JP2006040555A - 光電変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 性能の確かなセルを選択して用いることができ、セル同士の直並列も自在であり、モジュール化（大面積化）を図った際に全てのセルに対して十分な封止状態を確保することができるとともに、高い開口率も併せ持つことが可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】 本発明に係る光電変換素子１００は、増感色素を表面に担時させた多孔質酸化物半導体層を有する作用極１０８Ａ、該作用極の多孔質酸化物半導体層側においてこれに対向して配置される対極１０９Ａ、及びこれら両極の間の少なくとも一部に電解質層１０６Ａを配してなる積層体１１０Ａと、該積層体（例えば１３０Ａ）を複数個収納する筐体１２０とを少なくとも備えてなる光電変換素子であって、筐体１２０は、電気絶縁性の内壁（例えば１２５ＡＢ）により二次元的に区分された複数個の密閉空間（例えば１３０Ａ）をもち、該密閉空間ごとに前記積層体を１個づつ配置したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、色素増感太陽電池などの光電変換素子に係る。より詳細には、電解質層を作用極と対極で挟んでなる積層体からなるセル自体に加熱などの負荷をかけることなく、封止されていない状態にあるセルを複数個、個別に収納することにより、単一セルの特性を維持したまま大面積化を図ることが可能な光電変換素子に関する。

環境問題、資源問題などを背景に、クリーンエネルギーとしての太陽電池が注目を集めている。太陽電池としては単結晶、多結晶あるいはアモルファスのシリコンを用いたものがある。しかし、従来のシリコン系太陽電池は製造コストが高い、原料供給が不充分などの課題が残されており、大幅普及には至っていない。
また、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ系（ＣＩＳ系とも呼ぶ）などの化合物系太陽電池が開発されており、極めて高い変換効率を示すなど優れた特徴を有しているが、コストや環境負荷などの問題があり、やはり大幅普及への障害となっている。

これらに対して、色素増感型太陽電池は、スイスのグレッツェルらのグループなどから提案されたもので、安価で高い変換効率を得られる光電変換素子として着目されている。
図７は、従来の色素増感型太陽電池の一例を示す断面図である。
この色素増感型太陽電池６００は、増感色素を担持させた多孔質半導体電極（以下、色素増感半導体電極とも呼ぶ）６０３が一方の面に形成された第一基板６０１と、導電膜６０４が形成された第二基板６０５と、これらの間に封入された例えばゲル状電解質からなる電解質層６０６を主な構成要素としている。

第一基板６０１としては光透過性の板材が用いられ、第一基板６０１の色素増感半導体電極６０３と接する面には導電性を持たせるために透明導電層６０２が配置されており、第一基板６０１、透明導電層６０２及び色素増感半導体電極６０３により窓極６０８をなす。
一方、第二基板６０５としては、電解質層６０６と接する側の面には導電性を持たせるために例えば炭素や白金からなる導電層６０４が設けられ、第二基板６０５及び導電層６０４により対極６０９を構成している。

色素増感半導体電極６０３と導電層６０４が対向するように、第一基板６０１と第二基板６０５を所定の間隔をおいて配置し、両基板間の周辺部に熱可塑性樹脂からなる封止剤６０７を設ける。そして、この封止剤６０７を介して２つの基板６０１、６０５を貼り合わせてセルを組み上げ、電解液の注入口６１０を通して、両極６０８、６０９間にヨウ素・ヨウ化物イオンなどの酸化・還元種を含む有機電解液を充填し、電荷移送用の電解質層６０６を形成したものが挙げられる。つまり、封止剤６０７は、電解質層６０６中に含まれる電解液が漏出したり、揮発性成分が揮発したり、あるいは外部からの吸湿により特性が低下するのを防ぐ役目を果たしており、気密性の高い封止を行うために色素増感型太陽電池においては必須の構成物とされている。この電解液の注入としては、太陽電池のセルを組み上げた上で、背面などに設けた注液口から毛細管現象、圧力差などを利用してバッチ式で注入している。その際、封止剤６０７としては、三井デュポンケミカル社製のハイミラン（登録商標、以下ではハイミランを使用して封止する方法をハイミラン封止法と呼ぶ。）という接着剤が好適に用いられるが、近年は他の接着剤、例えば低融点ガラスによる接着剤（非特許文献１を参照）やスリーボンド社製の開発品（非特許文献２を参照）等も知られている。

しかしながら、上述した従来の色素増感型太陽電池は、熱可塑性樹脂を用いて封止することにより封止剤６０７を形成していた。図７に示すように、具体的には、熱をかけて樹脂を溶融させ２枚の電極（窓極６０８、対極６０９）を接着していた。その際に、熱が第一基板６０１を介して色素増感半導体電極６０３まで達するため、色素増感半導体電極６０３に吸着した色素に悪影響を及ぼす恐れがあった。
また、封止剤６０７は樹脂で形成されているので、長期使用した際に耐候性の点において問題があった。
さらには、電解液を注入する際には、まず、２枚の電極板を融着しセルの形を組んでから、予め開けておいた注入口６１０を通して、極めて狭い空間をなす２枚の電極間に注入し、最後に注入口６１０に蓋をしなければならず、製造工程が複雑になる問題があった。また、電解液の粘度が高いと、電解液を注入するために多大な時間と手間を要することから、製造コストの増大をまねいていた。

上記問題は抱えつつも、試験研究用の色素増感型太陽電池においては、そのサイズこそ数ｍｍ角と小さいながらも１０％程度の発電効率を達成できることが報告されている（非特許文献３を参照）。しかしながら、色素増感型太陽電池を実用化するためには、内部抵抗を上げることなくセルの大型化を図る手法の開発が求められている。その代表的な２つの例としては、小型のセルもしくは短冊型のセルを多数個、導電体を介して繋ぎ合わせる手法、及び、セルに用いる透明導電基板のシート抵抗を配線などを利用して低下させる手法が挙げられる。

図８は、前者の手法、すなわち封止された小型セルを繋ぎ合わせる手法により形成されたモジュールを示す模式的な断面図である。この手法は、接続する前に各々のセル７００Ａ〜７００Ｄごとに予めその性能を確認してから、性能の確かなセルのみを用い、例えば接続するセルの逆極同士を接続手段により電気的に接続し、セル同士を組合せてモジュールを作製するので、光電変換効率の高いモジュールを歩留まりよく形成できるという利点を備えている。具体的には、２つのセル７００Ａ、７００Ｂを例にとって説明すると、一方のセル７００Ａの対極７０９Ａを構成する導電部７０４Ａの端部７０４Ａ’と、他方のセル７００Ｂの窓極７０８Ｂを構成する導電部７０２Ｂの端部７０２Ｂ’とを、金属導体からなる接続手段７２０ＡＢを用いて結線する。この手法は、セル同士の直列にも並列にも対応できることから、接続性において高い自由度を備えている。しかしながら、この手法を採用した場合には、セル同士を電気的に繋ぐ接続手段をセル外部に配することが必須であり、この接続手段の存在はセル開口率を低下させる要因となるので芳しくない。

この発展型で一枚のガラス上に短冊状のセルを繰り返し形成し、内部で直列に接続する手法がある（不図示）。この手法は、当業者間（色素増感太陽電池の研究者間）においてＺ型モジュールと呼ばれており、上述した個別のセルを繋ぎ合わせる手法と比べてより量産に向いており、開口率もより大きくできるという長所を備えている。しかしながら、一枚のガラス上に短冊状のセルを繰り返し形成しているので、例えば一つのセルに不具合が生じても、そのセルを自由に交換できないことから、一般的に歩留まりは低くならざるを得ない。

さらに製造を容易にしたものに、チタニア極入射型（窓極６０８の側から光を入射させるタイプ）のセル８００Ａ、８００Ｃと、対極入射型（対極６０９の側から光を入射させるタイプ）のセル８００Ｂ、８００Ｄとを交互に２次元的に並べて、例えば隣り合う位置にある一方のセル８００Ａの対極８０９Ａと他方のセル８０９Ｂの窓極８０８Ｂとを同一の基材上に設けて一つの導電体（セル８００Ａにおいては８０４Ａ、セル８００Ｂにおいては８０２Ｂと呼ぶ）を用いて電気的に接続する手法（図９）があり、Ｗ型モジュールと呼ばれている。Ｗ型モジュールにおいては、隣接するセルが共通の導電体（例えば８０４Ａと８０２Ｂ）を介して電気的に接続されており、セル外部にセル間を結ぶ配線を敢えて設ける必要がない。ゆえに、Ｗ型モジュールは、前述したＺ型モジュールよりも製造工程を省くことができるので量産性に優れているとともに、セル間配線の省略により開口率の増大も図れる。しかしながら、対極入射セル（一般に光電変換効率が低い）が途中にあるため、Ｗ型モジュールはモジュール全体としての光電変換効率が低くならざるを得なかった。

ところで、上述した全てのモジュールは何れもハイミラン封止法の延長線上の製法で作られており、特にモジュールが大面積になると基板の撓みや、接着時の圧力不均一などが生じやすいという共通の課題を抱えていた。ゆえに、モジュールのタイプに依存せず、従来のモジュールはこれを構成する全てのセルに対して十分な封止状態を確保することは極めて困難であった。また、図８に示すような組合せ型のモジュールや、Ｚ型モジュールではセル間の接続に金属を使用していることから、セル内部からの液漏れは即、腐食を誘発する原因となり、この腐食は電気的な障害に繋がる虞があることから、その改善策も求められていた。さらに開口率という点からみると、比較的大きなＷ型モジュールを構成するセルであっても、配線型モジュールを構成する大型セルと比べると開口率は遙かに小さいことから、開口率の更なる増大も求められていた。
http://jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijyutsu/solar_cell/6_a_1_a.htm http://www.threebond.co.jp/ja/product/series/news/productdetails/x/11x_128_31x_088.html O'Regan B, Gratzel M. A low cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 1991;353:737-739.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、性能の確かなセルを選択して用いることができ、セル同士の直並列も自在であり、さらにはモジュール化した際に高い開口率を有することが可能な、光電変換素子の提供を目的とする。

本発明に係る光電変換素子は、増感色素を表面に担時させた多孔質酸化物半導体層を有する作用極、該作用極の多孔質酸化物半導体層側においてこれに対向して配置される対極、及びこれら両極の間の少なくとも一部に電解質層を配してなる積層体と、前記積層体を複数個収納する筐体とを少なくとも備えてなる光電変換素子であって、
前記筐体は、電気絶縁性の内壁により二次元的に区分された複数個の密閉空間をもち、該密閉空間ごとに前記積層体を１個づつ配置したことを特徴とする。

かかる構成の光電変換素子は、電解質層を作用極と対極で挟んでなる積層体（以下、セルとも呼称する）とこの積層体を収納する筐体とを備え、この筐体は、電気絶縁性の内壁により二次元的に区分された複数個の密閉空間をもち、これらの密閉空間ごとに前記積層体を１個づつ配置する。この配置を採ることにより、各セルはそれぞれ個別に筐体を備える必要がなくなるので、各セル間には１つの内壁のみ備えればよいことから、各セル間に要する発電に寄与しない領域を大幅に削減できる。また、各セル間を仕切る内壁は、筐体の外壁とは異なり、外力に耐えうる能力は外壁ほど求められないことから、外壁と同様の肉厚にする必要もなく、極めて薄い形状のものを採用できる。したがって、本発明に係る光電変換素子は、光電変換素子の受光面に占める発電に寄与する領域の割合（以下、開口率とも呼称する）の大幅な増加をもたらす。

これに加えて、上記構成の光電変換素子は、電解質層を作用極と対極で挟んでなる積層体（セル）とこの積層体を収納する筐体とを備えているので、筐体内に積層体を収納する前に、個々の積層体からなるセルについて特性を調べ、その結果に基づき、性能の確かなセルを選択して用いることができる。

また、上記光電変換素子を構成する筐体は、電気絶縁性の内壁により二次元的に区分された複数個の密閉空間をもち、該密閉空間ごとに積層体をなすセルを１個づつ配置した。つまり、本発明に係る筐体は、セルをその高さ方向に積み重ねて（三次元的）設けるのではなく、セルを平面的に並べて配置する（二次元的）ものである。この構成を採用したことにより、仮に１つのセルにおいてセル内部からの液漏れが発生したとしても、この障害の生じたセルと他の正常なセルとの間には電気絶縁性の内壁を設けてあるので、障害の生じたセルの影響が直接、他の正常なセルに及ぶのを確実に防止できる。ゆえに、この障害の発生したセルは、他の正常に稼働しているセルに腐食を誘発する原因とはならないので、他のセルに腐食が伝搬し、ひいてはモジュール全体の電気的な障害に繋がるという問題は解消される。その結果、モジュール化（大面積化）を図った際に全てのセルに対して十分な封止状態を確保することが可能となる。

さらに、個々のセルは密閉空間に配されるので、結果的にセルの側面近傍には何らかの側壁（筐体の側部または密閉空間同士を仕切る内壁）が存在することになる。つまり、本発明に係る光電変換素子を構成する各々のセルは、個別にその周囲を囲む側壁を備えることになる。その結果、各セルの周囲を囲む側壁は、筐体をなす蓋体と箱体の底部との間で支柱（支持手段）としての役割を担い、蓋体と底部との間隔を所定の距離に保ちつつ、積層体からなるセルに対して、その上下面に接するか又は沿って配置される筐体をなす蓋体や箱体の底部を介してセルが受ける外力を著しく低減する働きをもつ。したがって、個々のセルを密閉空間に配してなる構成は、外力を受けた際にセルが損傷を受けたり、あるいは破壊されにくい光電変換素子をもたらす。

本発明に係る光電変換素子においては、前記作用極または前記対極に一端が接続され、前記筐体外に他端がそれぞれ延びる２つの電極がいずれも、前記対極側に位置する前記筐体の底部または蓋部を通して、前記筐体外に導出される構成が好ましい。
かかる構成によれば、密閉空間に１個づつ設けられたセルは、各々のセルから両極端子が筐体外に導出される構成からなるので、筐体外において各セルが有する両極端子の接続を変更するだけで、セル同士の直並列を自在に構築できる。換言すると、本発明に係る光電変換素子におけるセル間の連結は、各セルにおいて光を入射させる面とは反対側に配置されているので、発電に寄与しない領域を必要としないことから、極めて高い開口率を実現できる。またこの構成によれば、１つのセルが機能不全に陥った場合でも、そのセルのみを連結から外すだけで、他の正常に稼働しているセルは継続して利用できる。

前記筐体の内壁は、前記筐体をなす底部または蓋部と一体化されている構成が好ましい。筐体の内壁を単独で設けるのではなく、例えば筐体の内壁を筐体の底部と一体化させて内壁により区分された箱体とし、この箱体と平板状の蓋体との間を接着さえすれば、密閉空間が容易に形成できる。内壁を独自に設けて底部および蓋部の両方と接着させる場合に比べて接着面積を大幅に減らすことができるので好ましい。この構成によれば、外力に対する耐久性が向上するとともに、製造工程の簡略化も図れる。前記筐体の内壁が、前記筐体をなす蓋部と一体化した場合も同様の作用・効果が得られる。

前記筐体の底部または蓋部の少なくとも一方が、太陽光を通過する部材から構成されていれば、密閉空間内に収納した積層体からなるセルに光が届くことになる。太陽光を通過する部材側に、セルの窓極側が向くようにセルを配置すればよい。例えば筐体の底部を太陽光を通過する部材で構成した場合には、他方の側をなす蓋部は必ずしも太陽光を透過する部材を用いる必要はない。例えば、家屋の壁に組み込む場合には、太陽光を透過する部材からなる筐体の底部を窓のように屋外側とし、蓋部を屋内側に向けて内壁そのものとして利用するなどの建材一体化の形態にも、本発明に係る光電変換素子は適用できる。

以上説明したように、本発明に係る光電変換素子は、筐体を構成する電気絶縁性の内壁により二次元的に区分された複数個の密閉空間内にそれぞれ、電解質層を作用極と対極で挟んでなる積層体からなるセルを１個づつ配置したことにより、筐体内に収納する前に予め性能の確かなセルを選択して用いることができるので、発電効率の高い光電変換素子が安定して得られる。

セル同士の結合は筐体外で行うので、セル同士の直並列が自在であり、不具合のセルが生じても他のセルのみ連結するように組合せを容易に変更でき、不具合のセルのみ交換も可能であることから、発電の安定した運用や高いメンテナンス性をもつ光電変換素子を提供できる。

上記密閉空間内に１個づつセル配置してなる構造は、モジュール化（大面積化）した際に全てのセルに対して十分な封止状態を確保することに寄与するので、長期信頼性に優れた光電変換素子の提供を可能とする。また、この構造は極めて高い開口率も併せ持つので、単位面積あたりの発電能力の向上をもたらす。

以下、実施の形態に基づいて本発明を説明するが、本発明は上述した作用と効果を満たす構成であればよく、これらの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る光電変換素子の一例を示す模式的な断面図である。
この色素増感型太陽電池（光電変換素子）１００は、複数個の積層体（以下セルとも呼ぶ）１１０Ａ〜１１０Ｄと、これらの積層体を収納する筐体１２０とを少なくとも備えてなる。ここでは、積層体１１０Ａを例としてその構成について詳述するが、他の積層体１１０Ｂ〜１１０Ｄも同じ構成を有する。

積層体１１０Ａは、増感色素を表面に担持させた多孔質酸化物半導体層１０３Ａを有する作用極１０８Ａ、この作用極１０８Ａの多孔質酸化物半導体層側においてこれに対向して配置される対極１０９Ａ、及びこれら両極の間の少なくとも一部に電解質層１０６Ａを配してなるものであり、この積層体（セル）１１０Ａ自体は一切封止されていないことから、オープンセルとも呼ばれる。

作用極１０８Ａは、例えば第一基板１０１Ａとその上に順に配される透明導電膜１０２Ａおよび酸化物電極をなす多孔質酸化物半導体層１０３Ａからなる。一方の対極１０９Ａは、例えば第二基板１０５Ａとその上に配される導電膜１０４Ａからなる。
図１において、１１８Ａは窓極１０８Ａに設けた透明導電膜１０２Ａに一端が連結され、他端が筐体１２０外に延びる第一の電極端子であり、１１９Ａは対極１０９Ａの導電膜１０４Ａに一端が連結され、他端が筐体１２０外に延びる第二の電極端子である。

電解質層１０６Ａを作用極１０８Ａと対極１０９Ａで挟んでなる積層体１１０Ａが１つのセルとして機能する。図１に示した光電変換素子１００の例は、このようなセルを４個、一つの筐体１２０内に収納した場合であり、筐体内に収納するセルの個数には特に制限はない。ただし、光電変換素子１００において各セルを収納する筐体１２０は、電気絶縁性の内壁１２５ＡＢ、１２５ＢＣ、１２５ＣＤにより二次元的に区分された複数個の密閉空間１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄを備え、これらの密閉空間ごとに前記積層体１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄを１個づつ配置してなる。

換言すると、筐体１２０を構成する箱体１２２の側部１２３や底部１２４と蓋部１２１も電気絶縁性の部材から構成することにより、各セルはそれぞれ独立した密閉空間１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ内に収納された状態を構築することができる。

この構成を採用したことにより、仮に１つのセル（積層体１１０Ａ）においてセル内部からの液漏れが発生したとしても、この障害の生じたセルと他の正常なセル（積層体１１０Ｂ）との間には電気絶縁性の内壁１２５ＡＢを設けてあるので、障害の生じたセル（積層体１１０Ａ）の影響が直接、他の正常なセル（積層体１１０Ｂ）に及ぶのを確実に防止することが可能となる。ゆえに、このような障害の発生したセル（積層体１１０Ａ）は、他の正常に稼働しているセル（積層体１１０Ｂ）に腐食を誘発する原因とはならないので、他のセルに腐食が伝搬し、ひいてはモジュール全体の電気的な障害に繋がる虞はない。したがって、モジュール化（大面積化）を図った際に全てのセルに対して十分な封止状態を確保することが可能となる。

上記光電変換素子においてセルを収納する筐体１２０の内壁（例えば１２５ＡＢ）は、筐体１２０をなす底部１２４または蓋部１２１と一体化されている構成が好ましい。
図１に示した光電変換素子１００は筐体１２０の内壁（例えば１２５ＡＢ）が底部１２４と一体化された場合であり、図２に示した光電変換素子２００は筐体２２０の内壁（例えば２２５ＡＢ）が蓋部２２１と一体化された場合である。

図１に示す光電変換素子１００においては、例えば筐体の内壁１２５ＡＢを単独で設けるのではなく、この内壁１２５ＡＢを筐体の底部１２４と一体化させて内壁により区分された箱体１２２とし、この箱体１２２と平板状の蓋部１２１との間を接着さえすれば、密閉空間１３０Ａが容易に形成できる。内壁を独自に設けて底部および蓋部の両方と接着させる場合に比べて接着面積や接着剤の使用量を大幅に減らすことができる。接着箇所の低減は外力に対する耐久性の向上をもたらすとともに、製造工程の簡略化や製造コストの低減も図れるので好ましい。図２に示す光電変換素子２００、すなわち筐体の内壁２２５ＡＢが、この筐体をなす蓋部２２１と一体化した場合も、上述した図１に示す光電変換素子１００と同様の作用・効果が得られる。

本発明に係る光電変換素子１００、２００においては、筐体の底部１２４、２２４または蓋部１２１、２２１の少なくとも一方が、太陽光を透過する部材から構成されていれば、例えば密閉空間１３０Ａ、２３０Ａ内に収納した積層体１１０Ａ、２１０Ａからなるセルに、この太陽光を透過する部材を介して太陽光が到達することになる。そして、太陽光を透過する部材側に、セルの窓極（作用極）側が向くようにセルを配置すればよい。ゆえに、筐体の蓋部１２１、２２１を太陽光を透過する部材で構成した場合には、他方の側をなす底部１２４Ａ、２２４Ａは必ずしも太陽光を透過する部材を用いる必要はない。例えば、家屋の壁に組み込む場合には、太陽光を透過する部材からなる筐体の蓋部１２１、２２１を窓のように屋外側とし、底部１２４、２２４を屋内側に向けて内壁そのものとして利用するなどの建材一体型の形態としてもよい。

図３は、図１に示した光電変換素子から、一つの密閉空間内に一つのセルを入れた部分を抜き出し、その部分の構成物をその厚さ方向に展開し、各構成物を斜視的に示した一例である。
図３に示すように、光電変換素子は、透明樹脂からなり箱体１２２をなす底部に２つの溝１２８、１２９を設けた外パッケージ（例えばモールドで形成）の中に、封止を行わないオープンセル１１０を組み込む。そして、外パッケージの裏面（箱体１２２の底部）から電極１１８、１１９をそれぞれ、溝１２８、１２９の中を通して外パッケージの外部に取り出し、これらの溝を封止してなる。

図３において、１１８は第一の電極端子であり、窓極（作用極）１０８の導電部に一端が連結され、他端は筐体をなす箱体１２２の底部に設けた一方の溝１２８を通して筐体の外に延ばす。これに対して、１１９は対極１０９の導電部に一端が連結され、他端は筐体をなす箱体１２２の底部に設けた他方の溝１２９を通して筐体の外に延長される。このような構成を採ることにより、密閉空間に収納されたセルは筐体外に両極に繋がるそれぞれの電極端子を露呈することができる。

同様に、大面積の筐体を用意し、箱体の長側部の一方または両方が、図１に示したセル間を隔てる内壁（例えば１２５ＡＢ）として機能する構成とすることにより、４つの密閉空間内にそれぞれ１個の積層体からなるセルを配置した光電変換素子（例えば１００）を製造できる。

その際、セルをなす積層体１１０を箱体１２２の底部に押し付けるように、積層体１１０の上面に重ねて蓋部１２１を設け、箱体１２２の底部及び／又は蓋部１２１に外側から所望の圧力を加えればよい。また光透過性を向上させるため、窓極（作用極）１０８と光入射側のパッケージをなす蓋部１２１との間に、シリコン油１４０などを充填することが望ましい。窓極（作用極）１０８と蓋部１２１の間にシリコン油１４０を充填すると、窓極（作用極）１０８と蓋部１２１の間に存在する空気層を除去することができ、透明度が向上することから望ましい。

上述した方法により製造できる光電変換素子は、以下に示す特長を備えている。
（１）組み込まれたセルは個別に交換が可能で、事前にテストしてから組み込むことが可能である。
（２）組み込まれたセルはオープンセルであり、封止自体は筐体と蓋部の接する部分でのみ行えばよい。ゆえに、封止時の熱によるセルの特性劣化や、封止膜厚によるセルを構成する極間距離の増加が無いので、各セルは高い発電効率をもつことができる。

（３）封止作業とは切り離して、オープンセルをなすセル自体は予め別に形成したものを利用できるので、高粘度の電解液やゲルも使用できるとともに、「接着しろ」も無いため開口率も高くなる。
（４）封止接着剤は直接、電解液に触れない構成としたので、耐薬品性を厳密に要求されず、選択の自由度が高い。

（５）電極端子としてチタンを使用すれば、電極端子がセル内部で腐食を生じる虞がなく、また確実に封止できるため、外部に電解液が漏れ出る虞もない。
（６）個々のセルを隔離するセル間の内壁は、従来の接着剤封止とは異なり、モールド成形で行われるので肉厚を薄くできることから、この構成は開口率の向上をもたらす。

（７）セル間の電気的な接続は筐体外で行われる構成を採用しているので、セル同士の接続は自由に選択（直列接続、並列接続、直列と並列を混在させた接続）できる。また。故障したセルが発生した場合には、接続を組み替えることにより、他の正常動作するセルを継続して使用できる。

図４は、図１に示した光電変換素子から、一つの密閉空間内に一つのセルを入れた部分を抜き出し、その部分の構成物をその厚さ方向に展開し、各構成物を斜視的に示した他の一例である。図４は、箱体の底部に設ける２つの溝の配置のみ図３と異なり、他の点は同じである。図３の場合は、２つの溝が平行するように、オープンセルの２辺にそって配置されているのに対して、図４の場合は、２つの溝が直交するように、オープンセルの２辺にそって配置されている。

溝１２８、１２９を通して筐体外部に延ばした個々の電極は、外部端子または隣接する電極との電気的な結合に用いられる。何れの溝パターン（図３：平行方式、図４：直交方式）であっても、この電気的な結合は図れる。この結合に加えて、筐体強度の向上が図れる点において、直交方式の方がより好ましい。

（実施例）
＜筐体の作製＞
図１及び図３に示すように光電変換素子を作製し、その発電特性（電圧と電流密度との関係）を調べた。まず、筐体１２０として、開口率９０％（隔壁厚（図３にｘと表示）０．５ｍｍ／凹部幅（図３にｙと表示）１０．５ｍｍ／集電シロ１１８’（図３にｚと表示）０．５ｍｍ：凹部１０個）のアクリル製パッケージをモールド成形により作製したものを対極側パッケージ（箱体１２２）、厚さ２ｍｍのソーダガラス板を入射側パッケージ（蓋部１２１）を用意した。ここで、集電シロ１１８’とは、後述する窓側電極用集電端子１１８の厚さをなす部分であり、窓極（作用極）１０８Ａと接触して電気的な導通を図る部分として働く。

＜窓極（作用極）の作製＞
窓極（作用極）１０８Ａは、次の手順で形成した。まず、厚さ１．１ｍｍ、幅１０．４ｍｍのガラス１０１Ａ上にＦＴＯ／ＩＴＯからなる透明導電膜１０２Ａを１μｍ成膜し、その上に端子シロ０．４ｍｍを残して１０ｍｍ幅に市販のチタニアペースト１０６Ａ（Solaronix 社製、Ti-nanoxideT）を８μｍ塗布した後、乾燥処理を施した。次に、２００ｎｍのチタニア粒子（純正化学社製）を水で分散したスラリーを塗布・乾燥した後、４５０℃で１時間焼成した。焼成後の窓側電極はＮ３色素溶液に１８時間浸漬して、色素担持を行った。

＜対極の作製＞
対極１０９Ａは幅０．１ｍｍのＴｉ箔１０５Ａに白金１０４Ａを３００ｎｍスパッタ成膜したものを用い、端部を折り曲げて取り出し電極１１９Ａとした。
＜オープンセルの作製＞
オープンセル（積層体）１１０Ａはイオンゲル［ヨウ化ヘキシルメチルイミダゾリウム系イオン性液体電解液とナノ粒子ＴｉＯ_２ （Ｐ２５）からなるゲル］を用い、窓極１０８Ａと対極１０９Ａを貼り合わせて作製した。

＜光電変換素子の作製＞
完成したオープンセル３０個の中から特性の高い１０個を選び、パッケージをなす筐体１２０の密閉空間内にセル１個づつ組み込んだ。その際、図３に示すように、筐体を構成する箱体の底部１２４に設けた他方の溝１２９から対極に繋がる電極端子１１９を筐体外へ導出させた。次いで、太陽光の入射面をなすガラス板全面に接着剤として機能するシリコン油を塗布し、筐体を構成する箱体内に先に配したオープンセル（積層体）１１０上に、蓋部１２１を積み重ね、箱体１２２の底部及び／又は蓋部を外側から加圧することにより、箱体１２２に蓋部１２１を貼り合わせた。貼り合わせ後、裏面パッケージをなす筐体の底部に設けた一方の溝１２８からチタン製の窓側電極用集電端子１１８を差し込み、両方の溝１２８、１２９を接着剤（不図示）で封止した。

＜光電変換素子の試験＞
以上のとおり作製した光電変換素子に対して、ＡＭ１．５／１Ｓｕｎの照射条件下で得られた特性（電圧と電流密度との関係）を調査した。各セル間を並列に接続した場合の特性とともに、使用した短冊セルの平均的な特性も併せて調べた。また、各セル間を直列に接続した場合の特性とともに、使用した短冊セルの平均的な特性も併せて調べた。

その結果、並列の場合には４．１％の変換効率が、直列の場合には３．９％の変換効率がそれぞれ得られることが確認された。
また、モジュール全体を表す曲線と、個々のセルの平均値を表す曲線とを比較すると、後者（ミニセルの特性：平均３．９％）を維持したまま大面積モジュール化が図れていることが分かった。

図５は、複数個のセルを作製したときの特性分布を示すグラフであり、横軸は変換効率を、縦軸はセルの個数を表す。図５に示した例はセルを４０個作製した場合である。図５より、変換効率が４．２〜４．４のセルが最も多数ではあるが、これより変換効率の高いセルと、低いセルがほぼ同数分布することが分かった。

このように特性の異なるセルを同一基板上に作製し、モジュール化を図った場合には、特性の低いセルの影響を受け、たとえ特性の高いセルがあったとしても、モジュール全体としては変換効率が低くならざるを得ない。
これに対し、本発明に係る光電変換素子は、予めセルを個別に作製し、その中から特性の高いセルを選択し、この選択したセルのみ用いてモジュール化を図る構成を採用した。ゆえに、本発明によれば、モジュール変換効率の高く光電変換素子を常に安定して提供することが可能となる。

図６は、セル一辺の長さＬと変換効率ηとの関係を示すグラフである。
一辺の長さＬを３ｍｍ〜３００ｍｍの範囲で代えたセルを作製し、各セルの変換効率ηを調べた。その結果、一辺の長さＬを１０ｍｍとしたセルが最も高い変換効率（およそ４．８％）をもつことが分かった。Ｌが１０ｍｍを越えると変換効率は緩やかに減少傾向を示すのに対し、Ｌが１０ｍｍを下回ると変換効率は急に低減する。ゆえに、本発明に係る光電変換素子を構成するセル一辺の長さＬとしては１０ｍｍ近傍が好適である。具体的には、セル一辺の長さＬを８ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲とすることにより、最も高い変換効率の８０％以上の変換効率が得られるので望ましい。

本発明によれば、性能の確かなセルを選択して用いることができ、セル同士の直並列も自在であり、モジュール化（大面積化）を図った際に全てのセルに対して十分な封止状態を確保することができるとともに、高い開口率を併せ持つ光電変換素子が得られる。またこの光電変換素子は、電極を構成する基板に歪みや破損が生じることなく封止でき、基板の薄型化も図れ、かつ、電気的な接続安定性も確保される。したがって、本発明は、電気的接続における高い信頼性と、出力特性の長期安定性とを兼ね備えた光電変換素子の製造に貢献する。

本発明に係る光電変換素子の一例を示す断面図である。 本発明に係る光電変換素子の他の一例を示す断面図である。 本発明に係る光電変換素子の一例を示す斜視図である。 本発明に係る光電変換素子の他の一例を示す斜視図である。 複数個のセルを作製したときの特性分布を示すグラフである。 セル一辺の長さと変換効率との関係を示すグラフである。 従来の光電変換素子の一例を示す断面図である。 従来の光電変換素子の他の一例を示す断面図である。 従来の光電変換素子の他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１００、２００ 光電変換素子（色素増感型太陽電池）、１０１Ａ、２０１Ａ 第一基板、１０２Ａ、２０２Ａ 透明導電膜、１０３Ａ、２０３Ａ 多孔質酸化物半導体層、１０４Ａ、２０４Ａ 導電膜、１０５Ａ、２０５Ａ 第二基板、１０６、１０６Ａ 電解質層、１０８、１０８Ａ、２０８Ａ 作用極、１０９、１０９Ａ、２０９Ａ 対極、１１０、１１０Ａ〜１１０Ｄ、２１０Ａ〜２１０Ｄ 積層体（セル、オープンセル）、１１８、１１８Ａ、２１８Ａ 第一の電極端子、１１９、１１９Ａ、２１９Ａ 第二の電極端子、１２０、２２０ 筐体、１２１、２２１ 蓋部、１２２、２２２ 箱体、１２３、２２３ 側部、１２４、２２４ 底部、１２５ＡＢ、１２５ＢＣ、１２５ＣＤ、２２５ＡＢ、２２５ＢＣ、２２５ＣＤ 内壁、１２８、１２９ 溝、１３０Ａ〜１３０Ｄ、２３０Ａ〜２３０Ｄ 密閉空間、１４０ シリコン油。

Claims (4)

1. 増感色素を表面に担時させた多孔質酸化物半導体層を有する作用極、該作用極の多孔質酸化物半導体層側においてこれに対向して配置される対極、及びこれら両極の間の少なくとも一部に電解質層を配してなる積層体と、該積層体を複数個収納する筐体とを少なくとも備えてなる光電変換素子であって、
   前記筐体は、電気絶縁性の内壁により二次元的に区分された複数個の密閉空間をもち、該密閉空間ごとに前記積層体を１個づつ配置したことを特徴とする光電変換素子。
2. 前記作用極または前記対極に一端が接続され、前記筐体外に他端がそれぞれ延びる２つの電極はいずれも、前記対極側に位置する前記筐体の底部または蓋部を通して、前記筐体外に導出されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
3. 前記筐体の内壁は、前記筐体をなす底部または蓋部と一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
4. 前記筐体の底部または蓋部の少なくとも一方は、太陽光を透過する部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
   

Images