JP2005317225A - 色素増感型太陽電池、及び色素増感型太陽電池の光電極基板 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦力などの外力に対する金属配線の物理的強度を高め、金属配線の電解液による腐食を効果的に防止でき、長期に亘り均質な発電性能を発揮し得るようにする。
【解決手段】色素増感型太陽電池１は、光電極基板２と対向電極基板３とを電解液４を介して対向配置してある。光電極基板２は、基板５に溝７を形成し、この溝７内に金属配線６を配置し、この金属配線６の表面６ａと基板５の表面５ａとをほぼ面一にしてある。そして、金属配線６を配置した基板５の上に透明導電膜８を形成し、さらにこの透明導電膜８の上に多孔性半導体電極膜１０を形成し、この多孔性半導体電極膜１０に増感色素を吸着・担持させてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、色素増感型太陽電池、及びこの色素増感型太陽電池の構成部品として使用される光電極基板に関するものである。

近年、環境問題の観点から、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池が注目を集めている中、製造コストを低くできることから、色素増感型太陽電池が特に注目を集めている。元来、色素増感型太陽電池は、光電変換効率が低いために実用性に乏しかったが、最近、半導体電極の表面積を大きくして多量の色素を吸着させることにより、飛躍的に光電変換効率を高くできる技術が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

このような技術を用いた従来例としては、図９に示すようなものが知られている。この図９に模式的に示す色素増感型太陽電池１０１は、まず、基板１０２の表面に金属配線１０３を形成し、この金属配線１０３及び基板１０２の表面上に透明導電膜１０４を形成するようになっている。次に、その透明導電膜１０４の表面上に酸化チタン等の多孔性半導体電極膜１０５を形成し、その多孔性半導体電極膜１０５に色素を吸着させるようになっている。なお、多孔性半導体電極膜１０５は、透明導電膜１０４上に半導体粒子を含有する懸濁液を塗布し、乾燥後焼成する方法によって形成されるようになっている。一方、対向基板１０６上に対向電極１０７として白金等の触媒をコーティングするようになっている。

そして、この対向電極１０７と多孔性半導体電極膜１０５とが所定の間隔を開けて対面するように、基板１０２と対向基板１０６とが対向配置され、対向電極１０７と多孔性半導体電極膜１０５の間に電解液１０８が封入され、色素増感型太陽電池１０１が形成されるようになっている。なお、金属配線１０３は、透明導電膜１０４の電気抵抗の大きさを補うもので、太陽電池の大面積化（大型化）を図る上で必須の構成となる。

特表平５−５０４０２３号公報（第１頁、図１）

しかしながら、従来の色素増感型太陽電池１は、図１０に示すように、金属配線（集電電極としての櫛歯電極）１０３が基板１０２上に突出形成された構成であるため、基板１０２の表面及び金属配線１０３を覆うように透明導電膜１０４が形成される前において、金属配線１０３が摩擦力などの外力の作用を直接的に受けやすく、その外力の作用により金属配線１０３が基板１０２から剥離し易くなるなど、物理的強度の面からの問題点が指摘されていた。

また、図９に示す従来の色素増感型太陽電池１は、金属配線１０３が基板１０２上に突出形成され、その金属配線１０３が突出形成された基板１０２上に、透明導電膜１０４と多孔性半導体電極膜１０５が順次重ねて形成されていくため、基板１０２上に出っ張る金属配線１０３の形状に倣うように透明導電膜１０４と多孔性半導体電極膜１０５に段差部分１１０，１１１が形成される。そして、その透明導電膜１０４と多孔性半導体電極膜１０５の段差部分１１０，１１１と他部とのエッジ部１１２，１１３において、各膜１０４，１０５を構成する材料の結晶方位がぶつかり、各膜１０４，１０５のエッジ部１１２，１１３近傍の膜質が悪くなることから、段差部分１１０，１１１のエッジ部１１２，１１３において微細クラックを生じやすくなり、その微細クラックから電解液が金属配線１０３側へ向けて浸透し、その電解液で金属配線１０３が腐食してしまうという問題点が指摘されていた。

また、図９に示す従来の色素増感型太陽電池１０１は、上述のように、多孔性半導体電極膜１０５の段差部分１１１と他部との接続部分（エッジ部１１３近傍）において、多孔性半導体電極膜１０５の結晶方位の衝突を生じ、多孔性半導体電極膜１０５が不均質化を生じ、場所による蓄電性能のばらつきを生じるという問題点が指摘されていた。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するために案出されたものであり、摩擦力などの外力に対する金属配線の物理的強度を高め、金属配線の電解液による腐食を効果的に防止でき、長期に亘り均質な発電性能を発揮し得る色素増感型太陽電池及びこの色素増感型太陽電池用の光電極基板を提供することを目的としている。

本発明は、（１）基板に金属配線を形成し、この金属配線を形成した基板の表面上に透明導電膜と多孔性半導体電極膜を順次重ねて形成し、前記多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させてなる光電極基板と、（２）前記多孔性半導体電極膜との間に光電変換によって電位差を生じる対向電極が対向基板の表面に沿って形成された対向電極基板と、を有し、（３）これら光電極基板と対向電極基板とを電解液を介して対向配置してなる、色素増感型太陽電池に関するものである。そして、この色素増感型太陽電池において、前記光電極基板は、前記基板の表面に前記金属配線に対応する溝を形成し、この溝内に前記金属配線を配置し、前記金属配線の表面と前記基板の表面とをほぼ面一に形成してなることを特徴としている。

また、本発明は、色素増感型太陽電池の光電極基板を、（１）前記基板の表面にマスク部材を配置し、このマスク部材を配置した基板の表面にエッチング処理を行うことにより、前記金属配線に対応する溝を形成し、（２）次に、前記マスク部材を配置したままの前記基板に成膜処理を行い、前記溝内に金属配線を形成すると共に、前記基板の表面と前記金属配線の表面とをほぼ面一に形成した後、（３）前記基板上に前記透明導電膜を形成し、（４）次に、この透明導電膜の上に多孔性半導体電極膜を形成した後、（５）この多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させて、形成するようになっている。

また、本発明は、対向電極基板の対向電極との間に電解液が封入されて色素増感型太陽電池を構成する光電極基板に関するものである。この発明の色素増感型太陽電池の光電極基板は、基板の表面に金属配線に対応する溝を形成し、この溝内に前記金属配線を配置し、前記金属配線の表面と前記基板の表面とをほぼ面一にし、前記金属配線及びこの金属配線を配置した前記基板の表面に透明導電膜と多孔性半導体電極膜とを順次重ねて形成し、前記多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させてなることを特徴としている。

以上のような構成の本発明に係る色素増感型太陽電池によれば、摩擦力などの外力に対する金属配線の物理的強度を高め、金属配線の電解液による腐食を効果的に防止でき、優れた発電性能を長期間発揮し得る。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。

（色素増感型太陽電池の構造）
図１は、本発明の実施の形態に係る色素増感型太陽電池１を示すものである。この図１に示すように、本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１は、光電極基板２と対向電極基板３との間に電解液４を封入して構成されている。

このうち、光電極基板２は、透明のプラスチック製基板５の表面に金属配線６に対応する溝７が形成され、この溝７内に集電電極としての金属配線６が形成されている。この金属配線６は、その表面６ａが基板５の表面５ａとほぼ面一になるように形成されている。そして、この基板５の表面５ａ及び金属配線６の表面６ａ上には、透明導電膜８が形成されている。また、その透明導電膜８の上には、増感色素を吸着・担持する多孔性半導体電極膜１０が形成されている。一方、対向電極基板３は、プラスチック製対向基板１１の表面に対向電極１２が形成されている。

なお、基板５及び対向基板１１は、アクリル、ポリエチレン（ＰＥＴ）、ポリオレフィン、ポリカーボネート（ＰＣ）等のプラスチックで形成されている。

（色素増感型太陽電池の製造方法）
上述のような構造の色素増感型太陽電池１は、以下のようにして形成される。

まず、光電極基板２は、図２に示すように、透明のプラスチック製基板５上にマスク部材１３を配置する。このマスク部材１３は、基板５上に隙間なく接触するように配置され、金属配線に対応する部位１４が切除されている。

この状態において、基板５に酸素プラズマのエッチング処理を施す。このエッチング処理は、図示しない真空装置内に酸素ガスとアルゴンガスの混合ガスを充填し、この混合ガスが充填された真空装置内において、高周波放電により生成したプラズマによりマスク部材１３から露出した基板５の表面５ａをエッチングする。これにより、図３に示すように、基板５の表面５ａには、金属配線（６）に対応する溝７が形成されることになる。

次に、このエッチング処理済みの基板５は、図４に示すように、エッチング処理時のマスク部材１３が付けられた状態のまま、スパッタリング処理（成膜処理）が行われ、チタン（Ｔｉ）の金属配線６が溝７内に形成されるようになっている。このスパッタリング処理は、図示しない真空装置内にアルゴンガスが導入され、このアルゴンガスが導入された真空装置内において、Ｔｉをターゲット材として、高周波放電により生成したプラズマを用いて基板５にスパッタリング処理が施される。その結果、図４に示すように、基板５の溝７内及びマスク部材１３の表面にＴｉの膜１５が形成される。このスパッタリング処理は、図４に示すように、金属配線６が基板５の溝７内を埋め、その金属配線６の表面６ａが基板５の表面５ａとほぼ面一になるまで続けられる。ここで、溝７をエッチングで形成する際に使用されたマスク部材１３は、基板５から取り外すことなく、金属配線６を形成するためのスパッタリング処理においても使用される。したがって、金属配線６は、溝７に対して位置ずれを生じることなく、溝７内に高精度に形成される。なお、金属配線６は、Ｔｉで形成されることが好ましいが、他に、Ｔａ，Ｐｔ及びこれらの合金等で形成するようにしてもよい。また、溝７内に金属配線６を形成するための成膜処理の一例としては、スパッタリングが挙げられるが、他にも各種のＰＶＤ又はＣＶＤが利用できる。

次に、スパッタリング処理により金属配線６が形成された基板５は、図５に示すように、その表面５ａに取り付けられたマスク部材（１３）が取り除かれる（図２乃至図４参照）。これにより、金属配線６が埋め込まれたにも関わらず、表面５ａがほぼ平坦な状態の基板５が出現する。

次に、上述したマスク部材が取り除かれた基板５は、アルゴンガスが導入された図示しない真空装置内において、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）をターゲット材としてスパッタリング処理が施され、図６に示すように、ＩＴＯの透明導電膜８が成膜される。このようにして、図６に示すように、金属配線６の表面６ａ及び基板５の表面５ａにＩＴＯの膜からなる透明導電膜８が形成されることになる。

次に、図７に示すように、基板５に形成された透明導電膜（ＩＴＯ）８上には、多孔性の二酸化チタン（ＴｉＯ_２ ）からなる多孔性半導体電極膜１０が電析法により形成される。そして、この多孔性半導体電極膜１０には、光電変換機能を有する増感色素（例えば、ルテニウム錯体）が吸着・担持される。このように、光電極基板２は、基板５の表面５ａ及び金属配線６の表面６ａ上に、透明導電膜８と、増感色素を吸着・担持する多孔質半導体電極膜１０とが、順に重ねて形成されている。なお、多孔性半導体電極膜１０は、二酸化チタンの他に、酸化亜鉛等で形成してもよい。また、多孔性半導体電極膜１０は、電析法の他に、焼成法，水熱処理法で形成するようにしてもよい。

一方、図８に示すように、対向基板１１の表面１１ａには、白金（Ｐｔ）からなる対向電極１２がコーティングされる。これにより、対向基板１１の表面１１ａに白金の対向電極１２を備えた対向電極基板３が形成される。なお、対向電極１２として、白金の代わりに黒鉛を使用するようにしてもよい。

以上のようにして形成された光電極基板２の多孔性半導体電極膜１０と対向電極基板３の対向電極１２とが対向するように向かい合わせて配置し、これら多孔性半導体電極膜１０と対向電極１２との間に電解液４を封入して、本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１が形成される（図１参照）。なお、電解液４としては、ヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物などの酸化還元対を含有するレドックス電解液が通常使用される。

（色素増感型太陽電池の作用）
以上のようにして形成された色素増感型太陽電池１は、光電極基板２に外部から太陽光が入射すると、多孔性半導体電極膜１０に吸着・担持された増感色素が励起され、電子的な基底状態から励起状態へと遷移する。励起された増感色素の電子は、多孔性半導体電極膜１０を構成するＴｉＯ_２ の伝導帯へ注入され、図示しない外部回路を経由して対向電極１２に移動する。対向電極１２に移動した電子は、電解液４中のイオンに運ばれて増感色素に戻る。このような作用を繰り返して電気エネルギーが取り出される。

以上のような本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１によれば、光電極基板２を構成する基板５の溝７内に金属配線６が形成され、この金属配線６の表面６ａと基板５の表面５ａとがほぼ面一に形成されるようになっているため、金属配線６を基板５から剥がすような外力が金属配線６に作用することがなく、金属配線６の物理的強度を高めることができる。

また、本実施の形態の色素増感型太陽電池１によれば、金属配線６の表面６ａと基板５の表面５ａとがほぼ面一であるため、金属配線６の表面６ａ及び基板５の表面５ａ上に順次重ねて形成される透明導電膜８と多孔性半導体電極膜１０が平行に且つ平滑に形成され、透明導電膜８と多孔性半導体電極膜１０が均質に形成される。その結果、本実施の形態の色素増感型太陽電池１は、多孔性半導体電極膜１０及び透明導電膜８に電解液の浸透を許すようなクラックが生じにくく、金属配線６の電解液による腐食を効果的に防止でき、長期間に亘り優れた発電機能を発揮することができる。

また、本実施の形態の色素増感型太陽電池１は、上述のように、増感色素を吸着・担持する透明導電膜８及び多孔性半導体電極膜１０が均質化するため、増感色素の光電変換が多孔性半導体電極膜１０の全域に亘り均質に行われ、電子の移動が均質化するため、効率的な発電が可能になる。

なお、本実施の形態の色素増感型太陽電池１は、基板５及び対向基板１１をプラスチック材料で形成する態様を例示したが、これに限られず、ガラス板を使用するようにしてもよい。

また、本実施の形態の色素増感型太陽電池１は、基板５側から太陽光を入射させるため、基板５を光透過性に優れた透明プラスチック材料で形成するようになっている。したがって、本実施の形態において、対向基板１１は、必ずしも光透過性に優れたプラスチック材料で形成する必要はない。しかし、対向基板１１側から太陽光を入射させる場合には、対向基板１１を光透過性に優れたプラスチック材料で形成すると共に、対向電極を透明なものにする必要がある。このように、対向基板１１側から太陽光を入射させる場合には、基板５及び透明導電膜８に光透過性の悪い材料を使用してもよい。

本実施の形態に係る色素増感型太陽電池を複数直列に接続し、また、色素増感型太陽電池を複数直列に接続してなる太陽電池列を複数並列に接続して色素増感型太陽電池組立体を構成し、所望の電圧値の電気エネルギーを得るようにすることができる。さらに、色素増感型太陽電池組立体に蓄電池を接続し、電気エネルギーを蓄えるようにすることができる。

本発明の実施の形態に係る色素増感型太陽電池の模式的断面図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第１説明図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第２説明図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第３説明図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第４説明図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第５説明図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第６説明図である。 図１に示す色素増感型太陽電池の製造工程を示す第７説明図である。 従来の色素増感型太陽電池の模式的断面図である。 従来の色素増感型太陽電池の製造工程を説明するための図である。

符号の説明

１……色素増感型太陽電池、２……光電極基板、３……対向電極基板、４……電解液、５……基板、５ａ……表面、６……金属配線、６ａ……表面、７……溝、８……透明導電膜、１０……多孔性半導体電極膜、１１……対向基板、１１ａ……表面、１２……対向電極

Claims (3)

1. 基板に金属配線を形成し、この金属配線を形成した基板の表面上に透明導電膜と多孔性半導体電極膜を順次重ねて形成し、前記多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させてなる光電極基板と、
   前記多孔性半導体電極膜との間に光電変換によって電位差を生じる対向電極が対向基板の表面に沿って形成された対向電極基板と、を有し、
   これら光電極基板と対向電極基板とを電解液を介して対向配置してなる色素増感型太陽電池において、
   前記光電極基板は、前記基板の表面に前記金属配線に対応する溝を形成し、この溝内に前記金属配線を配置し、前記金属配線の表面と前記基板の表面とをほぼ面一に形成してなる、
   ことを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 基板に金属配線を形成し、この金属配線を形成した基板の表面上に透明導電膜と多孔性半導体電極膜を順次重ねて形成し、前記多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させてなる光電極基板と、
   前記多孔性半導体電極膜との間に光電変換によって電位差を生じる対向電極が対向基板の表面に沿って形成された対向電極基板と、を有し、
   これら光電極基板と対向電極基板とを電解液を介して対向配置してなる色素増感型太陽電池の製造方法において、
   （１）前記基板の表面にマスク部材を配置し、このマスク部材を配置した基板の表面にエッチング処理を行うことにより、前記金属配線に対応する溝を形成し、（２）次に、前記マスク部材を配置したままの前記基板に成膜処理を行い、前記溝内に金属配線を形成すると共に、前記基板の表面と前記金属配線の表面とをほぼ面一に形成した後、（３）前記基板上に前記透明導電膜を形成し、（４）次に、この透明導電膜の上に多孔性半導体電極膜を形成した後、（５）この多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させて、
   前記光電極基板を形成したことを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法。
3. 対向電極基板の対向電極との間に電解液が封入されて色素増感型太陽電池を構成する光電極基板において、
   基板の表面に金属配線に対応する溝を形成し、この溝内に前記金属配線を配置し、前記金属配線の表面と前記基板の表面とをほぼ面一にし、前記金属配線及びこの金属配線を配置した前記基板の表面に透明導電膜と多孔性半導体電極膜とを順次重ねて形成し、前記多孔性半導体電極膜に増感色素を吸着・担持させてなることを特徴とする色素増感型太陽電池の光電極基板。

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