bausatz zur Herstellung farbsensibilisierter Solarzellen, farbsensibilisiertes Solarverfahren und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102008023454A1
Application number: DE102008023454A
Authority: DE
Inventors: Yasutake Inuyama-shi Kato; Hideyumi Inuyama-shi Matsumura; Eiji Inuyama-shi Kato; Tadatoshi Inuyama-shi Nagasaki
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2008-11-27
Also published as: US20080314448A1; US9208955B2

Abstract

Ein farbensensibilisierter Solarzellenbausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle umfasst eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die einen Farbstoff trägt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösung, die durch Lösen eines Elektrolyten in einem Lösungsmittel hergestellt wird und während der anfänglichen Montage dazu gebracht wird, zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode aufzufüllen. Die elektrolytische Lösung wird ergänzt, wenn sie nach der Montage geschwunden ist, so dass eine Konzentration des Elektrolyten zur Zeit der Ergänzung niedriger als eine Konzentration des Elektrolyten ist, der während der anfänglichen Montage zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen farbensensibilisierten Solarzellenbausatz zur Herstellung von farbensensibilisierten Solarzellen, der eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die Farbstoffe trägt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösungsfüllung zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode umfasst, eine farbensensibilisierte Solarzelle und ein Verfahren zu deren Verwendung.
Eine farbensensibilisierte Solarzelle umfasst im Wesentlichen eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die Farbstoffe trägt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösungsfüllung zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode. Ein Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle wurde kürzlich für die Verwendung in der Schulausbildung oder ähnlichem vorgeschlagen. JP-A-2004-264750 offenbart einen derartigen farbensensibilisierten Solarzellenbausatz. Der Bausatz zur Herstellung umfasst als Bausatzbestandteile zwei transparente Harzsubstrate (dünne Polyethylenterephthalat (PET-)Schicht) mit Oberflächen, die jeweils mit leitenden Schichten (Indiumzinnoxid (ITO)) beschichtet sind, Halbleiterpartikel und ein Bindemittel (Carboxymethylcellulose)), die beide zum Ausbilden einer Halbleiterschicht dienen, einen Sensibilisierungsfarbstoff (Rutheniumkomplex), Elektrolyt (Lithiumjodid) und ein Flüssig keitsrückhalteelement (Vliesstofftuch).
Eine farbensensibilisierte Solarzelle wird mit dem folgenden Verfahren hergestellt. Zuerst werden Halbleiterpartikel mit Wasser mit gelöstem Bindemittel vermischt, so dass eine Dispersionsflüssigkeit hergestellt wird. Die Dispersionsflüssigkeit wird auf eine leitende Schicht aus einem der Harzsubstrate aufgetragen und dann erwärmt und dabei unter Druck gesetzt, um zu einer Halbleiterelektrode ausgebildet zu werden. Anschließend wird die Halbleiterelektrode in eine Ethanollösung eingetaucht, die einen Sensibilisierungsfarbstoff enthält, so dass ein Farbstoffübertragungsprozess ausgeführt wird. Andererseits wird eine Bleistiftspitze auf einer Leiterschicht des anderen Harzsubstrats gerieben, wodurch eine entgegengesetzte Elektrode ausgebildet wird. Außerdem wird der Elektrolyt in Wasser gelöst, so dass eine elektrolytische Lösung hergestellt wird. Das Flüssigkeitsrückhalteelement wird zwischen die Leiterelektrode und die entgegengesetzte Elektrode gestellt, wobei sie dann in die vorgenannte elektrolytische Lösung eingetaucht wird, wodurch eine Solarzelle aufgebaut wird.
Eine konstante Zellenleistung (ein Umwandlungswirkungsgrad, mit dem Sonnenlichtenergie in elektrische Leistung umgewandelt wird) wird direkt nach der Herstellung erreicht. Allerdings schreiten Schwund und die Verdampfung (Verflüchtigung) der elektrolytischen Lösung mit dem Ablauf der Zeit voran. Folglich wird die Zellenleistung in einer relativ kürzeren Zeitspanne (Kurzzeitspanne) verschlechtert, woraufhin die Solarzelle keinen langen Gebrauch aushalten kann.
In diesem Fall wird berücksichtigt, dass die Solarzelle derart aufgebaut ist, dass die elektrolytische Lösung, schwer leckend gemacht wird und dass die Zellenleistung wiederhergestellt wird, indem die geschwundene elektrolytische Lösung kompensiert wird. Die von den Erfindern ausgeführte Forschung zeigt jedoch, dass selbst, wenn die gleich Menge elektrolytischer Lösung wie eine Leckmenge einfach wieder zugeführt wird, die Zellenleistung im Vergleich mit einer Anfangszellenleistung (Umwandlungswirkungsgrad) nicht immer ausreichend wiederhergestellt werden kann.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle bereitzustellen, der die Verschlechterung der Zellenleistung mit dem Schwund der elektrolytischen Lösung unterdrücken kann und einen Langzeitbetrieb bereitstellen kann, und eine derartige farbensensibilisierte Solarzelle und ein Verfahren zu deren Nutzung.
In einer elektrolytischen Lösung, die in einer farbensensibilisierten Solarzelle verwendet wird, hat ein Elektrolyt oder ein gelöster Stoff unter einem Gesichtspunkt der Leistungsfähigkeit oder des Erzielens eines möglichst hohen Umwandlungswirkungsgrads eine richtige Menge oder Elektrolytkonzentration relativ zu einer Menge der elektrolytischen Lösung. Die Zellenleistung wird verringert, wenn die Elektrolytkonzentration höher ist ebenso wie wenn sie niedriger als die vorgenannte richtige Elektrolytkonzentration ist. Die vorgenannte richtige Elektrolytkonzentration ist natürlich eine Anfangskonzentration einer elektrolytischen Lösung, die zur Zeit der Montage der farbensensibilisierten Solarzelle eingegossen wird.
Die Erfinder konzentrierten sich auf die Elektrolytkonzentration und führten verschiedene Experimente und Untersuchungen durch. Folglich bestätigten die Erfinder, dass die Zellenleistung in wünschenswerter Weise wiederhergestellt wurde, in dem Fall, in dem die geschwundene elektrolytische Lösung mit dem Verlauf der Zeit aufgestockt wird, wenn eine Elektrolytkonzentration zusätzlicher elektrolytischer Lösung niedriger gemacht wird als die Anfangskonzentration, woraufhin sie die Erfindung gemacht haben. Da der Schwund der elektrolytischen Lösung sich hauptsächlich aus der Verdampfung oder Verflüchtigung des Lösungsmittels ergibt, wird die Konzentration des Elektrolyten erhöht oder der Elektrolyt wird konzentriert. Es wird gemutmaßt, dass die richtige Elektrolytkonzentration aufrechterhalten wird, indem die elektrolytische Lösung ergänzt wird, so dass die Lösung in den vorgenannten Zustand verdünnt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen farbensensibilisierten Solarzellen-Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle bereit, der umfasst: eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die einen Farbstoff überträgt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösung, die hergestellt wird, indem der Elektrolyt in einem Lösungsmittel gelöst wird und die während der anfänglichen Montage dazu gebracht wird, zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode aufzufüllen, wobei die elektrolytische Lösung ergänzt wird, wenn sie nach der Montage geschwunden ist, so dass eine Konzentration des Elektrolyten zur Zeit der Ergänzung niedriger als eine Konzentration des Elektrolyten ist, der während der anfänglichen Montage zugeführt wird.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Bausatz kann die Zellenleistung wiederhergestellt werden, indem die elektrolytische Lösung ergänzt wird, wenn die elektrolytische Lösung aufgrund des Leckens oder der Verdampfung (Verflüchtigung) der elektrolytischen Lösung mit dem Verlauf Zeit schwindet. Da in diesem Fall die Konzentration der ergänzten elektrolytischen Lösung niedriger als die anfängliche Konzentration ist, wird die elektrolytische Lösung selbst nach der Ergänzung der elektrolytischen Lösung auf einer richtigen Konzentration gehalten, woraufhin die Zellenleistung in wünschenswerter Weise wiederhergestellt werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die elektrolytische Lösung als Bausatzbestandteile eine elektrolytische Erstausstattungslösung mit einer notwendigen Elektrolytkonzentration und einer ergänzenden Elektrolytenlösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als der elektrolytischen Erstausstattungskonzentration. Alternativ umfasst der Bausatz zur Herstellung der farbensensibilisierten Solarzelle ferner ein Lösungsmittel und einen Elektrolyten, die beide zum Anpassen der elektrolytischen Lösung dienen, wobei das Lösungsmittel und der Elektrolyt unabhängig voneinander sind. In dem Bausatz umfasst die elektrolytische Lösung eine elektrolytische Erstausstattungslösung mit einer notwendigen Elektrolytkonzentration und eine ergänzende elektrolytische Lösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als der elektrolytischen Erstausstattungslösung. Die Erstausstattungs- und ergänzenden elektrolytischen Lösungen sind durch das Lösungsmittel und den Elektrolyten einstellbar.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle ferner einen Verdünnen zum Verdünnen der elektrolytischen Lösung. In dem Bausatz umfasst die elektrolytische Lösung eine elektrolytische Erstausstattungslösung mit einer notwendigen Elektrolytkonzentration und eine ergänzende elektrolytische Lösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als der elektrolytischen Erstausstattungskonzentration, wobei die Erstausstattungs- und ergänzenden elektrolytischen Lösungen durch den Verdünner einstellbar sind. In beiden Ausführungsformen können die elektrolytische Erstausstattungskonzentration mit einer Zielkonzentration und die ergänzende elektrolytische Lösung leicht erhalten werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der Bausatz zur Herstellung farbensensibilisierter Solarzellen ferner ein Verbindungselement, das einen Raum begrenzt, der die elektrolytische Lösung zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode hält und die Halbleiterelektrode und die entgegengesetzte Elektrode miteinander verbindet, während ein Einlass für die elektrolytische Lösung sichergestellt wird, und ein Dichtungselement, das abnehmbar an dem Einlass befestigbar ist, um dadurch den Einlass zu schließen. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Schwund der elektrolytischen Lösung aufgrund von Lecken oder Verdampfung wirksamer unterdrückt werden.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst der Bausatz zur Herstellung farbensensibilisierter Solarzellen ferner eine Rückhalteeinheit für die elektrolytische Lösung, die zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode angeordnet ist, um die elektrolytische Lösung zurückzuhalten. In diesem Fall kann das Lecken der elektrolytischen Lösung ebenfalls unterdrückt werden. Außerdem wird ein passender Zellenspalt zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode aufrechterhalten, wodurch ein Kurzschluss zwischen den Elektroden verhindert werden kann.
Die Erfindung stellt auch eine farbensensibilisierte Solarzelle bereit, die umfasst: eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die einen Farbstoff trägt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösung, die hergestellt wird, indem die elektrolytische Lösung in einem Lösungsmittel gelöst wird und während einer anfänglichen Montage dazu gebracht wird, zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode aufzufüllen, wobei die elektrolytische Lösung ergänzt wird, wenn sie nach der Montage geschwunden ist, so dass eine Konzentration des Elektrolyten zur Zeit der Ergänzung niedriger als eine Konzentration des Elektrolyten ist, der während der anfänglichen Montage zugeführt wird.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Verwendung einer farbensensibilisierten Solarzelle bereit, die umfasst: eine Halbleiterelektrode, die eine Halbleiterschicht hat, die einen Farbstoff trägt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösung, die die hergestellt wird, indem die elektrolytische Lösung in einem Lösungsmittel gelöst wird und während einer anfänglichen Montage dazu gebracht wird, zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode aufzufüllen. Das Verfahren umfasst das Füllen eines Raums zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode mit einer elektrolytischen Erstausstattungslösung mit einer notwendigen elektrolytischen Lösungskonzentration während der anfänglichen Montage und das Ergänzen der elektrolytischen Lösung mit einer ergänzenden elektrolytischen Lösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als der elektrolytischen Erstausstattungslösung, wenn die elektrolytische Lösung nach der Montage geschwunden ist.
Gemäß der farbensensibilisierten Solarzelle und dem Verwendungsverfahren kann die Zellenleistung wiederhergestellt werden, indem die elektrolytische Lösung mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung ergänzt wird, wenn die elektrolytische Lösung geschwunden ist. Da in diesem Fall die Konzentration der ergänzten elektrolytischen Lösung niedriger als die Anfangskonzentration ist, wird die elektrolytische Lösung selbst nach dem Ergänzen der elektrolytischen Lösung auf einer passenden Konzentration gehalten, woraufhin die Zellenleistung in wünschenswerter Weise wiederhergestellt werden kann.
Die Forschung über die Aufrechterhaltung der Zellenleistung wurde auf dem technischen Gebiet farbensensibilisierter Solarzellen nicht ausreichend gemacht. Folglich hat die Aufrechterhaltung der Zellenleistung durch Verhinderung des Leckens und Verdampfens der elektrolytischen Lösung eine große Schwierigkeit. In diesem Fall kann die Zellenleistung wiederhergestellt werden, indem die elektrolytische Lösung mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung ergänzt wird, deren Konzentration niedriger als die Anfangskonzentration ist, wenn die elektrolytische Lösung geschwunden ist. Jedoch entsteht ein neues Problem, das heißt, welchen Wert die Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung annehmen sollte. Außerdem entsteht ein anderes Problem, das heißt, welchen Wert die Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung annehmen sollte, wenn die Ergänzung zweimal, dreimal und so weiter wiederholt wird. Insbesondere ist das Problem, ob die gleiche Konzentration beibehalten werden sollte oder ob die Konzentration allmählich verringert werden sollte.
Die Erfindung führten ferner Experimente und Untersuchungen aus, um die Beziehung zwischen dem Zeitverlauf (der Anzahl der Male der Ergänzung) und einer passenden elektrolytischen Lösungskonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung zu finden. Als ein Ergebnis fanden die Erfinder die folgende Beziehung: y = a + b·1nx (wobei a und b Konstanten sind) (A)zwischen der Anzahl der Male der Ergänzung x und einer optimalen elektrolytischen Konzentration y der ergänzenden elektrolytischen Lösung. In diesem Fall wird berücksichtigt, dass die Konstanten a und b entsprechend den Arten der elektrolytischen Lösung, der Gesamtstruktur der Solarzelle (zum Beispiel wie die elektrolytische Lösung verdampft) verschiedene Werte haben. Zum Beispiel können die Werte der Konstanten a und b experimentell oder empirisch erhalten werden.
Eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung, die tatsächlich verwendet werden soll, verwendete Bereiche wie Y = y ± d (wobei d = 10) (B)wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind). Alternativ liegt die Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung, die tatsächlich verwendet werden soll, im Bereich von: (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) y (C) wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind). Folglich kann die elektrolytische Lösung normalerweise mit der elektrolytischen Lösung mit einer passenden Elektrolytkonzentration Y ergänzt werden, woraufhin die Zellenleistung in erwünschter Weise wiederhergestellt werden kann.
Die Erfindung wird lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1A, 1B und 1C einen Montageablauf des Solarzellenbausatzes einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
2A und 2B eine Weise darstellen, wie die elektrolytische Lösung ergänzt wird;
3 Ergebnisse eines Experiments über die Beziehung zwischen der Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung und dem Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung zeigt;
4 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse eines Experiments in Bezug auf die Beziehung zwischen der Konzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung und dem Wiederherstellungsgrad zeigt;
5A und 5B eine zweite Ausführungsform und insbesondere Ergebnisse eines Experiments über die Beziehung zwischen der Elektrolytkonzentration des ergänzenden Elektrolyts und dem Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung bei einer ersten Ergänzung zeigen;
6A und 6B experimentelle Ergebnisse für die Beziehung zwischen der Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung und dem Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung bei einer zweiten Ergänzung zeigen;
7 experimentelle Ergebnisse für die Beziehung zwischen der Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung und dem Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung bei einer dritten Ergänzung zeigen;
8 experimentelle Ergebnisse für die Beziehung zwischen der Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung und dem Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung bei einer vierten Ergänzung zeigen;
9A bis 9B Diagramme sind, die die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die Beziehung zwischen der Anzahl der Male der Ergänzung und einer optimalen Elektrolytkonzentration und jeweils drei Arten von Beziehungen in der zweiten Ausführungsform zeigen;
10A und 10B die Beziehung zwischen Experimentnummern und der Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung darstellen.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf 1A bis 3 beschrieben. Die Erfindung wird auf einen Bausatz zur Herstellung von farbensensibilisierten Solarzellen als ein Bildungsmaterial im Schulunterricht angewendet. Zuerst wird der Aufbau einer farbensensibilisierten Solarzelle 1, die aus den Bausatzbestandteilen hergestellt ist, schematisch beschrieben.
Die farbensensibilisierte Solarzelle 1 umfasst eine Halbleiterelektrode 2, eine entgegengesetzte Elektrode 3, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode 1 angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösung L, die, wie in 1A–1C und 2A und 2B gezeigt, zwischen der Halbleiterelektrode 2 und der entgegengesetzten Elektrode 3 angeordnet ist. Die Halbleiterelektrode 2 umfasst ein transparentes leitendes Glassubstrat 4 mit einer Oberfläche (wie in 1A bis 2B zu sehen), die zu einer leitenden Oberfläche (eine Dünnschicht aus SnO₂) ausgebildet ist, und einer porösen Halbleiterschicht 5, die Zinkoxid umfasst und auf der Oberfläche des leitenden Glassubstrats 4 angeordnet ist. Wenngleich nicht gezeigt, trägt die Halbleiterschicht 5 einen farbensensibilisierten Farbstoff. Die entgegengesetzte Elektrode 3 umfasst ein weiteres transparentes leitendes Glassubstrat 4 mit einer Oberfläche (Unterseite, wie in 1A bis 2B zu sehen), die zu einer leitenden Oberfläche ausgebildet ist und eine kohlenstoffüberzogene Schicht 6 hat.
Außerdem ist, wie in 1A bis 1C gezeigt, ein rechteckiges rahmenförmiges Verbindungselement 7 zwischen der Halbleiterelektrode 2 und der entgegengesetzten Elektrode 3 mit einem in der Ausführungsform definierten Zwischenraum, der die elektrolytische Lösung L zurückhält, bereitgestellt. Zwei Einlässe 8 sind, wie in 1A gezeigt, in den mittleren Abschnitten der rechten und linken Seiten des Verbindungselements 7 ausgebildet. Die elektrolytische Lösung L wird in die Einlässe 8 zugeführt. (Nicht gezeigte) Dichtungselemente, wie etwa Kitt, sind lösbar an den Einlässen 8 befestigt, um die Einlässe 8 jeweils zu verschließen. Außerdem ist ein Rückhaltelement 9 für elektrolytische Lösung, wie etwa Mull, zwischen der Halbleiterelektrode 2 und der entgegengesetzten Elektrode 3 (ein Raum im Inneren des Verbindungselements 7) angeordnet. Das Rückhaltelement 9 für elektrolytische Lösung hält die elektrolytische Lösung L.
Baukastenbestandteile der farbensensibilisierten Solarzelle werden nun beschrieben. Der Bausatz umfasst die folgenden Bausatzbestandteile (a) bis (i):
(a) Zwei transparente leitende Glassubstrate 4
Zum Beispiel wird ein transparentes leitendes Glassubstrat A110U80 verwendet, das von AGC Fabritech Co., Ltd. Tokyo hergestellt wird, und wird in eine rechteckige Form von 50 mm mal 30 mm geschnitten.
(b) Elektrolytische Zinklösung (45 cm³)
Eine elektrolytische Zinklösung wird bereitgestellt, um die poröse Halbleiterschicht 5 durch Elektrokristallisation zu bilden. Zum Beispiel wird Zinknitrathexahydrat (hergestellt von Kishida Chemical Co., Ltd. Osaka, Reinheitsgrad 98%) mit einer Konzentration von 0,12 Mol/dm³ in gereinigtem Wasser gelöst. Zinknitrathexahydrat und gereinigtes Wasser können unabhängig enthalten sein.
(c) Template-Verbindungslösung (10 cm³)
Eine Template-Verbindungslösung hat eine katalytische Wirkung, dass sie die Ausscheidung von Metalloxid in der Elektrokristallisation der porösen Halbleiterschicht 5 erleichtert. Die Template-Verbindungslösung wird auch bereitgestellt, um eine poröse Form auszubilden. Eosin Y (hergestellt von Kishida Chemical Co., Ltd., Osaka) mit einer Konzentration von 2,75 × 10^–4 Mol/dm³ wird in gereinigtem Wasser gelöst. Eosin Y und gereinigtes Wasser können unabhängig enthalten sein.
(d) Elemente für die Elektrokristallisation
Die Elemente umfassen zwei Trockenbatterien, galvanisierten Draht, Verbindungsdraht und ähnliches.
(e) Farbstoffübertragende Behandlungsflüssigkeit
Eine farbstoffübertragende Behandlungsflüssigkeit wird verwendet, um eine sensibilisierende farbstoffübertragende Behandlung auszuführen. Eosin Y, das als ein sensibilisierender Farbstoff dient, wird mit einer Konzentration von 2,75 × 10^–4 Mol/dm³ in gereinigtem Wasser gelöst. Eosin Y und gereinigtes Wasser können unabhängig in dem Bausatz enthalten sein. Die erhaltene Flüssigkeit kann gemeinsam für die farbstoffübertragende Behandlung und für die Template-Verbindungslösung verwendet werden.
(f) Zwei Arten von elektrolytischen Lösungen L
Zum Beispiel werden Jod (hergestellt von Kishida Chemical Co., Ltd. Osaka; special grade chemicals) als gelöster Stoff mit einer vorgegebenen Konzentration und Tetra-n-Propylammoiniumjodid (hier nachstehend „TPAI" und hergestellt von Kanto Chemical Co., Inc., Tokyo) als eine Lösungshilfe mit einer Konzentration von 0,5 Mol/dm³ in Propylenkarbonat (hergestellt von Naclai Tesque, Inc., Kyoto) als organischem Lösungsmittels gelöst. Zwei Arten von elektrolytischen Lösungen L werden in der Ausführungsform bereitgestellt, das heißt, eine elektrolytische Erstausstattungslösung L1 und eine ergänzende elektrolytische Lösung L2, die beide unterschiedliche Konzentrationen von Jod (Elektrolyt) haben. Die elektrolytische Lösung L1 hat eine Jodkonzentration von 50 mMol/dm³. Die elektrolytische Lösung L2 hat eine niedrigere Jodkonzentration als die elektrolytische Lösung L1, zum Beispiel 20 mMol/dm³.
(g) Ein Verbindungselement 7
Zum Beispiel wird ein Polyestervliesstoffhaftband (B-EF56, hergestellt von Nitto Shinko Corporation, Sakai) als ein Verbindungselement 7 verwendet und wird vorher in eine vorgegebene Form (zum Beispiel C-förmige Tücher) geschnitten.
(h) Rückhaltelement 9 für elektrolytische Lösung
In eine rechteckige Form geschnittener Mull wird als ein Rückhaltelement 9 für elektrolytische Lösung verwendet.
(i) Andere Bausatzbestandteile
Andere Bausatzbestandteile umfassen Kitt, um die Einlässe 8 zu schließen, einen 4B-Bleistift, um eine Kohlenstoffschicht 6 zu bilden, eine Tropfpipette 10 (siehe 1B), eine Klemme, eine Betriebsanleitung und ähnliches.
Außerdem werden ein Becherglas, ein Rührer, ein Heizer zum Heizen einer Lösung in dem Becherglas, ein Ofen für eine Heizhaftbehandlung und ähnliches für die Montage des Bausatzes verwendet. Außerdem werden ein Schaltungsprüfer, eine Miniglühbirne und ähnliches für die Bestätigung der Elektrizitätserzeugung verwendet.
Der vorstehend beschriebene Bausatz wird durch die folgenden Schritte (1) bis (4) zu der farbensensibilisierten Solarzelle 1 montiert:
(1) Herstellung der Halbleiterelektrode
Zuerst wird die poröse Halbleiterschicht 5 auf der Oberfläche des transparenten leitenden Glassubstrats 4 ausgebildet. In diesem Ausbildungsschritt wird Elektrokristallisation verwendet. In der Elektrokristallisation werden die vorgenannte elektrolytische Zinklösung und die Template-Verbindungslösung in ein Becherglas gegeben und von dem Rührer ausreichend gerührt, so dass eine elektrolytisch abgeschiedene Lösung hergestellt wird. Das transparente leitende Glassubstrat 4 und der Zinkdraht werden in die elektrolytische abgeschiedene Lösung in dem Becherglas eingetaucht. Zwei Trockenzellen werden in Reihe geschaltet, so dass eine Gleichspannung von 3 V an den Zinkdraht angelegt wird, der als die Anode dient, wobei das Glassubstrat 4 als die Kathode dient. Außerdem wird etwa 8 Minuten lang eine elektrolytische Lösungsbehandlung durchgeführt, während die Temperatur der Lösung auf 70°C gehalten wird.
Als Ergebnis der elektrochemischen Reaktion in der Anode und der Kathode und einer chemischen Reaktion in der Nachbarschaft der Kathode wird Metalloxid (Zinkoxid) auf der Oberfläche des transparenten leitenden Glassubstrats 4 elektrolytische abgeschieden, um zu der porösen Halbleiterschicht 5 ausgebildet zu werden. In diesem Fall tritt während der elektrolytischen Abscheidung von Metalloxid die Template-Verbindung (Farbstoff in der Ausführungsform) in Lücken ein, so dass die poröse Form ausgebildet wird.
(2) Farbübertragungsbehandlung der Halbleiterelektrode
Anschließend wird die mit der porösen Halbleiterschicht 5 ausgebildete Halbleiterelektrode 2 eine Stunde lang bei 70°C in die vorgenannte Farbstoff übertragende Behandlungsflüssigkeit eingetaucht (Wasserlösung, die Eosin Y enthält, das als ein sensibilisierender Farbstoff dient, mit der Konzentration von 5 × 10^–4 Mol/dm³). Folglich wird der Schritt zum Übertragen des Farbstoffs auf die poröse Halbleiterschicht 5 ausgeführt.
(3) Herstellung der entgegengesetzten Elektrode
Ein Schritt zum Ausbilden der Kohlenstoffschicht 6 auf der Oberfläche (leitenden Oberfläche) des anderen transparenten leitenden Glassubstrats 4 wird ausgeführt. In diesem Schritt wird die Oberfläche des transparenten leitenden Glassubstrats 4 durch den 4B-Bleistift geschwärzt, wodurch die entgegengesetzte Elektrode 3 ausgebildet wird.
(4) Montage der Zelle
Anschließend wird ein Schritt zum Montieren der farbensensibilisierten Solarzelle 1 ausgeführt. Wie in 1A gezeigt, wird die Halbleiterelektrode 2 so angeordnet, dass die poröse Halbleiterschicht 5 aufwärts angeordnet ist. Das Rückhaltelement 9 für elektrolytische Lösung (Mull) wird auf der Mitte der porösen Halbleiterschicht 5 angeordnet. Dabei wird das Verbindungselement 7 in einem gut positionierten Zustand auf dem Umfang der porösen Halbleiterschicht 5 angeordnet.
Anschließend wird die entgegengesetzte Elektrode 3 auf dem Verbindungselement 7 angeordnet, wobei die Kohlenstoffüberzugsschicht 6 in Kontakt mit dem Verbindungselement 7 ist, so dass die entgegengesetzte Elektrode 3 vorübergehend von der Klemme oder ähnlichem verbunden wird. Die vorübergehende Anordnung wird in einen Ofen gelegt, um zum Beispiel 30 Minuten lang auf 150°C geheizt zu werden, woraufhin das Verbindungselement 7 verbunden und gehärtet wird.
Anschließend wird die elektrolytische Erstausstattungslösung L1 unter Verwendung einer Tropfpipette 10 in die Einlässe 8 getröpfelt, um dadurch in dem Rückhalteelement 9 für elektrolytische Lösung absorbiert zu werden (ein anfänglicher Zuführungsschritt für elektrolytische Lösung). Nach Abschluss der Zuführung der elektrolytischen Lösung L1 werden die Einlässe 8 durch Kitt verschlossen. Auf diese Weise ist die Herstellung der farbensensibilisierten Solarzelle 1 abgeschlossen.
Die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellte farbensensibilisierte Solarzelle 1 wird draußen angeordnet, um natürlichem Sonnenlicht ausgesetzt zu werden. Als ein Ergebnis wird Lichtenergie des natürlichen Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt, so dass zwischen beiden Elektroden 2 und 3 eine Spannung erzeugt wird. Die Spannung wurde gemessen. In der Ausführungsform wurde die Ausgabe einer Leerlaufspannung (Voc) von 0,65 V und eines Kurzschlussstroms (Isc) von 0,0065 A zwischen den Elektroden 2 und 3 bestätigt. Dies kann auch bestätigt werden, indem eine Miniglühbirne zwischen den Elektroden 2 und 3 angeschlossen wird. Wenn ein Umwandlungswirkungsgrad basierend auf diesen Messwerten berechnet wird, wird der Wert 0,054% erhalten. Der Umwandlungswirkungsgrad wird aus der folgenden Gleichung erhalten: Umwandlungswirkungsgrad (%) = Voc × Isc × K × 100 K = ff/(Pi × S)wobei ff ein Füllfaktor ist, Pi eine in die Zelle einfallende Energiedichte (W/m²) ist und S eine effektive Fläche der Solarzelle (m²) ist.
Ein geschlossener Raum, der die elektrolytische Lösung L zurückhält, wird von dem Verbindungselement 7 und dem Kitt in der farbensensibilisierten Solarzelle der Ausführungsform zwischen der Halbleiterelektrode 2 und der entgegengesetzten Elektrode 3 definiert. Folglich kann das Fortschreiten in dem Lecken und der Verdampfung (Verflüchtigung) der elektrolytischen Lösung L unterdrückt werden. Da das Rückhalteelement 9 für elektrolytische Lösung außerdem in dem geschlossenen Raum angeordnet ist, kann das Lecken der elektrolytischen Lösung ferner unterdrückt werden. Da außerdem ein geeigneter Zellenspalt zwischen der Halbleiterelektrode 2 und der entgegengesetzten Elektrode 3 aufrechterhalten wird, kann ein Kurzschluss zwischen den Elektroden 2 und 3 verhindert werden.
Direkt nach der Herstellung wird von der vorstehend beschriebenen Solarzellenbatterie 1 eine konstante Zellenleistung (Umwandlungswirkungsgrad beim Umwandeln von Sonnenlichtenergie in elektrische Leistung) erhalten. Da Lecken und Verdampfung der elektrolytischen Lösung L jedoch mit dem Verlauf der Zeit unvermeidbar sind, schwindet die elektrolytische Lösung L, und die Leistung der Solarzellenbatterie verringert sich. In der Solarzelle 1 der Ausführungsform wird der Umwandlungswirkungsgrad zum Beispiel nach zwei Wochen auf 0,018% verringert (Leerlaufspannung: 0,63 V und Kurzschlussstrom: 2,2 mA).
Angesichts des vorangehenden Problems wird die elektrolytische Lösung in der Ausführungsform, wenn die elektrolytische Lösung L mit dem Verlauf der Zeit von dem in 2A gezeigten Zustand schwindet, mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2 ergänzt, wodurch die Zellenleistung der Solarzelle 1 wiederhergestellt werden kann (Ergänzungsschritt). In der Ergänzung wird der Kitt, der jeden Einlass 8 verschließt, entfernt, und die ergänzende elektrolytische Lösung L2 wird von der Tropfpipette 10 aufgenommen, um, wie in 2B gezeigt, in die Einlässe 8 zugeführt zu werden. Nach Abschluss der Zuführung der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2, werden die Einlässe 8 durch den Kitt wieder verschlossen.
Gemäß den von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen, wird die Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2 geringer als die Anfangskonzentration (der elektrolytische Erstausstattungslösung L1) gemacht. Folglich wird die Konzentration der elektrolytischen Lösung L nach der Ergänzung auf einer passenden Elektrolytkonzentration gehalten, woraufhin die Zellenleistung in wünschenswerter Weise wiederhergestellt werden kann. In der Ausführungsform wurde bestätigt, dass der Umwandlungswirkungsgrad auf 0,051% wiederhergestellt wird (Leerlaufspannung: 0,65 V und Kurzschlussstrom: 6,1 mA). Außerdem wurde bestätigt, dass die Zellenleistung sogar wiederhergestellt wurde, wenn die elektrolytische Lösung einer Solarzelle, die zu einer Knappheit an elektrolytischer Lösung geführt hat, mit der ergänzenden Lösung L2 ergänzt wurde.
Das von den Erfindern durchgeführte Experiment zeigt, dass der Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung niedrig ist, wenn die geschwundene elektrolytische Lösung einfach mit der elektrolytischen Lösung ergänzt wird, die äquivalent zu der ist, die während der Montage zugeführt wird (elektrolytische Erstausstattungslösung L1). Wenn die elektrolytische Lösungskonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2 andererseits wie in der Ausführungsform niedriger als die Anfangskonzentration gemacht wird, kann die Zellenleistung gut wiederhergestellt werden. Da der Schwund der elektrolytischen Lösung L hauptsächlich aufgrund der Verflüchtigung des Lösungsmittels ist, wird gefolgert, dass die Konzentration der elektrolytischen Lösung L erhöht wird oder die elektrolytische Lösung L konzentriert wird. Es wird ferner gefolgert, dass die elektrolytische Lösung L auf einer passenden Elektrolytkonzentration gehalten wird, wenn die elektrolytische Lösung L derart ergänzt wird, dass sie verdünnt wird.
Das Folgende beschreibt ein Experiment, das die Erfinder durchgeführt haben, um die Beziehung zwischen der Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2 und dem Wiederherstellungsgrad der Zellenleistung (Umwandlungswirkungsgrad) zu prüfen. Wie in 3 gezeigt, war eine Jodkonzentration der elektrolytischen Erstausstattungslösung L1, die während der Montage zugeführt wurde, 50 mMol/dm³, und eine hergestellte Solarzelle 1 wurde zwei Wochen lang in einem Raum bei 25°C gelagert. Danach wurden ein Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung gemessen, und ein Umwandlungswirkungsgrad wurde aus dem gemessenen Kurzschlussstrom und der Leerlaufspannung erhalten. In diesem Fall wurden acht Arten von ergänzenden elektrolytischen Lösungen L2 hergestellt. Die ergänzenden elektrolytischen Lösungen L2 hatten unterschiedliche Jodkonzentrationen, das heißt, 0 mMol/dm³ (nur Lösungsmittel ohne Elektrolyt) 1 mMol/dm³, 5 mMol/dm³, 10 mMol/dm³, 20 mMol/dm³, 30 mMol/dm³, 40 mMol/dm³ und 50 mMol/dm³ (gleich der elektrolytischen Erstausstattungslösung L1). Außerdem war in jeder ergänzenden elektrolytischen Lösung eine Lösungshilfe (TPAI) mit einer Konzentration von 5 ml/dm³ enthalten.
3 zeigt Ergebnisse des vorangehenden Experiments und insbesondere Prozentsätze des Umwandlungswirkungsgrads nach der Ergänzung der elektrolytischen Lösung L, wenn der Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle 1 direkt nach der Montage bei 100 liegt. Außerdem ist 4 ein Diagramm, das die Ergebnisse zeigt, in denen die Abszissenachse die ergänzende elektrolytische Lösung L2 und die Ordinatenachse die Wiederherstellungsgrade bezeichnet.
Wie aus den experimentellen Ergebnissen offensichtlich ist, werden günstige Wiederherstellungsgrade erhalten, wenn die Jodkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2 bei 10, 20 und 30 mMol/dm³ liegt. Wenn die Konzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2 folglich von 20% bis 60% der Jodkonzentration der elektrolytischen Erstausstattungslösung L1 (in diesem Fall 50 mMol/dm³) reicht, versteht sich, dass ein höherer Widerherstellungsgrad erreicht werden kann. Es versteht sich aus 4 auch, dass ein Bereich von 30% bis 50% wünschenswerter ist. Außerdem ist der Wiederherstellungsgrad höher, wenn die Jodkonzentration andere Werte als 0 mMol/dm³ hat. Der Grund dafür ist, dass Jod, das als der gelöste Stoff dient, ebenso wie das Lösungsmittel verdampft, so dass eine Jodmenge schwindet und das Jod ebenfalls ergänzt wird.
5A bis 10B stellen eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar. In der zweiten Ausführungsform wird die Erfindung ebenfalls auf die farbensensibilisierte Solarzelle 1 angewendet, die ähnlich der der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist. Wenn die elektrolytische Lösung L in der zweiten Ausführungsform mit dem Verlauf der Zeit, zum Beispiel zwei Wochen, schwindet, wird die elektrolytische Lösung L mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung L2, die eine niedrigere Elektrolytkonzentration als die elektrolytische Erstausstattungslösung L1 hat, ergänzt. Als ein Ergebnis wird die Zellenleistung der Solarzelle 1 wiederhergestellt. In diesem Fall liegt eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung bei einer x-ten elektrolytischen Lösungsergänzung im Bereich von: (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) y (B)wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind) ... (A)
Insbesondere zeigt sich die Gleichung (A) in der farbensensibilisierten Solarzelle der Ausführungsform als: y = 20 + 7,8·1nx (A')
Außerdem kann die Zahl der Male x in eine Zeit, wie etwa einen Tag X umgerechnet werden. Insbesondere kann die Anzahl der Male als x (Male) = f·X (Tag) umgerechnet werden. In der Ausführungsform ist f = (1/14). Noch spezieller ist die Jodkonzentration der elektrolytischen Erstversorgungslösungsflüssigkeit L1 in der Ausführungsform 50 mMol/dm³, und die Jodkonzentration der ersten ergänzenden elektrolytischen Lösung, die zwei Wochen später zugeführt wurde, war 20 mMol/dm³. Die Jodkonzentration der zweiten ergänzenden elektrolytischen Lösung, die weitere zwei Wochen später (insgesamt vier Wochen später) zugeführt wurde, war 25 mMol/dm³. Außerdem war die Jodkonzentration der dritten ergänzenden elektrolytischen Lösung, die noch zwei Wochen später (insgesamt sechs Wochen später) zugeführt wurde, 30 mMol/dm³. Noch weiter war die Jodkonzentration der vierten ergänzenden elektrolytischen Lösung, die noch weitere zwei Wochen später (insgesamt acht Wochen später) zugeführt wurde, 30 mMol/dm³. Infolgedessen wurde der beste Wiederherstellungsgrad erreicht.
Gemäß den Experimenten und den Untersuchungen, die beide von den Erfindern durchgeführt wurden, ist ein allmähliches Erhöhen der Jodkonzentration mit der Zunahme der Anzahl der Male der elektrolytischen Lösungsergänzung wirksam für die Wiederherstellung der Zellenleistung. Eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung bei der x-ten elektrolytischen Lösungsergänzung kann durch die vorgenannte Gleichung (A) erzielt werden. Im Fall der farbensensibilisierten Solarzelle 1 der Ausführungsform sind die Werte der Konstanten a und b jeweils 20 und 7,8.
Wenn die ergänzende elektrolytische Lösungskonzentration Y außerdem derart festgelegt wird, dass sie in einem Bereich von –33% bis +33% relativ zu der optimalen Konzentration y (vorangehende Gleichung (C)) liegt, kann eine gute Wiederherstellung der Zellenleistung erreicht werden. Natürlich sollte die ergänzende elektrolytische Lösungskonzentration Y in einem Bereich liegen, dass die Elektrolytkonzentration der elektrolytischen Erstausstattungslösung (der Jodkonzentration des Erstausstattungselektrolyten L1, 50 mMol/dm³) nicht überschritten wird, wenn sie auch innerhalb des Bereichs der Gleichung (C) liegt. Die Elektrolytkonzentration Y (optimale Konzentration y) hat nicht den Wert null.
Wenn nur berücksichtigt wird, dass der Schwund der elektrolytischen Lösung L hauptsächlich aufgrund der Verflüchtigung des Lösungsmittels erfolgt, sollte die Elektrolytkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, mit steigender Anzahl der Male der Ergänzung allmählich dünner gemacht werden. Als Ergebnis der von den Erfindern durchgeführten Experimente wurde jedoch im Gegenteil klar, dass die Elektrolytkonzentration mit steigender Anzahl der Male der Ergänzung allmählich erhöht wird.
Das Folgende beschreibt das von den Erfindern durchgeführte Experiment und die experimentellen Ergebnisse. Wie in 5 bis 8, die später beschrieben werden, gezeigt, war die Jodkonzentration der elektrolytischen Konzentration, die bei der Montage zugeführt wird (elektrolytische Erstausstattungslösung L1), wie in der ersten Ausführungsform auf 50 mMol/dm³ festgelegt. Die hergestellte Solarzelle 1 wurde in dem Raum bei 25°C aufbewahrt. Die elektrolytische Lösung wurde mit jedem Ablauf von zwei Wochen mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit verschiedenen Werten für die Jodkonzentration ergänzt, wobei der Umwandlungswirkungsgrad (Wiederherstellungsgrad) erhalten wurde. Das Bezugssymbol M bezeichnet die Einheit der Konzentration Mol/dm³ in 5A bis 10B.
Wie in 5A, 5B, 10A und 10B gezeigt, wurde die elektrolytische Lösung in Bezug auf die erste Ergänzung der elektrolytischen Lösung zwei Wochen später mit elektrolytischer Lösung mit 10 Arten von Jodkonzentrationen mit Experimentdurchlaufnummern von 1 bis 10 ergänzt. Das Experiment überschnitt sich teilweise mit dem Experiment in der ersten Ausführungsform. Der Prozentsatz des Umwandlungswirkungsgrad der elektrolytischen Lösung wurde als Wiederherstellungsgrad erhalten, wenn ein Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle 1 direkt nach der Montage 100 war. Jede Art von elektrolytischer Lösung enthielt die Lösungshilfe (TPAI) mit der Konzentration 0,5 Mol/dm³. 5 zeigt die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die erste Ergänzung mit elektrolytischer Lösung. In diesem Fall wurde das beste Ergebnis mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit 20 Mol/dm³ erzielt.
Wie in 6A, 6B, 10A und 10B gezeigt, wurde dann eine zweite Ergänzung mit elektrolytischer Lösung für die Solarzelle 1 durchgeführt, die mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit der Jodkonzentration von 20 mMol/dm³ ergänzt worden war, wobei die elektrolytischen Lösungen mit den Jodkonzentrationen der experimentellen Durchlaufnummern 11 bis 16 verwendet wurden. 6A und 6B zeigen die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die zweite Ergänzung der elektrolytischen Lösung. In diesem Fall wurde das beste Ergebnis mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit der Jodkonzentration von 25 mMol/dm³ erhalten.
Wie in 7, 10A und 10B gezeigt, wurde weitere zwei Wochen später ebenso eine dritte Ergänzung mit elektrolytischer Lösung für die Solarzelle 1 durchgeführt, die mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit der Jodkonzentration von 25 mMol/dm³ ergänzt worden war, wobei die elektrolytischen Lösungen mit den Jodkonzentrationen der experimentellen Durchlaufnummern 17 bis 21 verwendet wurden. 7 zeigt die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die dritte Ergänzung mit elektrolytischer Lösung. In diesem Fall wurde das beste Ergebnis mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit der Jodkonzentration von 30 mMol/dm³ erhalten.
Wie schließlich in 8, 10A und 10B gezeigt, wurde noch zwei weitere Wochen später eine vierte Ergänzung mit elektrolytischer Lösung für die Solarzellen 1 durchgeführt, die mit der elektrolytischen Lösung mit der Jodkonzentration von 30 mMol/dm³ ergänzt worden waren, wobei die elektrolytischen Lösungen mit den Jodkonzentrationen mit den experimentellen Durchlaufnummern 22 bis 25 verwendet wurde. 8 zeigt die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die dritte Ergänzung mit elektrolytischer Lösung. In diesem Fall wurde das beste Ergebnis mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit der Jodkonzentration von 30 mMol/dm³ erhalten.
Wie aus den vorangehenden experimentellen Ergebnissen offensichtlich ist, wird die Beziehung zwischen der Anzahl der Male der elektrolytischen Lösungsergänzung x und einer optimalen Konzentration y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung erhalten als: y = 20 + 7,8·1nx (A')
Außerdem liegt die Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der tatsächlichen ergänzenden elektrolytischen Lösung im Bereich von: (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) y (C)
Es ist klar, dass die Zellenleistung gut wiederhergestellt werden kann, wenn die Elektrolytkonzentration Y in diesem Bereich liegt.
9A ist ein Diagramm, das die Ergebnisse zeigt, in denen die Abszissenachse die Anzahl der Male der elektrolytischen Lösungsergänzung (vergangene Zeit) und die Ordinatenachse die optimale Elektrolytkonzentration für die Wiederherstellung der Zellenleistung bezeichnet. Die Erfinder haben die Beziehung zwischen der Anzahl der Male der elektrolytischen Lösungsergänzung und einer optimalen Elektrolytkonzentration aus den experimentellen Ergebnissen untersucht. Wenn durch die Näherungsform von 4A ein Beziehungsausdruck zwischen der Anzahl der Male der elektrolytischen Lösungsergänzung x und der optimalen Konzentration y erhalten wird, werden die folgenden drei Beziehungen berücksichtigt. Insbesondere die Beziehung, in der der Wert von y relativ zu x, wie in 9B gezeigt, linear erhöht wird, die Beziehung, in der der Wert von y allmählich erhöht wird, während eine Kurve in der Weise einer logarithmischen Funktion gezeichnet wird, wie in 9C gezeigt, oder die Beziehung, in der der Wert von y einmal erhöht wird und danach verringert wird, während eine parabelförmige Kurve, wie in 9D gezeigt, gezeichnet wird.
Einer der Zwecke der Ergänzung der elektrolytischen Lösung ist, verloren gegangene elektrolytische Lösung zu kompensieren und gleichzeitig die elektrolytische Lösung der Solarzelle 1 zu steuern, so dass eine optimale Elektrolytkonzentration (50 mMol/dm³ Jodkonzentration) aufrechterhalten wird. In der geradlinigen Näherung von 9B überschreitet die optimale Jodkonzentration y die anfängliche Elektrolytkonzentration oder eine optimale Elektrolytkonzentration für die farbensensibilisierte Solarzelle, wenn die Anzahl der Male der Ergänzung x erhöht wird, woraufhin eine Unbeständigkeit auftritt. Folglich ist 9B als der Beziehungsausdruck ungeeignet.
Als nächstes beschreibt das Folgende einen Mechanismus der Leistungsverschlechterung der Solarzelle 1 aufgrund des Verlusts von elektrolytischer Lösung bis zur Wiederherstellung der Zellenleistung der Solarzelle 1 nach der Ergänzung der elektrolytischen Lösung. Die Solarzelle 1 verliert die elektrolytische Lösung aufgrund der Verflüchtigung mit dem Verlauf Zeit nach ihrer Herstellung. Als ein Ergebnis wird die elektrolytische Lösung in der Solarzelle 1 derart konzentriert, dass die Elektrolytkonzentration (Jodkonzentration) erhöht wird. Die Jodkonzentration (I₃–) in der elektrolytischen Lösung hat die Wirkung, Licht zu blockieren. Wenn folglich die Jodkonzentration erhöht wird, wird eine Menge des auf die Elektrode der Solarzelle 1 einfallenden Lichts verringert, woraufhin die Zellenleistung verringert wird. Außerdem bildet die Verringerung einer Menge der elektrolytischen Lösung einen Leerraum der Solarzelle 1. Der Leerraum verringert eine wirksame Fläche der Solarzelle 1, wodurch die Spülleistung verringert wird.
Wenn die Solarzelle 1, deren elektrolytische Lösung geschwunden ist, mit elektrolytischer Lösung ergänzt wird, wird die Solarzelle 1 mit der elektrolytischen Lösung gefüllt, so dass ihre effektive Fläche wiederhergestellt wird, und gleichzeitig wird die konzentrierte elektrolytische Lösung in die elektrolytische Lösung mit einer optimalen Jodkonzentration verdünnt. Folglich wird die Zellenleistung wiederhergestellt. Allerdings geht Jod ebenso wie das elektrolytische Lösungsmittel auch durch Verflüchtigung im Prozess der Konzentration der elektrolytischen Lösung als das Ergebnis des Verlusts der elektrolytischen Lösung verloren. Folglich kann die Zellenleistung nicht wirksam wiederhergestellt werden, wenn die ergänzende elektrolytische Lösung nicht eine gewisse Menge an Jodionen enthält.
Außerdem wird bedacht, dass in dem Prozess der Elektrolytkonzentration anders als durch Verflüchtigung Jodionen als Jod (I₂) abgeschieden werden können. Wenn sie als Jod abgeschieden wird, bilden die Jodionen Klumpen (Kerne). Jeder Kern ist in seinem Anfangszustand klein (wenn der Wert von x klein ist) und wird in dem Prozess der elektrolytischen Lösungsergänzung wieder gelöst, wodurch er wieder zu einem Jodion wird.
Jedoch wird bedacht, dass der Jodkern, der sich nicht in der elektrolytischen Lösung löst, größer wird, wenn der Wert von x erhöht wird, das heißt, wenn die Abscheidung und Lösung von Jod in der Solarzelle 1 wiederholt werden. Wenn der Kern groß wird, wird eine Oberfläche von Jod verkleinert. Folglich wird eine Menge an sich lösendem Jod bei der Zuführung ergänzender elektrolytischer Lösung verringert. Als ein Ergebnis dient eine Menge an Jod als ein Elektrolytbestandteil (Jodion), obwohl eine Menge an Jod, die in der Solarzelle 1 vorhanden ist, ausreicht. Folglich wird bedacht, dass eine ergänzende elektrolytische Lösung mit einer höheren Jodkonzentration notwendig ist, wenn die Anzahl der Male der Ergänzung x erhöht wird. Folglich ist 9D als der Beziehungsausdruck nicht geeignet.
Das Vorstehende kann wie folgt zusammengefasst werden. Größere Jodkerne werden über die Solarzelle 1 verstreut, wenn der Wert von x groß wird. Folglich wird angenommen, dass eine optimale Jodkonzentration der ergänzenden elektrolytischen Lösung erhöht wird, aber 50 mMol/dm³ nicht übersteigt. Insbesondere ist ein vernünftiger Ausdruck zwischen der Anzahl der Male der elektrolytischen Lösungsergänzung x und der optimalen Jodkonzentration y in 9C gezeigt. Es wird berücksichtigt, dass die Konstanten a und b in dem Ausdruck (A) entsprechend einer Gesamtstruktur der Solarzelle (wie der Elektrolyt verdampft, etc.) verschiedene Werte haben und zum Beispiel experimentell oder empirisch erhalten werden können.
Gemäß der vorangehenden Ausführungsform ist der Bereich der Elektrolytkonzentration Y der ergänzenden elektrolytischen Lösung (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) y relativ zu der optimalen Konzentration y (mMol/dm³), die aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (A) oder (A') erhalten wird. Entsprechend kann die elektrolytische Lösung der Solarzelle 1 normalerweise mit der ergänzenden elektrolytischen Lösung mit der passenden Elektrolytkonzentration Y ergänzt werden. Folglich kann die Zellenleistung gut wiederhergestellt werden, und entsprechend kann eine höhere Zellenleistung für eine lange Zeitspannung aufrechterhalten werden.
In der vorangehenden zweiten Ausführungsform liegt die Elektrolytkonzentration Y der ergänzenden elektrolytischen Lösung bei (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) y, wenn y die optimale Konzentration in mMol/dm³ ist und aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (A) oder (A') erhalten wird. Die Elektrolytkonzentration Y kann jedoch im Bereich liegen: y = y ± d (B)wenn y eine optimale Konzentration ist und d = 10. In diesem Fall kann auch die gleiche Wirkung erzielt werden wie von der zweiten Ausführungsform erzielt wird. Außerdem wird nach dem vorgenannten experimentellen Ergebnis bevorzugt, dass die Elektrolytkonzentration Y der ergänzenden elektrolytischen Lösung im Bereich Y = y ± 6,7 liegt. Außerdem wird weiter bevorzugt, dass die Elektrolytkonzentration Y im Bereich 0,95y ≤ Y ≤ 1,05y liegt. Es wird noch weiter bevorzugt, dass die Elektrolytkonzentration Y im Bereich Y = y ± 1,4 liegt.
Die Erfindung sollte nicht auf die vorangehenden Ausführungsformen beschränkt werden. Die Ausführungsformen können wie folgt erweitert oder modifiziert werden. Wenngleich in jeder Ausführungsform Jod (I₂) als der Elektrolyt (gelöster Stoff) verwendet wird, kann ein anderer Elektrolyt, wie etwa Brom (Br₂), verwendet werden. Wenn Brom als der Elektrolyt verwendet wird, wird eine optimale Elektrolytkonzentration der elektrolytischen Erstausstattungslösung 40 mMol/dm³.
Obwohl die Erfindung in jeder Ausführungsform auf den Herstellungsbausatz zum Lernen angewendet wird, kann die Erfindung auf industriell hergestellte farbensensibilisierte Solarzellen angewendet werden. Wenn die elektrolytische Lösung in diesem Fall nach der Montage schwindet, kann die elektrolytische Erstausstattungslösung mit der elektrolytischen Lösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als der der elektrolytischen Erstausstattungslösung ergänzt werden. Folglich kann die Zellenleistung gut wiederhergestellt werden.
In der ersten Ausführungsform umfassen die Bausatzbestandteile die elektrolytische Erstausstattungslösung L1 mit höherer Elektrolytkonzentration und die ergänzende elektrolytische Lösung L2 mit der niedrigeren Konzentration als der der elektrolytischen Erstausstattungslösung L1. Die Bausatzbestandteile umfassen somit einzeln zwei Arten elektrolytischer Lösung. Die Bausatzbestandteile können jedoch einzeln ein Lösungsmittel und einen Elektrolyt (gelöster Stoff) enthalten, so dass der Benutzer die elektrolytische Lösung mit einer gewünschten Konzentration einstellen kann. Alternativ können die Bausatzbestandteile eine elektrolytische Lösung mit einer höheren Elektrolytkonzentration und einen Verdünner zum Verdünnen der elektrolytischen Konzentration umfassen, die beide einzeln enthalten sind. In diesem Fall kann die Elektrolytkonzentration ebenfalls frei eingestellt werden. In jedem Fall kann der Benutzer die anfängliche Versorgungselektrode mit der Zielkonzentration und der ergänzenden elektrolytischen Lösung versorgen.
Die Elektroabscheidung wird in jeder Ausführungsform als das Verfahren zum Ausbilden der Halbleiterschicht 5 auf der Oberfläche der Halbleiterelektrode 2 verwendet. Jedoch können eine Paste, die Halbleiterpartikel enthält, und ein Bindemittel auf ein Substrat aufgetragen und unter Druck gesetzt und geheizt (von einem Brenner gebrannt) werden, um dadurch zu einer Halbleiterschicht ausgebildet zu werden. In diesem Fall können verschiedene bekannte Materialien, wie etwa Ti, Zr, Fe oder ähnliches als ein Material der Halbleiterschicht außer Zinkoxid verwendet werden. Außerdem können die Bausatzbestandteile eine Halbleiterelektrode umfassen, die mit einer Halbleiterschicht versehen ist.
Ein transparentes Kunststoffsubstrat kann anstelle des Glassubstrats als das Material für die Halbleiterelektrode und die entgegengesetze Elektrode verwendet werden. Ein Metall, wie etwa Platin, oder ein Metalloxid mit Leitfähigkeit kann als ein Material für einen Elektrodenabschnitt der entgegengesetzen Elektrode verwendet werden. Verschiedene bekannte Materialien können für ein Material des Elektrolyten (gelöster Stoff oder Elektrolyt) oder ein Material für den sensibilisierenden Farbstoff, wie etwa Ruthenium-Bipyridin, Cumarinfarbstoff, Gardeniafarbstoff oder ähnliche, verwendet werden.
Die vorangehende Beschreibung und die Zeichnungen sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und sollen in keinem einschränkenden Sinn interpretiert werden. Vielfältige Änderungen und Modifikationen werden Leuten mit gewöhnlichen Kenntnissen der Technik offensichtlich werden. Alle derartigen Änderungen und Modifikationen werden als in den Schutzbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, fallend verstanden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-264750 A [0002]

Claims

Farbensensibilisierter Solarzellenbausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle, der umfasst: eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die einen Farbstoff trägt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösungsfüllung zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Lösung (L) ergänzt wird, wenn sie geschwunden ist, so dass eine Konzentration einer elektrolytischen Lösung (L2) zur Zeit der Ergänzung niedriger als eine Konzentration der elektrolytischen Lösung (L1) ist, die während der anfänglichen Montage zugeführt wird.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die elektrolytische Lösung eine elektrolytische Erstausstattungslösung (L1) mit einer notwendigen Elektrolytkonzentration und eine ergänzende Elektrolytenlösung (L2) mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als die elektrolytische Erstausstattungslösung (L1) umfasst.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 1, der ferner umfasst: ein Lösungsmittel und einen Elektrolyt, die beide zum Anpassen der elektrolytischen Lösung dienen, wobei das Lösungsmittel und der Elektrolyt unabhängig voneinander sind, wobei die elektrolytische Lösung eine elektrolytische Erstausstattungslösung mit einer notwendigen Elektrolytkonzentration und eine ergänzende elektrolytische Lösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als die elektrolytische Erstausstattungslösung umfasst, wobei die Erstausstattungs- und ergänzenden elektrolytischen Lösungen (L1, L2) durch das Lösungsmittel und das Elektrolyten einstellbar sind.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 1, der ferner umfasst: einen Verdünner zum Verdünnen der elektrolytischen Lösung, wobei die elektrolytische Lösung eine elektrolytische Erstausstattungslösung mit einer notwendigen Elektrolytkonzentration und eine ergänzende elektrolytische Lösung (L2) mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als die elektrolytische Erstausstattungskonzentration (L1) umfasst, wobei die Erstausstattungs- und ergänzenden elektrolytischen Lösungen (L1, L2) durch den Verdünner einstellbar sind.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 1, der ferner umfasst: ein Verbindungselement (7), das einen Raum begrenzt, der die elektrolytische Lösung zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode hält und die Halbleiterelektrode und die entgegengesetzte Elektrode miteinander verbindet, während ein Einlass (8) für die elektrolytische Lösung sichergestellt wird; und ein Dichtungselement, das abnehmbar an dem Einlass befestigbar ist, um dadurch den Einlass zu schließen.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Rückhalteeinheit (9) für die elektrolytische Lösung, die zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode angeordnet ist, um die elektrolytische Lösung zurückzuhalten.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 5, der ferner umfasst: eine Rückhalteeinheit (9) für die elektrolytische Lösung, die zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode angeordnet ist, um die elektrolytische Lösung zurückzuhalten.
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 5, wobei eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung, bei einem x-ten Mal der elektrolytischen Lösungsergänzung in einem Bereich: Y = y ± d (wobeid = 10)liegt, wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind).
Bausatz zur Herstellung einer farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 1, wobei eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung bei einem x-ten Mal der elektrolytischen Lösungsergänzung im Bereich von: (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) yliegt, wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind).
Farbensensibilisierte Solarzelle, die umfasst: eine Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die einen Farbstoff überträgt, eine entgegengesetzte Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und eine elektrolytische Lösungsfüllung zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Lösung (L) ergänzt wird, wenn die elektrolytische Lösung geschwunden ist, so dass eine Konzentration einer elektrolytischen Lösung (L2) zur Zeit der Ergänzung niedriger als eine Konzentration der elektrolytischen Lösung (L1) ist, die während der anfänglichen Montage zugeführt wird.
Farbensensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 10, wobei eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung, bei einem x-ten Mal der elektrolytischen Lösungsergänzung in einem Bereich: Y = y ± d (wobei d = 10)liegt, wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind).
Farbensensibilisierten Solarzelle nach Anspruch 10, wobei eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung bei einem x-ten Mal der elektrolytischen Lösungsergänzung im Bereich von: (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) yliegt, wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind).
Verfahren zur Verwendung einer farbensensibilisierten Solarzelle mit einer Halbleiterelektrode mit einer Halbleiterschicht, die einen Farbstoff trägt, einer entgegengesetzten Elektrode, die entgegengesetzt zu der Halbleiterelektrode angeordnet ist, und einer elektrolytische Lösung, die durch Lösen von elektrolytischer Lösung in einem Lösungsmittel hergestellt wird und während der anfänglichen Montage dazu gebracht wird, zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode aufzufüllen, gekennzeichnet durch: Füllen eines Raums zwischen der Halbleiterelektrode und der entgegengesetzten Elektrode während einer anfänglichen Montage mit einer elektrolytischen Erstausstattungslösung mit der notwendigen Elektrolytkonzentration; und Ergänzen der elektrolytischen Lösung mit einer ergänzenden elektrolytischen Lösung mit einer niedrigeren Elektrolytkonzentration als der elektrolytischen Erstausstattungslösung, wenn die elektrolytische Lösung nach der Montage geschwunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei in dem Ergänzungsschritt eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung, bei einem x-ten Mal der elektrolytischen Lösungsergänzung in einem Bereich: Y = y ± d (wobeid = 10)liegt, wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei in dem Ergänzungsschritt eine Elektrolytkonzentration Y (mMol/dm³) der ergänzenden elektrolytischen Lösung bei einem x-ten Mal der elektrolytischen Lösungsergänzung im Bereich von: (2/3) y ≤ Y ≤ (4/3) yliegt, wenn eine optimale Konzentration y (mMol/dm³) durch y = a + b·1nx erhalten wird (wobei a und b Konstanten sind).