JP2007095567A - 色素増感型太陽電池セルおよび色素増感型太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 透明基材の表面に上部電極と色素を含有させた酸化物半導体層とがこの順に積層された半導体電極と、前記上部電極と対をなす下部電極と、前記半導体電極および前記下部電極の間に封入された電解質とを有する色素増感型太陽電池セルにおいて、上部電極および/または下部電極を、基材31の表面に形成した導電性金属薄膜35と、該導電性金属薄膜35の上に積層したRh、Pt、Ruの群から選択される1種の貴金属からなる貴金属薄膜34とから構成する。
【選択図】 図1
Description
色素増感型太陽電池の基本構成は、透明基材に設けた透明導電電極(上部電極)と、電解質層と、発色剤層(分光増感色素)と、金属酸化物半導体層と、基材に設けた対電極(下部電極)とからなる(例えば特許文献1参照)。
従来型の太陽電池の場合には、発電層がシリコン等の固体半導体から構成されるのでセルの集積が容易であるが、色素増感型太陽電池の場合には、発電層に電解液を使用するので、電解質の漏洩を防止するため、セルの封止が必要となる。
例えば特許文献2には、複数個のセルを直列に接続する方法として、平行に配置された2枚の基板の間に複数のセルを並べて配置し、一のセルの透明電極と隣り合うセルの裏面電極とを接続する電極接続部の両面に非導電性の隔壁を設けて各セルの間を仕切った構成が記載されている。
また透光性を要求される透明電極は、電解質中に含有されるヨウ素化合物に対する耐ヨウ素性の観点から、ITOなどの金属酸化物を、加熱蒸着法、スパッタ法、CVD法などを用いて薄膜化したものが多用されている。
透明基材の表面に上部電極と色素を含有させた酸化物半導体層とがこの順に積層された半導体電極と、前記上部電極と対をなす下部電極と、前記半導体電極および前記下部電極の間に封入された電解質とを有する色素増感型太陽電池セルであって、前記上部電極および/または下部電極が、基材の表面に形成した導電性金属薄膜と、該導電性金属薄膜の上に積層したRh、Pt、Ruの群から選択される1種の貴金属からなる貴金属薄膜とからなることを特徴とする色素増感型太陽電池セルを提供する。
また、前記導電性金属薄膜として、写真製法により生成された現像銀の薄膜の上に無電解メッキおよび/または電解メッキにてニッケルをメッキすることにより所定のパターンに形成した金属薄膜を用いることもできる。
また、前記導電性金属薄膜として、写真製法により生成された現像銀の薄膜の上に無電解メッキ及び/又は電解メッキにて銅及びニッケルをメッキすることにより所定のパターンに形成した金属薄膜を用いることもできる。
また、前記導電性金属薄膜として、基材の表面に形成された銅またはアルミニウムの薄膜を化学エッチング法により所定のパターンに形成した金属薄膜を用いることもできる。
前記貴金属薄膜が、前記導電性金属薄膜の上に、無電解メッキおよび/または電解メッキにて貴金属をメッキすることにより形成した薄膜であることが好ましい。
また、セル境界領域は、もっぱら電解質の封止(例えば隔壁)に利用することができるため、電解質として流動性の高い電解液を用いたとしても、電解液の漏洩が起こりにくく、耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。
図1および図2は、本発明の色素増感型太陽電池セルに用いる基材付き電極を例示する模式的断面図である。図3〜図5は、基材付き電極のパターンを例示する部分拡大平面図である。
上部基材22に使用される透明樹脂フィルムの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ジアセテート樹脂、トリアセテート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリスルフォン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、環状ポリオレフィン樹脂等からなる厚さ50〜300μmの単層フィルム又は前記透明樹脂からなる複数層の複合フィルムが挙げられる。
なお、必要に応じて、上部基材22の外面(図7の上面)に、耐候性を付与するための樹脂をコートしてもよい。また、ソーダガラス、耐熱ガラス、石英ガラス等のガラスを上部基材22として用いてもよい。
下部基材23に使用される樹脂フィルムの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ジアセテート樹脂、トリアセテート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリスルフォン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、環状ポリオレフィン樹脂等からなる厚さ50〜300μmの単層フィルム又は前記透明樹脂からなる複数層の複合フィルムが挙げられる。
また、有機色素としては、メタルフリーフタロシアニン、シアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン色素を用いることができる。
上部電極2に用いる導電膜5の構成としては、金属酸化物半導体薄膜からなる透明導電膜、高い開口率のパターンを有する金属薄膜のいずれでもよいが、本発明では、前記のパターンを有する金属薄膜が好ましい。
金属メッキ層33を構成する金属としては、銅またはニッケルが好ましい。
これら2層の金属メッキ層33a、33bを構成する金属としては、銅およびニッケルの組み合わせが好ましい。特に、現像銀薄膜32の上を覆って形成される第1の金属メッキ層33aが銅、さらに第1の金属メッキ層33aの上を覆って形成される第2の金属メッキ層33bがニッケルであり、この第2の金属メッキ層33bの上を覆って前記貴金属薄膜34を形成した組み合わせが好ましい。これにより、金属の積層順序が適切となる。
基材31は、この基材付き電極30、30Aの構造を上部電極2に適用する場合は、透明基材(上部基材)22であり、下部電極3に適用する場合は、下部基材23を意味する。上述の基材付き電極30、30Aの構造は、上部電極2のみに適用してもよく、また、下部電極3のみに適用してもよく、また、上部電極2と下部電極3の両方に適用することもできる。
また、特に、上部電極2に適用した場合に得られる効果としては、所望の開口率を有するパターンが容易に得られるので、光透過性と導電性を両立できることが挙げられる。
細線パターンの寸法は、全光線透過率および抵抗率(導電性)の観点から、線幅が10〜1,000μm、ピッチ(間隙の部分37の大きさ)が100〜5,000μm、線厚み0.5〜15μmの範囲内であることが好ましい。
なお、図4および図5は、図面の横幅(セルの幅)を図面の縦寸法と同一の縮尺とはせず、模式的に図示したものであり、必要に応じて中間部の図示を省略している。
以下、ポジ型の露光・現像方法(DTR法)とメッキ法を用いた導電性金属薄膜の作製方法について説明する。
DTR法の場合、基材31の表面には、予め物理現像核層が設けられていることが好ましい。物理現像核としては、重金属あるいはその硫化物からなる微粒子(粒子サイズは1〜数十nm程度)が用いられる。例えば、金、銀等のコロイド、パラジウム、亜鉛等の水溶性塩と硫化物を混合した金属硫化物等が挙げられる。これらの物理現像核の微粒子層は、真空蒸着法、カソードスパッタリング法、コーティング法等によって基材31上に設けることができる。生産効率の面からコーティング法が好ましく用いられる。物理現像核層における物理現像核の含有量は、固形分で1平方メートル当たり0.1〜10mg程度が適当である。
前記ハロゲン化銀乳剤層のハロゲン化銀組成は、塩化銀を80モル%以上含有するのが好ましく、特に90モル%以上が塩化銀であることが好ましい。塩化銀含有率を高くすることによって形成された物理現像銀の導電性が向上する。
しかしながら、この物理現像による銀画像自身は、現像処理後に得られた銀画像を形成する金属銀粒子が極めて小さく、且つ銀画像中に存在する親水性バインダー量が極めて少ないことにより、銀画像を形成する金属銀粒子が最密充填状態に近い状態で銀画像が形成されて通電性を有しているため、銅やニッケルなどの金属による鍍金(メッキ)、特に電解メッキを施すことにより、細線パターンが0.5〜15μmの厚み及び10〜1,000μmの線幅であるとき、全光線透過率50%以上、好ましくは60%以上の透光性の細線パターンであっても、表面抵抗率10Ω/□以下、好ましくは7Ω/□以下の導電性を保持することができる。
金属メッシュの全光線透過率を向上させるためには、細線が設けられた領域の面積に対して、細線間の光透過部の面積を十分に広くする必要がある。このため、細線のピッチ(間隔)は、100〜5,000μmであることが好ましい。
また、無電解ニッケルメッキ浴の一例を挙げると、硫酸ニッケル:21g/dm3、ホスフィン酸ナトリウム:25g/dm3、酢酸ナトリウム:10g/dm3、pH:4〜6、浴温度90℃で無電解ニッケルメッキすることができる。
導電性金属薄膜35の上に貴金属薄膜34を形成する方法は特に限定されないが、高温処理が不要であり、耐熱性が比較的低いフレキシブルな透明樹脂を基材に使用することが可能となるため、電解メッキ法および/または無電解メッキ法によって貴金属をメッキする方法が好ましい。
銅、アルミニウム、銀などは、導電性には優れるが、色素増感型太陽電池に使用している電解質に対する耐食性がなく、そのまま色素増感型太陽電池の電極として使用することはできない。そこで、導電性金属薄膜35の上部を、耐食性に優れた貴金属薄膜34で被覆することにより、導電性と耐食性を兼ね備えた電極を形成することができる。
また、図8に示すように、各色素増感型太陽電池セル1、1の上部電極2および/または下部電極3において、腐食の起こりやすい電極の両端部を封止材24の下に埋設し、電解質8との直接接触を避けるようにすれば、電極の耐食性が非常に優れたものとなる。
貴金属薄膜34の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば0.1〜1.0μm、導電性金属薄膜35の総厚みに対する貴金属薄膜34の厚みの比は、5〜15%が好ましい。これにより、優れた耐食性が得られる範囲内で電極中の貴金属の使用量を低減して、低コスト化を実現できる。
図6〜図11は、本発明の色素増感型太陽電池モジュールの1形態例を示す図面であり、図6は色素増感型太陽電池モジュールの平面図、図7は図6のA−A線に沿う断面図、図8は図6のB−B線に沿う部分拡大断面図、図9は上部電極が設けられた上部基材を示す平面図、図10は剥離紙つきの封止材を示す平面図、図11は下部電極が設けられた下部基材を示す平面図である。
なお、図6は、上部基材22が透明性を有するものとして、発電層4および集電体6を実線で描いてある。また、図9では上部電極2が紙面の手前側となるよう、上部基材22の配置を図6とは左右逆にしている。図9および図11において二点鎖線は、発電層4と接する領域の境界線を示す。図10では、封止材24の形状を明確にするため、封止材24に斜線(ハッチング)を付した。
図7、図8に示すように、色素増感型太陽電池セル1(以下、省略して「セル」という場合がある。)は、上部電極2と発電層4と下部電極3とがこの順に積層された部分によって構成される。
前記外部領域16は、各セル1、1、…が占有する領域ともセル境界領域15とも重なり合いを持たないが、前記基材22、23上の一部として設定される領域である。
本形態例において各セル1は図6の左右に長い帯状である。これらのセル1、1、…は、セル1の短辺方向(図6の上下方向)に連設され、1つのセル集積体18を構成している。基材上、セル集積体18は平面視で略正方形の領域を占有している。
集電体6は、厚みが15μm以下、好ましくは7μm以下であって、線幅が60μm以下、好ましくは40μm以下、より好ましくは25μm以下である。集電体6の厚みが15μmを超えると、透明な上部基材22に対して斜めに入射する光が遮られるため好ましくない。また、集電体6の線幅が60μmを超えると、開口率が低くなったり、金属線が見えやすくなり好ましくない。
集電体6の線幅を細線化することで、光の回折、散乱等により、線幅が大きい場合に比して電極基板(基材付き電極)の全光線透過率が向上し、太陽電池の発電効率を向上させることができる。
下部電極3は、上述したように導電性金属薄膜35と貴金属薄膜34を積層した金属薄膜36による細線パターンを採用することが好ましいが、導電性金属薄膜35と貴金属薄膜34を積層した金属薄膜36による細線パターンを上部電極2のみに採用する場合、場合により、下部電極3には、金属等の良導体、金属酸化物半導体等の半導体、カーボンなどから形成することもできる。電解質8中に含有されるヨウ素化合物に対する耐ヨウ素性の観点から、白金またはカーボンが好適である。下部電極3の形成は、その形成に用いる材料に応じた適宜の方法、例えば加熱蒸着法、スパッタ法、CVD法、導電性ペーストを用いた印刷法(例えばスクリーン印刷)等によって行う。導電性ペーストとしては、導電性粒子を配合したものが用いられる。
両端子部12、13の電気的接続を維持するためには、公知の技術を用いることが可能であり、例えば、導電性粒子を含有した導電性接着剤や半田などで接合したり、2枚の基材22、23の外側からクリップや可撓性のカバーフィルムなどで挟圧したり、2枚の基材22、23をホットメルト接着剤などで接着したりする方法を用いることができる。
さらに、上部電極2側の端子部12は、集電体6が外部領域16に延出したものである。これにより、上部電極2から集電体6を介して集電した電流を、隣接したセルの下部電極3に効率よく流すことができる。
このように、帯状のセル1が多数、セル1の短辺方向(図6では上下方向)に連設されてセル集積体18を構成している場合、セル間の配線接続構造11が配置されるセルの外部領域16を基材22、23の側縁部(図6の左側)にまとめて設けることができ、色素増感型太陽電池モジュール21の面積を一層小さくすることができる。
封止材24は、少なくとも表面が電気絶縁性を有する必要がある。このため、封止材24の材質が金属などの導電性材料から構成されている場合には、電気絶縁性を有する樹脂やゴムなどにより絶縁被覆する。
なお、図10は、紙面手前側の剥離紙28を剥離して、封止材24の裏側に剥離紙28が接着された状態を示す。
また、封止材24を熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂等の硬化性樹脂から形成する場合には、上部基材22および下部基材23のうちの一方の基材の上に未硬化状態の樹脂を塗布し、他方の基材を重ね合わせてから硬化成形する方法により、上部基材22と封止材24と下部基材23とを接合することもできる。
まず、上部電極2を設けた上部基材22(図9参照)と、セル1に対応する空間(貫通穴)27を有する封止材24(図10参照)と、下部電極3を設けた下部基材23(図11参照)とを用意し、分光増感色素が担持された酸化物半導体層7を上部電極2の上に形成することにより、半導体電極9を作製する。
電解質8を封入する方法としては、例えば電解質8が流動性に富む電解液である場合には、上部基材22または下部基材23に注入穴(図示略)を設け、基材22、23と封止材24とを積層したときに該注入穴が前記空間27に連通するようにし、電解液の注入後に前記注入穴を塞ぐ方法を用いることができる。このほか電解質8の封入方法としては、電解質8の性状に応じて選択した公知の方法を採用することができる。
セル境界領域は、もっぱら電解質の封止(例えば隔壁)に利用することができるため、電解質として流動性の高い電解液を用いた場合であっても、該電解液の漏洩が起こりにくく、耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。
例えば、上部電極2と下部電極3とを接続する端子部12、13の本数は、第1形態例のセル間の配線接続構造においては1本ずつであったが、特にこれに限定されるものではない。例えば、上部電極2側の集電体6および端子部12を帯状のセル1の短辺方向両側に平行して1本ずつ、合計2本を設けることもできる。この場合においても、集電体6は、発電層4を覆わない位置に配設され、封止材24と導電膜5との間に挟み込まれ、集電体6が電解質8と接触しないようにする。
これ以外にも、下部電極3側の端子部13を複数本設けた構成を採用することも可能である。
Claims (8)
- 透明基材の表面に上部電極と色素を含有させた酸化物半導体層とがこの順に積層された半導体電極と、前記上部電極と対をなす下部電極と、前記半導体電極および前記下部電極の間に封入された電解質とを有する色素増感型太陽電池セルであって、
前記上部電極および/または下部電極が、基材の表面に形成した導電性金属薄膜と、該導電性金属薄膜の上に積層したRh、Pt、Ruの群から選択される1種の貴金属からなる貴金属薄膜とからなることを特徴とする色素増感型太陽電池セル。 - 前記導電性金属薄膜が、写真製法により生成された現像銀の薄膜の上に無電解メッキおよび/または電解メッキにて銅をメッキすることにより所定のパターンに形成した金属薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池セル。
- 前記導電性金属薄膜が、写真製法により生成された現像銀の薄膜の上に無電解メッキおよび/または電解メッキにてニッケルをメッキすることにより所定のパターンに形成した金属薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池セル。
- 前記導電性金属薄膜が、写真製法により生成された現像銀の薄膜の上に無電解メッキ及び/又は電解メッキにて銅およびニッケルをメッキすることにより所定のパターンに形成した金属薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池セル。
- 前記導電性金属薄膜が、基材の表面に形成された銅またはアルミニウムの薄膜を化学エッチング法により所定のパターンに形成した金属薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池セル。
- 前記所定のパターンは、線幅が10〜1,000μm、ピッチが100〜5,000μm、線厚みが0.5〜15μmの範囲内であることを特徴とする請求項2ないし5のいずれかに記載の色素増感型太陽電池セル。
- 前記貴金属薄膜が、前記導電性金属薄膜の上に、無電解メッキおよび/または電解メッキにて貴金属をメッキすることにより形成した薄膜であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の色素増感型太陽電池セル。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載の色素増感型太陽電池セルを一の基材上に複数配設し、セル境界領域を介して隣接した一の色素増感型太陽電池セルと他の色素増感型太陽電池セルとを電気的に直列接続した色素増感型太陽電池モジュールであって、
色素増感型太陽電池セルの上部電極および/または下部電極が金属配線層からなる集電体を備え、該集電体が前記セル境界領域の外に延出された端子部を有し、前記一の色素増感型太陽電池セルの上部電極と前記他の色素増感型太陽電池セルの下部電極とが、前記セル境界領域の外で前記端子部を介して電気的に接続されたことを特徴とする色素増感型太陽電池モジュール。
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