JP2007073401A - 色素増感太陽電池の封止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】色素増感太陽電池の封止構造において、高い耐久性が得られ、しかも封止作業が簡便に行えるようにする。
【解決手段】作用極１と対極２とを重ねて封止する際、両極１、２の端部にケイ酸塩からなる封止剤を塗布し固化させて第１封止部１１を形成する。この第１封止部１１の外側に、シリコーンゴム、ブチルゴム、フッ素樹脂コート剤などの硬化性樹脂材料を、第１封止部１１上に塗布し硬化させて第２封止部１２を形成する。第２封止部１２は、第１封止部１１の全体をその上から包み込んでさらに封止するように設けられている。第２封止部には、合成樹脂、ガラスなどからなるカバー部材を用いてもよい。
【選択図】図２

Description

この発明は、色素増感太陽電池の封止構造に関し、その封止部の耐久性を高め、しかもその封止作業を簡便に行えるようにしたものである。

色素増感太陽電池は、例えば図７に示すように、作用極１と対極２と電解質層３とから概略構成されている。
作用極１は、ガラスなどからなる透明基板１１上にＩＴＯ、ＦＴＯなどからなる透明電極１２が設けられ、この透明電極１２上に酸化物半導体多孔質膜１３が設けられ、この酸化物半導体多孔質膜１３に光増感色素が担持されて構成されている。

上記酸化物半導体多孔質膜１３は、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛などの半導性をしめす金属酸化物粒子が結合して構成され、その内部に多数の微細な空孔を有する多孔質膜で、この微細な空孔に上記光増感色素が担持されている。

上記光増感色素としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造などの配位子を含むルテニウム錯体、ポルフィルン、フタロシアニンなどの金属錯体、エオシン、ローダミン、メラシアニンなどの有機色素が用いられ、これら色素の水溶液、アルコール溶液を上記酸化物半導体多孔質膜１３の無数の空孔に含浸し、乾燥することによって担持される。

対極２には、金属板などの導電性基板、ガラスなどの非導電性基板２１に白金、金、炭素などの導電膜２２を蒸着、スパッタなどによって形成したもの、非導電性基板上に塩化白金酸溶液を塗布、加熱して白金膜を形成したものなどが用いられる。
また、電解質層３には、ヨウ素／ヨウ素イオンなどのレドックス対を含む非水溶液からなる電解液などが用いられる。

そして、この作用極１と対極２とは、その間に電解質層３を挟んだ状態で重ね合わされ、その周囲が封止剤４によって封じられた構造となっている。
従来、この封止剤４には、アイオノマー樹脂やガラスフリットなどが用いられている。この封止剤４には、作用極１および対極２に対して良好な接着力を有していること、外気の侵入を防ぐこと、電解質液に対する耐薬品性を有すること、ヨウ素ガスを透過しないことなどの種々の特性が要求される。

このため、特開２００４−１７１８１４号公報には、封止剤として、ポリシロキサンなどの無機ポリマーとアルミナなどの無機充填材とからなる無機接着剤を用いる提案がなされている。
この先行発明では、無機接着剤を用いていることから、接着性、耐久性などの特性は良好であるが、封止作業が面倒である欠点があった。

すなわち、この無機接着剤にあっては、その硬化のために温度１５０〜２５０℃で５時間程度加熱する必要があり、しかもこのような高温が作用極の酸化物半導体多孔質膜に伝わらないようにその部分を水で冷却するなどして６０℃以下に保ちつつ封止作業を実施する必要がある。また、そのための専用の装置を準備する必要もある。
特開２００４−１７１８１４号公報

よって、本発明における課題は、色素増感太陽電池の封止構造において、高い耐久性が得られ、しかも封止作業が簡便に行えるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、作用極と対極とを対向させて封止した色素増感太陽電池の封止構造であって、
封止が、ケイ酸塩からなる封止剤を用いてなされていることを特徴とする色素増感太陽電池の封止構造である。

請求項２にかかる発明は、作用極と対極とを対向させて封止した色素増感太陽電池の封止構造であって、
その封止部が、ケイ酸塩からなる封止剤を用いた第１封止部と、この第１封止部をさらに封止する第２封止部とで構成されていることを特徴とする色素増感太陽電池の封止構造である。

請求項３にかかる発明は、第２封止部が、硬化性樹脂材料から構成されていることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電池の封止構造である。
請求項４にかかる発明は、第２封止部が、カバー部材から構成されていることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電池の封止構造である。
請求項５にかかる発明は、第２封止部が、硬化性樹脂材料とカバー部材とから構成されていることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電池封止構造である。

本発明によれば、封止剤に水ガラスなどのケイ酸塩を用いることで、固化温度を６０℃程度とすることができる。このため、作用極の酸化物半導体多孔質膜をわざわざ冷却しなくともこれを劣化させることがなく、専用の装置を準備する要もない。また、封止部の耐久性も無機材料であるので充分なものとなる。さらに、ケイ酸塩は、作用極、対極をなすガラスとの親和性が高く、これらに対する接着性も高いものとなる。

また、ケイ酸塩からなる封止剤を用いてなる第１封止部を覆うように第２封止部を設けたものでは、第１封止部が直接外気に触れることがなくなり、第１封止部自体が劣化することがなくなり、耐久性がさらに高いものとなる。さらに、第２封止部にカバー部材を用いるものでは、封止部の機械的強度も高いものとなる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すもので、符号１は作用極を、２は対極を、３は電解質層をそれぞれ示す。これら作用極１、対極２、電解質層３は、図７に示した従来のものと同様であるので、その説明は省略する。

この形態では、作用極１と対極２とのそれぞれの端部がほぼ一致した構造の例である。そして、作用極１と対極２とは第１封止部１１によって封止されている。この第１封止部１１は、ケイ酸塩からなる封止剤によって構成されている。

この封止剤をなすケイ酸塩には、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムなどのケイ酸アルカリ金属塩が用いられ、これの濃度５０〜６０ｗｔ％の濃厚水溶液、例えば水ガラスなどが封止剤として用いられる。
このケイ酸塩濃厚水溶液からなる封止剤を、両極１、２の端部に塗布し、温度５０〜６０℃、時間２〜３時間程度加熱することで第１封止部１１が形成される。

このような第１封止部１１は、図１に示すように、作用極極１と対極２との端縁部からその隅部までを覆い、一部は両極間の間隙にも侵入した状態となっており、作用極１と対極２とを完全に接合し、しかもその間隙を完全に封じた状態となっている。

図２は、本発明の第２の実施形態を示すものである。このものでは、ケイ酸塩からなる第１封止部１１の外側に第２封止部１２を設けたものである。
ここでの第１封止部１１は、第１の実施形態において説明したものと同様のものである。

第２封止部１２は、第１封止部１１全体をその上から包み込んでさらに封止するように設けられている。ここでの第２封止部１２は、シリコーンゴム、ブチルゴム、フッ素樹脂コート剤などの硬化性樹脂材料からなるもので、これら硬化性樹脂材料の未硬化状態のペースト状物あるいは液状物を、固化後の第１封止部１１上に塗布し、硬化させて第２封止部１２としたものである。

図３は、本発明の第３の実施形態を示すもので、このものも第１封止部１１と第２封止部１２とを設けた例である。
ここでの第２封止部１２は、カバー部材１３から構成されている。このカバー部材１３は、第１封止部１１全体を包み込むような形状を有しており、この例では断面形状が略Ｃ字状とされた樋状の部材である。

このカバー部材１３をなす材料には、ウレタン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの合成樹脂、ガラスなどが用いられるが、合成樹脂としては塩化ビニル樹脂などの塩素を含む樹脂は避ける必要がある。これは電解液中のヨウ素と置換される可能性があるためのである。

また、この例ではカバー部材１３の折り曲げ先端部１３ａ、１３ａが作用極１および対極２の表面に形成された溝に挿入され係止された状態となっており、カバー部材１３が作用極１および対極２から脱落しないようになっている。
このものでは、第１封止部１１をなす封止剤が完全に固化する以前にカバー部材１３を取り付け、その後加熱して封止剤を固化させる方法が採られ、これにより封止剤がカバー部材１３の内面にも接着することになる。

図４に示した第４の実施形態では、第２封止部１２をカバー部材１３と硬化性樹脂材料１４とから構成したものである。
ここでのカバー部材１３は、先の例で用いられたものと同様であるが、その断面形状が先の図３に示したものとは異なっており、略コ字状となっており、両極１、２を挟み込むようになっている。硬化性樹脂材料１４は、先の例で用いたものと同様である。

この例では、まずケイ酸塩からなる封止剤を両極１、２の端部に塗布した後、カバー部材１３を取り付け、次いでこれを加熱して封止剤を固化し、さらにカバー部材１３のエッジ部分に硬化性樹脂材料１４を塗布し、加熱硬化させる方法が用いられる。
この実施形態のものは、構造がやや複雑にはなるが性能は極めて優れたものとなる。

図５は、本発明の第５の実施形態を示すものである。このものは、作用極１と対極２とのそれぞれの端部が一致しておらず、いずれか一方が他方よりも外側に延出した状態のものの封止構造を示している。
この例では、作用極１の端部が対極２の端部よりも外側に延出した状態ものを示している。

この封止構造は、ケイ酸塩からなる封止剤を用いた第１封止部１１と、これを覆う硬化性樹脂材料からなる第２封止部１２とから構成されている。
まず、対極２の端部にケイ酸塩からなる封止剤を塗布し、加熱して第１封止部１１を形成した後、この第１封止部１１全体を覆うように硬化性樹脂材料を塗布し硬化させて第２封止部１２を形成する。

以下、具体例を示す。
以下の仕様の色素増感太陽電池を作成した。作用極１は、厚さ３ｍｍのガラス基板上にＩＴＯからなる厚さ１５０ｎｍの透明電極を形成し、この上に酸化チタン微粒子を焼結してなる厚さ１０μｍの酸化物半導体多孔質膜を設け、これにルテニウム錯体を光増感色素として担持して作成した。

対極２には、厚さ３ｍｍのガラス板上に、白金を厚さ１００μｍに蒸着したものを用いた。作用極１と対極２とを間隔を介して重ね合わせ、図４および図５に示した実施形態を併用して両極１、２を封止した。この時、電解液を注入するためのわずかな隙間を残した。ヨウ素／ヨウ素イオンのレドックス対を含むアセトニトリルの電解液を注入し、上記隙間を封じた。

得られた色素増感太陽電池の光電気変換効率の時間経過にともなう変化を測定した。色素増感太陽電池を温度６０℃、相対湿度６０％の環境下に２週間放置し、その値を経持的に測定した。
この結果を図６のグラフに示す。
図６のグラフから、２週間を経過しても、ほとんど変換効率の低下がないことが確認され、本発明の封止構造が耐久性に優れたものであることが判明した。

本発明の第１の実施形態を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す概略断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す概略断面図である。 本発明の第４の実施形態を示す概略断面図である。 本発明の第５の実施形態を示す概略断面図である。 実施例の結果を示す図表である。 従来のｃえるの封止構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・作用極、２・・対極、１１・・第１封止部、１２・・第２封止部、１３・・カバー部材、１４・・硬化性樹脂材料

Claims (5)

1. 作用極と対極とを対向させて封止した色素増感太陽電池の封止構造であって、
   封止が、ケイ酸塩からなる封止剤を用いてなされていることを特徴とする色素増感太陽電池の封止構造。
2. 作用極と対極とを対向させて封止した色素増感太陽電池の封止構造であって、
   その封止部が、ケイ酸塩からなる封止剤を用いた第１封止部と、この第１封止部をさらに封止する第２封止部とで構成されていることを特徴とする色素増感太陽電池の封止構造。
3. 第２封止部が、硬化性樹脂材料から構成されていることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電池の封止構造。
4. 第２封止部が、カバー部材から構成されていることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電池の封止構造。
5. 第２封止部が、硬化性樹脂材料とカバー部材とから構成されていることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電池の封止構造。
   

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