JP2002231324A - 複合型太陽電池 - Google Patents
複合型太陽電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 太陽電池の単位面積あたりの光電変換効率を
向上させた複合型太陽電池を提供する。 【解決手段】 太陽光に面した側に色素増感型太陽電池
を配し、該色素増感型太陽電池の後側に結晶系シリコン
太陽電池とを配して、複合型太陽電池を形成する。好ま
しくは、該色素増感型太陽電池のアノード電極の金属酸
化物薄膜の表面に担持された色素の近傍に白金などの金
属微粒子を配する。
向上させた複合型太陽電池を提供する。 【解決手段】 太陽光に面した側に色素増感型太陽電池
を配し、該色素増感型太陽電池の後側に結晶系シリコン
太陽電池とを配して、複合型太陽電池を形成する。好ま
しくは、該色素増感型太陽電池のアノード電極の金属酸
化物薄膜の表面に担持された色素の近傍に白金などの金
属微粒子を配する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合型太陽電池に
関し、特に、色素増感型太陽電池と結晶系シリコン太陽
電池を組み合わせた複合型太陽電池に関する。
関し、特に、色素増感型太陽電池と結晶系シリコン太陽
電池を組み合わせた複合型太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、太陽電池の多くは、半導体からな
る単一接合型太陽電池であり、Ｓｉ、ＧａＡｓ等のｐｎ
接合構造で構成されていた。これら単一の半導体を用い
ている限りは、太陽光エネルギーの有効利用に限界があ
る。特に、半導体の禁止帯幅より低エネルギーの光は、
単一接合型太陽電池内における光起電力発生に寄与する
ことができず、従って、単一接合型太陽電池の光電変換
効率は２０〜２５％が限界となっていた。
る単一接合型太陽電池であり、Ｓｉ、ＧａＡｓ等のｐｎ
接合構造で構成されていた。これら単一の半導体を用い
ている限りは、太陽光エネルギーの有効利用に限界があ
る。特に、半導体の禁止帯幅より低エネルギーの光は、
単一接合型太陽電池内における光起電力発生に寄与する
ことができず、従って、単一接合型太陽電池の光電変換
効率は２０〜２５％が限界となっていた。
【０００３】この欠点を除去するために、複合型太陽電
池の開発が進められ、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｉｎ
ＡｓあるいはＧｅの半導体基板上に混晶Ｇａ1-yＩｎyＡ
ｓからなるｐｎ接合により下部太陽電池を構成し、混晶
Ｉｎ1-xＡｌxＡｓからなるｐｎ接合により上部太陽電池
を構成し、上部太陽電池と下部太陽電池とを前記混晶半
導体に高不純物濃度で不純物を添加してなるｐｎ接合で
連結する複合型太陽電池が提案されている（特開昭５８
−１１９６７６号公報）。
池の開発が進められ、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｉｎ
ＡｓあるいはＧｅの半導体基板上に混晶Ｇａ1-yＩｎyＡ
ｓからなるｐｎ接合により下部太陽電池を構成し、混晶
Ｉｎ1-xＡｌxＡｓからなるｐｎ接合により上部太陽電池
を構成し、上部太陽電池と下部太陽電池とを前記混晶半
導体に高不純物濃度で不純物を添加してなるｐｎ接合で
連結する複合型太陽電池が提案されている（特開昭５８
−１１９６７６号公報）。
【０００４】さらに、上記の複合型太陽電池の軽量化や
光電変換効率の改良を目的として、Ｓｉ基板上にｐｎ接
合を形成して下部太陽電池を構成し、Ｇａ1-zＡｌzＡｓ
からなるｐｎ接合を層状に成長させた上部太陽電池を構
成し、トンネル接合を介して上部太陽電池と下部太陽電
池を接続した複合型太陽電池が提案されている（特開昭
６０−２０１６７０号公報）。この場合、ｘ値の最適化
により理論的には３０％以上の光電変換効率が可能とさ
れている。しかし、実際には、複合型太陽電池として、
光電変換効率が１５〜１６％のものが多い。
光電変換効率の改良を目的として、Ｓｉ基板上にｐｎ接
合を形成して下部太陽電池を構成し、Ｇａ1-zＡｌzＡｓ
からなるｐｎ接合を層状に成長させた上部太陽電池を構
成し、トンネル接合を介して上部太陽電池と下部太陽電
池を接続した複合型太陽電池が提案されている（特開昭
６０−２０１６７０号公報）。この場合、ｘ値の最適化
により理論的には３０％以上の光電変換効率が可能とさ
れている。しかし、実際には、複合型太陽電池として、
光電変換効率が１５〜１６％のものが多い。
【０００５】図４に示すように、結晶系シリコン太陽電
池の分光感度は、波長４００〜１１００ｎｍの領域であ
るのが特徴である。
池の分光感度は、波長４００〜１１００ｎｍの領域であ
るのが特徴である。
【０００６】一方、可視光領域の利用が可能で、理論変
換効率が３３％と高く、人体に無害とされる酸化チタン
（ＴｉＯ2）を用いる新しい太陽電池として、色素増感
型太陽電池が知られている（特開平１−２２０３８０号
公報、特開平５−５０４０２３号公報等）。しかし、そ
の実際の変換効率は６％程度であった。
換効率が３３％と高く、人体に無害とされる酸化チタン
（ＴｉＯ2）を用いる新しい太陽電池として、色素増感
型太陽電池が知られている（特開平１−２２０３８０号
公報、特開平５−５０４０２３号公報等）。しかし、そ
の実際の変換効率は６％程度であった。
【０００７】図７は、この色素増感型太陽電池の構造図
である。２枚の板ガラスなどの透明基板１ａ、１ｂの内
側に、それぞれ透明導電膜２ａ、２ｂを形成して電極と
する。この透明導電膜２ａ、２ｂには、フッ素ドープ酸
化錫、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＡＴＯなどを用いるこ
とができる。
である。２枚の板ガラスなどの透明基板１ａ、１ｂの内
側に、それぞれ透明導電膜２ａ、２ｂを形成して電極と
する。この透明導電膜２ａ、２ｂには、フッ素ドープ酸
化錫、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＡＴＯなどを用いるこ
とができる。
【０００８】一方の透明導電膜２ｂの表面に、触媒とな
る白金もしくは炭素を被覆してカソード電極とする。他
方の透明導電膜２ａには、さらに、酸化チタンなどの金
属酸化物の薄膜４を形成し、その表面に色素６を吸着、
担持させてアノード電極とする。この金属酸化物の薄膜
４は、その表面積を大きくするために、焼結した多孔質
の金属酸化物５で形成されることが好ましい。この金属
酸化物５には、酸化チタンのほか、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化錫（ＳｎＯ2）ま
たはチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）を用いる
ことができる。
る白金もしくは炭素を被覆してカソード電極とする。他
方の透明導電膜２ａには、さらに、酸化チタンなどの金
属酸化物の薄膜４を形成し、その表面に色素６を吸着、
担持させてアノード電極とする。この金属酸化物の薄膜
４は、その表面積を大きくするために、焼結した多孔質
の金属酸化物５で形成されることが好ましい。この金属
酸化物５には、酸化チタンのほか、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化錫（ＳｎＯ2）ま
たはチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）を用いる
ことができる。
【０００９】これらの電極間に、電解液や固体伝導体か
らなる酸化還元電解質３を挟み込むことで、酸化還元電
解質中の酸化還元対が、両電極間の電子の移動に寄与す
る。
らなる酸化還元電解質３を挟み込むことで、酸化還元電
解質中の酸化還元対が、両電極間の電子の移動に寄与す
る。
【００１０】酸化チタンなどは短波長の光（紫外光）し
か吸収しないことから、色素増感型太陽電池では、太陽
光を電気エネルギーに効率よく変換させるために、色素
を増感材として用いている。この色素は光吸収剤として
働き、特定波長域の太陽光を吸収して、電子を金属酸化
物の薄膜に注入することで、発電が行われる。例えば、
色素としてルテニウム錯体があげられるが、これは太陽
光の可視領域の波長３００ｎｍ〜６００ｎｍの光を吸収
し、ルテニウム金属・配位子軌道遷移により励起された
電子が、金属酸化物の伝導帯に移り、光電流となる。な
お、この色素には、ルテニウム錯体のほか、キサンテン
系色素を用いることができる。
か吸収しないことから、色素増感型太陽電池では、太陽
光を電気エネルギーに効率よく変換させるために、色素
を増感材として用いている。この色素は光吸収剤として
働き、特定波長域の太陽光を吸収して、電子を金属酸化
物の薄膜に注入することで、発電が行われる。例えば、
色素としてルテニウム錯体があげられるが、これは太陽
光の可視領域の波長３００ｎｍ〜６００ｎｍの光を吸収
し、ルテニウム金属・配位子軌道遷移により励起された
電子が、金属酸化物の伝導帯に移り、光電流となる。な
お、この色素には、ルテニウム錯体のほか、キサンテン
系色素を用いることができる。
【００１１】このようにして、光を吸収すると両電極間
に電圧が発生する太陽電池が構成される。この型の太陽
電池は色素を増感剤として用いるため、「色素増感型太
陽電池」とも呼ばれている。ルテニウム錯体を用いた色
素増感型太陽電池は、太陽光の可視領域のうち波長３０
０ｎｍ〜６００ｎｍの光を吸収して発電し、波長６００
ｎｍ〜１４００ｎｍの光を透過することから、波長６０
０ｎｍ以下の太陽光を発電に有効に利用できるといえ
る。
に電圧が発生する太陽電池が構成される。この型の太陽
電池は色素を増感剤として用いるため、「色素増感型太
陽電池」とも呼ばれている。ルテニウム錯体を用いた色
素増感型太陽電池は、太陽光の可視領域のうち波長３０
０ｎｍ〜６００ｎｍの光を吸収して発電し、波長６００
ｎｍ〜１４００ｎｍの光を透過することから、波長６０
０ｎｍ以下の太陽光を発電に有効に利用できるといえ
る。
【００１２】従って、色素増感型太陽電池では、入射光
のうち、より長い波長側の光が金属酸化物の薄膜を通過
してしまう問題があり、広い波長の範囲で太陽光を利用
して、光電変換効率をさらに向上させることが望まれて
いた。
のうち、より長い波長側の光が金属酸化物の薄膜を通過
してしまう問題があり、広い波長の範囲で太陽光を利用
して、光電変換効率をさらに向上させることが望まれて
いた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、太陽電池の
単位面積あたりの光電変換効率を向上させることを目的
とする。
単位面積あたりの光電変換効率を向上させることを目的
とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】ルテニウム錯体を用いた
色素増感型太陽電池において、光電変換効率の波長依存
性を図３に示す。このように、色素増感型太陽電池で
は、波長６００ｎｍ以下の太陽光を有効に利用すること
ができる。
色素増感型太陽電池において、光電変換効率の波長依存
性を図３に示す。このように、色素増感型太陽電池で
は、波長６００ｎｍ以下の太陽光を有効に利用すること
ができる。
【００１５】そこで、本発明者は波長６００ｎｍ以上の
太陽光で発電する太陽電池に着目し、研究を進めた。単
結晶シリコン及び多結晶シリコンを用いた結晶系シリコ
ン太陽電池は、シリコンのｐｎ接合によってバンドの勾
配が形成され、太陽光のうち波長４００ｎｍ〜１１００
ｎｍの光により生成した電子と正孔が、内部電界によっ
て分離され、起電力が発生する。結晶系シリコン太陽電
池の相対分光感度の波長依存性を図４に示す。本発明者
は、これらの事実より、本発明を完成するに至った。
太陽光で発電する太陽電池に着目し、研究を進めた。単
結晶シリコン及び多結晶シリコンを用いた結晶系シリコ
ン太陽電池は、シリコンのｐｎ接合によってバンドの勾
配が形成され、太陽光のうち波長４００ｎｍ〜１１００
ｎｍの光により生成した電子と正孔が、内部電界によっ
て分離され、起電力が発生する。結晶系シリコン太陽電
池の相対分光感度の波長依存性を図４に示す。本発明者
は、これらの事実より、本発明を完成するに至った。
【００１６】すなわち、上記課題を解決するために、本
発明による複合型太陽電池は、太陽光に面した側に、ル
テニウム錯体を用いた色素増感型太陽電池を配して、波
長３００ｎｍ〜６００ｎｍの光で発電を行い、一方、該
色素増感型太陽電池の後側に結晶系シリコン太陽電池を
配して、前記色素増感型太陽電池を透過した光のうち波
長４００ｎｍ〜１１００ｎｍで発電を行うように構成さ
れている。
発明による複合型太陽電池は、太陽光に面した側に、ル
テニウム錯体を用いた色素増感型太陽電池を配して、波
長３００ｎｍ〜６００ｎｍの光で発電を行い、一方、該
色素増感型太陽電池の後側に結晶系シリコン太陽電池を
配して、前記色素増感型太陽電池を透過した光のうち波
長４００ｎｍ〜１１００ｎｍで発電を行うように構成さ
れている。
【００１７】上記色素増感型太陽電池は、次のように構
成される。第１の透明基板の内側に透明導電膜を形成
し、その内側表面に白金微粒子もしくは炭素微粒子を付
着させてカソード電極とする。第２の透明基板の内側に
透明導電膜および透明金属酸化物薄膜を順次形成して、
この透明金属酸化物薄膜の表面に色素を担持させてアノ
ード電極とする。これらの電極を酸化還元電解質を介し
て対向させ、色素による光の吸収によりこれら電極間に
電圧を発生させる。
成される。第１の透明基板の内側に透明導電膜を形成
し、その内側表面に白金微粒子もしくは炭素微粒子を付
着させてカソード電極とする。第２の透明基板の内側に
透明導電膜および透明金属酸化物薄膜を順次形成して、
この透明金属酸化物薄膜の表面に色素を担持させてアノ
ード電極とする。これらの電極を酸化還元電解質を介し
て対向させ、色素による光の吸収によりこれら電極間に
電圧を発生させる。
【００１８】前記金属酸化物は、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ
2Ｏ5）、酸化錫（ＳｎＯ2）またはチタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ3）を用いることができる。また、前
記色素は、ルテニウム錯体またはキサンテン系色素を用
いることができる。さらに、前記透明導電膜は、フッ素
ドープ酸化錫、酸化インジウム、ＩＴＯまたはＡＴＯを
用いることができる。
Ｏ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ
2Ｏ5）、酸化錫（ＳｎＯ2）またはチタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ3）を用いることができる。また、前
記色素は、ルテニウム錯体またはキサンテン系色素を用
いることができる。さらに、前記透明導電膜は、フッ素
ドープ酸化錫、酸化インジウム、ＩＴＯまたはＡＴＯを
用いることができる。
【００１９】一方、前記酸化還元電解質が、ヨウ素、臭
素または塩素を含む電解液または固体伝導体を用いるこ
とができる。なお、結晶系シリコン太陽電池には公知の
ものを利用できるので、説明を省略する。
素または塩素を含む電解液または固体伝導体を用いるこ
とができる。なお、結晶系シリコン太陽電池には公知の
ものを利用できるので、説明を省略する。
【００２０】さらに、光電変換効率を高めるために、前
記色素の近傍に金属微粒子を配することが好ましい。こ
の金属微粒子は、白金（Ｐｔ）、白金合金、パラジウム
（Ｐｄ）またはパラジウム合金の微粒子が適している。
記色素の近傍に金属微粒子を配することが好ましい。こ
の金属微粒子は、白金（Ｐｔ）、白金合金、パラジウム
（Ｐｄ）またはパラジウム合金の微粒子が適している。
【００２１】金属微粒子を配するのは、これらが太陽光
の照射により表面プラズモン吸収による光エネルギーの
吸収が起こり、色素との共鳴や色素への電荷移動によ
り、可視光から近赤外領域において色素の吸光度の増強
効果があるからである。この色素の光吸収の増強効果に
より、光電流の増加が引き起こされ、光電変換効率を向
上させることができる。
の照射により表面プラズモン吸収による光エネルギーの
吸収が起こり、色素との共鳴や色素への電荷移動によ
り、可視光から近赤外領域において色素の吸光度の増強
効果があるからである。この色素の光吸収の増強効果に
より、光電流の増加が引き起こされ、光電変換効率を向
上させることができる。
【００２２】これらの金属微粒子に、白金、白金合金、
パラジウムまたはパラジウム合金を使用するのは、金、
銀または銅の金属微粒子（特開平９−２５９９４３号公
報参照）では、ハロゲン系の酸化還元電解質と反応して
溶解されてしまうからである。たとえ金であっても、微
粒子、薄膜の状態では室温で容易に溶解されてしまうと
いう問題を有するのである。そこで、本発明者は、白
金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金に注目し、
研究を進めたところ、これらは色素の光吸収の増強効果
を有しつつ、微粒子の状態でもハロゲン系の酸化還元電
解質によって溶解されないことが確認された。
パラジウムまたはパラジウム合金を使用するのは、金、
銀または銅の金属微粒子（特開平９−２５９９４３号公
報参照）では、ハロゲン系の酸化還元電解質と反応して
溶解されてしまうからである。たとえ金であっても、微
粒子、薄膜の状態では室温で容易に溶解されてしまうと
いう問題を有するのである。そこで、本発明者は、白
金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金に注目し、
研究を進めたところ、これらは色素の光吸収の増強効果
を有しつつ、微粒子の状態でもハロゲン系の酸化還元電
解質によって溶解されないことが確認された。
【００２３】以上のように、色素増感型太陽電池と結晶
系シリコン太陽電池を組み合わせた本発明の複合型太陽
電池により、広い波長の範囲で太陽光エネルギーを有効
に利用でき、単位面積あたりの光電変換効率を向上させ
ることができる。
系シリコン太陽電池を組み合わせた本発明の複合型太陽
電池により、広い波長の範囲で太陽光エネルギーを有効
に利用でき、単位面積あたりの光電変換効率を向上させ
ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明に係る複合型太陽電池の構
成を、図１を用いて説明する。太陽光に面した側の色素
増感型太陽電池は、ガラス基板１ｂに透明導電膜２ｂを
蒸着し、さらに白金を被覆したカソード電極と、ガラス
基板１ａに透明導電膜２ａを蒸着し、さらにその上に多
孔質の金属酸化物薄膜４を形成し、該金属酸化物薄膜４
を構成する金属酸化物５の表面に色素６を担持させた光
電極であるアノード電極と、酸化還元電解質３とから構
成されている。
成を、図１を用いて説明する。太陽光に面した側の色素
増感型太陽電池は、ガラス基板１ｂに透明導電膜２ｂを
蒸着し、さらに白金を被覆したカソード電極と、ガラス
基板１ａに透明導電膜２ａを蒸着し、さらにその上に多
孔質の金属酸化物薄膜４を形成し、該金属酸化物薄膜４
を構成する金属酸化物５の表面に色素６を担持させた光
電極であるアノード電極と、酸化還元電解質３とから構
成されている。
【００２５】透明導電膜２ａ、２ｂは、例えばフッ素ド
ープ酸化錫を、多孔質の金属酸化物薄膜４は、例えば酸
化チタンを用いることができる。
ープ酸化錫を、多孔質の金属酸化物薄膜４は、例えば酸
化チタンを用いることができる。
【００２６】酸化還元電解質３は、ヨウ素系電解液であ
るアセトニトリル（９０ｖｏｌ％）と３メチル２オキサ
ゾリジノン（１０ｖｏｌ％）の混合溶媒にヨウ素とヨウ
化リチウムを加えたものであり、ヨウ素酸化還元対（Ｉ
3 -／Ｉ-）として働き、カソード電極とアノード電極間
の電子移動に寄与する。
るアセトニトリル（９０ｖｏｌ％）と３メチル２オキサ
ゾリジノン（１０ｖｏｌ％）の混合溶媒にヨウ素とヨウ
化リチウムを加えたものであり、ヨウ素酸化還元対（Ｉ
3 -／Ｉ-）として働き、カソード電極とアノード電極間
の電子移動に寄与する。
【００２７】色素６は、例えばルテニウム錯体からなる
色素を用いると、太陽光の可視領域の光を吸収して、ル
テニウム金属・配位子軌道遷移により励起された電子
が、酸化チタンの伝導帯に移り、光電流となる。
色素を用いると、太陽光の可視領域の光を吸収して、ル
テニウム金属・配位子軌道遷移により励起された電子
が、酸化チタンの伝導帯に移り、光電流となる。
【００２８】一方、色素増感型太陽電池の後側に位置す
る結晶系シリコン太陽電池は、例えば、ｐ型シリコン基
板８の上に、ｎ型不純物の拡散やエピタキシャル成長で
ｎ型シリコン９を作製し、色素増感型太陽電池側にフッ
素ドープ酸化錫、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＡＴＯなど
を用いた透明電極２ｃを形成し、対極電極としてＡｌな
どの金属電極１０を用いる。
る結晶系シリコン太陽電池は、例えば、ｐ型シリコン基
板８の上に、ｎ型不純物の拡散やエピタキシャル成長で
ｎ型シリコン９を作製し、色素増感型太陽電池側にフッ
素ドープ酸化錫、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＡＴＯなど
を用いた透明電極２ｃを形成し、対極電極としてＡｌな
どの金属電極１０を用いる。
【００２９】このように、色素増感型太陽電池と結晶系
シリコン太陽電池を接合させて、複合型の太陽電池構造
とすることにより、太陽光のうち波長３００ｎｍ〜６０
０ｎｍの光を色素増感型太陽電池で発電に利用し、この
色素増感型太陽電池を透過した光のうち、波長４００ｎ
ｍ〜１１００ｎｍの光を結晶系シリコン太陽電池で発電
に利用することができるため、単位面積あたりの光電変
換効率を向上させることができる。
シリコン太陽電池を接合させて、複合型の太陽電池構造
とすることにより、太陽光のうち波長３００ｎｍ〜６０
０ｎｍの光を色素増感型太陽電池で発電に利用し、この
色素増感型太陽電池を透過した光のうち、波長４００ｎ
ｍ〜１１００ｎｍの光を結晶系シリコン太陽電池で発電
に利用することができるため、単位面積あたりの光電変
換効率を向上させることができる。
【００３０】さらに、本発明による複合型太陽電池は、
図２に示す構成にすることが好ましい。すなわち、図１
に示した複合型太陽電池において、その色素増感型太陽
電池のアノード電極において、多孔質の金属酸化物薄膜
４を形成する金属酸化物５の表面に担持させた色素６の
近傍に、さらに金属微粒子７を配したものである。
図２に示す構成にすることが好ましい。すなわち、図１
に示した複合型太陽電池において、その色素増感型太陽
電池のアノード電極において、多孔質の金属酸化物薄膜
４を形成する金属酸化物５の表面に担持させた色素６の
近傍に、さらに金属微粒子７を配したものである。
【００３１】この金属微粒子７には、例えば白金微粒
子、白金がモル比で５０％以上の白金合金微粒子、パラ
ジウム微粒子、パラジウムがモル比で５０％以上のパラ
ジウム合金微粒子を用いると、ヨウ素系酸化還元電解質
に溶解して消失することなく、色素近傍に配することが
できる。これらの微粒子は、色素に化学結合や吸着によ
り直接配してもよく、あるいはＴｉＯ2に化学結合や吸
着させて、結果としてＴｉＯ2に担持された色素近傍に
配するようにしてもよい。
子、白金がモル比で５０％以上の白金合金微粒子、パラ
ジウム微粒子、パラジウムがモル比で５０％以上のパラ
ジウム合金微粒子を用いると、ヨウ素系酸化還元電解質
に溶解して消失することなく、色素近傍に配することが
できる。これらの微粒子は、色素に化学結合や吸着によ
り直接配してもよく、あるいはＴｉＯ2に化学結合や吸
着させて、結果としてＴｉＯ2に担持された色素近傍に
配するようにしてもよい。
【００３２】色素近傍に配した金属微粒子の粒径は、１
〜１００ｎｍが好ましく、１〜１０ｎｍがより好まし
い。詳しい配置方法としては、これらの微粒子の分散液
に、色素を担持したＴｉＯ2膜を浸漬する方法がある。
微粒子分散液は、例えば貴金属溶解溶液に還元剤、高分
子分散剤を添加して作製することができる。また、真空
容器内で気化させた貴金属の再凝固微粒子を溶媒中に捕
獲して作製することもできる。また、市販の貴金属の溶
解溶液に色素を担持したＴｉＯ2膜を浸漬後、水素還元
や光還元により、貴金属微粒子を析出させてもよい。例
えば、白金では、Ｈ2ＰｔＣｌ6・６Ｈ2Ｏや、〔Ｐｔ
（ＮＨ3）4〕（ＮＯ3）2水溶液に浸漬後、還元してＰｔ
を色素近傍に析出させてもよい。
〜１００ｎｍが好ましく、１〜１０ｎｍがより好まし
い。詳しい配置方法としては、これらの微粒子の分散液
に、色素を担持したＴｉＯ2膜を浸漬する方法がある。
微粒子分散液は、例えば貴金属溶解溶液に還元剤、高分
子分散剤を添加して作製することができる。また、真空
容器内で気化させた貴金属の再凝固微粒子を溶媒中に捕
獲して作製することもできる。また、市販の貴金属の溶
解溶液に色素を担持したＴｉＯ2膜を浸漬後、水素還元
や光還元により、貴金属微粒子を析出させてもよい。例
えば、白金では、Ｈ2ＰｔＣｌ6・６Ｈ2Ｏや、〔Ｐｔ
（ＮＨ3）4〕（ＮＯ3）2水溶液に浸漬後、還元してＰｔ
を色素近傍に析出させてもよい。
【００３３】これら白金、白金合金、パラジウム、パラ
ジウム合金などの金属微粒子は、太陽光の照射により表
面プラズモン吸収による光エネルギーの吸収が起こり、
色素との共鳴や色素への電荷移動により可視光から近赤
外領域において色素の吸光度の増強効果がある。この色
素の光吸収の増強効果により、光電流の増加が引き起こ
され、光電変換効率をさらに向上させることができる。
ジウム合金などの金属微粒子は、太陽光の照射により表
面プラズモン吸収による光エネルギーの吸収が起こり、
色素との共鳴や色素への電荷移動により可視光から近赤
外領域において色素の吸光度の増強効果がある。この色
素の光吸収の増強効果により、光電流の増加が引き起こ
され、光電変換効率をさらに向上させることができる。
【００３４】
【実施例】本発明を、以下の実施例により説明する。し
かし、本発明はこれに限定されるものではない。
かし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３５】［実施例１］ 以下の条件で、本発明の複
合型太陽電池を構成し、その特性を評価した。
合型太陽電池を構成し、その特性を評価した。
【００３６】透明導電膜を形成した透明基板には、市販
のフッ素ドープＳｎＯ2ガラス（日本板硝子製、導電層
膜厚４５０ｎｍ）を用いた。金属酸化物の薄膜には、酸
化チタンとして平均粒径１５ｎｍのＴｉＯ2ペースト（S
olaronix社製）を用いた。
のフッ素ドープＳｎＯ2ガラス（日本板硝子製、導電層
膜厚４５０ｎｍ）を用いた。金属酸化物の薄膜には、酸
化チタンとして平均粒径１５ｎｍのＴｉＯ2ペースト（S
olaronix社製）を用いた。
【００３７】フッ素ドープＳｎＯ2ガラス上に、ＴｉＯ2
ペーストを塗布し、自然乾燥後、５００℃で３０分間の
焼成を電気炉で行った。一回の塗布で、約２μｍ厚のＴ
ｉＯ 2多孔質膜が形成された。これを複数回繰り返すこ
とにより、１０μｍの膜厚とした。このＴｉＯ2多孔質
膜をＲｕ色素溶液に浸漬し、８０℃で２時間還流を行
い、ＴｉＯ2多孔質膜の表面にＲｕ色素を担持させた。
なお、Ｒｕ色素溶液はエタノールに３×１０-4ｍｏｌ／
Ｌ（リットル）のＲｕ色素（Solaronix社製Ruthenium53
5）を溶解させることにより作製した。以上のように、
光電極であるアノード電極を形成した。一方、カソード
電極は、フッ素ドープＳｎＯ2ガラスの表面に、白金を
スパッターで薄く被覆することにより形成した。
ペーストを塗布し、自然乾燥後、５００℃で３０分間の
焼成を電気炉で行った。一回の塗布で、約２μｍ厚のＴ
ｉＯ 2多孔質膜が形成された。これを複数回繰り返すこ
とにより、１０μｍの膜厚とした。このＴｉＯ2多孔質
膜をＲｕ色素溶液に浸漬し、８０℃で２時間還流を行
い、ＴｉＯ2多孔質膜の表面にＲｕ色素を担持させた。
なお、Ｒｕ色素溶液はエタノールに３×１０-4ｍｏｌ／
Ｌ（リットル）のＲｕ色素（Solaronix社製Ruthenium53
5）を溶解させることにより作製した。以上のように、
光電極であるアノード電極を形成した。一方、カソード
電極は、フッ素ドープＳｎＯ2ガラスの表面に、白金を
スパッターで薄く被覆することにより形成した。
【００３８】カソード電極とアノード電極を対向させて
電池構造を形成し、隙間に酸化還元電解質を注入した。
酸化還元電解質はヨウ素系電解液であり、アセトニトリ
ル（９０ｖｏｌ％）と３メチル２オキサゾリジノン（１
０ｖｏｌ％）の混合溶媒に、ヨウ素とヨウ化リチウムを
加えたものである。
電池構造を形成し、隙間に酸化還元電解質を注入した。
酸化還元電解質はヨウ素系電解液であり、アセトニトリ
ル（９０ｖｏｌ％）と３メチル２オキサゾリジノン（１
０ｖｏｌ％）の混合溶媒に、ヨウ素とヨウ化リチウムを
加えたものである。
【００３９】以上により、色素増感型太陽電池を形成し
た。
た。
【００４０】通常の分光光度計で測定した本実施例の色
素増感型太陽電池の透過率スペクトルを図５に示す。電
池の構成材料による吸収があるため、色素単体の透過率
とは異なるが、波長６００ｎｍ〜１１００ｎｍの光が透
過しており、最大で６４％の透過率であった。
素増感型太陽電池の透過率スペクトルを図５に示す。電
池の構成材料による吸収があるため、色素単体の透過率
とは異なるが、波長６００ｎｍ〜１１００ｎｍの光が透
過しており、最大で６４％の透過率であった。
【００４１】結晶系シリコン太陽電池は、ｐ型多結晶シ
リコン基板を拡散炉で熱処理し、ｐ型シリコン基板表面
にリンを拡散させ、表面層をｎ型とした。シリコン基板
の裏面のｎ型層をエッチングで取り去り、当該表面をｐ
型層とした。裏面電極パターンの形成は、Ａｇ−Ａｌペ
ーストをスクリーン印刷し、空気雰囲気中で２００℃で
１分の乾燥を行い、続いて７００℃で１分の焼成を行
い、電極とした。
リコン基板を拡散炉で熱処理し、ｐ型シリコン基板表面
にリンを拡散させ、表面層をｎ型とした。シリコン基板
の裏面のｎ型層をエッチングで取り去り、当該表面をｐ
型層とした。裏面電極パターンの形成は、Ａｇ−Ａｌペ
ーストをスクリーン印刷し、空気雰囲気中で２００℃で
１分の乾燥を行い、続いて７００℃で１分の焼成を行
い、電極とした。
【００４２】受光面であるｎ型層にも、同様に、Ａｇ−
Ｔｉペーストをスクリーン印刷し、乾燥、焼成を行った
後、最後に水素雰囲気中で４００℃の熱処理を行った。
Ｔｉペーストをスクリーン印刷し、乾燥、焼成を行った
後、最後に水素雰囲気中で４００℃の熱処理を行った。
【００４３】以上により、結晶系シリコン太陽電池を形
成した。
成した。
【００４４】前記色素増感型太陽電池と結晶系シリコン
太陽電池の位置合わせをし、並列に配線した後、側面を
樹脂で封止して複合型太陽電池を形成した。
太陽電池の位置合わせをし、並列に配線した後、側面を
樹脂で封止して複合型太陽電池を形成した。
【００４５】参照用に、同一プロセスで従来型の色素増
感型太陽電池も形成した。
感型太陽電池も形成した。
【００４６】これらの太陽電池に対して、ＡＭ１．５
（エアマス１．５：地球の中緯度における太陽スペクト
ルの太陽光）のソーラーシミュレータで、１０００Ｗ／
ｍ2の疑似太陽光を照射して、電流電圧特性を測定し
た。
（エアマス１．５：地球の中緯度における太陽スペクト
ルの太陽光）のソーラーシミュレータで、１０００Ｗ／
ｍ2の疑似太陽光を照射して、電流電圧特性を測定し
た。
【００４７】その結果、従来型の色素増感型太陽電池で
は光電変換効率が６％であったのに対して、色素増感型
太陽電池の後側に結晶系シリコン太陽電池を配した複合
型太陽電池では、光電変換効率が１５％となった。この
ように本発明による複合型太陽電池は、従来の色素増感
型太陽電池と比較して、光電変換効率が約２．５倍に向
上した。また、ここで用いた結晶系シリコン太陽電池単
体の光電変換効率よりも約７％向上した。
は光電変換効率が６％であったのに対して、色素増感型
太陽電池の後側に結晶系シリコン太陽電池を配した複合
型太陽電池では、光電変換効率が１５％となった。この
ように本発明による複合型太陽電池は、従来の色素増感
型太陽電池と比較して、光電変換効率が約２．５倍に向
上した。また、ここで用いた結晶系シリコン太陽電池単
体の光電変換効率よりも約７％向上した。
【００４８】［実施例２］ 以下の条件で、本発明の複
合型太陽電池を構成し、その特性を評価した。
合型太陽電池を構成し、その特性を評価した。
【００４９】透明導電膜を形成した透明基板には、市販
のフッ素ドープＳｎＯ2ガラス（日本板硝子製、導電層
膜厚４５０ｎｍ）を用いた。金属酸化物の薄膜には、酸
化チタンとして平均粒径１５ｎｍのＴｉＯ2ペースト（S
olaronix社製）を用いた。
のフッ素ドープＳｎＯ2ガラス（日本板硝子製、導電層
膜厚４５０ｎｍ）を用いた。金属酸化物の薄膜には、酸
化チタンとして平均粒径１５ｎｍのＴｉＯ2ペースト（S
olaronix社製）を用いた。
【００５０】フッ素ドープＳｎＯ2ガラス上に、ＴｉＯ2
ペーストを塗布し、自然乾燥後、５００℃で３０分間の
焼成を電気炉で行った。一回の塗布で、約２μｍ厚のＴ
ｉＯ 2多孔質膜が形成された。これを複数回繰り返すこ
とにより、１０μｍの膜厚とした。このＴｉＯ2多孔質
膜をＲｕ色素溶液に浸漬し、８０℃で２時間還流を行
い、ＴｉＯ2多孔質膜の表面にＲｕ色素を担持させた。
なお、Ｒｕ色素溶液はエタノールに３×１０-4ｍｏｌ／
Ｌ（リットル）のＲｕ色素（Solaronix社製Ruthenium53
5）を溶解させることにより作製した。
ペーストを塗布し、自然乾燥後、５００℃で３０分間の
焼成を電気炉で行った。一回の塗布で、約２μｍ厚のＴ
ｉＯ 2多孔質膜が形成された。これを複数回繰り返すこ
とにより、１０μｍの膜厚とした。このＴｉＯ2多孔質
膜をＲｕ色素溶液に浸漬し、８０℃で２時間還流を行
い、ＴｉＯ2多孔質膜の表面にＲｕ色素を担持させた。
なお、Ｒｕ色素溶液はエタノールに３×１０-4ｍｏｌ／
Ｌ（リットル）のＲｕ色素（Solaronix社製Ruthenium53
5）を溶解させることにより作製した。
【００５１】Ｒｕ色素を担持したＴｉＯ2多孔質膜を、
ＰｔＡｇ系微粒子が単分散したインクに浸漬し、エタノ
ールで洗浄後、自然乾燥させることにより、Ｒｕ色素近
傍にＰｔＡｇ系微粒子を配置させた。単分散ＰｔＡｇ系
微粒子インクは、白金と銀のモル比を４：１にすること
で、酸化還元電解質に溶解することを防止できる。
ＰｔＡｇ系微粒子が単分散したインクに浸漬し、エタノ
ールで洗浄後、自然乾燥させることにより、Ｒｕ色素近
傍にＰｔＡｇ系微粒子を配置させた。単分散ＰｔＡｇ系
微粒子インクは、白金と銀のモル比を４：１にすること
で、酸化還元電解質に溶解することを防止できる。
【００５２】以上のように、光電極であるアノード電極
を形成した。
を形成した。
【００５３】一方、カソード電極は、フッ素ドープＳｎ
Ｏ2ガラスの表面に、白金をスパッターで薄く被覆する
ことにより形成した。
Ｏ2ガラスの表面に、白金をスパッターで薄く被覆する
ことにより形成した。
【００５４】カソード電極とアノード電極を対向させて
電池構造を形成し、隙間に酸化還元電解質を注入した。
酸化還元電解質はヨウ素系電解液であり、アセトニトリ
ル（９０ｖｏｌ％）と３メチル２オキサゾリジノン（１
０ｖｏｌ％）の混合溶媒に、ヨウ素とヨウ化リチウムを
加えたものである。本実施例の色素増感型太陽電池の透
過率スペクトルを図６に示す。波長６００ｎｍ〜１１０
０ｎｍの光が透過しており、最大で５７％の透過率であ
った。
電池構造を形成し、隙間に酸化還元電解質を注入した。
酸化還元電解質はヨウ素系電解液であり、アセトニトリ
ル（９０ｖｏｌ％）と３メチル２オキサゾリジノン（１
０ｖｏｌ％）の混合溶媒に、ヨウ素とヨウ化リチウムを
加えたものである。本実施例の色素増感型太陽電池の透
過率スペクトルを図６に示す。波長６００ｎｍ〜１１０
０ｎｍの光が透過しており、最大で５７％の透過率であ
った。
【００５５】結晶系シリコン太陽電池は、ｐ型多結晶シ
リコン基板を拡散炉で熱処理し、ｐ型シリコン基板表面
にリンを拡散させ、表面層をｎ型とした。シリコン基板
の裏面のｎ型層をエッチングで取り去り、当該表面をｐ
型層とした。裏面電極パターンの形成は、Ａｇ−Ａｌペ
ーストをスクリーン印刷し、空気雰囲気中で２００℃で
１分の乾燥を行い、続いて７００℃で１分の焼成を行
い、電極とした。
リコン基板を拡散炉で熱処理し、ｐ型シリコン基板表面
にリンを拡散させ、表面層をｎ型とした。シリコン基板
の裏面のｎ型層をエッチングで取り去り、当該表面をｐ
型層とした。裏面電極パターンの形成は、Ａｇ−Ａｌペ
ーストをスクリーン印刷し、空気雰囲気中で２００℃で
１分の乾燥を行い、続いて７００℃で１分の焼成を行
い、電極とした。
【００５６】受光面であるｎ型層にも、同様に、Ａｇ−
Ｔｉペーストをスクリーン印刷し、乾燥、焼成を行った
後、最後に水素雰囲気中で４００℃の熱処理を行った。
Ｔｉペーストをスクリーン印刷し、乾燥、焼成を行った
後、最後に水素雰囲気中で４００℃の熱処理を行った。
【００５７】以上により、結晶系シリコン太陽電池を形
成した。
成した。
【００５８】前記色素増感型太陽電池と結晶系シリコン
太陽電池の位置合わせをし、並列に配線した後、側面を
樹脂封止して複合型太陽電池を形成した。
太陽電池の位置合わせをし、並列に配線した後、側面を
樹脂封止して複合型太陽電池を形成した。
【００５９】参照用に、同一プロセスで金属微粒子を配
した改良型の色素増感型太陽電池も形成した。
した改良型の色素増感型太陽電池も形成した。
【００６０】これらの太陽電池に対して、ＡＭ１．５の
ソーラーシミュレータで１０００Ｗ／ｍ2の疑似太陽光
を照射して、電流電圧特性を測定した。
ソーラーシミュレータで１０００Ｗ／ｍ2の疑似太陽光
を照射して、電流電圧特性を測定した。
【００６１】その結果、改良型の色素増感太陽電池では
光電変換効率が９％であったのに対して、改良型の色素
増感型太陽電池の後側に結晶系シリコン太陽電池を配し
た複合型太陽電池では、光電変換効率が１７％となっ
た。このように本発明による複合型太陽電池は、従来の
色素増感型対応電池と比較して、光電変換効率が約３倍
以上、改良型の色素増感型太陽電池と比較しても、光電
変換効率が約２倍に向上した。また、ここで用いた結晶
系シリコン太陽電池単体の光電変換効率よりも約２１％
向上した。
光電変換効率が９％であったのに対して、改良型の色素
増感型太陽電池の後側に結晶系シリコン太陽電池を配し
た複合型太陽電池では、光電変換効率が１７％となっ
た。このように本発明による複合型太陽電池は、従来の
色素増感型対応電池と比較して、光電変換効率が約３倍
以上、改良型の色素増感型太陽電池と比較しても、光電
変換効率が約２倍に向上した。また、ここで用いた結晶
系シリコン太陽電池単体の光電変換効率よりも約２１％
向上した。
【００６２】
【発明の効果】本発明の複合型太陽電池により、波長３
００ｎｍ〜６００ｎｍの太陽光により色素増感型太陽電
池で発電することができるとともに、色素増感型太陽電
池を透過した波長６００ｎｍ以上の太陽光についても、
結晶系シリコン太陽電池で有効に発電することができる
ため、単位面積あたりの光電変換効率を向上させること
ができた。
００ｎｍ〜６００ｎｍの太陽光により色素増感型太陽電
池で発電することができるとともに、色素増感型太陽電
池を透過した波長６００ｎｍ以上の太陽光についても、
結晶系シリコン太陽電池で有効に発電することができる
ため、単位面積あたりの光電変換効率を向上させること
ができた。
【図１】 本発明に係る複合型太陽電池の構成を示す概
念断面図である。
念断面図である。
【図２】 本発明に係る複合型太陽電池の他の構成を示
す概念断面図である。
す概念断面図である。
【図３】 色素増感型太陽電池の光電変換効率を示す相
対分光感度−波長曲線のグラフである。
対分光感度−波長曲線のグラフである。
【図４】 結晶系シリコン太陽電池の光電変換効率を示
す相対分光感度−波長曲線のグラフである。
す相対分光感度−波長曲線のグラフである。
【図５】 実施例１の色素増感型太陽電池の透過率を示
す透過率−波長曲線のグラフである。
す透過率−波長曲線のグラフである。
【図６】 実施例２の色素増感型太陽電池の透過率を示
す透過率−波長曲線のグラフである。
す透過率−波長曲線のグラフである。
【図７】 従来の色素増感型太陽電池の構成を示す概念
断面図である。
断面図である。
１ａ、１ｂ 透明基板 ２ａ、２ｂ、２ｃ 透明導電膜 ３ 酸化還元電解質 ４ 金属酸化物膜 ５ 金属酸化物微粒子 ６ 色素 ７ 金属微粒子 ８ ｐ型シリコン ９ ｎ型シリコン １０ 金属電極
Claims (9)
- 【請求項１】 太陽光に面した側に配した色素増感型太
陽電池と、該色素増感型太陽電池の後側に配した結晶系
シリコン太陽電池とを接続させた複合型太陽電池。 - 【請求項２】 前記色素増感型太陽電池は、第１の透明
基板の内側に透明導電膜を形成し、その内側表面に白金
または炭素を被覆して形成したカソード電極と、第２の
透明基板の内側に透明導電膜および金属酸化物薄膜を順
次形成し、この金属酸化物薄膜の表面に色素を担持させ
て形成したアノード電極とが、酸化還元電解質を介して
対向して形成される請求項１に記載の複合型太陽電池。 - 【請求項３】 前記色素増感型太陽電池は、第１の透明
基板の内側に透明導電膜を形成し、その内側表面に白金
または炭素を被覆して形成したカソード電極と、第２の
透明基板の内側に透明導電膜および金属酸化物薄膜を順
次形成し、この金属酸化物薄膜の表面に色素を担持し、
さらに該色素の近傍に金属微粒子を配して形成したアノ
ード電極とが、酸化還元電解質を介して対向して形成さ
れる請求項１に記載の複合型太陽電池。 - 【請求項４】 前記金属微粒子が、白金（Ｐｔ）、白金
合金、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金の微粒
子である請求項３に記載の複合型太陽電池。 - 【請求項５】 前記金属酸化物が、酸化チタン（ＴｉＯ
2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、
酸化錫（ＳｎＯ2）またはチタン酸ストロンチウム（Ｓ
ｒＴｉＯ3）である請求項２または３に記載の複合型太
陽電池。 - 【請求項６】 前記色素が、ルテニウム錯体またはキサ
ンテン系色素である請求項２または３に記載の複合型太
陽電池。 - 【請求項７】 前記酸化還元電解質が、ヨウ素、臭素ま
たは塩素を含む電解液または固体伝導体である請求項２
または３に記載の複合型太陽電池。 - 【請求項８】 前記透明導電膜は、フッ素ドープ酸化錫
膜、酸化インジウム膜、ＩＴＯ膜またはＡＴＯ膜である
請求項２または３に記載の複合型太陽電池。 - 【請求項９】 前記結晶系シリコン太陽電池が、シリコ
ン単結晶太陽電池またはシリコン多結晶太陽電池である
請求項１〜８に記載の複合型太陽電池。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001021130A JP4639481B2 (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 複合型太陽電池 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001021130A JP4639481B2 (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 複合型太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002231324A true JP2002231324A (ja) | 2002-08-16 |
| JP4639481B2 JP4639481B2 (ja) | 2011-02-23 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001021130A Expired - Fee Related JP4639481B2 (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 複合型太陽電池 |
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|---|---|
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