JP2007227260A - Photoelectric converter and photovoltaic generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換効率に優れた太陽電池や受光素子等の色素増感型の光電変換装置及び光発電装置に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized photoelectric conversion device and a photovoltaic device such as a solar cell and a light receiving element that are excellent in photoelectric conversion efficiency.
従来、光電変換装置の一種である色素増感型太陽電池は、その製造に際して蒸着装置やスパッタリング装置等の真空装置を必要としないことから、低コストで低環境負荷型の太陽電池であると考えられ、活発に研究開発が行われている。 Conventionally, a dye-sensitized solar cell, which is a kind of photoelectric conversion device, does not require a vacuum device such as a vapor deposition device or a sputtering device for its production, and thus is considered to be a low-cost and low environmental load solar cell. R & D is actively underway.
この色素増感型太陽電池は、通常、導電性ガラス基板上に平均粒径20nm程度の酸化チタンの微粒子を450℃程度で焼結して得られる厚み10μm程度の多孔質酸化チタン層を設け、この多孔質酸化チタン層の酸化チタン粒子の表面に色素を単分子吸着させた光作用極層を形成した光作用極基板と、導電性ガラス基板上に白金やカーボンの対向電極を形成した対極基板とを、多孔質酸化チタン層と対向電極とを互いに対向させ、スペーサ兼封止材として枠状の熱可塑性樹脂シートを用い、ホットプレスにより両基板を貼り合わせ、両基板間にヨウ素/ヨウ化物レドックス対を含む電解質溶液を注入して得られる。このようにして得られた色素増感型太陽電池において、多孔質酸化物半導体層としての多孔質酸化チタン層に吸着した色素が照射された光エネルギーを吸収し、生成した電子は多孔質酸化物半導体層へ移動し、さらに導電性ガラス基板の透明導電層へ移動し、外部の負荷回路を経由して、対極電極よりイオンとして電解質を移動し、色素に戻ることにより、電気エネルギーとして取り出される仕組みである(下記の非特許文献1参照)。 This dye-sensitized solar cell is usually provided with a porous titanium oxide layer having a thickness of about 10 μm obtained by sintering fine particles of titanium oxide having an average particle size of about 20 nm on a conductive glass substrate at about 450 ° C. A photoactive electrode substrate in which a single molecule of a dye is adsorbed on the surface of titanium oxide particles of the porous titanium oxide layer and a counter electrode substrate in which a counter electrode made of platinum or carbon is formed on a conductive glass substrate. The porous titanium oxide layer and the counter electrode are opposed to each other, a frame-shaped thermoplastic resin sheet is used as a spacer and sealing material, and both substrates are bonded together by hot pressing, and iodine / iodide is sandwiched between the substrates. It is obtained by injecting an electrolyte solution containing a redox couple. In the dye-sensitized solar cell thus obtained, the dye adsorbed on the porous titanium oxide layer as the porous oxide semiconductor layer absorbs the irradiated light energy, and the generated electrons are porous oxide. Moves to the semiconductor layer, then moves to the transparent conductive layer of the conductive glass substrate, moves through the external load circuit, moves the electrolyte as ions from the counter electrode, and then returns to the dye to be extracted as electrical energy (See Non-Patent Document 1 below).
しかし、この色素増感型太陽電池は、光作用極基板とともに対極基板を上記の構造のままで面積を大きくすると、導電性ガラス基板上の透明導電層のシート抵抗が10Ω/□(スクエア)程度と大きいため、光電変換効率が著しく低下してしまう問題があった。そこで、対極基板としては、通常光出射側に配置されるので、導電性ガラス基板の代わりにチタンやステンレスなどからなる耐食性の金属薄板などを用いることが可能であり、これにより対極基板の電気抵抗を小さくして光電変換効率(以下、変換効率ともいう)の著しい低下をある程度は抑制することが可能である。 However, in the dye-sensitized solar cell, when the area of the counter electrode substrate is increased as well as the photo-active electrode substrate, the sheet resistance of the transparent conductive layer on the conductive glass substrate is about 10Ω / □ (square). Therefore, there is a problem that the photoelectric conversion efficiency is remarkably lowered. Therefore, since the counter electrode substrate is usually disposed on the light emitting side, it is possible to use a corrosion-resistant metal thin plate made of titanium, stainless steel, or the like instead of the conductive glass substrate. It is possible to reduce the photoelectric conversion efficiency (hereinafter also referred to as “conversion efficiency”) to some extent.
しかし、光作用極基板としては、通常光入射側に配置されるので、透明導電層を有するガラス等からなる透明基板を用いることが不可欠であった。これでは、透明導電層のシート抵抗が10Ω/□程度と大きいため、変換効率が大きく低下してしまう問題があった。 However, since the light working electrode substrate is usually disposed on the light incident side, it is essential to use a transparent substrate made of glass or the like having a transparent conductive layer. In this case, since the sheet resistance of the transparent conductive layer is as large as about 10Ω / □, there is a problem that the conversion efficiency is greatly reduced.
そこで、透明導電層の表面に金属薄膜や金属細線から成る櫛型のグリッド電極を設けて、透明導電層に集電機能を持たせた配線を行い、光作用極基板が大きくなっても変換効率の低下ができるだけ生じない工夫がなされてきた。しかしながら、色素増感型太陽電池では、沃素化合物や臭素化合物から成る腐食性の電解質を液体状態やゲル体状態等で使用することから、グリッド電極の腐食防止のために、グリッド電極の周囲を保護体で確実に保護する構造が不可欠であった(下記の非特許文献2参照)。
Therefore, a comb-shaped grid electrode made of a metal thin film or fine metal wire is provided on the surface of the transparent conductive layer, and wiring with a current collecting function is performed on the transparent conductive layer, so that the conversion efficiency can be improved even if the photoelectrode substrate becomes large. Ingenuity has been devised so as not to cause a decrease in the number of times. However, in the dye-sensitized solar cell, the corrosive electrolyte composed of iodine compound or bromine compound is used in the liquid state or gel state, so that the grid electrode is protected to prevent the grid electrode from being corroded. A structure that reliably protects the body was indispensable (see Non-Patent
このような従来の光電変換装置の例を、図9及び図10に基づき以下に説明する。なお、各図において、同一部材には同一符号を付している。 An example of such a conventional photoelectric conversion device will be described below with reference to FIGS. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same member.
従来の光電変換装置1Gの断面図を図9に示す。図9の従来の光電変換装置1Gは、透光性基板2上に透明導電層3、グリッド電極15、保護体16及び色素(図示せず)を担持した多孔質酸化物半導体層4を形成し、導電性基板7上に対極層8を形成し、多孔質酸化物半導体層4と対極層8とを対向させるとともにそれらの間に電解質層6を配置して成る。そして、透明導電層3上にグリッド電極15を形成し、このグリッド電極15を保護体16で被覆して、電解質6がグリッド電極15に触れてグリッド電極15が腐食することがないようにした構造である。
A cross-sectional view of a conventional
この従来の光電変換装置1Gの図9のA−A´線断面図を図10に示す。図10において、色素を担持した多孔質酸化物半導体層4の領域に対し、グリッド電極15及び保護体16の領域が透光性基板2の面積に対してかなりの割合を占めており、特にグリッド電極15の腐食を防止するための保護体16の幅が広くその面積が、透光性基板2の光作用極の面積の30%程度の割合を占めている。このように、光入射側の光作用極においては、多孔質酸化物半導体層4から成る光電変換領域だけでなく、グリッド電極15と保護体16から成る非光電変換領域を有する構造であった。
FIG. 10 is a cross-sectional view of this conventional
また、図9において、光電変換装置1G内で発生した電力を外部に引き出すために、光電変換装置1G内部に設けられた金属配線17(図では透明導電層3で代用)を設けるための部分が必要となる。このため、さらに非発電領域が増えてしまう。なお、図9において封止体9は電解質6を封止するためのものである。
Further, in FIG. 9, there is a portion for providing a metal wiring 17 (in the figure, substituted by the transparent conductive layer 3) provided inside the photoelectric conversion device 1 </ b> G in order to draw out the electric power generated in the photoelectric conversion device 1 </ b> G to the outside. Necessary. This further increases the non-power generation area. In FIG. 9, the
また、特許文献1には、作用極と、対極と、これらの間に形成された電解質層とを備え、作用極が透明基板とこの透明基板上に形成された透明導電膜とを備え、対極が基板とこの基板上に形成された導電膜とを備えた光電変換素子であって、作用極をなす透明基板または対極をなす基板に、透明導電膜または導電膜に導通し、かつ、透明基板または基板を貫くように電流が流れる導電体を設けた光電変換素子が開示されている。これにより、この光電変換素子は、導電体が、作用極を構成する透明導電膜から透明基板の外側の面に渡って設けられているか、あるいは、対極を構成する導電膜から基板の外側の面に渡って設けられているので、二極間距離を狭くすることができ、よりエネルギー変換効率の高いものとなる。 Further, Patent Document 1 includes a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer formed between them. The working electrode includes a transparent substrate and a transparent conductive film formed on the transparent substrate. Is a photoelectric conversion element comprising a substrate and a conductive film formed on the substrate, wherein the photoelectric conversion element is electrically connected to the transparent conductive film or the conductive film to the transparent substrate forming the working electrode or the counter electrode, and the transparent substrate. Alternatively, a photoelectric conversion element provided with a conductor through which a current flows so as to penetrate the substrate is disclosed. Thus, in this photoelectric conversion element, the conductor is provided from the transparent conductive film constituting the working electrode to the outer surface of the transparent substrate, or the conductive film constituting the counter electrode is provided on the outer surface of the substrate. Therefore, the distance between the two poles can be narrowed, and the energy conversion efficiency is higher.
特許文献2には、一定間隔毎に貫通孔を設けた金属基板を第1の電極とし、金属基板の一方の主面上に非晶質または多結晶質の半導体薄膜、及び第2の電極である透明導電膜が順次畳重された構造の薄膜太陽電池において、金属基板の他方の主面上に少なくとも絶縁膜及び金属膜が順次畳重してなり、且つ金属膜が少なくとも貫通孔において透明導電膜と電気的に接続した構造の薄膜太陽電池が開示されている。これにより、透明電極側に発生した電荷を金属基板に設けられた貫通孔を通して金属基板裏面の金属膜に集電する構造とすることにより、第2の電極である透明導電膜による電力損失を低減させることができる。また、金属基板に、予め一定間隔毎に多数の貫通孔を設けておけば、半導体薄膜、透明導電膜、金属基板裏面の絶縁膜及び金属膜のそれぞれの膜を、位置合わせ不要で単に成膜するだけで製造することができるため、低コスト、高歩留り、低損失、且つ大面積化が容易な薄膜太陽電池を提供することが可能である。
従来の色素増感型太陽電池のように、作用極が透明導電層を有するガラス等の透明基板からなる場合には、透明導電層のシート抵抗が10Ω/□程度と大きいため、作用極の面積が1cm2程度以上に大きくなると、変換効率が大きく低下してしまう問題があった。 When the working electrode is made of a transparent substrate such as glass having a transparent conductive layer as in a conventional dye-sensitized solar cell, the sheet resistance of the transparent conductive layer is as large as about 10Ω / □, so the area of the working electrode When the value becomes larger than about 1 cm 2, there is a problem that the conversion efficiency is greatly lowered.
また、作用極である透明基板の表面あるいは透明導電層の表面に、金属薄膜や金属細線から成る櫛型のグリッド電極を設けて、透明導電層に集電機能を持たせた配線を行い、透明基板が大きくなっても変換効率の低下ができるだけ生じないような工夫がなされてきた。しかしながら、この場合、特許文献1に記載されているように、多孔質酸化物半導体層を形成する過程で金属製のグリッド電極が高温に曝されるので、加熱で変性しない材料を使わなければならず、また腐食性の電解質が透明導電層を透過してグリッド電極を腐食するおそれがあった。また、作用極と対極との距離が拡がって、変換効率が著しく低下する問題があった。 In addition, a comb-shaped grid electrode made of a metal thin film or thin metal wire is provided on the surface of the transparent substrate or the transparent conductive layer, which is the working electrode, and the transparent conductive layer is wired to have a current collecting function. A device has been devised so that the conversion efficiency does not decrease as much as possible even if the substrate becomes large. However, in this case, as described in Patent Document 1, since the metal grid electrode is exposed to a high temperature in the process of forming the porous oxide semiconductor layer, a material that is not denatured by heating must be used. In addition, the corrosive electrolyte may penetrate the transparent conductive layer and corrode the grid electrode. In addition, the distance between the working electrode and the counter electrode is increased, resulting in a problem that the conversion efficiency is remarkably lowered.
さらに、色素増感太陽電池においては、沃素化合物や臭素化合物から成る腐食性の電解質を液体状態やゲル体状態等で使用することから、グリッド電極の腐食防止のために、グリッド電極の周囲を保護体で確実に保護しなければならなかった。この保護体の形成により、作用極と対極との距離がさらに拡がって、変換効率がさらに低下する問題があった。そして、このような構成の作用極においては、多孔質酸化物半導体層から成る光電変換領域だけでなく、グリッド電極と保護体から成る非光電変換領域を有する構造であったことにより、平面視において作用極の全面積に対してグリッド電極及び保護体の形成領域の面積(非光電変換領域の面積)がかなりの割合を占めてしまい、色素を担持した多孔質酸化物半導体層の面積(光電変換領域の面積)が著しく小さくなるという問題があった。 Furthermore, in dye-sensitized solar cells, corrosive electrolytes composed of iodine compounds and bromine compounds are used in a liquid state or a gel state, so that the grid electrodes are protected from corrosion in order to prevent corrosion of the grid electrodes. I had to protect it with my body. Due to the formation of the protective body, the distance between the working electrode and the counter electrode is further increased, and there is a problem that the conversion efficiency is further reduced. In the working electrode having such a configuration, not only the photoelectric conversion region composed of the porous oxide semiconductor layer but also the non-photoelectric conversion region composed of the grid electrode and the protector, The area of the grid electrode and the protection body formation area (area of the non-photoelectric conversion area) occupies a significant proportion of the total area of the working electrode, and the area of the porous oxide semiconductor layer carrying the dye (photoelectric conversion) There was a problem that the area of the region) was significantly reduced.
また、グリッド電極は面積の大きい線状電極であり、周囲の光電変換領域である多孔質酸化物半導体層を一次元的に狭く(微分して)カバーし、この狭い面積からの光電流を透明導電層を経由して集電しているため、余裕のある設計として電極部材の材料の使用量が多くなるという問題があった。 The grid electrode is a linear electrode with a large area, and it covers the porous oxide semiconductor layer, which is the surrounding photoelectric conversion region, in a one-dimensionally narrow (differentiated) manner, and the photocurrent from this narrow area is transparent. Since current is collected via the conductive layer, there is a problem that the amount of material used for the electrode member is increased as a design with a margin.
また、光電変換装置内で発生した電力を外部に引き出すための部分が必要であるため、さらに非発電領域が増えてしまい、多孔質酸化物半導体層の面積(光電変換領域の面積)がさらに小さくなるという問題があった。 In addition, since a portion for drawing out the electric power generated in the photoelectric conversion device is necessary, the non-power generation region is further increased, and the area of the porous oxide semiconductor layer (area of the photoelectric conversion region) is further reduced. There was a problem of becoming.
また、特許文献1の光電変換装置は以下のような問題点があった。即ち、作用極をなす透明基板または対極をなす基板を貫くように貫通孔を形成しなければならないが、通常、透明基板にはガラスを用いているので貫通孔を形成することは困難であるにもかかわらず、1cm間隔程度で貫通孔を形成することが必要であり、太陽電池のように数十cmから数mのサイズを有する素子では多数の貫通孔が必要であり、ガラス製の透明基板に多数の貫通孔を信頼性よく形成することは生産性の問題とガラスの強度低下の問題があった。また、作用極をなす透明基板の光入射側の表面に集電極(グリッド電極)の配線を設けると集電極が光を遮蔽するが、平面視における作用極の全面積に対する集電極が占める面積(非光電変換領域の面積)がかなりの割合を占めてしまい、多孔質酸化物半導体層の有効面積(有効な光電変換領域の面積)を小さくしてしまうという問題があった。 Further, the photoelectric conversion device of Patent Document 1 has the following problems. That is, the through hole must be formed so as to penetrate the transparent substrate forming the working electrode or the substrate forming the counter electrode, but it is usually difficult to form the through hole because glass is used for the transparent substrate. Nevertheless, it is necessary to form through holes at intervals of about 1 cm, and a device having a size of several tens of centimeters to several meters, such as a solar cell, requires a large number of through holes, and is made of a transparent glass substrate. In addition, forming a large number of through holes with high reliability has a problem of productivity and a decrease in strength of glass. In addition, when the collector electrode (grid electrode) wiring is provided on the light incident side surface of the transparent substrate forming the working electrode, the collector electrode shields light, but the area occupied by the collector electrode with respect to the total area of the working electrode in plan view ( There is a problem that the area of the non-photoelectric conversion region occupies a considerable proportion and the effective area of the porous oxide semiconductor layer (the area of the effective photoelectric conversion region) is reduced.
また、特許文献2の光電変換装置は、アモルファスシリコンやCIS(CuInS)等の化合物半導体から成る薄膜太陽電池に関するものであり、貫通孔を通じて電気的に接続される透明導電膜は透光性基板と接しておらず、しかも色素増感型太陽電池に関する記述が無く、電解質に関する配慮も必要ない。また、貫通孔は一定間隔毎に形成されている一例が開示されているに過ぎない。
The photoelectric conversion device of
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は以下のものである。 Accordingly, the present invention has been completed in view of the problems in the above-described conventional technology, and the object thereof is as follows.
(1)光電変換装置の光入射側の作用極において、色素を担持した多孔質酸化物半導体層の有効な光電変換領域の面積を大幅に増やし、グリッド電極及びその保護体から成る非光電変換領域の面積を大幅に減らすこと。 (1) In the working electrode on the light incident side of the photoelectric conversion device, the area of the effective photoelectric conversion region of the porous oxide semiconductor layer carrying the dye is greatly increased, and the non-photoelectric conversion region comprising the grid electrode and its protector To significantly reduce the area.
(2)多孔質酸化物半導体層から成る有効な光電変換領域の面積を大幅に増やしグリッド電極及び保護体から成る非光電変換領域の面積を大幅に低減しても、透明導電層から集電極への通電抵抗が大きくならないようにすること。 (2) Even if the area of the effective photoelectric conversion region composed of the porous oxide semiconductor layer is greatly increased and the area of the non-photoelectric conversion region composed of the grid electrode and the protector is greatly reduced, the transparent conductive layer is changed to the collector electrode. Make sure that the current carrying resistance does not increase.
(3)光電変換装置の面積を大きくしても変換効率が殆ど低下しないようにすること。 (3) The conversion efficiency is hardly lowered even if the area of the photoelectric conversion device is increased.
(4)多孔質酸化物半導体層を高温処理しても、集電極や透明導電層の電気抵抗が上がらないようにすること。 (4) The electrical resistance of the collector electrode and the transparent conductive layer should not increase even when the porous oxide semiconductor layer is treated at a high temperature.
(5)作用極と対極との2極間距離を小さくして変換効率を高くすること。 (5) To increase the conversion efficiency by reducing the distance between the working electrode and the counter electrode.
本発明の光電変換装置は、透光性基板の一主面に透明導電層及び色素を担持した多孔質酸化物半導体層が形成された光作用極側基板と、導電性基板の一主面に対極層が形成され、他主面に集電極が形成された対極側基板とを有し、前記多孔質酸化物半導体層と前記対極層とを対向させるとともにそれらの間に電解質層を備えた光電変換装置において、前記導電性基板、前記対極層、前記電解質層及び前記多孔質酸化物半導体層を貫通して前記透明導電層に達する、一定間隔で複数個形成された貫通孔と、前記貫通孔の中心軸部分に形成されて前記透明導電層と前記集電極とを接続した導電体とを具備していることを特徴とする。 The photoelectric conversion device of the present invention includes a light working electrode side substrate in which a transparent conductive layer and a porous oxide semiconductor layer carrying a dye are formed on one main surface of a light-transmitting substrate, and a main surface of the conductive substrate. A counter electrode layer having a counter electrode layer formed on the other main surface and having a collector electrode formed on the other main surface, wherein the porous oxide semiconductor layer and the counter electrode layer are opposed to each other and an electrolyte layer is provided therebetween. In the conversion device, a plurality of through-holes formed at regular intervals through the conductive substrate, the counter electrode layer, the electrolyte layer, and the porous oxide semiconductor layer to reach the transparent conductive layer, and the through-holes And a conductor connecting the transparent conductive layer and the collector electrode.
本発明の光電変換装置は好ましくは、前記貫通孔の内面及び前記導電体の外周面の少なくとも一方に絶縁性保護層が形成されていることを特徴とする。 The photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that an insulating protective layer is formed on at least one of the inner surface of the through hole and the outer peripheral surface of the conductor.
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、前記複数個の貫通孔は、平面視において縦方向及び横方向に一定間隔で形成されていることを特徴とする。 The photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that the plurality of through holes are formed at regular intervals in the vertical direction and the horizontal direction in plan view.
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、前記複数個の貫通孔は、平面視において最密配置された複数の正六角形の中心に位置するように形成されていることを特徴とする。 Moreover, the photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that the plurality of through holes are formed so as to be positioned at the centers of a plurality of regular hexagons arranged in a close-packed manner in a plan view.
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、前記作用極側基板の外周部から前記対極側基板の外周部にかけて封止部材が形成されていることを特徴とする。 The photoelectric conversion device of the present invention is preferably characterized in that a sealing member is formed from the outer peripheral portion of the working electrode side substrate to the outer peripheral portion of the counter electrode side substrate.
本発明の集積型の光電変換装置は、上記本発明の光電変換装置であって、前記透明導電層、前記多孔質酸化物半導体層、前記電解質層及び前記対極層が互いに分離された複数の独立した光電変換領域を成して形成されているとともに、それらの光電変換領域同士の間に前記電解質層が連続するのを防ぐ隔壁部が形成されており、前記複数の光電変換領域が直列接続、並列接続または直並列接続されていることを特徴とする。 The integrated photoelectric conversion device of the present invention is the photoelectric conversion device of the present invention described above, wherein the transparent conductive layer, the porous oxide semiconductor layer, the electrolyte layer, and the counter electrode layer are separated from each other. The partition wall portion is formed to prevent the electrolyte layer from continuing between the photoelectric conversion regions, and the plurality of photoelectric conversion regions are connected in series. It is characterized by being connected in parallel or in series and parallel.
本発明の光発電装置は、上記本発明の光電変換装置を発電手段として用い、前記発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とする。 The photovoltaic power generation device of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion device of the present invention is used as a power generation means, and the generated power of the power generation means is supplied to a load.
本発明の光電変換装置は、透光性基板の一主面に透明導電層及び色素を担持した多孔質酸化物半導体層が形成された光作用極側基板と、導電性基板の一主面に対極層が形成され、他主面に集電極が形成された対極側基板とを有し、多孔質酸化物半導体層と対極層とを対向させるとともにそれらの間に電解質層を備えた光電変換装置において、導電性基板、対極層、電解質層及び多孔質酸化物半導体層を貫通して透明導電層に達する、一定間隔で複数個形成された貫通孔と、貫通孔の中心軸部分に形成されて透明導電層と集電極とを接続した導電体とを具備していることにより、平面視において非光電変換領域の面積は複数個の貫通孔の面積であり非常に小さく、光電変換領域の面積は複数個の貫通孔の面積を除く作用極の全面積であり非常に大きくなるため、光電変換装置のサイズが大きくなっても高い変換効率が得られる。即ち、本発明の貫通孔の導電体による通電は、面積が小さいポイント電極でもって周囲の光電変換領域である多孔質酸化物半導体層を二次元的に広くカバーして、広い面積からの光電流を透明導電層を経由しての通電であり、効果的な通電である。 The photoelectric conversion device of the present invention includes a light working electrode side substrate in which a transparent conductive layer and a porous oxide semiconductor layer carrying a dye are formed on one main surface of a light-transmitting substrate, and a main surface of the conductive substrate. A photoelectric conversion device having a counter electrode layer substrate on which a counter electrode layer is formed and a collector electrode formed on another main surface, the porous oxide semiconductor layer and the counter electrode layer facing each other, and an electrolyte layer provided therebetween In the structure, a plurality of through-holes formed at regular intervals through the conductive substrate, the counter electrode layer, the electrolyte layer, and the porous oxide semiconductor layer and the central axis portion of the through-hole are formed. By including the conductor connecting the transparent conductive layer and the collector electrode, the area of the non-photoelectric conversion region in plan view is very small as the area of the plurality of through holes, and the area of the photoelectric conversion region is The total area of the working electrode excluding the area of multiple through holes To become listening, high conversion efficiency even when the size of the photoelectric conversion device becomes large is obtained. That is, the energization by the conductor of the through-hole of the present invention covers the porous oxide semiconductor layer, which is the surrounding photoelectric conversion region, with a point electrode having a small area in a two-dimensional manner so that a photocurrent from a large area can be obtained. Is an energization through the transparent conductive layer, and is an effective energization.
また、一定間隔で複数個の導電体を透明導電層と集電極とを接続するように形成しているので、透明導電層から集電極への通電抵抗が大きくならず、光電変換装置のサイズが大きくなっても高い変換効率が得られる。 In addition, since a plurality of conductors are formed so as to connect the transparent conductive layer and the collector electrode at regular intervals, the current-carrying resistance from the transparent conductive layer to the collector electrode is not increased, and the size of the photoelectric conversion device is reduced. High conversion efficiency can be obtained even when the size is increased.
また、多孔質酸化物半導体層を高温焼結した後に貫通孔の導電体等を形成することができるので、多孔質酸化物半導体層の形成のための熱処理によって集電極や透明導電層の電気抵抗が上がって変換効率を低下させることもない。 In addition, since the conductor of the through hole can be formed after the porous oxide semiconductor layer is sintered at high temperature, the electrical resistance of the collector electrode and the transparent conductive layer can be formed by heat treatment for forming the porous oxide semiconductor layer. Does not decrease the conversion efficiency.
また、多孔質酸化物半導体層等から成る光作用極側基板と対極側基板との間には障害となるものがないため、2極間の距離を小さく形成できるので変換効率が高まる。 In addition, since there is no obstacle between the light working electrode side substrate made of a porous oxide semiconductor layer or the like and the counter electrode side substrate, the distance between the two electrodes can be formed small, so that the conversion efficiency is increased.
本発明の光電変換装置は好ましくは、貫通孔の内面及び導電体の外周面の少なくとも一方に絶縁性保護層が形成されていることにより、電解質の侵入を絶縁性保護層で防止して導電体の腐食を防止し、しかも作用極と対極の短絡を絶縁性保護層によって防止し、変換効率を高く維持し信頼性を高めることができる。 In the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the insulating protective layer is formed on at least one of the inner surface of the through hole and the outer peripheral surface of the conductor, so that the intrusion of the electrolyte is prevented by the insulating protective layer. In addition, it is possible to prevent the corrosion of the working electrode and the short circuit between the working electrode and the counter electrode by the insulating protective layer, maintain high conversion efficiency, and improve the reliability.
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、複数個の貫通孔は、平面視において縦方向及び横方向に一定間隔で形成されていることにより、非光電変換領域となる貫通孔の総数を減らすことができるので、光電変換領域の面積を増やすことができ、変換効率を高めることができる。即ち、二次元的に均一な連続した透明導電層から二次元的に均一な光電流を複数個の導電体で取り出す場合、平面視において縦方向及び横方向に一定間隔で電流を取り出した方が、各導電体の通電電流が均一となって、導電体の設計、配置が容易となり、数の点でもむだがなくなるからである。例えば、導電体が不均一に配置されると、隣接するものと間隔の開いた導電体に電流が集中し、導電体が加熱して焼損したり劣化したりする、あるいは逆に、隣接するものと間隔の狭い導電体には小さい電流しか流れないため、導電体の数が過剰となって電極部材に無駄が生じてしまう。 In the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the plurality of through holes are formed at regular intervals in the vertical direction and the horizontal direction in a plan view, thereby reducing the total number of through holes to be non-photoelectric conversion regions. Therefore, the area of the photoelectric conversion region can be increased, and the conversion efficiency can be increased. That is, when two-dimensionally uniform photocurrent is taken out from a continuous transparent conductive layer that is two-dimensionally uniform with a plurality of conductors, it is better to take out current at regular intervals in the vertical and horizontal directions in plan view. This is because the conduction current of each conductor becomes uniform, the design and arrangement of the conductor becomes easy, and the number of points is unavoidable. For example, if conductors are unevenly arranged, current concentrates on conductors that are spaced apart from adjacent ones, causing the conductors to heat up and burn or deteriorate, or vice versa. Since only a small current flows through a conductor with a small interval, the number of conductors becomes excessive and the electrode member is wasted.
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、複数個の貫通孔は、平面視において最密配置された複数の正六角形の中心に位置するように形成されていることにより、非光電変換領域となる貫通孔の総数を最小にすることができるので、光電変換領域の面積を増やすことができ、変換効率を高めることができる。 In the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, the plurality of through holes are formed so as to be positioned at the centers of a plurality of regular hexagons arranged in a close-packed manner in a plan view. Since the total number of through-holes can be minimized, the area of the photoelectric conversion region can be increased and the conversion efficiency can be increased.
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、光作用極側基板の外周部から対極側基板の外周部にかけて封止部材が形成されていることにより、電解質の漏れを防いで変換効率を高く維持し、信頼性を高めることができる。 In the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, a sealing member is formed from the outer peripheral portion of the light working electrode side substrate to the outer peripheral portion of the counter electrode side substrate, thereby preventing electrolyte leakage and maintaining high conversion efficiency. And reliability can be improved.
本発明の集積型の光電変換装置は、上記本発明の光電変換装置であって、透明導電層、多孔質酸化物半導体層、電解質層及び対極層が互いに分離された複数の独立した光電変換領域を成して形成されているとともに、それらの光電変換領域同士の間に電解質層が連続するのを防ぐ隔壁部が形成されており、複数の光電変換領域が直列接続、並列接続または直並列接続されていることにより、各光電変換領域において上記本発明の特有の作用効果を奏する集積型の光電変換装置となる。 The integrated photoelectric conversion device of the present invention is the photoelectric conversion device of the present invention described above, wherein a plurality of independent photoelectric conversion regions in which the transparent conductive layer, the porous oxide semiconductor layer, the electrolyte layer, and the counter electrode layer are separated from each other are provided. And partition walls are formed to prevent electrolyte layers from continuing between the photoelectric conversion regions, and a plurality of photoelectric conversion regions are connected in series, parallel connection, or series-parallel connection. Thus, an integrated photoelectric conversion device that exhibits the above-described specific effects of the present invention in each photoelectric conversion region is obtained.
本発明の光発電装置は、上記本発明の光電変換装置を発電手段として用い、発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことにより、上記本発明の光電変換装置の作用効果を利用した、サイズが大きくなっても変換効率が高く高信頼性の光発電装置となる。 The photovoltaic device of the present invention uses the photoelectric conversion device of the present invention as a power generation means and supplies the generated power of the power generation means to a load, thereby utilizing the operational effects of the photoelectric conversion device of the present invention. Even if the size is increased, the photovoltaic device has high conversion efficiency and high reliability.
本発明の光電変換装置及び光発電装置についての実施の形態を、図1から図8に基づき以下に詳細に説明する。なお、各図において、同一部材には同一符号を付している。 Embodiments of the photoelectric conversion device and the photovoltaic device according to the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same member.
本発明の光電変換装置の断面図を図1及び図2に示す。図1及び図2のA−A´線断面図を図3に示す。また、図3のB−B´線断面図が図1であり、C−C´線断面図が図2である。 1 and 2 are cross-sectional views of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIGS. 3 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 3, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line CC ′.
図1及び図2の光電変換装置1は、透光性基板2の一主面に透明導電層3及び色素を担持した多孔質酸化物半導体層4が形成された光作用極側基板と、導電性基板7の一主面に対極層8が形成され、他主面に集電極13が形成された対極側基板とを有し、多孔質酸化物半導体層4と対極層8とを対向させるとともにそれらの間に電解質層6を備え、導電性基板7、対極層8、電解質層6及び多孔質酸化物半導体層4を貫通して透明導電層3に達する、一定間隔で複数個形成された貫通孔10と、貫通孔10の中心軸部分に形成されて透明導電層3と集電極13とを接続した導電体12とを具備している構成である。また、貫通孔10と導電体12の間に絶縁性保護層11を有する。
The photoelectric conversion device 1 of FIGS. 1 and 2 includes a light working electrode side substrate in which a transparent
また、本発明の光電変換装置について実施の形態の他例の断面図を図4に示す。図1及び図2の光電変換装置1と図4の光電変換装置1Aとの相違は、集電極13が、貫通孔の上端部に形成されているか、貫通孔に隣接した導電性基板7上の部位に絶縁膜14を介して形成されているかの違いにある。図4の構成の場合、導電体12の形成前に集電極13の全てを予め形成しておくことができるので、集電極13の形成法に自由度があり且つ集電極13の導電性が高められるという利点がある。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of another example of the embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. The difference between the photoelectric conversion device 1 in FIGS. 1 and 2 and the
また、本発明の光電変換装置において好ましくは、図3に示すように、複数個の貫通孔10は、平面視において縦方向及び横方向に一定間隔で形成されている。この場合、二次元的に均一な連続した多孔質酸化物半導体層4からの光電流を二次元的に均一な透明導電層3を経由して複数個の導電体12で等しい電流値で取り出すことができ、導電体12の通電負担を均等にできて、導電体12の配置の点で無駄の無い均一な設計ができる。その結果、導電体12の配置が不均一な場合に起こる抵抗ロス等による熱損失がなく、設計に無駄が無くなるため、非光電変換領域となる貫通孔10の総数を減らすことができる。
In the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, as shown in FIG. 3, the plurality of through
また、本発明の光電変換装置において好ましくは、図5に示すように、複数個の貫通孔10は、平面視において最密配置された複数の正六角形の中心に位置するように形成されている。この場合、透明導電層3から導電体12への電気抵抗は、透明導電層3の面積当りの導電体12の個数が同じであれば、図3のような導電体12の配置よりも図5のような導電体12の配置のほうが小さくなり、図5の構成の方が変換効率をより高めることができる。
Further, in the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, as shown in FIG. 5, the plurality of through
また図6は、図1の光電変換装置1を上方から見た平面図であり、集電極13が複数の導電体12を接続して成る好適な構成を示すものである。この場合、集電極13の幅を大きくできるので、電気抵抗を小さくできて変換効率を高められるという効果がある。
FIG. 6 is a plan view of the photoelectric conversion device 1 of FIG. 1 as viewed from above, and shows a preferred configuration in which the
そして、図1の光電変換装置1の製造方法は、以下のようになる。まず、透光性基板2上に透明導電層3及び多孔質酸化物半導体層4を積層するとともに、多孔質酸化物半導体層4にマスクブラシ切削法やマスクブラスト処理法やスクリーン印刷法等によって貫通孔10を形成し、次に、この光作用極側基板を色素溶液に浸漬して多孔質酸化物半導体層4に色素を吸着(担持)させる。
And the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus 1 of FIG. 1 is as follows. First, the transparent
次に、プレス法などで貫通孔10を形成した導電性基板7の一主面に対極層8を、他主面に絶縁膜を形成し、次に、透光性基板2と導電性基板7とを電解質層6の形成ための隙間を保持して両基板の外周部に封止部材9を形成し、貫通孔10の内壁を絶縁性保護層11で被覆する。このとき、絶縁性保護層11が粘度の高いシリコーン樹脂等からなる場合には、上記隙間(5〜50μm程度)があっても、絶縁性保護層11は隙間においても問題なくつながることができ、上側と下側の貫通孔10を連続させるとともにその内側の空間を封じるように滴下し形成することができる。次に、貫通孔10の絶縁性保護層11の内部に導電体12を形成する。
Next, a
次に、導電性基板7の他主面上の絶縁膜上と導電体12上端と導電体12上端周囲の絶縁性保護層11上とに、集電極13を形成し、次に前記隙間に導電性基板7もしくは封止部材9に形成した注入口(図示せず)より次に電解質液を注入口より隙間に注入して電解質層6を形成し、注入口を封止する構成である。
Next, the
また、図4の光電変換装置1Aの製造方法は以下のようになる。まず、透光性基板2上に透明導電層3及び多孔質酸化物半導体層4を積層し、次に、プレス法等で貫通孔10を形成した導電性基板7の一主面に対極層8を、他主面に絶縁膜を形成し、次に、透光性基板2と導電性基板7とを隙間を保持して両基板の外周部に封止部材9を形成して貼り合せる。
Moreover, the manufacturing method of 1 A of photoelectric conversion apparatuses of FIG. 4 is as follows. First, the transparent
次に、導電性基板7の貫通孔10を通して、マスクブラシ切削法やマスクブラスト処理法等により多孔質酸化物半導体層4に貫通孔10を形成したり、あるいは予めマスクブラシ切削法やマスクブラスト処理法やスクリーン印刷法等により多孔質酸化物半導体層4に貫通孔10を形成する。次に、蒸着法等により集電極13、及び貫通孔10内の透明導電層3表面に導電体12形成のための金,アルミニウム等からなる下地層を形成し、次に、貫通孔10内の透明導電層3表面から集電極13までに金属ワイヤーボンダ法などによって導電体12を形成する。
Next, through
次に、貼り合せた両基板を色素溶液に浸漬して貫通孔10を通して多孔質酸化物半導体層4に色素を吸着させ、次に、貫通孔10の内壁を絶縁性保護層11で被覆する。このとき、上記したように、絶縁性保護層11が粘度の高いシリコーン樹脂等からなる場合には、上記隙間(5〜50μm程度)があっても、絶縁性保護層11は隙間においても問題なくつながることができ、上側と下側の貫通孔10を連続させるとともにその内側の空間を封じるように滴下し形成することができる。次に、前記隙間に導電性基板7もしくは封止部材9に開けた注入口(図示せず)より電解質液を注入して電解質層6を形成し、注入口を封止する。
Next, both bonded substrates are immersed in the dye solution, and the dye is adsorbed to the porous
次に、上述した光電変換装置1を構成する各要素について詳細に説明する。 Next, each element which comprises the photoelectric conversion apparatus 1 mentioned above is demonstrated in detail.
<透光性基板>
透光性基板2としては、白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス等のガラス、セラミックス等の透光性の無機材料から成る基板、あるいはポリカーボネート(PC),アクリル,ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリエチレンナフタレート(PEN),ポリイミド等の樹脂材料から成る基板等がよい。この中では、白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス等のガラス製のものが、安価であり、多孔質酸化物半導体層4の焼成温度に耐えることができ、その結果変換効率が高くなるため、特によい。
<Translucent substrate>
As the
この透光性基板2の厚みは、機械的強度及び透光性の点で0.01〜8mm、好ましくは0.1〜4mmがよい。
The thickness of the
<透明導電層>
透明導電層3としては、弗素や金属をドープした金属酸化物からなるものが利用できる。例えば、不純物(F,Sb等)ドープの酸化スズ膜(SnO2膜)、不純物(Ga,Al等)ドープの酸化亜鉛膜(ZnO膜)、スズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)、不純物ドープの酸化インジウム膜(In2O3膜)、ニオブドープの酸化チタン膜等でもよい。
<Transparent conductive layer>
As the transparent
この中では、熱CVD法やスプレー熱分解法で形成したフッ素ドープの二酸化スズ膜(SnO2:F膜)が耐熱性を有し安価な材料コストを有しているため、最もよい。透明導電層3の形成方法としては、熱CVD法、スプレー熱分解法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ディップコート法、溶液成長法、ゾルゲル法等がある。
Among them, a fluorine-doped tin dioxide film (SnO 2 : F film) formed by a thermal CVD method or a spray pyrolysis method is best because it has heat resistance and an inexpensive material cost. As a method for forming the transparent
また、透明導電層3として、スズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)膜と不純物(F,Sb等)ドープの酸化スズ膜(SnO2膜)とを積層した膜は、シート抵抗が低く且つ化学的耐性が高く、好ましい。
Further, as the transparent
また、透明導電層3としては、真空蒸着法やスパッタリング法等で形成したAu,Pd,Al等の極薄い金属膜でもよい。また、これらの金属膜を種々の組合せで積層して用いてもよい。例えば、透明導電層3としてTi層,ITO層,Ti層を順次積層したものでもよく、密着性と耐食性を高めた積層膜となる。
In addition, the transparent
透明導電層3の厚みは0.001〜10μm、好ましくは0.05〜2μmがよい。0.001μm未満では、透明導電層3の抵抗が増大し、10μmを超えると、成膜コストが増大する。
The thickness of the transparent
<多孔質酸化物半導体層>
多孔質酸化物半導体層4としては、二酸化チタン等からなる多孔質のn型酸化物半導体層等がよい。この多孔質酸化物半導体層4は透光性基板2及び透明導電層3上に形成される。
<Porous oxide semiconductor layer>
The porous
多孔質酸化物半導体層4の材料や組成としては、酸化チタン(TiO2)が最適であり、他の材料としては、チタン(Ti),亜鉛(Zn),スズ(Sn),ニオブ(Nb),インジウム(In),イットリウム(Y),ランタン(La),ジルコニウム(Zr),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),ストロンチウム(Sr),バリウム(Ba),カルシウム(Ca),バナジウム(V),タングステン(W)等の金属元素の少なくとも1種以上の金属酸化物半導体がよく、また窒素(N),炭素(C),弗素(F),硫黄(S),塩素(Cl),リン(P)等の非金属元素の1種以上を含有してもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい2〜5eVの範囲にあり、好ましい。また、多孔質酸化物半導体層4は、電子エネルギー準位においてその伝導帯が色素の伝導帯よりも低いn型半導体がよい。
The material and composition of the porous
多孔質酸化物半導体層4は、焼結前の一次粒子の平均粒径は1〜40nmであるのがよく、より好適には5〜30nmがよい。ここで、平均粒径における下限値(1nm)は、これ未満になると材料の微細化ができず、上限値(40nm)は、これを超えると透明導電層3に対する接合面積が小さくなり、光電流が著しく小さくなることによる。
In the porous
多孔質酸化物半導体層4は、このように微細な一次粒子である酸化物半導体微粒子を分散相とし、水系あるいは非水系の溶液を分散媒としてペーストを調製し、このペーストを透明導電層3上に塗布し焼成等して形成する。ペーストの塗布法としては、バーコーター塗布法、スピンコーター法、スクリーン印刷法、スプレー法等の種々の方法が利用できる。
The porous
このように、一次粒子の焼成によって形成された多孔質酸化物半導体層4を構成する二次粒子の平均粒径は10〜500nmがよく、より好適には20〜200nmであるのがよい。これにより、太陽光等の波長の広い光をよく閉じ込めて光吸収し光電変換することができる。二次粒子の平均粒径が10nm未満の場合、短波長光に対する光閉じ込め効果が無くなり、500nmを超えると、長波長光に対する光閉じ込め効果が無くなる。
Thus, the average particle diameter of the secondary particles constituting the porous
また、上記の二次粒子の平均粒径の範囲内において、二次粒子の平均粒径が小さい場合には、光作用極層としての多孔質酸化物半導体層4の表面積を大きくすることができるので吸着色素量が増え、しかも短波長光をよく閉じ込めて短波長光の光吸収をよく行うので、変換効率を高め電子伝導を効率よく行うことができる。また、二次粒子の平均粒径が大きい場合、長波長光をよく閉じ込めて長波長光の光吸収をよく行うので、変換効率を高め電子伝導を効率よく行うことができる。また、二次粒子の平均粒径がこれらの中間サイズだと、中間波長光をよく閉じ込めて中間波長光の光吸収をよく行うので、変換効率を高め電子伝導を効率よく行うことができる。
In addition, when the average particle size of the secondary particles is small within the above range of the average particle size of the secondary particles, the surface area of the porous
よって、多孔質酸化物半導体層4を複数層の積層体とし、光入射側に二次粒子の平均粒径が小さい(10〜60nm程度)多孔質酸化物半導体層4を形成し、光出射側に二次粒子が大きい(30〜200nm程度)多孔質酸化物半導体層4を形成するとよく、より効果的に広い波長光を吸収し変換効率を著しく高めることができる。
Therefore, the porous
多孔質酸化物半導体層4の二次粒子を大きくするには、例えば一次粒子により大きな一次粒子を、重量比で1%〜50%の範囲で混合してペーストを作製し、このペーストを塗布し焼成するとよい。また、他の方法としては、一次粒子から成るペーストをシェーカー等でかき混ぜて気泡を含ませて塗布形成したり、スプレー塗布法のように塗布形成時に気泡を含ませて形成する方法がよい。さらに、他の方法としては、一次粒子に対する添加物として、PEG(ポリエチレングリコール)のフレークやアクリル樹脂(メタクリル酸エステル共重合物)の球状微粒子等を用いる方法がよく、焼成時に添加物が気化して気孔サイズが大きく成り、結果として二次粒子が大きくなる。
In order to enlarge the secondary particles of the porous
多孔質酸化物半導体層4の光閉じ込め効果の評価は、FTOガラス等の透明導電層3付き透光性基板2に酸化チタン等からなる多孔質酸化物半導体層4を形成し、300〜1100nm程度の波長の光を波長スキャンして光透過率を測定することにより行うことができる。また、多孔質酸化物半導体層4の表面や破断面等を走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)で観察し、サーフテスト装置(触針式表面粗さ測定装置)、原子間力顕微鏡(AFM;Atomic Force Microscope)、レーザ顕微鏡等で算術平均粗さRaを計測すると、そのRaの値が二次粒子の大きさにほぼ相当するため、二次粒子の大きさを特定することができる。
The evaluation of the light confinement effect of the porous
この多孔質酸化物半導体層4の厚みは1〜100μmがよく、より好適には5〜30μmがよい。1μm未満では、色素の吸着量が減って高い変換効率が得られず、100μmを超えると、多孔質酸化物半導体層4にクラックが入ったり剥がれたりして、多孔質酸化物半導体層4の形成がよくできない。
The thickness of the porous
また、多孔質酸化物半導体層4の多孔質の表面に、TiCl4処理、即ちTiCl4溶液に10時間程度浸漬し、水洗し、450℃で30分間焼成する処理を施すと、電子電導性がさらによくなって変換効率が高まる。
In addition, when the porous surface of the porous
また、多孔質酸化物半導体層4と導電性基板2との間に、n型酸化物半導体からなる極薄(厚み数十〜数百nm程度)の緻密層を挿入するとよく、逆電流が抑制できるので変換効率が高まる。
In addition, an extremely thin (thickness of about several tens to several hundreds of nanometers) dense layer made of an n-type oxide semiconductor may be inserted between the porous
多孔質酸化物半導体層4に、貫通孔10を形成するには、上記のペーストをスクリーン印刷法により貫通孔10のパターンに塗布することにより、形成することができる。また、透明導電層3の全面に多孔質酸化物半導体層4を形成した後、機械的に切削して貫通孔10を形成してもよい。また、貫通孔10を開けた導電性基板7をマスクとして用い、多孔質酸化物半導体層4に、機械的な切削、ブラスト処理による除去法により貫通孔10を形成してもよい。このとき、多孔質酸化物半導体層4を全面に塗布し仮焼(100〜200℃)してから焼成する前に貫通孔10を形成すると容易に形成できる。
In order to form the through
<色素>
増感色素である色素としては、例えば、ルテニウム−トリス,ルテニウム−ビス,オスミウム−トリス,オスミウム−ビス型の遷移金属錯体、多核錯体、またはルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体、またはフタロシアニンやポルフィリン、多環芳香族化合物、ローダミンB等のキサンテン系色素であることが好ましい。
<Dye>
Examples of the sensitizing dye include a ruthenium-tris, ruthenium-bis, osmium-tris, osmium-bis transition metal complex, a polynuclear complex, or a ruthenium-cis-diaqua-bipyridyl complex, or a phthalocyanine or porphyrin. Xanthene dyes such as polycyclic aromatic compounds and rhodamine B are preferred.
多孔質酸化物半導体層4に色素を吸着させるためには、色素に少なくとも1個以上のカルボキシル基,スルホニル基,ヒドロキサム酸基,アルコキシ基,アリール基,ホスホリル基を置換基として有することが有効である。ここで、置換基は色素自身を多孔質酸化物半導体層4に強固に化学吸着させることができ、励起状態の色素から多孔質酸化物半導体層4へ容易に電荷移動できるものであればよい。
In order to adsorb the dye to the porous
多孔質酸化物半導体層4に色素を吸着させる方法としては、例えば透明導電層3付き透光性基板2上に形成された多孔質酸化物半導体層4を、色素を溶解した溶液に浸漬する方法が挙げられる。
As a method of adsorbing the dye to the porous
色素を溶解させる溶液の溶媒は、エタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物等を、1種または2種以上混合したものが挙げられる。溶液中の色素濃度は5×10−5〜2×10−3mol/l(l:リットル(1000cm3))程度が好ましい。 Examples of the solvent of the solution in which the dye is dissolved include a mixture of one or more alcohols such as ethanol, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether, nitrogen compounds such as acetonitrile, and the like. The dye concentration in the solution is preferably about 5 × 10 −5 to 2 × 10 −3 mol / l (l: liter (1000 cm 3 )).
多孔質酸化物半導体層4を形成した透明導電層3付き透光性基板2を色素を溶解した溶液に浸漬する際、溶液及び雰囲気の温度の条件は特に限定するものではないが、その条件としては、例えば、大気圧下もしくは真空中、室温もしくは透光性基板3の加熱の条件等が挙げられる。浸漬時間は、色素及び溶液の種類、溶液の濃度等により適宜調整することができる。これにより、色素を多孔質酸化物半導体層4に吸着させることができる。
When the
<導電性基板>
導電性基板7としては、電気抵抗が小さく耐食性に優れた金属等がよく、例えばチタニウム,ステンレス,ニッケル,カーボン等からなる基板、シート、箔等がよい。
<Conductive substrate>
The
また、導電性基板7としては、絶縁基板上に金属層あるいは透明導電層を形成したものでもよい。絶縁基板としては、非透光性でも透光性でも構わない。導電性基板7が透光性を有する場合、光電変換装置1の両主面のどちらからでも光を入射させることができるので、両主面側から光を入射させて変換効率を高めることができる。
The
絶縁基板の材料としては、白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス等のガラス、セラミックス等の無機材料、ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリカーボネート(PC),アクリル,ポリエチレンナフタレート(PEN),ポリイミド等の樹脂材料、有機無機ハイブリッド材料等がよい。 Insulating substrate materials include white plate glass, soda glass, borosilicate glass, etc., inorganic materials such as ceramics, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), acrylic, polyethylene naphthalate (PEN), polyimide, etc. Materials, organic-inorganic hybrid materials, etc. are preferable.
絶縁基板上に形成する金属層としては、チタニウム,ステンレススチール,ニッケル等から成る薄膜を、真空蒸着法やスパッタリング法で形成したものがよい。 The metal layer formed on the insulating substrate is preferably a thin film made of titanium, stainless steel, nickel or the like formed by a vacuum deposition method or a sputtering method.
絶縁基板上に形成する透明導電層としては、不純物(F,Sb等)ドープの酸化スズ膜(SnO2膜)、不純物(Ga,Al等)ドープの酸化亜鉛膜(ZnO膜)等が耐熱性を有しており、特によい。 As the transparent conductive layer formed on the insulating substrate, impurities (F, Sb, etc.) doped tin oxide film (SnO 2 film), impurities (Ga, Al, etc.) doped zinc oxide film (ZnO film), etc. are heat resistant. It is particularly good.
絶縁基板上に金属層と透明導電層を積層したものは、金属層の耐食性が高まってよい。 What laminated | stacked the metal layer and the transparent conductive layer on the insulated substrate may improve the corrosion resistance of a metal layer.
さらに、絶縁基板上にTi層、ITO層、Ti層等を3層を積層した積層膜を形成したものであってもよく、密着性と耐食性を高めた積層膜となる。 Further, a laminated film in which three layers of a Ti layer, an ITO layer, a Ti layer, etc. are laminated on an insulating substrate may be formed, resulting in a laminated film with improved adhesion and corrosion resistance.
また、導電性基板7としては、絶縁基板等の表面に、金属の微粒子や微細線を含浸させた樹脂層や導電性樹脂層等を形成したもの、または絶縁基板等の表面に、電解質による腐食防止のためにチタニウム層、ステンレススチール層、導電性の金属酸化物層等を被覆したものでもよい。
In addition, as the
導電性基板7に光反射性を付与する場合、ニッケル,チタニウム,ステンレススチール,アルミニウム,銀,銅等の光沢のある薄い金属基板を単体で用いるか、または電解質による腐食防止のためにSnO2:F層等の不純物ドープの金属酸化物層からなる透明導電層等を被覆したものがよい。
When light reflectivity is imparted to the
導電性基板7の厚みは、機械的強度の点で0.005〜5mmがよく、より好ましくは0.01〜2mmがよい。導電性基板7が絶縁基板上に導電層を形成したものである場合、その導電層の厚みは0.001〜10μmがよく、より好ましくは0.05〜2μmがよい。
The thickness of the
<対極層>
対極層8としては、触媒機能を有する白金,カーボン等からなる極薄膜(厚み10〜100nm程度)がよい。他に、金(Au),パラジウム(Pd)等の極薄膜を電析したものが挙げられる。また、PEDOT(ポリエチレンジオキシチオフェン)等の導電性有機材料からなる薄膜が挙げられる。また、これらの材料の微粒子等から成る多孔質膜、例えばカーボン微粒子の多孔質膜等がよく、この場合対極層8の表面積が増え、気孔部に電解質を含有させることができ、変換効率を高めることができる。
<Counter electrode layer>
The
<導電体>
図1の導電体12は、貫通孔10内の透明導電層3の表面にはんだ((株)黒田テクノ販売、製品名「セラソルザ」等)を超音波はんだ付け法によりポイント電極として形成するのがよい。
<Conductor>
The
また、図1の導電体12は、導電性ペーストを貫通孔10内の透明導電層3の表面に滴下してポイント電極として形成してもよい。このポイント電極は、銀,アルミニウム,ニッケル,チタニウム,銅,錫,カーボン等の導電性粒子と、有機マトリックスであるエポキシ樹脂等と、硬化剤等とから成る導電性ペーストを、塗布焼成して成る。この導電性ペーストとしては、銀ペースト,アルミニウムペースト,チタンペーストが特によく、また、低温ペースト、高温ペーストのいずれも利用できる。
1 may be formed as a point electrode by dropping a conductive paste onto the surface of the transparent
また、図4の導電体12は、超音波ワイヤーボンド法により金やアルミニウム等からなるワイヤー状の導電体12を、透明導電層3から集電極13にわたって形成し、それらを接続することができる。この場合、導電体12の微細化ができるため、導電体12の形成数の密度を上げることができる。
Moreover, the
図3,図5に示す貫通孔10及び導電体12の形成パターンのピッチは、1〜40mmがよく、好ましくは5〜30mmがよい。1mm未満では、非光電変換領域が増えて光電変換領域が狭くなり高い光電変換効率が得られず、30mmを超えると、透明導電層3の抵抗が大きくなって高い光電変換効率が得られない。
The pitch of the formation pattern of the through
<絶縁性保護層>
絶縁性保護層11は、貫通孔10内に導電体12を形成する前あるいは形成した後のいずれでも形成可能であり、形成の順序を入れ替え可能である。貫通孔10内に導電体12を形成した後に絶縁性保護層11を形成する場合、貫通孔10の内部の導電体12の周囲等に有機樹脂等の絶縁材料を充填等すればよい。貫通孔10内に導電体12を形成する前に絶縁性保護層11を形成する場合、導電体12の形状に相当する鋳型等を用いて中空部を形成する処理を行う。
<Insulating protective layer>
The insulating
絶縁性保護層11の材料としては、シリコーン樹脂,エポキシ樹脂,UV硬化樹脂,ウレタン樹脂,エチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA),ポリビニルブチラール(PVB),エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA),フッ素樹脂,アクリル樹脂,飽和ポリエステル樹脂,アミノ樹脂,フェノール樹脂,ポリアミドイミド樹脂,シリコンポリエステル樹脂,高耐候性ポリエステル樹脂,ポリカーボネート樹脂,PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂,飽和ポリエステル樹脂等の、半導体素子等の封止に用いられるポッティング樹脂等がよい。
Materials for the insulating
<集電極>
集電極13は、導電性基板7が金属基板等からなる場合、図4のように導電性基板7の主面に絶縁膜14を介して金属膜からなる集電極13を形成するのがよい。また、図1のように導電体12に直接接するように集電極13を形成することもできる。
<Collecting electrode>
When the
この金属膜としては、銀,銅,アルミニウム,錫,チタニウム,ステンレススチール,ニッケル等から成る薄膜(厚み0.1〜10μm程度)を、真空蒸着法やスパッタリング法等でマスク形成したものがよい。また、この金属膜としては、金,銀,アルミニウム,チタニウム,ニッケル,銅,錫,カーボン等の導電性粒子と、有機マトリックスであるエポキシ樹脂等と、硬化剤等とから成る導電性ペーストを、スクリーン印刷法等で塗布し焼成してもよい。この導電性ペーストとしては、銀ペーストやアルミニウムペーストが特に安価で低抵抗でよく、また、低温焼成ペースト、高温焼成ペーストのいずれにも利用できる。 As this metal film, a thin film (thickness of about 0.1 to 10 μm) made of silver, copper, aluminum, tin, titanium, stainless steel, nickel or the like is preferably formed by masking using a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like. In addition, as this metal film, a conductive paste composed of conductive particles such as gold, silver, aluminum, titanium, nickel, copper, tin, and carbon, an epoxy resin that is an organic matrix, and a curing agent, It may be applied and baked by a screen printing method or the like. As this conductive paste, silver paste and aluminum paste are particularly inexpensive and may have low resistance, and can be used for both low-temperature fired paste and high-temperature fired paste.
また、集電極13は、導電性基板7が絶縁基板に金属層等の導電層を形成したものであって、導電性基板7の他主面が絶縁基板が露出した面である場合、その他主面に絶縁膜14を介することなく金属膜を直接形成すればよい。形成材料や形成方法等は上記と同様にすればよい。
The
<封止部材>
封止部材9は、電解質が外部に漏れるのを防ぎ、光電変換装置1の機械的強度を補強するとともに、電解質が外部環境と直接接して光電変換機能が劣化するのを防ぐために設けられる。
<Sealing member>
The sealing
封止部材9の材料としては、吸湿防止機能を有し充分な接着強度を有するものがよく、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA),ポリビニルブチラール(PVB),エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA),フッ素樹脂,エポキシ樹脂,アクリル樹脂,飽和ポリエステル樹脂,アミノ樹脂,フェノール樹脂,ポリアミドイミド樹脂,UV硬化樹脂,シリコーン樹脂,フッ素樹脂,ウレタン樹脂,シリコンポリエステル樹脂,高耐候性ポリエステル樹脂,ポリカーボネート樹脂,PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂,飽和ポリエステル樹脂,金属屋根に利用される塗布樹脂等がよい。
The material of the sealing
また、遮光性,断熱性,耐熱性,抗菌性,防かび性,防眩性,耐摩耗性,帯電防止性,滑雪性,低汚染性,意匠性,高加工性,遠赤外線放射性,耐食性,耐酸性,環境対応性等を封止部材9に付与することにより、信頼性や商品性をより高めることができる。
In addition, shading, heat insulation, heat resistance, antibacterial, antifungal, antiglare, wear resistance, antistatic, snow sliding, low contamination, design, high workability, far infrared radiation, corrosion resistance, By imparting acid resistance, environmental compatibility, and the like to the sealing
<電解質層>
電解質層6の材料としては、電解質溶液、ゲル電解質、固体電解質等のイオン伝導性の電解質、有機正孔輸送剤等が挙げられる。
<Electrolyte layer>
Examples of the material for the
電解質溶液としては、第4級アンモニウム塩やLi塩等を用いる。電解質溶液の組成としては、例えば炭酸エチレン,アセトニトリルまたはメトキシプロピオニトリル等に、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム,ヨウ化リチウム,ヨウ素等を混合し調製したものを用いることができる。 As the electrolyte solution, a quaternary ammonium salt, a Li salt, or the like is used. As the composition of the electrolyte solution, for example, a solution prepared by mixing tetrapropylammonium iodide, lithium iodide, iodine or the like with ethylene carbonate, acetonitrile, methoxypropionitrile, or the like can be used.
ゲル電解質は、大別して化学ゲルと物理ゲルに分けられる。化学ゲルは、架橋反応等により化学結合でゲルを形成しているものであり、物理ゲルは、物理的な相互作用により室温付近でゲル化しているものである。ゲル電解質としては、アセトニトリル,エチレンカーボネート,プロピレンカーボネートまたはそれらの混合物に対し、ポリエチレンオキサイド,ポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,ポリビニルアルコール,ポリアクリル酸,ポリアクリルアミド等のホストポリマーを混入して重合させたゲル電解質が好ましい。なお、ゲル電解質や固体電解質を使用する場合、低粘度の前駆体を多孔質酸化物半導体層4に含有させ、加熱、紫外線照射、電子線照射等の手段で二次元、三次元の架橋反応を起こさせることによってゲル化または固体化できる。
Gel electrolytes are roughly classified into chemical gels and physical gels. A chemical gel is a gel formed by a chemical bond by a cross-linking reaction or the like, and a physical gel is gelled near room temperature by a physical interaction. The gel electrolyte is a gel obtained by mixing a host polymer such as polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, or polyacrylamide into acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, or a mixture thereof. An electrolyte is preferred. When a gel electrolyte or a solid electrolyte is used, a low-viscosity precursor is contained in the porous
イオン伝導性の固体電解質としては、ポリエチレンオキサイド,ポリエチレンオキサイドもしくはポリエチレン等の高分子鎖に、スルホンイミダゾリウム塩,テトラシアノキノジメタン塩,ジシアノキノジイミン塩等の塩をもつ固体電解質が好ましい。ヨウ化物の溶融塩としては、イミダゾリウム塩,第4級アンモニウム塩,イソオキサゾリジニウム塩,イソチアゾリジニウム塩,ピラゾリジウム塩,ピロリジニウム塩,ピリジニウム塩等のヨウ化物を用いることができる。 As the ion conductive solid electrolyte, a solid electrolyte having a polymer chain such as polyethylene oxide, polyethylene oxide or polyethylene having a salt such as sulfonimidazolium salt, tetracyanoquinodimethane salt or dicyanoquinodiimine salt is preferable. As the molten salt of iodide, an iodide such as an imidazolium salt, a quaternary ammonium salt, an isoxazolidinium salt, an isothiazolidinium salt, a pyrazolidium salt, a pyrrolidinium salt, or a pyridinium salt can be used.
上述のヨウ化物の溶融塩としては、例えば、1,1−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1,メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールアイオダイド、1−エチル−3−イソプロピルイミダゾリウムアイオダイド、ピロリジニウムアイオダイド等を挙げることができる。 Examples of the molten salt of iodide include 1,1-dimethylimidazolium iodide, 1, methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-pentylimidazolium iodide, 1-methyl- 3-isopentylimidazolium iodide, 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazole iodide, 1-ethyl- Examples thereof include 3-isopropylimidazolium iodide and pyrrolidinium iodide.
図7の集積型の光電変換装置1Bは、透明導電層3、多孔質酸化物半導体層4、電解質層6及び対極層8が互いに分離された複数の独立した光電変換領域を成して形成されているとともに、それらの光電変換領域同士の間に電解質層6が連続するのを防ぐ隔壁部18が形成されており、複数の光電変換領域が直列接続、並列接続または直並列接続されている構成である。即ち、透光性基板2上の透明導電層3が電気的に分離された複数の透明導電層3a,3bから成り、同様に導電性基板7の一主面に形成された対極層8も電気的に分離された複数の対極層8a,8bから成り、これらの分離部同士の間に電解質層6を分離する隔壁部18を設けて、作用極と対極との対からなる光電変換素子19a,19bを複数形成し、これらの光電変換素子19a,19bを直列接続、並列接続または直並列接続して成る。
The integrated photoelectric conversion device 1B of FIG. 7 is formed by forming a plurality of independent photoelectric conversion regions in which the transparent
隔壁部18は、前記封止部材9と同じの材料等からなり、樹脂をディスペンサーにより線状に滴下して固化するという方法等によって形成できる。
The
図8のモジュール構造の光電変換装置1Cは、平面内に複数個の光電変換装置1a,1bを配置し、これらの光電変換装置1a,1bを直列接続、並列接続または直並列接続して成る。この場合、それぞれの光電変換装置1a,1bが上記本発明の作用効果を奏するとともに、光電変換装置全体のサイズが大きくなっても、これらを光電変換装置1a,1bの外部にて低抵抗の高導電性の結線が可能であるため、変換効率が高く高信頼性のモジュール構造の光電変換装置となる。
A
上記光電変換装置1を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷へ供給するように成した光発電装置とすることができる。即ち、上記光電変換装置1を1つ用いるか、または複数用いる場合には直列、並列または直並列に接続したものを発電手段として用い、この発電手段から直接直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。また、上記光発電手段をインバータ等の電力変換手段を介して発電電力を適当な交流電力に変換した後で、この発電電力を商用電源系統や各種の電気機器等の交流負荷に供給することが可能な発電装置としてもよい。さらに、このような発電装置を日当たりのよい建物に設置する等して、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能であり、これにより高変換効率で耐久性のある光発電装置を提供することができる。 The photoelectric conversion apparatus 1 can be used as a power generation means, and a photovoltaic power generation apparatus configured to supply generated power from the power generation means to a load can be obtained. In other words, when one or a plurality of the photoelectric conversion devices 1 are used, a series, parallel or series-parallel connection is used as a power generation means, and the generated power is directly supplied from this power generation means to the DC load. May be. In addition, after the photovoltaic power generation means converts the generated power into appropriate AC power via power conversion means such as an inverter, the generated power can be supplied to an AC load such as a commercial power system or various electric devices. It is good also as a possible electric power generating apparatus. Furthermore, it is also possible to use such a power generation device as a photovoltaic power generation device such as a solar power generation system of various aspects by installing it in a building with good sunlight, and thereby high conversion efficiency and durability. A photovoltaic device can be provided.
また、本発明の光発電装置は、上記本発明の光電変換装置1を発電手段として用い、発電手段の発電電力を負荷に供給するように成したことから、上記種々の効果により、変換効率が高まる、信頼性が高まる、用途が拡がる、製造が容易となり低コスト化が実現できる、という効果を有する。また、本発明の光電変換装置1は、その用途として太陽電池に限定されるものではなく、光電変換機能を有するものであれば適用でき、各種受光素子や光センサ等にも適用可能である。 Further, the photovoltaic power generation apparatus of the present invention uses the photoelectric conversion apparatus 1 of the present invention as a power generation means and supplies the generated power of the power generation means to a load. It has the effects of increasing the reliability, increasing the application, expanding the use, and facilitating the manufacturing and reducing the cost. Moreover, the photoelectric conversion apparatus 1 of this invention is not limited to a solar cell as the use, It can apply if it has a photoelectric conversion function, and can also apply it to various light receiving elements, an optical sensor, etc.
本発明の光電変換装置の実施例1について以下に説明する。図1の構成の光電変換装置1を以下のようにして作製した。 Example 1 of the photoelectric conversion device of the present invention will be described below. A photoelectric conversion device 1 having the configuration shown in FIG. 1 was produced as follows.
まず、導電性基板7として、その主面に縦方向及び横方向に20mm間隔で、5mmφ(直径)の貫通孔10を縦に4個、横に4個、計16個を、碁盤目状に穿孔器(孔パンチ)で孔開けした金属チタニウムシート(縦10cm×横10cm×厚み50μm)を作製した。
First, as the
そして、透光性基板2及び透明導電層3として、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)から成る透明導電層3付きのガラス基板(縦10cm×横10cm×厚み4mm)を用い、このガラス基板上に二酸化チタン(TiO2)から成る多孔質酸化物半導体層4を形成した。この多孔質酸化物半導体層4は以下のようにして形成した。まず、TiO2のアナターゼ粉末にアセチルアセトンを添加した後、脱イオン水とともに混練し、界面活性剤で安定化させた二酸化チタンの液体ペーストを作製した。この液体ペーストを上記ガラス基板のFTO膜上に静かに滴下し、スピンナーコート法(900rpm、25秒)で塗布し、大気中、480℃で30分間焼成し、約9μmの厚みの多孔質酸化物半導体層4を形成した。次に、このFTO膜付きガラス基板の多孔質酸化物半導体層4上に前記孔開けした導電性基板7を重ね、この導電性基板7をマスクにして金属ブラシにて多孔質酸化物半導体層4を擦り取り、多孔質酸化物半導体層4に貫通孔10を形成した。
Then, as the light-transmitting
次に、この多孔質酸化物半導体層4に貫通孔10を形成したFTO膜付きガラス基板を色素溶液に12時間程浸漬して多孔質酸化物半導体層4に色素を吸着させた。色素溶液は、ルテニウム錯体色素N719(ソラロニクス・エスエー社製、製品名「Ruthenium 535-bisTBA」)を溶媒のアセトニトリルとt−ブタノール(容積比で1:1)に溶解させた色素溶液(0.3mモル/l)を用いた。
Next, the glass substrate with an FTO film in which the through
導電性基板7である金属チタニウムシートの一主面にスパッタリング法で対極層(触媒層)8としての白金層を50nmの厚みで蒸着し、他主面にポリイミドからなる絶縁膜14を図6に示す集電極パターンのように孔開けの領域を除いてスクリーン印刷して形成した。
A platinum layer as a counter electrode layer (catalyst layer) 8 is deposited with a thickness of 50 nm on one main surface of a metal titanium sheet as the
そして、これらの光作用極側基板と対極側基板とを、多孔質酸化物半導体層4と対極層8とが対向するように配置し、両基板の対向する主面の外周部に枠状に形成した、オレフィン系樹脂(三井・デュポン ポリケミカル(株)製、商品名「ハイミラン」)から成る封止部材9を挟んで、両基板を押し付けて加熱し封止部材9を硬化させて封止した。
Then, these optical working electrode side substrate and counter electrode side substrate are arranged so that the porous
こうして、ガラス基板上のFTO膜上に、多孔質酸化物半導体層4、対極層8および導電性基板7を貫通する貫通孔10を形成した。
Thus, a through
次に、この貫通孔10の内壁面にシリコーン樹脂を滴下して被膜し、絶縁性保護層11を連続させて形成した。
Next, a silicone resin was dropped onto the inner wall surface of the through
さらに、この貫通孔10の内部に導電性ペースト(Agペースト)を滴下して導電体12を形成するとともに、ポリイミド樹脂膜から成る絶縁膜14上に導電性ペースト(Agペースト)を図6の集電極パターンのように滴下することにより、導電体12に接続された集電極13を形成した。
Further, a conductive paste (Ag paste) is dropped into the through
次に、注入孔より電解質を注入した。本実施例1では、電解質は液体電解質であり、沃素(I2)と沃化リチウム(LiI)とアセトニトリル溶液とを用いて作製した。この後、注入孔を紫外硬化樹脂を用いて封止した。 Next, an electrolyte was injected from the injection hole. In Example 1, the electrolyte was a liquid electrolyte, and was prepared using iodine (I 2 ), lithium iodide (LiI), and an acetonitrile solution. Thereafter, the injection hole was sealed with an ultraviolet curable resin.
こうして得られた光電変換装置1の光電変換特性を評価したところ、AM1.5、100mW/cm2で変換効率4.1%を示した。 When the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device 1 thus obtained were evaluated, the conversion efficiency was 4.1% at AM 1.5 and 100 mW / cm 2 .
以上のように、本実施例1においては、光電変換装置1を簡便に作製でき、しかも比較的大きな面積で高い変換効率を実現することができた。 As described above, in Example 1, the photoelectric conversion device 1 can be easily manufactured, and high conversion efficiency can be realized in a relatively large area.
図4の構成の光電変換装置1Aを以下のようにして作製した。
A
まず、導電性基板7として、その主面に縦方向及び横方向に20mm間隔で、2mmφの貫通孔10を縦に4個、横に4個、計16個を、碁盤目状に化学エッチング法により孔開けしたステンレススチールシート(縦10cm×横10cm×厚み50μm)を作製した。
First, as the
そして、透光性基板2及び透明導電層3として、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)から成る透明導電層3付きのガラス基板(縦10cm×横10cm×厚み4mm)を用い、このガラス基板上に二酸化チタン(TiO2)から成る多孔質酸化物半導体層4を形成した。この多孔質酸化物半導体層4は以下のようにして形成した。まず、TiO2のアナターゼ粉末にアセチルアセトンを添加した後、脱イオン水とともに混練し、界面活性剤で安定化させた二酸化チタンの液体ペーストを作製した。この液体ペーストを上記ガラス基板の透明導電層3上に静かに滴下し、スピンナーコート法(900rpm、25秒)で塗布し、大気中、480℃で30分間焼成し、約9μmの厚みの多孔質酸化物半導体層4を形成した。
Then, as the light-transmitting
次に、貫通孔10が形成されたステンレススチールシートの一主面にスパッタリング法で対極層(触媒層)8としての白金層を50nmの厚みで蒸着し、他主面にTiO2膜をスパッタリング法で形成した。
Next, a platinum layer as a counter electrode layer (catalyst layer) 8 is deposited with a thickness of 50 nm on one main surface of the stainless steel sheet in which the through
そして、これらの光作用極側基板と対極側基板とを、多孔質酸化物半導体層4と対極層8とが対向するように配置し、両基板の対向する主面の外周部に枠状に形成した、オレフィン系樹脂(三井・デュポン ポリケミカル(株)製、商品名「ハイミラン」)から成る封止部材9を挟んで、両基板を押し付けて加熱し封止部材9を硬化させて封止した。
Then, these optical working electrode side substrate and counter electrode side substrate are arranged so that the porous
次に、孔開けしたステンレスシートをマスクとして、多孔質酸化物半導体層4を金属ブラシで擦り取り、多孔質酸化物半導体層4に貫通孔10を形成した。
Next, using the perforated stainless steel sheet as a mask, the porous
次に、導電性基板7の他主面に形成されたTiO2膜上に、Au膜から成る集電極13をスパッタリング法で図6に示す集電極パターンのように貫通孔10の横に約8mm幅でマスク蒸着した。このときに、同時に、貫通孔10内の透明導電層3にもAu膜を蒸着した。
Next, a
次に、ワイヤボンディング法により、透明導電層3と集電極13とをAuワイヤー(25μmφ)で接続し、導電体12を形成した。
Next, the
次に、貫通孔10より色素溶液を注入して多孔質酸化物半導体層4に色素を吸着させた。色素溶液は、ルテニウム錯体色素N719(ソラロニクス・エスエー社製、製品名「Ruthenium 535-bisTBA」)を溶媒のアセトニトリルとt−ブタノール(容積比で1:1)に溶解させた色素溶液(0.3mモル/l)を用いた。
Next, a dye solution was injected from the through
次に、貫通孔10の内部にシリコーン樹脂を滴下し充填して、絶縁性保護層11を連続させて形成した。
Next, a silicone resin was dropped into the inside of the through
次に、導電性基板7に予め貫通孔10と同時に開けておいた注入孔より、電解質を注入した。本実施例2では、電解質は液体電解質であり、沃素(I2)と沃化リチウム(LiI)とアセトニトリル溶液とを用いて作製した。この後、注入孔を紫外硬化樹脂にて封止した。
Next, an electrolyte was injected into the
こうして得られた光電変換装置1Aの光電変換特性を評価したところ、AM1.5、100mW/cm2で変換効率4.5%を示した。
When the photoelectric conversion characteristics of the
以上のように、本実施例2においては、光電変換装置1Aが簡便に作製でき、しかも比較的大きな面積で高い変換効率を実現することができた。
As described above, in Example 2, the
また、本実施例2では、導電体12として細線で電気抵抗が小さいワイヤーボンディング線を用いたので、実施例1の導電ペーストから成る太い導電体12を使用した場合よりも貫通孔10の径を小さくできるので、非光電変換領域が狭くなり、より変換効率を高めることができた。
Further, in the second embodiment, since the wire bonding wire having a small electric resistance is used as the
1:光電変換装置
2:透光性基板
3:透明導電層
4:多孔質酸化物半導体層
6:電解質層
7:導電性基板
8:対極層
9:封止部材
10:貫通孔
11:絶縁性保護層
12:導電体
13:集電極
1: Photoelectric conversion device 2: Translucent substrate 3: Transparent conductive layer 4: Porous oxide semiconductor layer 6: Electrolyte layer 7: Conductive substrate
8: Counter electrode layer 9: Sealing member 10: Through hole 11: Insulating protective layer 12: Conductor 13: Collector
Claims (7)
7. A photovoltaic power generation apparatus, wherein the photoelectric conversion apparatus according to claim 1 is used as a power generation means, and the power generated by the power generation means is supplied to a load.
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