JP2004079333A

JP2004079333A - Dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell module using it

Info

Publication number: JP2004079333A
Application number: JP2002237886A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sasaki; 佐々木　恵一; Atsushi Yamamoto; 山本　敦史; Kengo Wakamatsu; 若松　建吾
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-03-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell which can utilize effectively the energy of sunlight entered into the dye-sensitized solar cell and has a high energy conversion efficiency. <P>SOLUTION: A photocatalyst layer 9 carrying a dye 8 is formed through a transparent conductive membrane 7 on the surface of a main electrode base 2 and an oxidation-reduction catalyst layer 10 is formed through the transparent conductive membrane 7 on the surface of an opposing electrode base 3. The opposing electrode base 3 is arranged at a position opposed to the main electrode base 2 with a prescribed interval and a sealing part 4 made of an electrically insulating material having a light incident part 11 is formed between them. The sunlight which enters into the dye-sensitized solar cell 1 from the light incident part 11 is introduced between the main electrode base 2 and the opposing electrode base 3, and the energy of the sunlight is effectively utilized on the surface of the main electrode base 2, thereby, obtaining high energy conversion efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色素を担持した光触媒による光電変換機能を利用した色素増感太陽電池セルおよびそれを用いた色素増感太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
色素増感太陽電池セルは、色素を担持した光触媒層に太陽光を照射させることで光エネルギを電気エネルギに変換するものである。
【０００３】
従来の色素増感太陽電池セルは、表面に透明導電性膜を有する透明ガラスに、色素を担持した光触媒層が形成された主電極基部と、表面に透明導電性膜を有する透明ガラスに、酸化還元触媒層が形成された対向電極基部と、主電極基部と対向電極基部との間に充填された電解質で主に構成されている。
【０００４】
従来の色素増感太陽電池セルでは、主電極基部側から入射した太陽光を光触媒層に担持された色素が吸収することで電子とホールが生成する。電子は、光触媒層の伝導体へと注入され、主電極基部に移動する。一方、ホールは、電解質中の酸化還元対を利用して対向電極基部へ移動する。発電は、主電極基部の電子が外部回路を通じて対向電極基部へ移動することによって生じる。光電変換に利用されなかった太陽光は、対向電極基部などから色素増感太陽電池セルの外に透過される。
【０００５】
また、従来の色素増感太陽電池セルでは、対向電極基部を透過した光を有効利用して、エネルギ変換効率を向上させるために、複数の色素増感太陽電池セルを重ね合わせた積層セル構造の色素増感太陽電池モジュールが報告されている。
【０００６】
これまでに報告された従来の色素増感太陽電池セルにおけるエネルギ変換効率は、５ｍｍ角のセル面積サイズで７〜１０％程度である。また、このセル面積サイズにおけるエネルギ変換効率は、理論的な計算では３３％程度まで得られるものとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の色素増感太陽電池では、主電極基部側から太陽光が入射され、その太陽光のエネルギの内、色素と光触媒に吸収された以外のエネルギは、対向電極基部などから透過される。つまり、主電極基部における光電変換に必要なエネルギ密度以上のエネルギ密度でエネルギが供給されても、その過剰なエネルギは光電変換しきれず、外部に放出されてしまう。そのため、従来の色素増感太陽電池セルでは、太陽光のエネルギの十分な活用がなされておらず、エネルギ変換効率が７〜１０％の低い値であるという問題があった。また、色素増感太陽電池セルのエネルギ変換効率を高めるためには、太陽光、色素および光触媒が相互作用する部分の実効面積を大きくすることが必要となり、色素増感太陽電池セルが大型化するなどの問題があった。
【０００８】
また、従来の色素増感太陽電池セルでは、エネルギ変換効率が低いので、所定の電力を得るためには入射面積を増加させることが必要となり、色素増感太陽電池セルが大型化するなどの問題があった。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、色素増感太陽電池セルに入射した太陽光のエネルギを有効利用でき、エネルギ変換効率の高い色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明の色素増感太陽電池セルは、色素を担持した光触媒層が形成された主電極基部と、前記主電極基部と空間を有して配設され、酸化還元触媒層が形成された対向電極基部と、前記主電極基部と前記対向電極基部との間に光を入射させる光入射部と、前記主電極基部と前記対向電極基部との間に充填された電解質とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。
【００１２】
（２）また、本発明の色素増感太陽電池モジュールは、（１）記載の色素増感太陽電池セルを隣接して構成されることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。また、各色素増感太陽電池セルの同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、主電極基部と対向電極基部を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００１４】
（３）さらに、本発明の色素増感太陽電池モジュールは、（１）記載の色素増感太陽電池セルの主電極基部が金属で構成された色素増感太陽電池セルを２つ用いて、それぞれ前記対向電極基部の裏面同士を接続した第１の対状色素増感太陽電池セルと、２つの前記色素増感太陽電池セルの前記対向電極基部の裏面同士を接続し、前記第１の対状色素増感太陽電池セルと隣接された第２の対状色素増感太陽電池セルとを備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。また、主電極基部を、高価な透明導電性膜を有するガラスではなく、金属で構成することにより、加工プロセスが容易になり、コストダウンを図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
（セルタイプ）
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の色素増感太陽電池セルの第１の実施の形態を、図１の（ａ）の色素増感太陽電池セルの外観の斜視図および（ｂ）の色素増感太陽電池セルのＡ−Ａ断面図を参照して説明する。
同図に示すように、色素増感太陽電池セル１は、主電極基部２、対向電極基部３、シール部４、光反射機能部５および電解質６で主に構成されている。
【００１７】
平板形状の主電極基部２の表面には、透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、平板形状の対向電極基部３の表面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。対向電極基部３は、例えば、数十〜数百μｍの間隔をおいて、主電極基部２と対向する位置に配設されている。対向する主電極基部２と対向電極基部３との間は、それぞれの外縁に沿ってシール部４によって接続されて、主電極基部２と対向電極基部３との間の電気的絶縁が確保され、また、主電極基部２と対向電極基部３との間に充填された電解質６の外部への漏洩が防止されている。シール部４には、太陽光を色素増感太陽電池セル１内部に入射させる光入射部１１が設けられ、この光入射部１１は、シール部４内の任意な部分に設けることができ、光入射部１１の光透過面積によって入射する太陽光エネルギ量が変化する。光入射部１１の光透過面積は、光触媒層９を有する主電極基部２の表面の面積の１／１００から数分の１程度であり、主電極基部２および対向電極基部３は、光入射部１１に対して奥行きを持って配設されている。光反射機能部５は、上部のシール部４側の面を除く側面に設けられ、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル１の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００１８】
また、入射する太陽光のエネルギ量を増加させるため、底部に設けられているシール部４を覆っている光反射機能部５の一部分を開口し、底部のシール部４に光入射部を設け、そこから色素増感太陽電池セル１内に太陽光を入射させることもできる。さらに、主電極基部２および対向電極基部３の奥行き方向（図中下向き方向）の長さを、入射された太陽光が色素増感太陽電池セル１内を軸方向に到達できる距離と等しくすることで構造の最適化を図ることができる。
【００１９】
次に、各構成要素の構成部材について説明する。
主電極基部２および対向電極基部３には、光透過材などが用いられ、例えば、透明ガラスなどで構成されている。ここでは、主電極基部２に表面が平らな形状の光透過材を用いているが、主電極基部２の表面の面積を増加させるため、主電極基部２の表面に、溝間隔が１０〜１０００μｍ程度の凹凸形状の溝などを構成してもよい。
【００２０】
主電極基部２および対向電極基部３の表面に、各種蒸着またはスパッタリングなどによって形成される透明導電性膜には、導電性および光透過性を有するものであれば用いることができ、特に、導電性、光透過性および耐熱性に優れたスズ系酸化物などを用いることが好ましい。スズ系酸化物には、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アンチモンスズ酸化物（ＡＴＯ）またはフッ素ドープスズ酸化物（ＦＴＯ）などがあるが、数百℃の熱によっても導電性が低下しない点や有害物質でない点などからフッ素ドープスズ酸化物（ＦＴＯ）を用いることが特に好ましい。また、コストが低い点からはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を用いることが好ましい。
【００２１】
光触媒層９の光触媒には、例えば、多孔性が高く、表面積が大きいチタニア（ＴｉＯ_２）などの酸化物半導体を用いることが好ましい。また、チタニア（ＴｉＯ_２）以外にも、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ_３）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化すず（ＳｎＯ_２）、バナジウム酸ビスマス（ＢｉＶＯ_４）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）または酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）などを用いることもできる。ここで、反応面積を増加させるという点において、色素８を担持した光触媒層９の面積は大きいほど好ましく、主電極基部２の表面の面積を増加させる他に、光触媒層９を形成する光触媒の多孔性を高めることによっても反応面積を増加させることができる。
【００２２】
色素８には、太陽光のスペクトルを幅広く吸収し、優れた光化学増感効果を発揮できるものが好ましく、例えば、ルテニウム錯体などの金属錯体が用いられる。また、クマリンなどの有機系色素を用いてもよい。
【００２３】
酸化還元触媒層７の酸化還元触媒には、導電性に優れた白金、パラジウムなどの金属粒子が用いられ、その他、黒鉛なども用いることができる。これらの酸化還元触媒は、透明導電性膜７を有する対向電極基部３の表面に、各種蒸着またはスパッタリングなどによって形成される。
【００２４】
電解質６には、例えば、ヨウ化物、臭化物、塩化物、ヒドロキノンまたはフェロセンなどを溶質とし、アセチルニトリル、アクリロニトリルまたはエチレンカーボネートなどの有機溶剤を溶媒とする混合液が用いられている。また、光透過性を有すれば、ゲルの固体電解質も用いることができ、液体電解質特有の揮発、漏液等のトラブルを解消することができる。
【００２５】
シール部４は、電気絶縁材で電解質６と反応しない材料からなり、例えば、エポキシ樹脂、フッ素含有樹脂などからなるイオン半透膜、フィルタまたは絶縁テープなどで構成されている。また、シール部４に設けられている光入射部１１は、光透過性の電気絶縁材で電解質６と反応しない材料からなり、例えば、シール部４と同様に、エポキシ樹脂、フッ素含有樹脂などからなるイオン半透膜、フィルタまたは絶縁テープなどで構成されている。
【００２６】
光反射機能部５は、反射率の高い材料からなり、例えば、銀蒸着樹脂フィルム、ガラスの鏡または金属鏡面材などで構成される。
【００２７】
次に、図１の（ｂ）を参照して、電解質６の溶質としてヨウ化物を用いた場合における色素増感太陽電池セル１の光電変換の動作について説明する。
太陽光は、上部のシール部４側から照射され、光入射部１１、主電極基部２および対向電極基部３それぞれから色素増感太陽電池セル１内に入射する。光入射部１１から入射した太陽光は、主電極基部２と対向電極基部３との間に、また、主電極基部２および対向電極基部３から入射した太陽光は、透明導電性膜７を介して主電極基部２と対向電極基部３との間に導かれる。また、色素増感太陽電池セル１の外部に向かう太陽光は、光反射機能部５を有する外壁面で反射されるので、光入射部１１を除いて、色素増感太陽電池セル１から外部に太陽光が放出されることはない。
【００２８】
入射した太陽光は、光触媒層９に担持された色素８を励起して（色素８が光エネルギを吸収して）、色素８から電子を放出させ、光触媒層９がその電子を受けて主電極基部２へ引き渡す。一方、色素８に残ったホールは、ヨウ素イオンを還元し、Ｉ⁻をＩ_３ ⁻　へと変え、この還元されたヨウ素イオンは、外部回路を通じて主電極基部２から流れてきた電子を対向電極基部３で受けて酸化される。つまり、電子は、主電極基部２と対向電極基部３との間をサイクルし、電子が主電極基部２から対向電極基部３に流れる外部回路において発電が行われる。色素増感太陽電池セル１では、このような一連のメカニズムを繰り返すことで光電変換機能を継続させている。
【００２９】
色素増感太陽電池セル１では、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した太陽光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない太陽光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。
【００３０】
また、色素増感太陽電池セル１の上部のシール部４側以外の面に光反射機能部５を設けることで、入射した太陽光は、上部のシール部４側の面を除いて、色素増感太陽電池セル１から外部に放出されることはなく、また、光反射機能部５で反射されることにより、再度、色素８に衝突し光電変換される。これによって、入射した太陽光のエネルギを有効に光電変換することができるので、エネルギ変換効率を高めることができる。
【００３１】
（モジュールタイプ）
第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１を複数個隣接した色素増感太陽電池モジュール２０の構成を、図２に示した色素増感太陽電池モジュール２０の断面図を参照して説明する。
【００３２】
図２に示した色素増感太陽電池モジュール２０は、図１に示した色素増感太陽電池セル１の光反射機能部５を取り除いた複数の色素増感太陽電池セル１を、主電極基部２または対向電極基部３の側に隣接し、上部のシール部４側以外の面を、再度、光反射機能部５で囲んだものである。この色素増感太陽電池モジュール２０では、単に色素増感太陽電池セル１を隣接させた構成になっているが、例えば、隣接する色素増感太陽電池セル１間を１枚の光透過材で構成し、その光透過材の表裏面に透明導電性膜７を有する電極基部を設けることもできる。また、図２に示された色素増感太陽電池モジュール２０では、主電極基部２に対向電極基部３が隣接されているが、主電極基部２に主電極基部２が、または、対向電極基部３に対向電極基部３が隣接されてもよい。
【００３３】
図３に、色素の光吸収特性の一例を示す。同図に示すような異なる光吸収特性を有する数種類の色素が、色素増感太陽電池モジュール２０を構成する各色素増感太陽電池セル１の色素８のいずれかに使用されている。図には示していないが、色素８の光吸収特性と同様に、光触媒層９の光触媒にも異なる光吸収特性を有する数種類の光触媒を使用することもできる。また、１つの色素増感太陽電池セル１の光触媒層９を、数種類の異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成することもできる。なお、図３に示された光吸収特性は一例であり、図示された以外の波長域に主な吸収スペクトルを持つ色素８を使用することもできる。
【００３４】
次に、色素増感太陽電池モジュール２０における光電変換の動作について、図２を参照して説明する。基本的な動作は、上記した色素増感太陽電池セル１の光電変換の動作で説明したものと同じであるので、重複する説明は省略する。
【００３５】
色素増感太陽電池モジュール２０では、各色素増感太陽電池セル１の主電極基部２および対向電極基部３が光透過材で構成されているので、各光入射部１１、各主電極基部２および各対向電極基部３から入射した太陽光は、色素増感太陽電池モジュール２０内を移動することができる。入射した太陽光は、様々な光吸収特性を有する各色素増感太陽電池セル１内を移動する間に、そのエネルギが吸収され、光電変換される。また、色素増感太陽電池モジュール２０は、上部のシール部４側の面を除いて、光反射機能部５によって囲まれているので、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池モジュール２０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００３６】
色素増感太陽電池モジュール２０では、色素増感太陽電池セル１における効果に加えて、異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成された数種類の光触媒層９を、各色素増感太陽電池セル１に用いているので、広範囲の波長の光を吸収することができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。
【００３７】
また、色素増感太陽電池モジュール２０では、各色素増感太陽電池セル１の同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、主電極基部２と対向電極基部３を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００３８】
（従来の横型モジュール構造と本発明の縦型モジュール構造におけるエネルギ変換効率の比較）
第１の実施の形態の色素増感太陽電池モジュール２０（縦型モジュール構造）と、従来の主電極基部表面を直接太陽光の入射面としたモジュール（横型モジュール構造）におけるＡＭ−１．５（エアマス１．５）、太陽光の単位面積当たりの照射エネルギ１００ｍＷ／ｃｍ^２の条件下でのエネルギ変換効率（公称効率）の一例を概算する。ここで、エアマスとは、大気圏通過空気量を意味し、単位として天頂から垂直に入射する通過空気量を基準にしてＡＭ−１としている。ＡＭ−１．５とは、冬の東京の晴天時の昼下がりの直射日光程度のことである。
【００３９】
縦型モジュール構造として、色素増感太陽電池セル単体の特性がエネルギ変換効率５．２５％（短絡電流１０ｍＡ／ｃｍ^２、開放電圧０．７Ｖ、フィルファクタ０．７５）の２０ｍｍ×３０ｍｍ×２．５ｍｍの色素増感太陽電池セルを８枚縦置きに燐接し、各電極を電気的に直列に接続したものを仮定する。色素増感太陽電池セルを縦型モジュール構造にすることで、太陽光の入射面積は２．５ｍｍ×３０ｍｍ×８＝６００ｍｍ^２となる。
【００４０】
また、色素増感太陽電池セルの短絡電流、開放電圧およびフィルファクタそれぞれの値は、電気的に直列に接続することによって、上記した公称値から外れるので、実験的に求められた値を用いる。それらの実験的に求められた値は、短絡電流は８ｍＡ／ｃｍ^２、開放電圧は５．６（０．７Ｖ×８）Ｖ、フィルファクタは０．６５となる。これらの値を用いて縦型モジュール構造におけるエネルギ変換効率を算出すると、８×５．６×０．６５／１００×１００＝２９．１２％となる。ここで、分母の１００は、太陽光の単位面積当たりの照射エネルギを１００ｍＷ／ｃｍ^２としたときの値である。
【００４１】
一方、横型モジュール構造として、色素増感太陽電池セル単体の特性がエネルギ変換効率５．２５％（短絡電流１０ｍＡ／ｃｍ^２、開放電圧０．７Ｖ、フィルファクタ０．７５）の２０ｍｍ×３０ｍｍ×２．５ｍｍの色素増感太陽電池セルを８枚重ね置きし、各電極を電気的に並列に接続したものを仮定する。横型モジュール構造において、各電極を電気的に直列に接続すると、各色素増感太陽電池セルの短絡電流が、積層された各色素増感太陽電池セルの最小の短絡電流に等しくなり、エネルギ変換効率は非常に小さくなる。そこで、ここでは、横型モジュール構造で最大のエネルギ変換効率が得られる電極の並列接続の場合を仮定している。
【００４２】
太陽光の入射面積は、縦型モジュール構造と同じ２０ｍｍ×３０ｍｍ＝６００ｍｍ^２である。１つの色素増感太陽電池セルを通過するたびに照射された太陽光のエネルギの５０％が吸収されるとすると、トータルの電流値は、６ｃｍ^２×（１０＋５＋２．５＋１．２５＋０．６２５＋０．３１２５＋０．１５６２５＋０．０７８１２５）＝約１２０ｍＡと算出される。各電極の並列接続により、開放電圧は０．７Ｖ、フィルファクタは０．７５のままとして、エネルギ変換効率は、（１２０×０．７×０．７５）／６／１００×１００＝１０．５％程度となる。
【００４３】
上記エネルギ変換効率の概算から、エネルギ変換効率は、仮定した条件下においては、縦型モジュール構造の方が横型モジュール構造より断然高くなりることがわかる。この結果から、太陽光の入射面積が広い従来の色素増感太陽電池セルに比べて、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１は、エネルギ変換効率が高いので、太陽光の入射面積が小さくても、同等の出力電力を得ることは可能であり、色素増感太陽電池セル１のコンパクト化を図ることができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
（セルタイプ）
本発明の色素増感太陽電池セルの第２の実施の形態を、図４に示した色素増感太陽電池セルの断面図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１およびモジュール２０の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
同図に示すように、色素増感太陽電池セル３０は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１の主電極基部２に金属を用いた構成となっており、金属主電極基部３１、対向電極基部３、シール部４、光反射機能部５および電解質６で主に構成されている。
【００４５】
平板形状の金属主電極基部３１の表面には、酸化物半導体膜３２を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、平板形状の対向電極基部３の表面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。対向電極基部３は、例えば、数十〜数百μｍの間隔をおいて、金属主電極基部３１と対向する位置に配設されている。対向する金属主電極基部３１と対向電極基部３との間は、それぞれの外縁に沿ってシール部４によって接続されて、金属主電極基部３１と対向電極基部３との間の電気的絶縁が確保され、また、金属主電極基部３１と対向電極基部３との間に充填された電解質６の外部への漏洩が防止されている。シール部４には、太陽光を色素増感太陽電池セル３０内部に入射させる光入射部１１が設けられ、この光入射部１１は、シール部４内の任意な部分に設けることができ、光入射部１１の光透過面積によって入射する太陽光エネルギ量が変化する。光入射部１１の光透過面積は、光触媒層９を有する金属主電極基部３１の表面の面積の１／２００から数分の１程度であり、金属主電極基部３１および対向電極基部３は、光入射部１１に対して奥行きを持って配設されている。光反射機能部５は、上部のシール部４側の面を除く側面に設けられ、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル３０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。なお、光反射機能部５に導電性金属を用いる場合は、光反射機能部５と各電極基板３、３１とは、電気絶縁材を介して接触させている。
【００４６】
また、入射する太陽光のエネルギ量を増加させるため、底部に設けられているシール部４を覆っている光反射機能部５の一部分を開口し、底部のシール部４に光入射部を設け、そこから色素増感太陽電池セル３０内に太陽光を入射させることもできる。さらに、金属主電極基部３１および対向電極基部３の奥行き方向（図中下向き方向）の長さを、入射された太陽光が色素増感太陽電池セル３０内を軸方向に到達できる距離と等しくすることで構造の最適化を図ることができる。
【００４７】
金属主電極基部３１は、酸化物がｎ型半導体を構成する種類の金属元素を用いることが好ましく、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｔａなどで構成される。これらの金属ならなる金属板、金属箔およびメッキなどの上に光触媒を塗布し焼き付ける際に、空気中の焼成条件で金属上に表面酸化による酸化物半導体膜が形成される。この酸化物半導体膜３２によって、光触媒層９から金属主電極基部３１への電荷移動が促進される。金属主電極基部３１の表面には、溝間隔が１０〜１０００μｍ程度の凹凸形状の溝が形成され、金属主電極基部３１の表面の面積が増加される。この溝は、凹凸形状以外にも、金属主電極基部３１の表面の面積を平板構造よりも増加させる形状であればよい。これによって、金属主電極基部３１の表面に形成される光触媒層９における反応面積が増加し、エネルギ変換効率を向上させることができる。ここでは、金属主電極基部３１の表面に溝を設けた構成を示したが、金属主電極基部３１の表面を平らな形状で使用することもできる。また、例えば、金属主電極基部３１に金属薄膜を用い、対向電極基部３に高分子の透明導電性シートなどを用いれば、変形可能な色素増感太陽電池セルを構成することができる。
【００４８】
第２の実施の形態の色素増感太陽電池セル３０における光電変換の動作は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル２０の光電変換の動作と同様に行われる。
【００４９】
色素増感太陽電池セル３０では、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う金属主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを金属主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した太陽光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない太陽光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。また、金属主電極基部３１の表面に設けられた溝によって、金属主電極基部３１の表面に形成される光触媒層９における反応面積が増加し、エネルギ変換効率を向上させることができる。さらに、主電極基部を、高価な透明導電性膜を有するガラスではなく、金属で構成することにより、加工プロセスが容易になり、コストダウンを図ることができる。
【００５０】
（モジュールタイプ）
第２の実施の形態の色素増感太陽電池セル３０を隣接した色素増感太陽電池モジュール４０について、図５に示した色素増感太陽電池モジュール４０の断面図を参照して説明する。
【００５１】
同図に示された色素増感太陽電池モジュール４０は、光反射機能部５を除去した２つの色素増感太陽電池セル３０の対向電極基部３の裏面同士を貼り合わせたものを対状色素増感太陽電池セル４１とし、この対状色素増感太陽電池セル４１を電気絶縁層４２を介して複数個隣接したものである。対向電極基部３には、透明導電性膜７を表面にのみ形成したガラスを用いているので、ガラスの裏面側は電気的に絶縁されており、対向電極基部３の裏面同士の貼り合わせには電気絶縁層を介す必要はない。また、各電極基部を電気的に直列に接続する場合には、複数の対状色素増感太陽電池セル４１は、電気絶縁層を介さず隣接される。ここでは、対状色素増感太陽電池セル４１は、２つの対向電極基部３の裏面同士を貼り合わせた構造が示されているが、２つの金属主電極基部３１の裏面同士を、直接または電気絶縁層を介して貼り合わせる構造にすることもできる。また、色素増感太陽電池モジュール４０は、シール部４および金属主電極基部３１側の面を除いて、光反射機能部５によって囲まれているので、入射した太陽光は、上部のシール部４側の面を除いて、色素増感太陽電池セル４０から外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００５２】
さらに、異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成された２種類の光触媒層９のそれぞれを、対状色素増感太陽電池セル４１を構成するそれぞれの色素増感太陽電池セル３０に用いることによって、広範囲の波長の光を吸収することができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。また、１つの色素増感太陽電池セル３０の光触媒層９を、数種類の異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成することもできる。
【００５３】
次に、色素増感太陽電池モジュール４０における光電変換の動作について、図５を参照して説明する。基本的な動作は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１の光電変換の動作で説明したものと同じであるので、重複する説明は省略する。
【００５４】
色素増感太陽電池モジュール４０では、対状色素増感太陽電池セル４１を形成する、例えば、色素増感太陽電池セル４１ａと色素増感太陽電池セル４１ｂの上部のシール部４に設けられた光入射部１１および対向電極基部３を通して、色素増感太陽電池セル４１ａ、４１ｂ内に太陽光が入射する。色素増感太陽電池セル４１ａへ入射した太陽光は、電解質６を通って色素８に照射され、色素８を増感させて光電変換を行う。色素８にエネルギが吸収されなかった太陽光の一部は、金属主電極基部３１および光反射機能部５に反射され、対向電極基部３を介して対となる向かい側の色素増感太陽電池セル４１ｂに入射する。一方、色素増感太陽電池セル４１ｂ側に入射した太陽光も、色素増感太陽電池セル４１ａ側に入射した太陽光と同様に、その一部は色素８にエネルギが吸収され、残りの一部は反射され対向電極基部３を介して対となる向かい側の色素増感太陽電池セル４１ａに入射する。このような反射を繰り返しながら、入射した太陽光のエネルギは色素８に吸収され、光電変換が行われる。
【００５５】
色素増感太陽電池モジュール４０では、色素増感太陽電池セル３０における効果に加えて、各色素増感太陽電池セル３０の同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、金属主電極基部３１と対向電極基部３を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００５６】
（第３の実施の形態）
（セルタイプ）
本発明の色素増感太陽電池セルの第３の実施の形態について、図６の（ａ）の色素増感太陽電池セル５０の外観の斜視図および（ｂ）の色素増感太陽電池セル５０のＡ−Ａ断面図を参照して説明する。なお、第１および２の実施の形態の色素増感太陽電池セル１、３０およびモジュール２０、４０の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００５７】
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セル５０は、柱状主電極基部５１、中空柱状対向電極基部５２、シール部４、光反射機能部５および電解質６で主に構成されている。
【００５８】
柱状の柱状主電極基部５１の側面には、透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、中空柱状の中空柱状対向電極基部５２の内側面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。柱状主電極基部５１は、その周囲を、例えば、数十〜数百μｍの間隔をおいて、中空柱状対向電極基部５２によって囲まれている。柱状主電極基部５１とそれを囲む中空柱状対向電極基部５２との間の両端の開口部は、電気絶縁材からなるシール部４によって閉じられ、柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２との間に充填された電解質６の外部への漏洩が防止されている。さらに、上部のシール部４には、太陽光を色素増感太陽電池セル５０内部に入射させる光入射部１１が設けられ、この光入射部１１は、シール部４内の任意な部分に設けることができ、光入射部１１の光透過面積によって入射する太陽光エネルギ量が変化する。光入射部１１の光透過面積は、光触媒層９を有する柱状主電極基部５１の表面の面積の１／１００から数分の１程度であり、柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２は、光入射部１１に対して奥行きを持って配設されている。光反射機能部５は、上部のシール部４側の面を除く側面に設けられ、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル５０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００５９】
また、入射する太陽光のエネルギ量を増加させるため、底部に設けられているシール部４を覆っている光反射機能部５の一部分を開口し、底部のシール部４に光入射部を設け、そこから色素増感太陽電池セル５０内に太陽光を入射させることもできる。さらに、柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２の軸方向（図中下向き方向）長さを、入射された太陽光が色素増感太陽電池セル５０内を軸方向に到達できる距離と等しくすることで構造の最適化を図ることができる。
【００６０】
次に、各構成要素の構成部材について説明する。
柱状主電極基部５１は、側面に透明導電性膜７を有する柱状の光透過材で構成され、例えば、柱状の透明導電性ガラスなどが用いられる。ここでは、柱状主電極基部５１に透明導電性膜７を有する光透過材を用いているが、柱状の金属を用いてもよい。また、柱状主電極基部５１の側面には、溝間隔が１０〜１０００μｍ程度の凹凸形状の溝などを形成して、柱状主電極基部５１の側面の面積を増加させることもできる。
【００６１】
中空柱状対向電極基部５２は、内側面に透明導電性膜７を有する中空柱状の光透過材で構成され、例えば、中空柱状の透明導電性ガラスなどが用いられる。ここでは、中空柱状対向電極基部５２に透明導電性膜７を有する光透過材を用いているが、中空柱状の金属を用いてもよい。
【００６２】
柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２に金属を用いる場合には、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｔａなどの酸化物がｎ型半導体を構成する種類の金属元素を用いることが好ましい。
【００６３】
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セル５０における光電変換の動作は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル２０の光電変換の動作と同様に、次のように行われる。
【００６４】
太陽光は、シール部４に設けられた光入射部１１、光入射部１１が設けられた側の柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２との端面から色素増感太陽電池セル５０内に入射される。入射された太陽光のエネルギは色素８に吸収され、光電変換が行われる。
【００６５】
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セル５０では、側面に透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成された柱状の電極基部を柱状主電極基部５１、内側面に透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成された中空柱状の電極基部を中空柱状対向電極基部５２として構成しているが、これに限るものではなく、内側面に透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成された中空柱状の電極基部を中空柱状主電極基部、側面に透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成された柱状の電極基部を柱状対向電極基部として構成することもできる。
【００６６】
色素増感太陽電池セル５０では、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う柱状主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを柱状主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した太陽光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない太陽光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。
【００６７】
また、色素増感太陽電池セル５０の上部のシール部４側以外の面に光反射機能部５を設けることで、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル５０の外部に放出されることはなく、また、光反射機能部５で反射されることにより、再度、色素８に衝突し光電変換することができる。これによって、入射した太陽光のエネルギを有効に光電変換される。
【００６８】
（モジュールタイプ）
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルを複数個隣接した色素増感太陽電池モジュール６０について、図７の（ａ）の色素増感太陽電池モジュール６０の外観の斜視図および（ｂ）の色素増感太陽電池モジュール６０のＡ−Ａ断面図を参照して説明する。
図７（ａ）、（ｂ）に示した色素増感太陽電池モジュール６０は、図６（ａ）、（ｂ）に示した色素増感太陽電池セル５０の光反射機能部５を取り除いた複数の色素増感太陽電池セル５０の側面を燐接させ、上部のシール部４側以外の面を再度、光反射機能部５で囲んだものである。図７（ａ）、（ｂ）に示した色素増感太陽電池モジュール６０構成以外にも、例えば、複数の柱状主電極基部５１を所定の間隔で並べ、それらを囲むように中空柱状対向電極基部５２を設け、柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２のそれぞれの端面の開口部をシール部４で閉じる構成にすることもできる。
【００６９】
また、図３に示すような異なる光吸収特性を有する数種類の色素８が、色素増感太陽電池モジュール６０を構成する各色素増感太陽電池セル５０の色素８のいずれかに使用されている。同図には示していないが、色素８の光吸収特性と同様に、光触媒層９の光触媒も異なる光吸収特性を有する数種類の光触媒を使用することもできる。
【００７０】
次に、色素増感太陽電池モジュール６０における光電変換の動作について、図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。基本的な動作は、第１の実施の形態で説明したものと同じであるので、重複する説明は省略する。
色素増感太陽電池モジュール６０では、各色素増感太陽電池セル５０の柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２が光透過材で構成されているので、各光入射部１１から入射した太陽光は、色素増感太陽電池モジュール６０内を移動することができる。入射した太陽光は、様々な光吸収特性を有する各色素増感太陽電池セル５０内を移動する間に、そのエネルギが吸収され、光電変換される。また、色素増感太陽電池モジュール６０は、上部のシール部４側の面を除いて、光反射機能部５によって囲まれているので、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池モジュール６０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００７１】
色素増感太陽電池モジュール６０では、色素増感太陽電池セル５０における効果に加えて、異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成された数種類の光触媒層９を、各色素増感太陽電池セル５０に用いることによって、広範囲の波長の光を吸収することができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。
【００７２】
また、色素増感太陽電池モジュール６０では、各色素増感太陽電池セル５０の同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００７３】
（第４の実施の形態）
（モジュールタイプ）
本発明の色素増感太陽電池モジュールの第４の実施の形態について、図８に示した色素増感太陽電池モジュールの断面図を参照して説明する。
第４の実施の形態の色素増感太陽電池モジュール７０は、上記した第１ないし３の実施の形態の色素増感太陽電池セル１、３０、５０またはモジュール２０、４０、６０に、光ファイバなどの光導波管７１を用い直接的に太陽光を誘導するように構成されたものである。ここでは、第１の実施の形態の色素増感太陽電池モジュール２０に光導波管７１および採光部７２を設けた一例を示すが、その他の実施の形態の色素増感太陽電池セルまたはモジュールにも光導波管７１および採光部７２を設けることができる。
【００７４】
図８に示すように、光を集光する集光装置などで構成される採光部７２によって集光された太陽光は、各色素増感太陽電池セル１の光入射部１１上に光導波管７１を介して供給される。各色素増感太陽電池セル１では、光入射部１１から入射した太陽光のエネルギが色素８に吸収され、光電変換が行われる。
【００７５】
色素増感太陽電池モジュール７０では、色素増感太陽電池の発電（光電変換）部分と採光部分のパーツを分割することができ、例えば、採光部７２は軽量化して住宅の屋根に取り付け、発電部（色素増感太陽電池モジュール７０）は縁の下や庭の地面設置することができ、設置上の自由度を大きくすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の色素増感太陽電池セルおよびそれを用いた色素増感太陽電池モジュールによれば、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、太陽光のエネルギを有効利用でき、高いエネルギ変換効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セルの外観の斜視図。（ｂ）は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セルのＡ−Ａ断面図。
【図２】第１の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールの断面図。
【図３】色素の光吸収特性の一例を示す図。
【図４】第２の実施の形態の色素増感太陽電池セルの断面図。
【図５】第２の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールの断面図。
【図６】（ａ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルの外観の斜視図。（ｂ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルのＡ−Ａ断面図。
【図７】（ａ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールの外観の斜視図。（ｂ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールのＡ−Ａ断面図。
【図８】第４の実施の形態の色素増感太陽電池モジュールの断面図。
【符号の説明】
１…色素増感太陽電池セル
２…主電極基部
３…対向電極基部
４…シール部
５…光反射機能部
６…電解質
７…透明導電性膜
８…色素
９…光触媒層
１０…酸化還元触媒層
１１…光入射部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dye-sensitized solar cell using a photoelectric conversion function of a photocatalyst supporting a dye, and a dye-sensitized solar cell module using the same.
[0002]
[Prior art]
Dye-sensitized solar cells convert light energy into electric energy by irradiating sunlight to a photocatalyst layer carrying a dye.
[0003]
Conventional dye-sensitized solar cells are oxidized into transparent glass having a transparent conductive film on the surface, a main electrode base on which a photocatalyst layer carrying a dye is formed, and transparent glass having a transparent conductive film on the surface. It is mainly composed of a counter electrode base on which a reduction catalyst layer is formed, and an electrolyte filled between the main electrode base and the counter electrode base.
[0004]
In a conventional dye-sensitized solar cell, electrons and holes are generated by the sunlight carried from the base of the main electrode being absorbed by the dye carried on the photocatalytic layer. The electrons are injected into the conductor of the photocatalyst layer and move to the base of the main electrode. On the other hand, the holes move to the base of the counter electrode using a redox couple in the electrolyte. Power generation is caused by the electrons at the base of the main electrode moving to the counter electrode base through an external circuit. Sunlight not used for photoelectric conversion is transmitted to the outside of the dye-sensitized solar cell from the base of the counter electrode or the like.
[0005]
Moreover, in the conventional dye-sensitized solar cell, in order to improve the energy conversion efficiency by effectively utilizing the light transmitted through the base of the counter electrode, a stacked cell structure in which a plurality of dye-sensitized solar cells are stacked is described. Dye-sensitized solar cell modules have been reported.
[0006]
The energy conversion efficiency of the conventional dye-sensitized solar cell reported so far is about 7 to 10% for a 5 mm square cell area size. Further, the energy conversion efficiency in this cell area size can be obtained up to about 33% by theoretical calculation.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional dye-sensitized solar cell described above, sunlight is incident from the main electrode base side, and of the energy of the sunlight, energy other than that absorbed by the dye and the photocatalyst is transmitted from the counter electrode base and the like. . That is, even if energy is supplied at an energy density higher than the energy density required for photoelectric conversion at the main electrode base, the excess energy cannot be completely photoelectrically converted and is discharged to the outside. Therefore, in the conventional dye-sensitized solar cell, the energy of sunlight was not sufficiently utilized, and there was a problem that the energy conversion efficiency was a low value of 7 to 10%. In addition, in order to increase the energy conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell, it is necessary to increase the effective area of a portion where sunlight, a dye, and a photocatalyst interact, which increases the size of the dye-sensitized solar cell. There was such a problem.
[0008]
In addition, the energy conversion efficiency of the conventional dye-sensitized solar cell is low, so that it is necessary to increase the incident area in order to obtain a predetermined power, and the dye-sensitized solar cell becomes large. was there.
[0009]
The present invention has been made to solve such a problem, and provides a dye-sensitized solar cell that can effectively utilize the energy of sunlight incident on the dye-sensitized solar cell and has high energy conversion efficiency. With the goal.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the above object, a dye-sensitized solar cell of the present invention is provided with a main electrode base on which a photocatalyst layer supporting a dye is formed, and a space with the main electrode base. A counter electrode base on which an oxidation-reduction catalyst layer is formed, a light incident portion for allowing light to enter between the main electrode base and the counter electrode base, and a space between the main electrode base and the counter electrode base. Characterized in that the electrolyte comprises:
[0011]
According to the present invention, the area of the main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of light is increased at a predetermined ratio, and the energy of the incident light is dispersed and irradiated on the main electrode base surface, whereby the light is incident. The energy density of the generated light can be set to the level of the energy density required to cause photoelectric conversion. As a result, it is possible to reduce the proportion of light that is not used for photoelectric conversion that exceeds the level of the energy density required for photoelectric conversion, and it is possible to effectively perform photoelectric conversion of the energy of sunlight.
[0012]
(2) Further, the dye-sensitized solar cell module of the present invention is characterized in that the dye-sensitized solar cell described in (1) is arranged adjacent to the cell.
[0013]
According to the present invention, the area of the main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of light is increased at a predetermined ratio, and the energy of the incident light is dispersed and irradiated on the main electrode base surface, whereby the light is incident. The energy density of the generated light can be set to the level of the energy density required to cause photoelectric conversion. As a result, it is possible to reduce the proportion of light that is not used for photoelectric conversion that exceeds the level of the energy density required for photoelectric conversion, and it is possible to effectively perform photoelectric conversion of the energy of sunlight. In addition, the electrode bases of the same polarity of each dye-sensitized solar cell are electrically connected in parallel to increase the current, and the main electrode base and the counter electrode base are electrically connected in series to increase the voltage. For example, the output power can be increased.
[0014]
(3) Furthermore, the dye-sensitized solar cell module of the present invention uses two dye-sensitized solar cells each having a main electrode base made of a metal of the dye-sensitized solar cell described in (1). A first paired dye-sensitized solar cell in which the back surfaces of the counter electrode bases are connected to each other, and a back surface of the counter electrode bases of the two dye-sensitized solar cells connected to each other, A dye-sensitized solar cell and a second paired dye-sensitized solar cell adjacent to the dye-sensitized solar cell are provided.
[0015]
According to the present invention, the area of the main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of light is increased at a predetermined ratio, and the energy of the incident light is dispersed and irradiated on the main electrode base surface, whereby the light is incident. The energy density of the generated light can be set to the level of the energy density required to cause photoelectric conversion. As a result, it is possible to reduce the proportion of light that is not used for photoelectric conversion that exceeds the level of the energy density required for photoelectric conversion, and it is possible to effectively perform photoelectric conversion of the energy of sunlight. Further, when the main electrode base is made of metal instead of glass having an expensive transparent conductive film, the processing process is facilitated and cost can be reduced.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
(Cell type)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The first embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention is described in the perspective view of the appearance of the dye-sensitized solar cell of FIG. A description will be given with reference to the A sectional view.
As shown in the figure, the dye-sensitized solar cell 1 is mainly composed of a main electrode base 2, a counter electrode base 3, a seal part 4, a light reflection function part 5, and an electrolyte 6.
[0017]
On the surface of the flat main electrode base 2, a photocatalyst layer 9 supporting a dye 8 is formed via a transparent conductive film 7, and on the surface of the flat counter electrode base 3, a transparent conductive film 7 is formed. An oxidation-reduction catalyst layer 10 is formed through the intermediary of the catalyst. The opposing electrode base 3 is disposed at a position facing the main electrode base 2 at intervals of, for example, several tens to several hundreds of μm. The opposing main electrode base 2 and opposing electrode base 3 are connected along their outer edges by seals 4 to ensure electrical insulation between the main electrode base 2 and the opposing electrode base 3, Further, leakage of the electrolyte 6 filled between the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 to the outside is prevented. The seal portion 4 is provided with a light incident portion 11 for allowing sunlight to enter the inside of the dye-sensitized solar cell 1. The light incident portion 11 can be provided at an arbitrary portion in the seal portion 4. The amount of incident sunlight energy changes depending on the light transmission area of the incident section 11. The light transmission area of the light incident portion 11 is about 1/100 to about several times the area of the surface of the main electrode base 2 having the photocatalyst layer 9, and the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 11 is provided with a depth. The light reflecting function part 5 is provided on the side surface except the surface on the upper seal part 4 side, and the incident sunlight is not emitted to the outside of the dye-sensitized solar cell 1 from the surface other than the surface. , Its energy is used effectively.
[0018]
Further, in order to increase the energy amount of incident sunlight, a part of the light reflection function part 5 covering the seal part 4 provided on the bottom is opened, and a light incident part is provided on the seal part 4 on the bottom, From there, sunlight can be made to enter the dye-sensitized solar cell 1. Furthermore, the length of the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 in the depth direction (downward direction in the figure) is made equal to the distance that the incident sunlight can reach inside the dye-sensitized solar cell 1 in the axial direction. Thus, the structure can be optimized.
[0019]
Next, the components of each component will be described.
A light transmitting material or the like is used for the main electrode base 2 and the counter electrode base 3, and is made of, for example, transparent glass. Here, a light transmitting material having a flat surface is used for the main electrode base 2. However, in order to increase the area of the surface of the main electrode base 2, the groove interval is 10 to 1000 μm on the surface of the main electrode base 2. A groove having a degree of unevenness may be formed.
[0020]
As the transparent conductive film formed on the surfaces of the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 by various kinds of vapor deposition or sputtering, any material having conductivity and light transmittance can be used. It is preferable to use a tin-based oxide excellent in light transmittance and heat resistance. Examples of the tin-based oxide include indium tin oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO), and fluorine-doped tin oxide (FTO). It is particularly preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO) because it is not a harmful substance. It is preferable to use indium tin oxide (ITO) from the viewpoint of low cost.
[0021]
The photocatalyst of the photocatalyst layer 9 includes, for example, titania (TiO 2) having a high porosity and a large surface area.₂) Is preferably used. In addition, titania (TiO₂), For example, zirconium oxide (ZrO)₂), Cadmium sulfide (CdS), potassium tantalate (KTaO)₃), Sodium tantalate (NaTaO)₃), Cadmium selenide (CdSe), strontium titanate (SrTiO₃), Niobium oxide (Nb₂O₅), Zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe₂O₃), Tungsten oxide (WO₃), Tin oxide (SnO)₂), Bismuth vanadate (BiVO)₄), Indium oxide (In)₂O₃) Or tantalum oxide (Ta)₂O₅) Can also be used. Here, in terms of increasing the reaction area, the area of the photocatalyst layer 9 supporting the dye 8 is preferably as large as possible. In addition to increasing the area of the surface of the main electrode base 2, the photocatalyst layer forming the photocatalyst layer 9 has The reaction area can also be increased by increasing the property.
[0022]
The dye 8 is preferably a dye capable of broadly absorbing the spectrum of sunlight and exhibiting an excellent photochemical sensitizing effect. For example, a metal complex such as a ruthenium complex is used. Further, an organic dye such as coumarin may be used.
[0023]
As the oxidation-reduction catalyst of the oxidation-reduction catalyst layer 7, metal particles having excellent conductivity, such as platinum and palladium, are used. In addition, graphite or the like can be used. These oxidation-reduction catalysts are formed on the surface of the counter electrode base 3 having the transparent conductive film 7 by various kinds of vapor deposition or sputtering.
[0024]
As the electrolyte 6, for example, a mixture of iodide, bromide, chloride, hydroquinone, or ferrocene as a solute and an organic solvent such as acetylnitrile, acrylonitrile, or ethylene carbonate as a solvent is used. In addition, a gel solid electrolyte can be used as long as it has optical transparency, and troubles such as volatilization and liquid leakage peculiar to a liquid electrolyte can be solved.
[0025]
The seal portion 4 is made of a material which is an electric insulating material and does not react with the electrolyte 6, and is made of, for example, an ion semipermeable membrane made of epoxy resin, fluorine-containing resin, or the like, a filter, an insulating tape, or the like. The light incident portion 11 provided in the seal portion 4 is made of a light-transmitting electrical insulating material that does not react with the electrolyte 6. For example, similarly to the seal portion 4, an epoxy resin, a fluorine-containing resin, or the like is used. And a filter or an insulating tape.
[0026]
The light reflection function section 5 is made of a material having a high reflectance, and is made of, for example, a silver-deposited resin film, a glass mirror, or a metal mirror.
[0027]
Next, the photoelectric conversion operation of the dye-sensitized solar cell 1 when iodide is used as a solute of the electrolyte 6 will be described with reference to FIG.
The sunlight is irradiated from the upper seal part 4 side, and enters the dye-sensitized solar cell 1 from the light incident part 11, the main electrode base 2, and the counter electrode base 3. The sunlight incident from the light incident part 11 is between the main electrode base 2 and the counter electrode base 3, and the sunlight incident from the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 is through the transparent conductive film 7. And is led between the main electrode base 2 and the counter electrode base 3. In addition, since the sunlight traveling to the outside of the dye-sensitized solar cell 1 is reflected by the outer wall surface having the light reflection function part 5, the sunlight is emitted from the dye-sensitized solar cell 1 to the outside except for the light incident part 11. No sunlight is emitted.
[0028]
The incident sunlight excites the dye 8 carried on the photocatalyst layer 9 (the dye 8 absorbs light energy) and emits electrons from the dye 8, and the photocatalyst layer 9 receives the electrons and receives the electrons. Deliver to base 2. On the other hand, the holes remaining in the dye 8 reduce iodine ions,⁻To I₃ ⁻The reduced iodine ions are oxidized by receiving the electrons flowing from the main electrode base 2 through the external circuit at the counter electrode base 3. That is, electrons cycle between the main electrode base 2 and the counter electrode base 3, and power is generated in an external circuit in which electrons flow from the main electrode base 2 to the counter electrode base 3. In the dye-sensitized solar cell 1, the photoelectric conversion function is continued by repeating such a series of mechanisms.
[0029]
In the dye-sensitized solar cell 1, the area of the main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of sunlight is increased at a predetermined ratio, and the energy of the incident sunlight is dispersed and irradiated on the main electrode base surface. By doing so, the energy density of the incident sunlight can be set to the level of the energy density required to cause photoelectric conversion. As a result, it is possible to reduce the proportion of sunlight that is not used for photoelectric conversion that exceeds the level of the energy density required for photoelectric conversion, and that the energy of sunlight can be effectively photoelectrically converted.
[0030]
Further, by providing the light reflecting function portion 5 on the surface other than the upper seal portion 4 side of the dye-sensitized solar cell 1, incident sunlight can be dye-sensitized except for the upper seal portion 4 side. The light is not emitted from the solar cell 1 to the outside, and is reflected by the light reflection function unit 5, so that it again collides with the dye 8 and is photoelectrically converted. Thereby, the energy of the incident sunlight can be effectively photoelectrically converted, so that the energy conversion efficiency can be increased.
[0031]
(Module type)
The configuration of the dye-sensitized solar cell module 20 in which a plurality of the dye-sensitized solar cells 1 of the first embodiment are adjacent to each other will be described with reference to the cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell module 20 shown in FIG. I do.
[0032]
The dye-sensitized solar cell module 20 illustrated in FIG. 2 includes a plurality of dye-sensitized solar cells 1 from which the light reflection function unit 5 of the dye-sensitized solar cell 1 illustrated in FIG. Alternatively, the surface adjacent to the counter electrode base 3 and other than the upper seal portion 4 side is again surrounded by the light reflection function portion 5. The dye-sensitized solar cell module 20 has a configuration in which the dye-sensitized solar cells 1 are simply arranged adjacent to each other. For example, the space between the adjacent dye-sensitized solar cells 1 is formed of one light transmitting material. In addition, an electrode base having the transparent conductive film 7 may be provided on the front and back surfaces of the light transmitting material. In the dye-sensitized solar cell module 20 shown in FIG. 2, the counter electrode base 3 is adjacent to the main electrode base 2, but the main electrode base 2 has the main electrode base 2 or the counter electrode base 3. May be adjacent to the counter electrode base 3.
[0033]
FIG. 3 shows an example of the light absorption characteristics of the dye. Several kinds of dyes having different light absorption characteristics as shown in the figure are used in any of the dyes 8 of each dye-sensitized solar cell 1 constituting the dye-sensitized solar cell module 20. Although not shown in the figure, several types of photocatalysts having different light absorption characteristics can be used for the photocatalyst of the photocatalyst layer 9 similarly to the light absorption characteristics of the dye 8. In addition, the photocatalyst layer 9 of one dye-sensitized solar cell 1 can be composed of several types of dyes 8 and photocatalysts having different light absorption characteristics. Note that the light absorption characteristics shown in FIG. 3 are examples, and the dye 8 having a main absorption spectrum in a wavelength range other than that shown in the drawing can also be used.
[0034]
Next, the operation of photoelectric conversion in the dye-sensitized solar cell module 20 will be described with reference to FIG. The basic operation is the same as that described in the photoelectric conversion operation of the dye-sensitized solar cell 1 described above, and thus the duplicate description will be omitted.
[0035]
In the dye-sensitized solar cell module 20, since the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 of each dye-sensitized solar cell 1 are made of a light transmitting material, each light incident portion 11, each main electrode base 2, and Sunlight incident from each counter electrode base 3 can move inside the dye-sensitized solar cell module 20. The energy of the incident sunlight is absorbed and photoelectrically converted while moving in each dye-sensitized solar cell 1 having various light absorption characteristics. In addition, since the dye-sensitized solar cell module 20 is surrounded by the light reflection function unit 5 except for the upper surface of the seal unit 4 side, the incident sunlight is dye-sensitized from other surfaces. The energy is not emitted to the outside of the solar cell module 20, and the energy is effectively used.
[0036]
In the dye-sensitized solar cell module 20, in addition to the effects of the dye-sensitized solar cell 1, several types of photocatalyst layers 9 composed of dyes 8 and photocatalysts having different light absorption characteristics are added to each of the dye-sensitized solar cells. Because it is used for light of 1, the light of a wide range of wavelengths can be absorbed, and the energy conversion efficiency can be improved.
[0037]
In the dye-sensitized solar cell module 20, the same electrode bases of the dye-sensitized solar cells 1 are electrically connected in parallel to each other to increase the current, and the main electrode base 2 and the counter electrode base 3 are connected. Are electrically connected in series to increase the output power.
[0038]
(Comparison of energy conversion efficiency between conventional horizontal module structure and vertical module structure of the present invention)
In the dye-sensitized solar cell module 20 (vertical module structure) of the first embodiment and AM-1.5 (horizontal module structure) in a conventional module (horizontal module structure) in which the main electrode base surface is a direct sunlight incident surface. Air mass 1.5), irradiation energy per unit area of sunlight 100 mW / cm²An example of the energy conversion efficiency (nominal efficiency) under the condition of (1) is roughly calculated. Here, the air mass means the amount of air passing through the atmosphere, and the unit is AM-1 based on the amount of air passing perpendicularly from the zenith. AM-1.5 refers to the level of direct sunlight in the afternoon on a sunny day in Tokyo in winter.
[0039]
As a vertical module structure, the characteristics of the dye-sensitized solar cell alone are 5.25% in energy conversion efficiency (short-circuit current 10 mA / cm).²It is assumed that eight dye-sensitized solar cells of 20 mm × 30 mm × 2.5 mm (open voltage 0.7 V, fill factor 0.75) are vertically connected to each other and each electrode is electrically connected in series. I do. By making the dye-sensitized solar cell a vertical module structure, the incident area of sunlight is 2.5 mm × 30 mm × 8 = 600 mm.²It becomes.
[0040]
Further, the values of the short-circuit current, open-circuit voltage, and fill factor of the dye-sensitized solar cell deviate from the above-described nominal values by being electrically connected in series. Their experimentally determined values indicate that the short circuit current is 8 mA / cm², The open voltage is 5.6 (0.7 V × 8) V, and the fill factor is 0.65. When the energy conversion efficiency in the vertical module structure is calculated using these values, it becomes 8 × 5.6 × 0.65 / 100 × 100 = 29.12%. Here, 100 of the denominator is the irradiation energy per unit area of sunlight is 100 mW / cm.²This is the value when
[0041]
On the other hand, as a horizontal module structure, the characteristics of the dye-sensitized solar cell alone have an energy conversion efficiency of 5.25% (short-circuit current of 10 mA / cm).²Assume that eight 20 mm × 30 mm × 2.5 mm dye-sensitized solar cells (open circuit voltage 0.7 V, fill factor 0.75) are stacked and each electrode is electrically connected in parallel. In the horizontal module structure, when each electrode is electrically connected in series, the short-circuit current of each dye-sensitized solar cell becomes equal to the minimum short-circuit current of each stacked dye-sensitized solar cell, and the energy conversion efficiency Becomes very small. Therefore, here, it is assumed that the electrodes are connected in parallel so that the maximum energy conversion efficiency can be obtained in the horizontal module structure.
[0042]
The sunlight incident area is the same as the vertical module structure, 20 mm x 30 mm = 600 mm²It is. Assuming that 50% of the energy of the radiated sunlight is absorbed each time it passes through one dye-sensitized solar cell, the total current value is 6 cm²× (10 + 5 + 2.5 + 1.25 + 0.625 + 0.3125 + 0.15625 + 0.078125) = approximately 120 mA. Due to the parallel connection of the electrodes, the open-circuit voltage remains at 0.7 V and the fill factor remains at 0.75, and the energy conversion efficiency is (120 × 0.7 × 0.75) /6/100×100=10.5. %.
[0043]
From the above estimation of the energy conversion efficiency, it is understood that the energy conversion efficiency is significantly higher in the vertical module structure than in the horizontal module structure under the assumed conditions. From this result, the dye-sensitized solar cell 1 according to the first embodiment has a higher energy conversion efficiency than the conventional dye-sensitized solar cell having a large sunlight incident area, and therefore, the sunlight Even if the area is small, the same output power can be obtained, and the dye-sensitized solar cell 1 can be made compact.
[0044]
(Second embodiment)
(Cell type)
A second embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell shown in FIG. The same parts as those of the configuration of the dye-sensitized solar cell 1 and the module 20 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
As shown in the figure, the dye-sensitized solar cell 30 has a configuration in which a metal is used for the main electrode base 2 of the dye-sensitized solar cell 1 of the first embodiment, and a metal main electrode base is provided. It is mainly composed of a base 31, a counter electrode base 3, a seal part 4, a light reflection function part 5, and an electrolyte 6.
[0045]
The photocatalyst layer 9 supporting the dye 8 is formed on the surface of the flat metal main electrode base 31 via the oxide semiconductor film 32, and the transparent conductive film 7 is formed on the surface of the flat counter electrode base 3. The oxidation-reduction catalyst layer 10 is formed via the. The opposing electrode base 3 is disposed at a position facing the metal main electrode base 31 at intervals of, for example, several tens to several hundreds of μm. The opposing metal main electrode base 31 and the opposing electrode base 3 are connected along their respective outer edges by seals 4 to ensure electrical insulation between the metal main electrode base 31 and the opposing electrode base 3. Further, leakage of the electrolyte 6 filled between the metal main electrode base 31 and the counter electrode base 3 to the outside is prevented. The seal portion 4 is provided with a light incident portion 11 for allowing sunlight to enter the inside of the dye-sensitized solar cell 30. The light incident portion 11 can be provided at an arbitrary portion in the seal portion 4. The amount of incident sunlight energy changes depending on the light transmission area of the incident section 11. The light transmission area of the light incident portion 11 is about 1/200 to a fraction of the surface area of the metal main electrode base 31 having the photocatalyst layer 9, and the metal main electrode base 31 and the counter electrode base 3 It is arranged with a depth with respect to the incident part 11. The light reflection function part 5 is provided on the side surface except the surface on the upper seal part 4 side, and the incident sunlight is not emitted to the outside of the dye-sensitized solar cell 30 from the surface other than the surface. , Its energy is used effectively. When a conductive metal is used for the light reflection function unit 5, the light reflection function unit 5 and each of the electrode substrates 3 and 31 are in contact with each other via an electrical insulating material.
[0046]
Further, in order to increase the energy amount of incident sunlight, a part of the light reflection function part 5 covering the seal part 4 provided on the bottom is opened, and a light incident part is provided on the seal part 4 on the bottom, From there, sunlight can enter the dye-sensitized solar cell 30. Further, the length of the metal main electrode base 31 and the counter electrode base 3 in the depth direction (downward direction in the figure) is made equal to the distance that the incident sunlight can reach inside the dye-sensitized solar cell 30 in the axial direction. Thereby, the structure can be optimized.
[0047]
The metal main electrode base 31 preferably uses a metal element of a type in which an oxide forms an n-type semiconductor, and is made of, for example, Ti, Nb, Zn, Sn, W, In, Zr, Ta, or the like. When a photocatalyst is applied and baked on a metal plate, metal foil, plating, or the like made of such a metal, an oxide semiconductor film is formed on the metal by surface oxidation under the firing conditions in air. The charge transfer from the photocatalyst layer 9 to the metal main electrode base 31 is promoted by the oxide semiconductor film 32. On the surface of the metal main electrode base 31, a groove having an uneven shape with a groove interval of about 10 to 1000 μm is formed, and the surface area of the metal main electrode base 31 is increased. This groove may have any shape other than the concave and convex shape as long as it increases the surface area of the metal main electrode base 31 as compared with the flat plate structure. Thereby, the reaction area in the photocatalyst layer 9 formed on the surface of the metal main electrode base 31 increases, and the energy conversion efficiency can be improved. Here, a configuration in which a groove is provided on the surface of the metal main electrode base 31 has been described, but the surface of the metal main electrode base 31 may be used in a flat shape. Further, for example, if a metal thin film is used for the metal main electrode base 31 and a polymer transparent conductive sheet or the like is used for the counter electrode base 3, a deformable dye-sensitized solar cell can be formed.
[0048]
The operation of photoelectric conversion in the dye-sensitized solar cell 30 of the second embodiment is performed in the same manner as the operation of photoelectric conversion of the dye-sensitized solar cell 20 of the first embodiment.
[0049]
In the dye-sensitized solar cell 30, the area of the metal main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of sunlight is increased at a predetermined ratio, and the energy of the incident sunlight is dispersed on the metal main electrode base surface. By performing the irradiation, the energy density of the incident sunlight can be set to the level of the energy density required to cause photoelectric conversion. As a result, it is possible to reduce the proportion of sunlight that is not used for photoelectric conversion that exceeds the level of the energy density required for photoelectric conversion, and that the energy of sunlight can be effectively photoelectrically converted. Moreover, the reaction area in the photocatalyst layer 9 formed on the surface of the metal main electrode base 31 is increased by the grooves provided on the surface of the metal main electrode base 31, and the energy conversion efficiency can be improved. Further, by forming the base of the main electrode from metal instead of glass having an expensive transparent conductive film, the processing process is facilitated and the cost can be reduced.
[0050]
(Module type)
The dye-sensitized solar cell module 40 in which the dye-sensitized solar cell 30 of the second embodiment is adjacent to the dye-sensitized solar cell module 30 will be described with reference to the cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell module 40 shown in FIG.
[0051]
The dye-sensitized solar cell module 40 shown in the figure is a pair of dye-sensitized solar cells 30 from which the back surfaces of the opposing electrode bases 3 of the two dye-sensitized solar cells 30 from which the light reflection function part 5 has been removed are bonded together. A plurality of the paired dye-sensitized solar cells 41 are adjacent to each other with an electric insulating layer 42 interposed therebetween. Since the glass having the transparent conductive film 7 formed only on the surface is used for the counter electrode base 3, the back surface of the glass is electrically insulated. There is no need for an electrical insulating layer. When the respective electrode bases are electrically connected in series, the plurality of paired dye-sensitized solar cells 41 are adjacent to each other without interposing an electric insulating layer. Here, the paired dye-sensitized solar cell 41 has a structure in which the back surfaces of the two opposing electrode bases 3 are attached to each other, but the back surfaces of the two metal main electrode bases 31 are directly or electrically connected. A structure in which the insulating layers are attached to each other can be employed. Further, the dye-sensitized solar cell module 40 is surrounded by the light reflecting function unit 5 except for the surface on the side of the seal unit 4 and the metal main electrode base 31, so that incident sunlight enters the upper seal unit 4. Except for the side surface, the dye-sensitized solar cell 40 is not emitted to the outside, and its energy is effectively used.
[0052]
Furthermore, each of the two types of photocatalyst layers 9 composed of the dye 8 and the photocatalyst having different light absorption characteristics is used for each of the dye-sensitized solar cells 30 constituting the paired dye-sensitized solar cell 41. Thereby, light of a wide range of wavelengths can be absorbed, and the energy conversion efficiency can be improved. In addition, the photocatalyst layer 9 of one dye-sensitized solar cell 30 can be composed of several types of dyes 8 and photocatalysts having different light absorption characteristics.
[0053]
Next, the operation of photoelectric conversion in the dye-sensitized solar cell module 40 will be described with reference to FIG. The basic operation is the same as that described in the photoelectric conversion operation of the dye-sensitized solar cell 1 according to the first embodiment, and a duplicate description will be omitted.
[0054]
In the dye-sensitized solar cell module 40, the pair of dye-sensitized solar cells 41 are formed. For example, the light provided on the seal portion 4 above the dye-sensitized solar cells 41a and 41b. The sunlight enters the dye-sensitized solar cells 41a and 41b through the incidence unit 11 and the counter electrode base 3. The sunlight that has entered the dye-sensitized solar cell 41a is irradiated on the dye 8 through the electrolyte 6, and sensitizes the dye 8 to perform photoelectric conversion. A part of the sunlight whose energy has not been absorbed by the dye 8 is reflected by the metal main electrode base 31 and the light reflection function part 5, and the dye-sensitized solar cell 41 b on the opposite side which forms a pair via the counter electrode base 3. Incident on. On the other hand, similarly to the sunlight incident on the dye-sensitized solar cell 41a side, part of the sunlight incident on the dye-sensitized solar cell 41b is absorbed by the dye 8, and the remaining part is absorbed by the dye 8. Is reflected and is incident on the opposite dye-sensitized solar cell 41a via the counter electrode base 3. While repeating such reflection, the energy of the incident sunlight is absorbed by the dye 8 and photoelectric conversion is performed.
[0055]
In the dye-sensitized solar cell module 40, in addition to the effects of the dye-sensitized solar cell 30, the electrode bases of the same polarity of each dye-sensitized solar cell 30 are electrically connected in parallel to increase the current. In addition, it is possible to increase the output power, such as increasing the voltage by electrically connecting the metal main electrode base 31 and the counter electrode base 3 in series.
[0056]
(Third embodiment)
(Cell type)
Regarding the third embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention, a perspective view of the appearance of the dye-sensitized solar cell 50 of FIG. A description will be given with reference to the AA sectional view. The same components as those of the dye-sensitized solar cells 1 and 30 and the modules 20 and 40 of the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0057]
The dye-sensitized solar cell 50 of the third embodiment is mainly composed of a columnar main electrode base 51, a hollow columnar counter electrode base 52, a seal portion 4, a light reflection function portion 5, and an electrolyte 6.
[0058]
A photocatalyst layer 9 supporting a dye 8 is formed on the side surface of the columnar main electrode base 51 with a transparent conductive film 7 interposed therebetween. An oxidation-reduction catalyst layer 10 is formed via the film 7. The columnar main electrode base 51 is surrounded by a hollow columnar counter electrode base 52 at intervals of, for example, tens to hundreds of μm. Openings at both ends between the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar opposing electrode base 52 surrounding the columnar main electrode base 51 are closed by the sealing portion 4 made of an electrically insulating material, and the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar opposing electrode base 52 are closed. The leakage of the electrolyte 6 filled in between to the outside is prevented. Further, the upper seal portion 4 is provided with a light incident portion 11 for allowing sunlight to enter the inside of the dye-sensitized solar cell 50, and the light incident portion 11 is provided at an arbitrary portion in the seal portion 4. The amount of sunlight energy that is incident varies depending on the light transmission area of the light entrance 11. The light transmission area of the light incident portion 11 is about 1/100 to 1/100 of the surface area of the columnar main electrode base 51 having the photocatalyst layer 9, and the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar counter electrode base 52 are , With a certain depth with respect to the light incident portion 11. The light reflection function part 5 is provided on the side surface except the surface on the upper seal part 4 side, and the incident sunlight is not emitted to the outside of the dye-sensitized solar cell 50 from the surface other than the surface. , Its energy is used effectively.
[0059]
Further, in order to increase the energy amount of incident sunlight, a part of the light reflection function part 5 covering the seal part 4 provided on the bottom is opened, and a light incident part is provided on the seal part 4 on the bottom, From there, sunlight can be made to enter the dye-sensitized solar cell 50. Further, the length of the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar counter electrode base 52 in the axial direction (downward direction in the drawing) is equal to the distance that the incident sunlight can reach the dye-sensitized solar cell 50 in the axial direction. By doing so, the structure can be optimized.
[0060]
Next, the components of each component will be described.
The columnar main electrode base 51 is made of a columnar light-transmitting material having a transparent conductive film 7 on the side surface. For example, a columnar transparent conductive glass or the like is used. Here, a light transmitting material having the transparent conductive film 7 in the columnar main electrode base 51 is used, but a columnar metal may be used. Further, on the side surface of the columnar main electrode base 51, a groove having an uneven shape with a groove interval of about 10 to 1000 μm or the like can be formed to increase the area of the side surface of the columnar main electrode base 51.
[0061]
The hollow columnar counter electrode base 52 is formed of a hollow columnar light transmitting material having a transparent conductive film 7 on the inner surface, and for example, a hollow columnar transparent conductive glass or the like is used. Here, a light transmitting material having the transparent conductive film 7 in the hollow columnar counter electrode base 52 is used, but a hollow columnar metal may be used.
[0062]
When a metal is used for the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar counter electrode base 52, for example, oxides such as Ti, Nb, Zn, Sn, W, In, Zr, and Ta may be of a type that forms an n-type semiconductor. It is preferable to use a metal element.
[0063]
The operation of photoelectric conversion in the dye-sensitized solar cell 50 of the third embodiment is performed as follows, similarly to the operation of photoelectric conversion of the dye-sensitized solar cell 20 of the first embodiment. .
[0064]
The sunlight enters the dye-sensitized solar cell 50 from the end faces of the light incident portion 11 provided on the seal portion 4 and the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar counter electrode base 52 on the side where the light incident portion 11 is provided. Is incident on. The energy of the incident sunlight is absorbed by the dye 8 and photoelectric conversion is performed.
[0065]
In the dye-sensitized solar cell 50 of the third embodiment, the columnar electrode base on which the photocatalyst layer 9 supporting the dye 8 is formed on the side surface with the transparent conductive film 7 interposed therebetween is used as the columnar main electrode base 51. The hollow columnar electrode base having the redox catalyst layer 10 formed on the side surface with the transparent conductive film 7 interposed therebetween is configured as the hollow columnar counter electrode base 52, but is not limited to this. A hollow columnar electrode base on which a photocatalyst layer 9 supporting a dye 8 is formed via a conductive film 7 is a hollow columnar main electrode base, and a columnar structure on which a redox catalyst layer 10 is formed on a side surface via a transparent conductive film 7. Can be configured as a columnar counter electrode base.
[0066]
In the dye-sensitized solar cell 50, the area of the columnar main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of sunlight is increased at a predetermined ratio, and the energy of the incident sunlight is dispersed on the columnar main electrode base surface. By performing the irradiation, the energy density of the incident sunlight can be set to the level of the energy density required to cause photoelectric conversion. As a result, it is possible to reduce the proportion of sunlight that is not used for photoelectric conversion that exceeds the level of the energy density required for photoelectric conversion, and that the energy of sunlight can be effectively photoelectrically converted.
[0067]
Further, by providing the light reflecting function portion 5 on the surface other than the seal portion 4 side on the upper part of the dye-sensitized solar cell 50, the incident sunlight can be reflected on the surface of the dye-sensitized solar cell 50 from the surface other than that surface. By not being emitted to the outside, and being reflected by the light reflection function part 5, it can again collide with the dye 8 and undergo photoelectric conversion. Thereby, the energy of the incident sunlight is effectively photoelectrically converted.
[0068]
(Module type)
Regarding the dye-sensitized solar cell module 60 in which a plurality of the dye-sensitized solar cells of the third embodiment are adjacent to each other, a perspective view of the appearance of the dye-sensitized solar cell module 60 in FIG. A description will be given with reference to the AA cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell module 60 of FIG.
In the dye-sensitized solar cell module 60 shown in FIGS. 7A and 7B, a plurality of the dye-sensitized solar cells 50 shown in FIGS. The side surface of the dye-sensitized solar cell 50 is phosphor-contacted, and the surface other than the upper seal portion 4 side is again surrounded by the light reflection function portion 5. In addition to the configuration of the dye-sensitized solar cell module 60 shown in FIGS. 7A and 7B, for example, a plurality of columnar main electrode bases 51 are arranged at predetermined intervals, and a hollow columnar counter electrode base is arranged so as to surround them. It is also possible to provide a configuration in which the openings at the respective end faces of the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar counter electrode base 52 are closed by the seal portion 4.
[0069]
Further, several types of dyes 8 having different light absorption characteristics as shown in FIG. 3 are used in any of the dyes 8 of the dye-sensitized solar cells 50 constituting the dye-sensitized solar cell module 60. Although not shown in the figure, similar to the light absorption characteristics of the dye 8, several types of photocatalysts having different light absorption characteristics can be used as the photocatalyst of the photocatalyst layer 9.
[0070]
Next, the operation of photoelectric conversion in the dye-sensitized solar cell module 60 will be described with reference to FIGS. The basic operation is the same as that described in the first embodiment, and a duplicate description will be omitted.
In the dye-sensitized solar cell module 60, since the columnar main electrode base 51 and the hollow columnar counter electrode base 52 of each dye-sensitized solar cell 50 are made of a light transmitting material, the solar light incident from each light incident part 11 Light can move inside the dye-sensitized solar cell module 60. The energy of the incident sunlight is absorbed and photoelectrically converted while moving in each of the dye-sensitized solar cells 50 having various light absorption characteristics. In addition, since the dye-sensitized solar cell module 60 is surrounded by the light reflection function unit 5 except for the surface on the upper seal part 4 side, incident sunlight is dye-sensitized from the surface other than that surface. The energy is not emitted to the outside of the solar cell module 60, and the energy is effectively used.
[0071]
In the dye-sensitized solar cell module 60, in addition to the effects of the dye-sensitized solar cell 50, several types of photocatalyst layers 9 each composed of a dye 8 and a photocatalyst having different light absorption characteristics are used. By using for 50, light of a wide range of wavelengths can be absorbed, and the energy conversion efficiency can be improved.
[0072]
In the dye-sensitized solar cell module 60, the electrode bases of the same polarity of each dye-sensitized solar cell 50 are electrically connected in parallel to increase the current, and the column-shaped main electrode base 51 is opposed to the hollow columnar electrode. The output power can be increased, such as by increasing the voltage by electrically connecting the electrode bases 52 in series.
[0073]
(Fourth embodiment)
(Module type)
A fourth embodiment of the dye-sensitized solar cell module of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell module shown in FIG.
The dye-sensitized solar cell module 70 according to the fourth embodiment is different from the dye-sensitized solar cell 1, 30, 50 or the modules 20, 40, 60 according to the first to third embodiments in that an optical fiber or the like is used. Is configured to directly guide sunlight using the optical waveguide 71 of FIG. Here, an example in which the optical waveguide 71 and the lighting unit 72 are provided in the dye-sensitized solar cell module 20 of the first embodiment is shown, but the dye-sensitized solar cell or module of another embodiment is also provided. An optical waveguide 71 and a lighting unit 72 can be provided.
[0074]
As shown in FIG. 8, sunlight collected by the daylighting unit 72 including a light-collecting device that collects light is placed on the light incidence unit 11 of each dye-sensitized solar cell 1 by an optical waveguide. 71. In each of the dye-sensitized solar cells 1, the energy of sunlight incident from the light incident portion 11 is absorbed by the dye 8, and photoelectric conversion is performed.
[0075]
In the dye-sensitized solar cell module 70, the power generation (photoelectric conversion) part and the daylighting part of the dye-sensitized solar cell can be divided. For example, the daylighting part 72 is lightened and attached to the roof of a house, The (dye-sensitized solar cell module 70) can be installed under an edge or on the ground in a garden, and the degree of freedom in installation can be increased.
[0076]
【The invention's effect】
According to the dye-sensitized solar cell of the present invention and the dye-sensitized solar cell module using the same, the area of the main electrode base surface that performs photoelectric conversion with respect to the incident area of sunlight is increased at a predetermined ratio, By dispersing and irradiating the energy of the sunlight to the main electrode base surface, the energy of the sunlight can be effectively used, and a high energy conversion efficiency can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view of the appearance of a dye-sensitized solar cell according to a first embodiment. (B) is an AA sectional view of the dye-sensitized solar cell of the first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell module using the dye-sensitized solar cell of the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of light absorption characteristics of a dye.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to a second embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell module using the dye-sensitized solar cell of the second embodiment.
FIG. 6A is a perspective view of the appearance of a dye-sensitized solar cell according to a third embodiment. (B) is AA sectional drawing of the dye-sensitized solar cell of 3rd Embodiment.
FIG. 7A is a perspective view of the appearance of a dye-sensitized solar cell module using the dye-sensitized solar cell of the third embodiment. (B) is AA sectional drawing of the dye-sensitized solar cell module using the dye-sensitized solar cell of 3rd Embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell module according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1. Dye-sensitized solar cell
2 ... Main electrode base
3. Base of counter electrode
4: Seal part
5. Light reflection function part
6 ... Electrolyte
7 ... Transparent conductive film
8 ... Dye
9 Photocatalyst layer
10. Redox catalyst layer
11 ... light incidence part

Claims

A main electrode base on which a photocatalyst layer supporting a dye is formed,
A counter electrode base provided with the main electrode base and a space, and an oxidation-reduction catalyst layer formed thereon,
A light incidence unit that allows light to enter between the main electrode base and the counter electrode base,
A dye-sensitized solar cell, comprising: an electrolyte filled between the main electrode base and the counter electrode base.

The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the main electrode base and the counter electrode base have a flat plate shape.

The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the main electrode base has a columnar shape, and the counter electrode base has a hollow columnar shape surrounding the main electrode base.

The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the counter electrode base has a columnar shape, and the main electrode base has a hollow columnar shape surrounding the counter electrode base.

5. The dye-sensitized sun according to claim 1, wherein the light incident portion is provided on at least a part of a seal portion connecting between the main electrode base and the counter electrode base. 6. Battery cells.

Said main photocatalyst layer formed on the surface of the electrode base portion, the dye-sensitized solar cell of any one of claims 1 to 5, characterized in that it has a TiO _2.

The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the surface of the main electrode base has an uneven shape.

The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the main electrode base and the counter electrode base are formed of a light transmitting material having a transparent conductive film.

The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the main electrode base is formed of a metal, and the counter electrode base is formed of a light transmitting material having a transparent conductive film. cell.

The dye-sensitized solar cell according to claim 9, wherein the main electrode base is formed of a metal element that forms an oxide semiconductor film by oxidation.

The dye-sensitized solar cell according to claim 9, wherein the main electrode base is formed of a metal thin film.

9. A dye-sensitized solar cell module comprising the dye-sensitized solar cell according to claim 8 adjacent thereto.

A first pair-wise dye-sensitized solar cell in which two dye-sensitized solar cells according to any one of claims 9 to 11 are connected to each other and the back surfaces of the counter electrode bases are connected to each other,
The back surfaces of the counter electrode bases of the two dye-sensitized solar cells are connected to each other, and the first paired dye-sensitized solar cells and the adjacent second paired dye-sensitized solar cells are connected to each other. A dye-sensitized solar cell module, comprising:

14. The photocatalyst and the dye forming the photocatalyst layer of the adjacent dye-sensitized solar cell are composed of at least two or more types of photocatalysts and dyes having different light absorption characteristics. The dye-sensitized solar cell module according to the above.

15. The dye-sensitized solar cell module according to claim 12, further comprising a light reflection function unit that reflects light traveling from inside to outside of the dye-sensitized solar cell module on at least one of side surfaces of the dye-sensitized solar cell module. The dye-sensitized solar cell module according to claim 1.