JP2007173045A - 色素増感型太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な工程で安価に作製できる構造の色素増感型太陽電池モジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】透明基板上に透明導電層と色素担持酸化物半導体層を形成した受光側ボード上の透明導電膜延在部と、裏面基板上に裏面導電膜を形成した裏面側ボード上の裏面導電膜延在部とを対面させて、両延在部で導電性ワイヤを側面から挟持し、両ボード間の間隙に液状の光硬化性樹脂を充填し、セル間領域およびモジュール外周隔壁形成箇所の光硬化性樹脂を受光側ボード側からの露光し、光硬化した樹脂により、導電性ワイヤを固定して両延在部に密着した電極接続部とし、同時に、導電性ワイヤとその両隣のセルとを遮断する絶縁隔壁およびモジュール外周隔壁を形成し、両ボード間の間隙に電解液を充填し、最後に外周露出部を封止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、色素増感型太陽電池モジュールおよびその製造方法に関し、特に、簡素化した製造工程により安価に製造できるように構造を改良した色素増感型太陽電池モジュールおよびその製造方法に関する。

色素増感型太陽電池は、特許文献１、２等においてグレツェル等により初めて提案されたものが代表であり、シリコン太陽電池に比べて材料が安価で大掛かりな製造設備を必要としないため、低コストで小規模の電力供給源として注目されている。

しかし、これまでの実績では、光電変換効率がシリコン太陽電池に及ばず出力電圧が小さい。そのため、実用化に当たっては、複数のセルを直列に接続してモジュールとすることが不可欠である。

色素増感型太陽電池の一番の利点は低コストであるので、モジュール化するに当たっても、簡単で低コストの方法および構造が求められている。

図１、２に従来の色素増感型太陽電池モジュールの代表的な構造を示す。

図１に示した構造は、特許文献３、４等に開示されているものであり、図１（１）に示す個々の完成した色素増感型太陽電池セル１０同士を、図１（２）に示すように接続リードで直列接続してモジュール１００としてある。

図１（１）の色素増感型太陽電池セル１０は、入射光Ｌの受光側（図で上方）から順に、透明基板１２、透明導電膜１４、色素担持酸化物半導体層１６、電解液層１８、裏面導電膜２０（透明又は不透明）、裏面基板２２（透明又は不透明）が積層して構成されている。一般に、裏面導電膜２０の上にはＰｔ、Ｃなどの触媒層２４を設けるが、必須ではない。セル１０の周囲は、電解液１８の漏洩を防止するように封止材２６で液密封止されている。色素担持酸化物半導体層１６で発生した電子（ｅ−）を外部へ送り出す透明導電膜１４が電池１０の負極であり、これに対して外部から電子（ｅ−）を取り込む裏面導電膜２０が電池１０の正極である。

図１(２)は、図１（１）の色素増感型太陽電池セル１０を３個、平面配列して直列接続したモジュール１００を示す。隣接するセル１０の正極２０と負極１４とを電極接続線２８で電気的に接続し、透明支持基板３０と裏面支持基板３２（透明又は不透明）との間に挟んで透明絶縁充填剤３４で封止してモジュール１００とする。モジュール１００としての出力端子は正極３６および負極３８である。

このように、図１のモジュール１００を作製するには、複数個の単体セル１０を上記のように組み立てる煩雑な工程が必要になる。

特許文献５には、上記のような単体セルの組み立てに拠らず、図２に示すように複数個のセルから成るモジュールを一括して作製する方法が提案されている。

図２に示した色素増感型太陽電池モジュール２００は、複数個の色素増感型太陽電池セル２１０の領域とセル間領域２１５とが交互に平面配列された一体構造として一括作製されている。セル２１０は、図１（１）の単体セル１０と同じ基本構造であり、入射光Ｌの受光側（図で上方）から順に、透明基板２１２、透明導電膜２１４、色素担持酸化物半導体層２１６、電解液層２１８、裏面導電膜２２０（透明又は不透明）、裏面基板２２２（透明又は不透明）が積層して構成されている。この例でも、裏面導電膜２２０の上にはＰｔ、Ｃなどの触媒層２２４が設けてあるが、必須ではない。

図示したとおり、透明基板２１２および裏面基板２２２はそれぞれ、複数個のセル２１０の全てについて共通の連続した単一の基板である。透明導電膜２１４および裏面導電膜２２０はそれぞれ、セル２１０内にある電極部２１４Ｅ、２２０Ｅと、電極部の一端からセル間領域２１５内に至る延在部２１４Ｔ、２２０Ｔとから成る。

色素担持酸化物半導体層２１６で発生した電子（ｅ−）を外部へ送り出す透明導電膜２１４がセル２１０の負極であり、これに対して外部から電子（ｅ−）を取り込む裏面導電膜２２０がセル２１０の正極である。

セル２１０同士を直列接続するために、セル間領域２１５において、その左側のセル２１０の負極２１４の延在部２１４Ｔと、右側のセル２１０の正極２２０の延在部２２０Ｔとが、別体の電極接続部２２８によって電気的に接続されている。この電極接続部２２８の高さが電解液層２１８の厚さを規定している。電極接続部２２８の両側に一対のセル間絶縁隔壁２２６が密着して液密封止し、これにより電解液２１８がセル２１０内に封入され、個々のセル２１０の領域が確定される。

このようにして単一の基板上に複数のセルを直列接続した形で一括作製してモジュールを得ることができるが、電極接続部２２８の両側をセル間絶縁隔壁２２６で液密封止する必要がある。そのため、先ずセル間絶縁隔壁２２６を形成してから、両側をセル間絶縁隔壁２２６に囲まれた間隙内で電極接続部２２８を形成しなくてはならず、隔壁２２６と接続部２２８との位置合わせや高さ調整を必要とし、煩雑な作製工程が必要になる。

色素増感型太陽電池は、材料コストと共に製造コストが低廉なことが最大の利点であるが、図１および図２に示したモジュール構造はいずれも、モジュールの作製工程数の増加や作製工程の複雑化により、製造コストが増大するという問題があった。

特許第２６６４１９４号 特許第２１０１０７９号 特開２００１−１８５７４３号公報（段落００８１等） 特開２００３−８６８２２号公報 特開２００２−９３４７５号公報

本発明は、上記従来技術の問題を解消し、簡便な工程で安価に作製できる構造の色素増感型太陽電池モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、受光側から順に、透明基板、透明導電膜、色素担持酸化物半導体層、電解液層、裏面導電膜、裏面基板が積層して成る複数個の色素増感型太陽電池セルがセル間領域を挟んで平面的に配列されて直列接続され、上記透明基板および上記裏面基板はそれぞれ、上記複数個の色素増感型太陽電池セルの全てについて共通の連続した単一の基板であり、上記透明導電膜および上記裏面導電膜はそれぞれ、上記セル内にある電極部と該電極部の一端から上記セル間領域内に至る延在部とから成り、隣り合うセルの上記透明導電膜の延在部と上記裏面導電膜の延在部とが上記セル間領域内で電極接続部を介して接続されてセル同士が上記直列接続されている色素増感型太陽電池モジュールにおいて、
上記セル間領域内において、上記透明導電膜の延在部と上記裏面電極の延在部とに側面で密着して挟持された導電性ワイヤが上記電極接続部を構成しており、該導電性ワイヤとその両隣のセルとは、光硬化した樹脂から成る絶縁隔壁により遮断されていることを特徴とする色素増感型太陽電池モジュールが提供される。

本発明は更に、上記本発明の色素増感型太陽電池モジュールの製造方法であって、
上記透明基板の表面に、上記透明導電層および上記色素担持酸化物半導体層を順次に形成して受光側ボードとする工程、
上記裏面基板の表面に、上記裏面導電膜を形成して裏面側ボードとする工程、
上記受光側ボード上の透明導電膜の延在部と上記裏面側ボード上の裏面導電膜の延在部とを対面させ、これら両延在部で上記導電性ワイヤを側面から挟んで保持する工程、
上記挟まれた導電性ワイヤの直径で規定される上記両ボード間の間隙に未硬化の液状の光硬化性樹脂を充填する工程、
上記セル間領域およびモジュール外周隔壁形成箇所の上記光硬化性樹脂を、上記受光側ボード側からの露光により硬化させる工程、
現像処理を行って非露光部の未硬化の上記光硬化性樹脂を除去し、上記硬化して残された光硬化性樹脂により、上記導電性ワイヤを固定して上記両延在部に密着した電極接続部として確定し、同時に、上記導電性ワイヤとその両隣のセルとを遮断する絶縁隔壁および上記モジュール外周隔壁を形成する工程、
上記未硬化樹脂の除去により現れた上記両ボード間の間隙に電解液を充填する工程、および
上記充填された電解液が外部に露出している箇所を封止する工程
を行なうことを特徴とする色素増感型太陽電池モジュールの製造方法を提供する。

本発明によれば、煩雑な工程を必要とせずに、導電性ワイヤによる電極接続部の形成と、電極接続部とセルとを遮断する絶縁隔壁の形成とを同時に行なうことができるので、簡便かつ低コストでモジュール化が実現できる。

したがって、材料コストと共に製造コストが低廉であるという色素増感型太陽電池の最大の利点を十分に発揮できる。

〔実施形態１〕
図３を参照して、本発明の望ましい一実施形態による色素増感型太陽電池モジュールを説明する。

図３に示した本発明の色素増感型太陽電池モジュール３００は、複数個の色素増感型太陽電池セル３１０の領域とセル間領域３１５とが交互に平面配列された一体構造として一括作製されている。個々のセル３１０自体は、図１（１）に示した従来の単体セル１０と同じ基本構造であり、入射光Ｌの受光側（図で上方）から順に、透明基板３１２、透明導電膜３１４、色素担持酸化物半導体層３１６、電解液層３１８、裏面導電膜３２０（透明又は不透明）、裏面基板３２２（透明又は不透明）が積層して構成されている。ここでは、図１（１）に示したような裏面導電膜２２０上の触媒層２２４は図示していないが、任意に設けることができる。触媒層２２４の材料としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃなどを用いることができる。

図示したとおり、透明基板３１２および裏面基板３２２はそれぞれ、複数個のセル３１０の全てについて共通の連続した単一の基板である。透明導電膜３１４および裏面導電膜３２０はそれぞれ、セル３１０内にある電極部３１４Ｅ、３２０Ｅと、電極部の一端からセル間領域３１５内に至る延在部３１４Ｔ、３２０Ｔとから成る。

色素担持酸化物半導体層３１６で発生した電子（ｅ−）を外部へ送り出す透明導電膜３１４がセル３１０の負極であり、これに対して外部から電子（ｅ−）を取り込む裏面導電膜３２０がセル３１０の正極である。

本発明の特徴として、セル間領域３１５内において、導電性ワイヤ３２８が透明導電膜３１４の延在部３１４Ｔと裏面電極３２０の延在部３２０Ｔとに側面で密着挟持されて電極接続部を構成しており、導電性ワイヤ３２８とその両隣のセル３１０とは、光硬化した樹脂から成る絶縁隔壁３２６により遮断されている。導電性ワイヤ３２８の直径が電解液層３１８の厚さｄを規定している。更に、モジュール３００の外周も光硬化した樹脂から成る外周隔壁３２７で封止されている。

図４を参照して、図３の色素増感型太陽電池モジュール３００の製造方法を説明する。

先ず図４（１）に示すように、透明基板３１２の表面に透明導電層３１４および色素担持酸化物半導体層３１６を順次に形成して受光側ボード３３０とする。一方、裏面基板３２２の表面に裏面導電膜３２０を形成して裏面側ボード３３２とする。

次に図４（２）に示すように、受光側ボード３３０上の透明導電膜３１４の延在部３１４Ｔと裏面側ボード３３２上の裏面導電膜３２０の延在部３２０Ｔとを対面させ、これら両延在部３１４Ｔ、３２０Ｔで導電性ワイヤ３２８を側面から挟んで保持する。挟まれた導電性ワイヤ３２８の直径で規定される両ボード間の間隙に未硬化の液状の光硬化性樹脂３３４を充填する。

次に図４（３）に示すように、セル間領域３１５およびモジュール外周隔壁形成箇所３１７の光硬化性樹脂３３４を、受光側ボード３３０側からの露光Ｒにより硬化させる。このように限定して部位のみに露光を行なうには、セル間領域３１５およびモジュール外周隔壁形成箇所３１７の対応箇所に透光窓Ｗを設けた遮光マスク３３６を用いる。

次に図４（４）に示すように、現像処理を行って非露光部の未硬化の光硬化性樹脂３３４を除去し、硬化して残された光硬化性樹脂により、導電性ワイヤ３２８を固定して両延在部３１４Ｔ、３２０Ｔに密着した電極接続部３２８として確定し、同時に、導電性ワイヤ３２８とその両隣のセル３１０とを遮断する絶縁隔壁３２６およびモジュール外周隔壁３２７を形成する。

次に図４（５）に示すように、未硬化樹脂の除去により現れた両ボード３３０、３３２間の間隙（図４（３）のＡ）に電解液３１８を充填する。

最後に、図示はしないが、充填された電解液３１８が外部に露出している箇所を封止すれば、色素増感型太陽電池モジュール３００が完成する。典型的には、モジュール端面は図３に示した断面と同じ構造である。

このように、本発明においては、セル間の電極接続とセル間の隔離とを一工程で一括して完了できるので、極めて簡便な工程により低コストで色素増感型太陽電池モジュールを実現することができる。

受光側の透明基板３１２としては、透明ガラス基板の他、透明有機基板が適している。透明有機基板用の代表的な材料として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリプロピレン、ポリアミド、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフィン、ポリメチルメタクリレートが挙げられるが、特にこれらに限定する必要はない。

透明基板３１２上に設ける透明導電膜３１４としては、ＳｎＯ_２（酸化スズ）、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）、Ｉｎ_２Ｏ_３（酸化インジウム）、ＩＴＯ（インジウム・スズ複合酸化物）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などが代表的な材料であるが、特にこれらに限定する必要はない。

色素担持酸化物半導体３１６としては、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ_２（酸化錫）、Ｉｎ_２Ｏ_３（酸化インジウム）、Ｎｂ_２Ｏ_５（酸化ニオブ）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、Ｌａ_２Ｏ_３（酸化ランタン）、Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）、ＳｒＴｉＯ_３（チタン酸ストロンチウム）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）などが代表的な材料であるが、特にこれらに限定する必要はない。

裏面基板３２２は、透明でも不透明でもよいので、上記透明基板３１２に用いる透明ガラス基板や透明有機基板の材料の他、フッ素樹脂、テフロン（登録商標）なども用いることができる。

裏面基板３２２上に設ける裏面導電膜３２０も、透明でも不透明でもよいので、上記透明導電膜３１４の材料の他、炭素材料や金属材料を用いることができる。金属材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、ステンレス鋼、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗなどが代表的であるが、特にこれらに限定する必要はない。これらの金属材料は、単体または合金として用いることができ、単層または多層に積層することができる。

本発明の一つ特徴として、電極接続部３２８を構成する導電性ワイヤは、代表的には金属ワイヤを用いることができるが、導電性を有する材料のワイヤであればよく、特に限定する必要はない。

本発明の他の特徴として、セル間絶縁隔壁３２６およびモジュール外周隔壁３２７を構成する光硬化性樹脂としては、絶縁性、電解液３１８に対する耐食性、塑性変形能、機械的強度等の必要な性質を備えるものが適している。このような光硬化性樹脂としては、紫外線硬化性エポキシ樹脂、紫外線硬化性アクリル樹脂が代表的であるが、これらに限定する必要はない。

〔実施形態２〕
図５に、本発明により露光・現像した状態（図４（４）の状態）の光硬化性樹脂の平面パターンの一例を示す。ただし、図示した実施形態は５個のセル領域３１０から成る。

導電性ワイヤ３２８がセル３１０間の電極接続部を構成しており、光硬化した樹脂により、セル間絶縁隔壁３２６とモジュール外周隔壁３２７、３２９が形成されている。３２７はモジュールのセル連接方向両端部、３２９はモジュール横断方向端部のそれぞれ外周隔壁である。

図中、空隙Ａは露光時にマスク３３６（図４（３））で遮光された未露光領域に対応しており、未硬化の光硬化性樹脂が現像処理により除去されて空隙になっている。

図示した例では、空隙Ａはセル領域３１０と４隅の開口Ｑから成る。開口Ｑは、現像により未硬化樹脂を排出する排出口、その後に必要に応じて行なう洗浄のための流路、最後に電解液３１８を導入するための注入口として機能する。空隙Ａに電解液を充填した後、開口Ｑは通常の封止材により封止する。

〔実施形態３〕
図６に、遮光マスク３３６として色素担持酸化物半導体層３１６を利用した実施形態を示す。図６（１）は、遮光マスク３３６の全体を色素担持酸化物半導体層３１６で形成した例であり、遮光領域Ａ（図５）と同じ形状に色素担持酸化物半導体層３１６を形成してある。図６（２）は、遮光マスク３３６による遮光領域Ａのうち、セル領域３１０に本来必要な矩形領域のみを色素担持酸化物半導体層３１６で形成し、開口Ｑの部分は基板固定用治具３４０を利用した例である。

このように、色素担持酸化物半導体層３１６をマスクの一部あるいは全部として利用することにより、別途マスクを形成する必要がないので、より簡便化が可能になる。

本発明によれば、煩雑な工程を必要とせずに、導電性ワイヤによる電極接続部の形成と、電極接続部とセルとを遮断する絶縁隔壁の形成とを同時に行なうことができるので、簡便かつ低コストで色素増感型太陽電池モジュールを作製でき、材料コストと共に製造コストが低廉であるという色素増感型太陽電池の最大の利点を十分に発揮できる。

単体セルを接続して埋め込んで一体化した構造の従来の色素増感型太陽電池モジュールを示す断面図である。 複数個のセルから成る一体化構造を一括作製した従来の色素増感型太陽電池モジュールを示す断面図である。 本発明の望ましい一実施形態による色素増感型太陽電池モジュールを示す断面図である。 図３に示した本発明の色素増感型太陽電池モジュールを製造する工程を示す断面図である。 本発明により露光・現像を行なって電解液充填用の空隙を形成した状態の平面構成を示す断面図である。 図５の平面構成とするための遮光マスクとして色素担持酸化物半導体層を用いた場合の平面構成を示す断面図である。

符号の説明

１００ 従来の色素増感型太陽電池モジュール
１０ 色素増感型太陽電池セル
１２ 透明基板
１４ 透明導電膜（負極）
１６ 色素担持酸化物半導体層
１８ 電解液層
２０ 裏面導電膜（正極）
２２ 裏面基板
２４ 触媒層
２６ 封止材
２８ 電極接続線
３０ 透明支持基板
３２ 裏面支持基板
３４ 透明絶縁充填剤
３６ 正極
３８ 負極
２００ 従来の色素増感型太陽電池モジュール
２１０ 色素増感型太陽電池セル
２１５ セル間領域
２１２ 透明基板
２１４ 透明導電膜
２１４Ｅ 透明導電膜２１４の電極部
２１４Ｔ 透明導電膜２１４の延在部
２１６ 色素担持酸化物半導体層
２１８ 電解液層
２２０ 裏面導電膜
２２０Ｅ 裏面導電膜２２０の電極部
２２０Ｔ 裏面導電膜２２０の延在部
２２２ 裏面基板
２２４ 触媒層
２２６ セル間絶縁隔壁
２２８ 電極接続部
３００ 本発明の色素増感型太陽電池モジュール
３１０ 色素増感型太陽電池セル
３１５ セル間領域
３１２ 透明基板
３１４ 透明導電膜
３１４Ｅ 透明導電膜３１４の電極部
３１４Ｔ 透明導電膜３１４の延在部
３１６ 色素担持酸化物半導体層
３１８ 電解液層
３２０ 裏面導電膜
３２０Ｅ 裏面導電膜３２０の電極部
３２０Ｔ 裏面導電膜３２０の延在部
３２２ 裏面基板
３２６ セル間絶縁隔壁
３２７ モジュール外周隔壁（セル配列方向両端部）
３２８ 電極接続部（導電性ワイヤ）
３２９ モジュール外周隔壁（モジュール横断方向両端部）
３３０ 受光側ボード
３３２ 裏面側ボード
３３４ 光硬化性樹脂
３３６ 遮光マスク
３４０ 基板固定用治具

Claims (5)

1. 受光側から順に、透明基板、透明導電膜、色素担持酸化物半導体層、電解液層、裏面導電膜、裏面基板が積層して成る複数個の色素増感型太陽電池セルがセル間領域を挟んで平面的に配列されて直列接続され、上記透明基板および上記裏面基板はそれぞれ、上記複数個の色素増感型太陽電池セルの全てについて共通の連続した単一の基板であり、上記透明導電膜および上記裏面導電膜はそれぞれ、上記セル内にある電極部と該電極部の一端から上記セル間領域内に至る延在部とから成り、隣り合うセルの上記透明導電膜の延在部と上記裏面導電膜の延在部とが上記セル間領域内で電極接続部を介して接続されてセル同士が上記直列接続されている色素増感型太陽電池モジュールにおいて、
   上記セル間領域内において、上記透明導電膜の延在部と上記裏面電極の延在部とに側面で密着して挟持された導電性ワイヤが上記電極接続部を構成しており、該導電性ワイヤとその両隣のセルとは、光硬化した樹脂から成る絶縁隔壁により遮断されていることを特徴とする色素増感型太陽電池モジュール。
2. 請求項１記載の色素増感型太陽電池モジュールの製造方法であって、
   上記透明基板の表面に、上記透明導電層および上記色素担持酸化物半導体層を順次に形成して受光側ボードとする工程、
   上記裏面基板の表面に、上記裏面導電膜を形成して裏面側ボードとする工程、
   上記受光側ボード上の透明導電膜の延在部と上記裏面側ボード上の裏面導電膜の延在部とを対面させ、これら両延在部で上記導電性ワイヤを側面から挟んで保持する工程、
   上記挟まれた導電性ワイヤの直径で規定される上記両ボード間の間隙に未硬化の液状の光硬化性樹脂を充填する工程、
   上記セル間領域およびモジュール外周隔壁形成箇所の上記光硬化性樹脂を、上記受光側ボード側からの露光により硬化させる工程、
   現像処理を行って非露光部の未硬化の上記光硬化性樹脂を除去し、上記硬化して残された光硬化性樹脂により、上記導電性ワイヤを固定して上記両延在部に密着した電極接続部として確定し、同時に、上記導電性ワイヤとその両隣のセルとを遮断する絶縁隔壁および上記モジュール外周隔壁を形成する工程、
   上記未硬化樹脂の除去により現れた上記両ボード間の間隙に電解液を充填する工程、および
   上記充填された電解液が外部に露出している箇所を封止する工程
   を行なうことを特徴とする色素増感型太陽電池モジュールの製造方法。
3. 請求項２において、上記受光側ボード側からの露光を行なう際に、上記非露光部をマスクで遮光することを特徴とする方法。
4. 請求項３において、上記マスクとして上記色素担持酸化物半導体層を用いることを特徴とする方法。
5. 請求項４において、上記マスクとして基板固定用治具を併用することを特徴とする方法。

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