DE102008030398A1

DE102008030398A1 - Farbstoffsensibilisierte Solarzelle

Info

Publication number: DE102008030398A1
Application number: DE102008030398A
Authority: DE
Inventors: Naoki Yoshimoto; Hiroto Naito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: US20090000661A1; DE102008030398B4; US8354584B2; JP4488034B2; JP2009009866A

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer vergrößerten farbstoffsensibilisierten Solarzelle, die eine kurzschlussverhindernde Struktur aufweist, während ein Abstand zwischen einem transparenten leitenden Oxid und einer Gegenelektrode, das heißt, einer Zelllücke, verkürzt wird. Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle beinhaltet ein transparentes leitendes Oxid, das ein transparentes Substrat und ein leitendes Metalloxid, das eine Lichtübertragungseigenschaft aufweist, einschließt; ein Metallgitter, das auf dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet ist; eine Schutzschicht, mit der das Metallgitter beschichtet ist; eine farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht, die auf dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet ist, in dem das Metallgitter nicht ausgebildet ist; und ein Gegenelektrodensubstrat, wobei eine kurzschlussverhindernde Schicht auf dem Gegenelektrodensubstrat, das dem Metallgitter zugewandt ist, vorgesschlussverhindernden Schicht gebildete Breite größer als eine von dem Metallgitter und der Schutzschicht gebildete Breite ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulstruktur einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zurzeit wird aktiv ein Photovoltaik-Energiesystem zur Förderung der wirksamen Nutzung natürlich vorkommender Energie entwickelt. Aktuell ist eine Solarzelle, die photovoltaische Energie erzeugt, hauptsächlich aus Einkristall- oder polykristallinem Silicium hergestellt worden. Jedoch hat sich die Erzeugung photovoltaischer Energie aufgrund der instabilen Versorgung mit Rohsilicium oder der unzureichenden Kostenreduzierung des Verfahrens noch nicht weit verbreitet.
Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die von Professor Graetzel aus der Schweiz entwickelt wurde, erregt als kostengünstige Solarzelle Aufmerksamkeit, da kein Silicium als Rohmaterial dient. In 4 ist eine Schnittansicht einer konventionellen farbstoffsensibilisierten Solarzelle schematisch gezeigt. Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle beinhaltet ein transparentes leitendes Oxid 23, eine farbstoffabsorbierte Halbleiterdünnschicht 33, die neben dem transparenten leitenden Oxid 23 liegt, eine Gegenelektrode 43 und eine Elektrolytlösung 51.
Das transparente leitende Oxid 23 wird als Elektrode der Lichtaufnahmeseite eingesetzt. Im Allgemeinen wird das transparente leitende Oxid 23 durch Aufbringen eines leitenden Metalloxids 22 auf einem aus Natronkalkglas hergestellten transparenten Substrat 21 hergestellt. Als das leitende Metalloxid 22 dient FTO (mit Fluor dotiertes Zinnoxid) oder ITO (Indiumzinnoxid).
Die farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht 33 beinhaltet ein Metalloxid 31, wie etwa ein Titanoxid mit Halbleitereigenschaft, das in einer porösen Form ausgebildet wird und neben dem leitenden Metalloxid 22 liegt, und auf einer Oberfläche des Metalloxids 31 wird ein sensibilisierender Farbstoff 32 aufgebracht.
Die Gegenelektrode 43 beinhaltet ein leitendes Substrat 41 und eine Katalysatorschicht 42, die eine chemische Reaktion eines Elektrolyts fördert und auf dem leitenden Substrat 41 getragen ist. Die Katalysatorschicht 42 beinhaltet Platin oder Kohlenstoff.
Die Gegenelektrode 43 und die farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht 33, die von dem transparenten leitenden Oxid 23 gehalten werden, sind so angebracht, dass sie einander zugewandt sind, und ein Dichtungsmittel 61 ist auf einen Umfangsbereich des Substrats mit einer vorgegebenen Lücke aufgetragen. Die zwei Elektroden 22 und 43 sind mit dem zwischen ihnen eingefügten Dichtungsmittel 61 miteinander gebondet, wodurch sie eine Zelle erzeugen. Ein Elektrolyt, der einen Redoxbeschleuniger enthält, der aus Iod und einem Iodidion besteht, wird durch ein Elektrolyteinfüllloch 71 in die Lücke zwischen den Elektroden 22 und 43 geladen, um eine ladungsbefördernde Elektrolytlösung 51 auszubilden.
Meist wird ein organisches Nitrillösungsmittel mit einer relativ großen dielektrischen Konstante als Elektrolytlösung 51 verwendet. Es gibt den Versuch, ein bei Umgebungstemperatur geschmolzenes Salz (ionische Lösung) zu verwenden, um die Verflüchtigung des Elektrolyts zu verhindern. In einer mobilen Flüssigkeit besteht das Risiko einer Leckage während der Herstellung oder eines Zellbruchs. Daher wird der Versuch unternommen, die mobile Flüssigkeit quasi zu verfestigen, das heißt, in ein Gel umzuwandeln, um das Lecken der mobilen Flüssigkeit zu verhindern.
Da das auf dem transparenten leitenden Oxid abgelagerte Metalloxid 22 einen Flächenwiderstand aufweist, der mehrere Ω/⎕ groß ist, wird zur Vergrößerung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle ein Reihenwiderstand der Zelle erhöht, wenn die farbstoffsensibilisierte Solarzelle vergrößert wird. Daher wird im Allgemeinen eine Kollektorelektrode in dem transparenten leitenden Oxid 23 platziert. In 5 ist schematisch eine Schnittansicht einer konventionellen farbstoffsensibilisierten Solarzelle gezeigt, in der eine Kollektorelektrode vorgesehen ist. Es gibt verschiedene Kollektorelektrodenaufbauten. Im Allgemeinen wird ein Metallgitter 81 neben dem Metalloxid 22 bereitgestellt, und eine Schutzschicht 82 ist so vorgesehen, dass das Metallgitter 81 die Elektrolytlösung 51 nicht berührt (siehe beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2003-203682 ).
Im Allgemeinen dient der das Iod und Iodidion enthaltende Redoxbeschleuniger als Elektrolyt der farbstoffsensibilisierten Solarzelle. Da viele Arten von Metall für den das Iod und Iodidion enthaltenden Redoxbeschleuniger korrosiv sind, ist es notwendig, das Metallgitter 81 zu schützen. Ein dielektrisches Material, wie etwa ein Harz und eine Glasfritte, wird als Schutzschicht 82 verwendet.
Zur Verbesserung der Effizienz der vergrößerten farbstoffsensibilisierten Solarzelle ist es notwendig, den durch die Vergrößerung erhöhten elektrischen Widerstand zu senken. Der durch die Vergrößerung erhöhte elektrische Widerstand kann hauptsächlich in den Flächenwiderstand des Metalloxids des transparenten leitenden Oxids und einen dielektrischen Widerstand des Elektrolyts unterteilt werden, der proportional zum Abstand zwischen dem transparenten leitenden Oxid und der Gegenelektrode zunimmt. Obwohl der Flächenwiderstand durch Platzieren der Kollektorelektrode gesenkt werden kann, ist es notwendig, einen Schnittaufbau der Solarzelle bei dem Abstand zwischen dem transparenten leitenden Oxid und der Gegenelektrode zu entwickeln.
Jedoch sind die Kollektorelektrode, die Schutzschicht und dergleichen in dem transparenten leitenden Oxid vorgesehen und verkomplizieren den Aufbau. Daher wird ein Eckbereich der Schutzschicht abgebrochen, wenn der Abstand zur Gegenelektrode verkürzt wird, was möglicherweise einen Kurzschluss der Solarzelle verursacht. Zur Verhinderung des Kurzschlusses ist es notwendig, die farbstoffsensibilisierte Solarzelle zu erhalten, in der der Abstand zwischen dem transparenten leitenden Oxid und der Gegenelektrode so weit wie möglich verkürzt ist, ohne den Bruch der Schutzschicht, der den Kurzschluss verursacht, zu bewirken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer vergrößerten farbstoffsensibilisierten Solarzelle, die eine kurzschlussverhindernde Struktur aufweist, während ein Abstand zwischen einem transparenten leitenden Oxid und einer Gegenelektrode, das heißt, einer Zelllücke, verkürzt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle zur Verfügung gestellt, mit einem transparenten leitenden Oxid, das ein transparentes Substrat und ein leitendes Metalloxid mit Lichtübertragungseigenschaft einschließt; einer farbstoffadsorbierten Halbleiterdünnschicht und einem Metallgitter, die auf dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet sind, einem Substrat, mit dem eine Schutzschicht bereitgestellt wird, und einem Gegenelektrodensubstrat, wobei ein Bereich, der keine Lichtübertragung in einem transparenten leitenden Oxid aufweist, das ein Bereich ist, in dem eine kurzschlussverhindernde Schicht in ebener Richtung breiter vorgesehen ist als in einem Bereich, der eine Kollektorelektrode und eine Schutzschicht beinhaltet, wodurch ein Kurzschluss zwischen einem Gegenelektrodensubstrat und einer Kollektorelektrode in dem Fall, dass eine Zelllücke verkürzt wird, verhindert werden kann.
Dementsprechend kann der physische Kontakt zwischen der Kollektorelektrode und der Gegenelektrode, der den Kurzschluss der farbstoffsensibilisierten Solarzelle verursacht, verhindert werden, während die Zelllücke in dem Bereich, der für die Energieerzeugung notwendig ist, verringert wird.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, solange die Handlung und Wirkung erfüllt werden. Zum leichteren Verständnis ist der Verkleinerungsmaßstab in den Zeichnungen nicht immer korrekt.
Die Verwendung des Abgasreinigungskatalysators der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Reinigung von NOx und CO mit hohem Wirkungsgrad.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Umriss einer konventionellen farbstoffsensibilisierten Solarzelle erläutert; und
5 ist eine schematische Schnittansicht, die eine konventionelle vergrößerte farbstoffsensibilisierte Solarzelle zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel eines Hauptteils einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle der 1 beinhaltet eine farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht 33, ein transparentes leitendes Oxid 23, eine Gegenelektrode 43, eine Grundplatte 44 und eine Elektrolytlösung 51. Die farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht 33 beinhaltet ein poröses Metalloxid 31 und einen sensibilisierenden Farbstoff 32, der Licht adsorbiert. Das transparente leitende Oxid 23 beinhaltet ein transparentes Substrat 21 und ein transparentes Substrat 22 aus einem Metalloxid. Die Grundplatte 44 ist so platziert, dass sie die Gegenelektrode 43 berührt, und die Grundplatte 44 bildet die Gegenelektrode 43. Die Elektrolytlösung 51 ist in zumindest einem Teil eines Raums zwischen dem transparenten leitenden Oxid 23 und der Gegenelektrode 43 vorgesehen.
Ein Metallgitter 81 aus Metall ist auf dem transparenten leitenden Oxid 23 bereitgestellt, um einen Flächenwiderstand der transparenten Elektrode zu senken, und eine Schutzschicht 82 ist so vorgesehen, dass das Metallgitter 81 nicht die Elektrolytlösung 51 berührt. Das Metallgitter 81 und die Schutzschicht 82 weisen Dicken von mehreren zehn Mikrometern auf, wenn das Metallgitter 81 und die Schutzschicht 82 durch ein Siebdruckverfahren ausgebildet werden.
Jede Komponente der ersten Ausführungsformen wird nachstehend beschrieben.
Das das transparente leitende Oxid 23 bildende transparente Substrat 21 dient als Grundplatte der farbstoffsensibilisierten Solarzelle. Da das transparente leitende Oxid 23 eine Lichtaufnahmeoberfläche ist, ist es notwendig, dass das transparente Substrat 21 eine optische Übertragungseigenschaft im Bereich des sichtbaren Lichts aufweist. Ein transparentes und steifes Material, wie etwa Natronglas, ein Acrylharz und ein Polycarbonatharz, können als Beispiel für das transparente Substrat 21 genannt werden.
Da die Lichtaufnahmeoberfläche ebenfalls durch das das transparente leitende Oxid 23 bildende transparente Substrat 22 ausgebildet wird, ist es notwendig, dass das transparente Substrat 22 die optische Übertragungseigenschaft aufweist. Beispiele für die transparente Elektrode mit der leitenden Eigenschaft beinhalten ITO (Indiumzinnoxid), das durch Zugabe mehrerer Prozent Zinn zu einem Indiumoxid gebildet wird, und FTO (mit Fluor dotiertes Zinnoxid), das durch Zugabe von Fluor zu Zinn erhalten wird. Wenn ITO in Anwesenheit von Sauerstoff erwärmt wird, wird der Sauerstoff in den ITO-Film inkorporiert, um den Flächenwiderstand zu erhöhen. Um die durch die Erwärmung von ITO verursachte Erhöhung des Flächenwiderstands zu beschränken, wird ein Metalloxid, wie FTO oder ATO (mit Antimon dotiertes Zinnoxid) wirksam auf einer Grenzfläche zwischen ITO und der Umgebungsluft aufgebracht. Die mit Metalloxid laminierte Struktur kann verhindern, dass der Sauerstoff während des Erwärmens das ITO durchdringt.
Eine Dünnschicht des transparenten Substrats 22 kann durch ein Vakuumverfahren, wie etwa Sputtern und CVD (chemische Dampfabscheidung), ausgebildet werden. Zusätzlich wird eine metallorganische Indium- oder Zinnverbindungslösung durch ein Verfahren, wie etwa Spinbeschichten, aufgetragen und die metallorganische Indium- oder Zinnverbindungslösung wird zur Bildung einer Dünnschicht durch eine Wärmebehandlung oxidiert. Es wird auch effektiv ein Sprühnebel-Wärmezersetzungsverfahren übernommen, bei dem eine FTO-Vorläuferverbindung auf das erwärmte Substrat aufgesprüht und die Dünnschicht durch die Wärmezersetzung gebildet wird.
Ein poröses Metalloxid 31 mit Halbleitereigenschaft ist auf dem transparenten Substrat 22 vorgesehen. Es gibt keine besondere Beschränkung für den Halbleiter, aus dem die poröse Halbleiterschicht hergestellt ist. Normalerweise kann irgendein Halbleiter verwendet werden, so lange der Halbleiter zur Bildung des porösen Halbleiters für die Solarzelle dient. Beispielsweise können TiO₂, SnO₂, WO₃, ZnO, Nb₂O₅, In₃O₃, ZrO₂, Ta₂O₅, La₂O₃, SrTiO₃, Y₂O₃, Ho₂O₃, Bi₂O₃, CeO₂, Al₂O₃ als Halbleiter verwendet werden. Beispiele des Porösschicht-Bildungsverfahrens schließen die Schichtbildung durch ein Sol-Gel-Verfahren, die Migrationselektroabscheidung feiner Teilchen, einen durch einen Schaumbildner gebildeten porösen Halbleiter und ein Verfahren zur Entfernung einer überschüssigen Komponente nach dem Auftragen eines Gemisches aus einem Halbleiter und einem Polymer ein, ist aber nicht auf diese Verfahren beschränkt.
Die folgenden Bedingungen sind für einen auf dem Metalloxid aufgetragenen sensibilisierenden Farbstoff 32 notwendig. Es ist notwendig, dass ein LUMO (niedrigstes unbesetztes Molekülorbital)-Niveau des sensibilisierenden Farbstoffs 32 gleich einem Fermi-Niveau des porösen Metalloxids 31 oder höher als dasjenige auf der Seite eines Vakuumniveaus ist. Wenn LUMO niedriger als das Fermi-Niveau des Metalloxids ist, wird eine Energiebarriere beim Injizieren eines durch den Farbstoff sensibilisierten erregten Elektrons in das Metalloxid erzeugt, dadurch wird die photoelektrische Umwandlungseffizienz gesenkt Wünschenswerterweise wird ein Farbstoff, der einen Bereich optischer Energie so weit wie möglich adsorbieren kann, verwendet, um den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung zu verbessern. Daher wird das Licht mit einem sichtbaren Bereich, der einen Wellenlängenbereich bildet, der länger als eine Ultraviolettwellenlänge von 400 nm bis 900 nm ist, unter Verwendung des Farbstoffs mit der breiten Absorptionswellenlänge auf einem Niveau adsorbiert, das gleich oder größer als das Licht des Ultraviolettbereichs ist.
Beispiele des sensibilisierenden Farbstoffs, der die notwendige Bedingung und die wünschenswerte Bedingung erfüllt, beinhalten einen Rutheniumkomplex, in dem eine Bipyridinstruktur und eine Terpyridinstruktur in einem Liganden eingeschlossen sind, einen Metall enthaltenden Komplex, wie etwa Porphyrin und Phthalocyanin, und einen organischen Farbstoff, wie etwa Eosin, Rhodamin und Merocyanin.
Eine farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht 33 wird gebildet, indem der sensibilisierende Farbstoff 32 auf dem porösen Metalloxid 31 aufgebracht wird. Für das Verfahren zum Aufbringen des sensibilisierenden Farbstoffs 32 wird normalerweise das poröse Metalloxid 31 eine vorgegebene Zeit lang in eine Lösung getaucht, in der der Farbstoff aufgelöst ist. An diesem Punkt wird der sensibilisierende Farbstoff 32 wünschenswerterweise in einer monomolekularen Weise auf einer Oberfläche des porösen Metalloxids 31 adsorbiert. Daher kann die Auslöschung eines lichterregten Elektrons des sensibilisierenden Farbstoffs verhindert werden, um die Verbesserung des Wirkungsgrads der photoelektrischen Umwandlung zu erreichen.
Normalerweise weist das in dem transparenten leitenden Oxid verwendete transparente Substrat 22 einen Flächenwiderstand von mehreren Ω/⎕ auf, und ein innerer Widerstand der farbstoffsensibili sierten Solarzelle wird durch die Vergrößerung des transparenten leitenden Oxids erhöht. Ein Metallgitter 81 ist auf dem transparenten Substrat 22 vorgesehen, um den inneren Widerstand zu beschränken. Dies ermöglicht es zu verhindern, dass der Flächenwiderstand der transparenten Elektrode den inneren Widerstand erhöht. Verschiedene Arten von Metallgittern, wie etwa Silber-, Nickel-, Chrom/Kupfer-Verdrahtungen, die die transparente Elektrode eng berühren, können als Metallgitter 81 verwendet werden. Ein Metallteilchen enthaltendes Pastenmaterial berührt die transparente Elektrode durch ein vorgegebenes Verfahren eng, was eine einfache Herstellung des Metallgitters 81 erlaubt. Alternativ kann das Metallgitter 81 auch durch Sputtern oder Plattieren hergestellt werden.
In der Metallelektrodenverdrahtung gibt es keine besondere Begrenzung auf eine Verdrahtungsstruktur in der Oberfläche des transparenten leitenden Oxids, wenn der durch den Flächenwiderstand der transparenten Elektrode verursachte innere Widerstand beschränkt ist. Beispiele für den Verdrahtungsaufbau beinhalten eine gitterförmige Struktur, eine streifenförmige Struktur und eine bandförmige Struktur. Vorzugsweise ist eine Lücke vorgesehen, die beim Laden der Elektrolytlösung einen Kanal bildet.
In der farbstoffsensibilisierten Solarzelle ist normalerweise der Redoxbeschleuniger einschließlich des Iods und des Iodidions in der Elektrolytlösung 51 enthalten und viele Arten von Metallen sind für den Redoxbeschleuniger korrosiv. Daher ist eine Schutzschicht 82 so angeordnet, dass das Metallgitter 81 die Elektrolytlösung nicht berührt. Die aus der Glasfritte oder dem Harz hergestellte Schutzschicht 82 kann durch ein Druckverfahren platziert werden.
Die Gesamtdicke des Metallgitters 81 und der Schutzschicht 82 erreicht mehrere zehn Mikrometer, wenn das Metallgitter 81 und die Schutzschicht 82 durch das Siebdrucken aufgetragen werden. In der farbstoffsensibilisierten Solarzelle wird, wenn die Dicke der Elektrolytlösung erhöht wird, der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung gesenkt, da ein Widerstand der Elektrolytlösung hinzugefügt wird. Wenn die Zelllücke dünner als die Gesamtdicke des Metallgitters 81 und der Schutzschicht 82 realisiert wird, wird häufig ein Kurzschluss aufgrund des Kontakts zwischen dem Metallgitter 81 und der Gegenelektrode erzeugt. Andererseits kann in der ersten Ausführungsform der Kurzschluss verhindert werden, selbst wenn die Zelllücke dünner ausgebildet wird als die Gesamtdicke des Metallgitters 81 und der Schutzschicht 82.
Es gibt keine besondere Beschränkung bei der Art der Gegenelektrode 43, solange die Gegenelektrode 43 durch ein leitendes Substrat gebildet wird. Als Beispiel für die Gegenelektrode 43 kann ein leitendes Metall wie etwa Titan, Aluminium und Nickel genannt werden. In der Gegenelektrode 43 ist zur Förderung der Redoxreaktion der Elektrolytlösung ein Katalysator in einer Oberfläche vorgesehen, die die Elektrolytlösung berührt. Beispiele für den Katalysator beinhalten Platin, Graphit und ein organisches Polymer. Der Katalysator wird auf der Gegenelektrode durch Platinsputtern, einem Verfahren zur Reduzierung einer Platinkolloidlösung, Graphitauftragung oder Spinbeschichtung mit einem organischen Polymer bereitgestellt.
Wie vorstehend beschrieben, ergibt sich in der farbstoffsensibilisierten Solarzelle die Notwendigkeit zur Verringerung der Zelllücke. Der Abstand, der einer Differenz zwischen dem Metallgitter und der Zelllücke entspricht, wird vorab durch eine Fräsmaschine oder durch Ätzen gebildet, und in der Gegenelektrode 43 wird eine Unregelmäßigkeit vorgesehen, die die Verringerung der Zelllücke erlaubt. Da die Gegenelektrode 43, das Metallgitter 81 und die Schutzschicht 82, die in der oben beschriebenen Weise ausgebildet sind, die komplizierten Formen aufweisen, wird der Kurzschluss wegen des Bruchs der Schutzschicht leicht erzeugt, wenn die Zelllücke verkürzt wird. Dementsprechend ist in der ersten Ausführungsform eine Grundplatte 44 in der Gegenelektrode 43 vorgesehen, um sowohl die Verhinderung des Kurzschlusses als auch die Verringerung der Zelllücke erreichen zu können. Die Grundplatte 44, welche die Gegenelektrode bildet, weist eine Breite d2 auf, die größer als eine Breite d1 eines Bereichs ist, der aufgrund der Verdrahtung und Schutzschicht nicht zur Energieerzeugung beiträgt. Der detaillierte Aufbau wird nachstehend beschrieben.
Die Grundplatte 44, die die Gegenelektrode bildet, ist vorgesehen, um zu verhindern, dass die Schutzschicht und das Metallgitter die Gegenelektrode berühren und den Kurzschluss erzeugen. Für die Gegenelektrode existiert kein besonderer zu schützender Punkt, während die Schutzschicht in dem Metallgitter für das transparente leitende Oxid bereitgestellt ist. Daher ist die Grundplatte 44, die die Gegenelektrode bildet, wünschenswerterweise so vorgesehen, dass sie die Gegenelektrode berührt. Obwohl es keine besondere Beschränkung für das Material der Grundplatte 44 gibt, die die Gegenelektrode bildet, ist die Grundplatte 44 bevorzugt aus einem dielektrischen Material mit elektrisch isolierender Eigenschaft hergestellt. Ein Alkali oder Wismut enthaltendes Glasfrittenmaterial und ein Kohlenwasserstoffharz können als Grundplatte 44 eingesetzt werden. Es gibt keine besondere Beschränkung für die Dicke der kurzschlussverhindernden Schicht, solange das Metallgitter oder die Schutzschicht nicht zerbrochen werden, wenn die Zelllücke begrenzt wird. Wenn die kurzschlussverhindernde Schicht vorzugsweise die Dicke von 10 nm bis 10 μm hat, wird die Zelllücke vorteilhafterweise nicht nachlässig vergrößert, während der Kurzschluss verhindert wird. Wenn die kurzschlussverhindernde Schicht eine Dicke von weniger als 10 nm hat, wird die kurzschlussverhindernde Wirkung nicht ausgeübt und die kurzschlussverhindernde Schicht wird beim Abdichten der Solarzelle leicht zerbrochen. Wenn andererseits die kurzschlussverhindernde schicht 10 μm oder mehr beträgt, wird die Zelllücke in unvorteilhafter Weise vergrößert.
In der ersten Ausführungsform ist die kurzschlussverhindernde Schicht mit der Breite d2 vorgesehen, und die Breite d2 ist größer als die Breite d1 des Bereichs, der aufgrund des Metallgitters und der Schutzschicht nicht zur Energieerzeugung beiträgt. Wenn die Breite d2 kleiner als die Breite d1 ist, beschädigt die kurzschlussverhindernde Schicht möglicherweise die Schutzschicht.
Nachstehend wird das Verfahren zum Bonden des transparenten leitenden Oxids und der Gegenelektrode beschrieben. Die vorgegebene Zelllücke kann zwischen dem transparenten leitenden Oxid und der Gegenelektrode durch Ausüben eines gleichmäßigen Drucks mit einer Dichtungsmaschine realisiert werden. Wenn das Substrat mit der komplizierten unregelmäßigen Struktur in der vorliegenden Verwendung verwendet wird, berührt manchmal eine Kante der unregelmäßigen Oberfläche des Substrats das Metallgitter und die Schutzschicht. Dementsprechend verhindert die kurzschlussverhindernde Schicht wirksam, dass das Substrat das Metallgitter und die Schutzschicht berührt.
Die Elektrolytlösung 51 wird zwischen das transparente leitende Oxid 23 und die Gegenelektrode 43 injiziert. Beispiele für eine in der Elektrolytlösung 51 enthaltene elektrolytische Komponente beinhalten ein Flüssigelektrolyt, in dem das Iod und Iodidion, tertiäres Butylpyridin und dergleichen in einem organischen Lösungsmittel, wie etwa Ethylencarbonat und Methoxyacetonitril, gelöst sind, und ein Gelelektrolyt, das durch Zugabe eines Gelierungsmittels, wie etwa Polyvinyli denfluorid, Polyethylenoxidderivat und Aminosäurederivat, zu dem Flüssigelektrolyt in ein Gel umgewandelt wird.
(Zweite Ausführungsform)
Die Gegenelektrode 43 kann durch eine Gesenkpresse unter Verwendung einer Metallplatte oder Metallfolie ausgebildet werden. 2 ist eine Schnittansicht, die eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
In diesem Fall kann die Gegenelektrode 43 durch Pressung mit einem Gesenk in die in 2 gezeigte Form gebracht werden. In der Gegenelektrode, die wie in 2 gezeigt ausgebildet ist, kann das Gewicht der farbstoffsensibilisierten Solarzelle wirksam reduziert werden, da die Dicke des Gegenelektrodensubstrats dünner gemacht werden kann.
Ein leitendes Metall, wie etwa Titan, Nickel und Aluminium, kann als Metallplatte für die Pressung verwendet werden, und es gibt keine besondere Beschränkung für das leitende Metall, solange die Gesenkpressung durchgeführt werden kann.
In der zweiten Ausführungsform ist die kurzschlussverhindernde Schicht so vorgesehen, dass sie eine größere Breite als die Breite d1 des Bereichs aufweist, der aufgrund des Metallgitters und der Schutzschicht nicht zur Energieerzeugung beiträgt. In der zweiten Ausführungsform wird kaum ein kompliziertes Muster gepresst, da die Gegenelektrode von der Gesenkpresse ausgebildet wird. Dementsprechend kann die kurzschlussverhindernde Schicht verhindern, dass die Presse das Metallgitter und die Schutzschicht, die nicht zur Energieerzeugung beitragen, zerbricht.
(Dritte Ausführungsform)
Damit die Gegenelektrode 43 als Elektrode arbeiten kann, ist es bei ihr nur notwendig, den leitenden Bereich mit dem Bereich mit der Lichtübertragungseigenschaft in dem transparenten Substrat 22 zu paaren, und es ist nicht immer notwendig, dass die gesamte Gegenelektrode 43 aus dem Metall hergestellt ist. Wie im Aufbau der 3 gezeigt ist, ist das leitende Substrat 41 dünn ausgebildet, und die Grundplatte 44 trägt das Substrat 41.
Es gibt keine besondere Beschränkung für das Material der Grundplatte 44, solange die Grundplatte 44 ausreichend Steifigkeit aufweist, um das leitende Substrat 41 zu tragen. Wünschenswerterweise wird ein leichtgewichtiges Metall als Grundplatte 44 verwendet, um das Gewicht der farbstoffsensibilisierten Solarzelle zu reduzieren, und vom Kostenstandpunkt wird wünschenswerterweise gehärtetes Harz, wie etwa Polycarbonat und ein Epoxydharz eingesetzt.
Wenn die Grundplatte 44 aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, kann die Grundplatte 44 ebenfalls als kurzschlussverhindernde Schicht verwendet werden. In solchen Fällen gibt es keine besondere Beschränkung für die Dicke der kurzschlussverhindernden Schicht.
In der dritten Ausführungsform ist ähnlich wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform die kurzschlussverhindernde Schicht so vorgesehen, dass sie eine größere Breite als die Breite d1 des Bereichs aufweist, der aufgrund des Metallgitters und der Schutzschicht nicht zur Energieerzeugung beiträgt.
BEISPIELE
Die Umsetzungsergebnisse der Erfindung werden zur Veranschaulichung der Wirkung der Erfindung detailliert beschrieben. Das Verfahren zur Veranschaulichung der Wirkung der Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
(Herstellung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle)
Eine Silberpaste (Produkt von Tanaka Kikinzoku) wurde in einer Gitterform durch Siebdrucken auf ein Substrat (Produkt von Geomatic) aufgetragen, in dem eine transparente Elektrode auf dem Glassubstrat mit einer Größe von 100 mm × 100 mm aufgebracht war. Dann wurde eine Titanoxidpaste durch Siebdrucken auf den Bereich aufgetragen, in dem die Gitterverdrahtung nicht ausgebildet war, und es wurde eine Stunde lang bei 450°C gebrannt, um die Porösoxid-Halbleiterschicht auszubilden. Dann wurde die Gitterverdrahtung unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffharzes mit einer Dicke von 30 μm beschichtet. Danach wurde das Substrat in eine Ethanollösung (Konzentration 3 × 10^–4 M) des Farbstoffs N719 (Produkt von Solaronix) zur Bildung der farbstoffadsorbierten Halbleiterschicht getaucht. Das transparente leitende Oxid und nachstehend angeführte verschiedene Arten von Gegenelektroden wurden laminiert und die Elektrolytlösung wurde sandwichartig zwischen dem transparenten leitenden Oxid und der Gegenelektrode zur Bildung der nassen Solarzelle eingefügt. Als Elektrolytlösung diente eine ionische Flüssigkeit (1-Ethyl-3-methylimidazolium-bistrifluormethylsulfonylimid), die ein Iod/Iodidion-Redoxpaar enthielt.
(Beispiel 1)
Die Elektrode wurde durch Ätzen eines Titansubstrats (Dicke 1 mm) mit einer Größe von 100 mm × 100 mm so ausgebildet, dass die in 1 gezeigte Form erhalten wurde. Das Platin mit einer Dicke von 20 nm wurde über der Oberfläche des Substrats durch Sputtern aufgebracht. Die Titanoxidschicht mit einer Dicke von 100 nm wurde in dem Bereich bereitgestellt, der der Schutzschicht der Gegenelektrode, d. h. dem geätzten Bereich, zugewandt war. Die Lücke wurde zwischen der Gegenelektrode und der transparenten Elektrode ausgebildet, und die Elektrolytlösung wurde in die Lücke injiziert und versiegelt.
(Beispiel 2)
In einem Titansubstrat (Dicke 300 μm) wurde die Titanoxidschicht mit einer Dicke von 100 nm in dem Bereich bereitgestellt, der der auf dem transparenten leitenden Oxid vorgesehenen Schutzschicht zugewandt war, und die Elektrode wurde durch die Pressung so ausgebildet, dass die Form der 2 erhalten wurde. Dann wurde die Elektrode so geschnitten, dass sie mit der Größe von 100 mm × 100 mm übereinstimmte. Das Platin mit einer Dicke von 20 nm wurde über der Oberfläche des Substrats durch Sputtern aufgebracht. Die Lücke wurde zwischen der Gegenelektrode und der transparenten Elektrode ausgebildet, und die Elektrolytlösung wurde in die Lücke injiziert und versiegelt.
(Beispiel 3)
Ein Polycarbonatsubstrat (Dicke 500 μm) mit einer Größe von 100 mm × 100 mm wurde durch die Fräsmaschine so ausgebildet, dass die Form der 3 erhalten wurde. Danach wurden das Titan mit einer Dicke von 300 nm und das Platin mit einer Dicke von 20 nm nacheinander über der Oberfläche des Substrats durch Sputtern abgelagert. Die Lücke wurde zwischen der Gegenelektrode und aufgebracht transparenten Elektrode ausgebildet, und die Elektrolytlösung wurde in die Lücke injiziert und versiegelt.
(Beispiel 4)
Das Polycarbonatsubstrat (Dicke 500 μm) mit einer Größe von 100 mm × 100 mm wurde durch die Fräsmaschine geformt. Auf dem Substrat wurde eine Maske ausgebildet, ein außenstromloses Nickelplattieren wurde durchgeführt und ein Plattieren wurde durchgeführt, um die Nickelschicht mit einer Gesamtdicke von 100 μm zu erhalten. Danach wurde ein außenstromloses Platinplattieren durchgeführt, um die Platinschicht mit einer Dicke von 20 nm zu erhalten, wodurch die Gegenelektrode mit der Form von 3 hergestellt wurde. Die Lücke wurde zwischen der Gegenelektrode und der transparenten Elektrode ausgebildet, und die Elektrolytlösung wurde in die Lücke injiziert und versiegelt.
(Vergleichsbeispiel 1)
Die aus dem Platin hergestellte leitende Schicht mit einer Dicke von 20 nm wurde auf der Titanplatte mit einer Größe von 100 mm × 100 mm zur Bildung der Gegenelektrode durch Sputtern aufgebracht. Die Lücke wurde zwischen der Gegenelektrode und der transparenten Elektrode ausgebildet, und die Elektrolytlösung wurde in die Lücke injiziert und versiegelt.
(Vergleichsbeispiel 2) Herstellung einer Minizelle
In einer Minizelle, deren transparentes leitendes Oxid eine Fläche von 2 bis 4 cm² aufweist, besitzt das transparente leitende Oxid einen geringen Widerstand, so dass die Leistung ohne Metallgitter sichergestellt werden kann. Die Solarzellenstruktur kann vereinfacht werden, um die Zelllücke zu verringern. Ähnlich den Beispielen 1 bis 4 wurde die transparente Elektrode auf einem Glassubstrat mit einer Größe von 2 cm × 2 cm zur Bildung des transparenten leitenden Oxids aufgebracht. Die Minizelle wurde mit demselben Verfahren wie die Beispiele 1 bis 4 hergestellt, obwohl das Metallgitter nicht vorgesehen war.
Die in den Beispielen 1 bis 4 und dem Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen nassen Solarzellen wurden mit einer Spannungs-/Strom-Messvorrichtung verbunden, ein Sonnensimulator diente als Lichtquelle, die nassen Solarzellen wurden von der Seite des transparenten leitenden Oxids her mit AM-1,5 und 1-Sun-Pseudosonnenlicht mit einer Lichtintensität von 100 mW/m² beleuchtet, und die Spannungs-/Strom-Dichte-Kennlinie wurde gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, weisen die Beispiele 1 bis 4 die großen Füllfaktoren auf, und die Beispiele 1 bis 4 fungieren als die Solarzelle. Andererseits weist die Solarzelle des Vergleichsbeispiels 1 aufgrund des durch den Bruch der Schutzschicht verursachten Leckstroms den kleinen Füllfaktor auf. Die Minizelle von Vergleichsbeispiel 2 übt aufgrund der Wirkung der Verringerung der Zelllücke den großen Füllfaktor aus. Da die Füllfaktoren der Beispiele 1 bis 4 gleich oder größer als derjenige des Vergleichsbeispiels 2 sind, wird angenommen, dass die gleiche Wirkung der Verringerung der Zelllücke erzielt wird. [Tabelle 1]

Zelllücke (μm) Füllfaktor

Beispiel 1 15 0,65

Beispiel 1 16 0,64

Beispiel 1 16 0,65

Beispiel 1 18 0,68

Vergleichsbeispiel 1 103 0,25

Vergleichsbeispiel 1 15 0,64
Erfindungsgemäß kann der Abstand zwischen den Zellen soweit wie möglich verringert werden, selbst wenn die farbstoffsensibilisierte Solarzelle vergrößert ist, so dass die farbstoffsensibilisierte Solarzelle mit dem hohen Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung zu niedrigen Kosten bereitgestellt werden kann.

21: Transparentes Substrat
22: Leitendes Metalloxid
23: Transparentes leitendes Oxid
31: Metalloxid mit Halbleitereigenschaft
32: Sensibilisierender Farbstoff
33: Farbstoffadsorbierte Halbleiterdünnschicht
41: Leitendes Substrat
42: Katalysatorschicht
43: Gegenelektrode
44: Grundplatte, die Gegenelektrode bildend
51: Elektrolytlösung
61: Dichtungsmittel
71: Einfüllloch
81: Metallgitter
82: Schutzschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2003-203682 [0009]

Claims

Farbstoffsensibilisierte Solarzelle mit: einem transparenten leitenden Oxid, das ein transparentes Substrat und ein leitendes Metalloxid, das eine Lichtübertragungseigenschaft aufweist, einschließt; einem Metallgitter, das auf dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet ist; einer Schutzschicht, mit der das Metallgitter beschichtet ist; einer farbstoffadsorbierten Halbleiterdünnschicht, die auf dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet ist, in dem das Metallgitter nicht ausgebildet ist; und einem Gegenelektrodensubstrat, wobei eine kurzschlussverhindernde Schicht auf dem Gegenelektrodensubstrat, das dem Metallgitter zugewandt ist, vorgesehen ist, und eine von einer kurzen Seite der kurzschlussverhindernden Schicht gebildete Breite größer als eine von dem Metallgitter und der Schutzschicht gebildete Breite ist.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die kurzschlussverhindernde Schicht zumindest die Schutzschicht oder die farbstoffabsorbierte Halbleiterdünnschicht berührt.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei ein Metall in zumindest einem Teil des Gegenelektrodensubstrats verwendet wird.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei ein Harzsubstrat in zumindest einem Teil des Gegenelektrodensubstrats verwendet wird.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das Gegenelektrodensubstrat zumindest ein Metall oder eine Katalysatorschicht einschließt, wobei das Metall die katalytische Wirkung eines Redoxbeschleunigers fördert und die Katalysatorschicht aus einer organischen Verbindung hergestellt ist.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei zumindest das transparente leitende Oxid oder das Gegenelektrodensubstrat eine unregelmäßige Struktur aufweist.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die Gegenelektrode aus einem durch eine Gesenkpressung strukturierten Metall besteht.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das Gegenelektrodensubstrat aus einem durch maschinelle Bearbeitung ausgebildeten Metall besteht.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das Gegenelektrodensubstrat eine unregelmäßige Struktur aufweist, und ein durch das Metallgitter und die Schutzschicht gebildeter Abstand in Höhenrichtung größer als ein Abstand zwischen dem Gegenelektrodensubstrat und der farbstoffadsorbierten Halbleiterdünnschicht ist.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das Gegenelektrodensubstrat eine unregelmäßige Struktur aufweist, und eine Projektion des Gegenelektrodensubstrats zwischen dem Metallgitter und der Schutzschicht, die nebeneinander liegen, vorhanden ist.
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 1, wobei eine Elektrolytlösung in zumindest einem Teil einer Lücke zwischen den Elektroden beinhaltet ist.