JP2008021600A

JP2008021600A - 色素増感太陽電池とその製造方法

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Publication number: JP2008021600A
Application number: JP2006194257A
Authority: JP
Inventors: Hironori Oba; 裕規大場
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】電解液の漏洩を防いで長期的に電池特性を維持すること。
【解決手段】電解液１４が充填される金属セル容器１０と、この金属セル容器１０の底部において貫通支持される集電用端子１７と、この集電用端子１７と接触する集電用グリット１１１が形成されたガラス基板１１と、このガラス基板１１が嵌め込まれる共に金属セル容器１０の開口部を密閉する封止部材１５とを備えた色素増感太陽電池１の製造方法であって、封止部材１５にガラス基板１１を嵌め込み、この封止部材１５を冷却収縮させる工程と、前記冷却収縮させた封止部材１５を予め加熱膨張させた金属セル容器１０の開口部に組み込んだ後、封止部材１５と金属セル容器１０の温度の均一化による封止部材１５の膨張と金属セル容器１０の収縮により前記開口部を密閉する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は色素増感太陽電池とその製造方法、特に色素増感太陽電池の電解液を封止する技術に関する。

図６は従来の色素増感型太陽電池の断面を示した概略図である。

特許文献１に例示された従来の色素増感太陽電池は、ガラス基板１１が積層された透明導電層１２に半導電体層１３を積層させてなる積層体と、ガラス基板１１に透明導電層１２を積層してなる積層体とを備え、これらの積層体と封止部材１５とによって電解液１４を封止した構成となっている。半導電体層３の表面には多孔質な酸化チタン皮膜がコートされ、さらにルテニウム錯体等の太陽光を吸収する増感色素がコートされており、太陽光によって励起された電子が酸化チタンに注入されて電流が起こるようになっている。尚、電解液１４としては例えばヨウ素電解液が用いられている。
特開２０００−１７３６８０（段落番号０００３及び図２）

従来の色素増感太陽電池は、両極間（ガラス基板２１と透明導電層２２と半導電体２３とからなる積層体と、ガラス基板２１と透明導電層２２とからなる積層体との間）の周辺部に厚く樹脂からなる封止材料２５を塗布して硬化させており（図６）、両極との接着強度が弱い。また、封止材料２５が電解液２４と接触しているので、封止材料２５の成分が電解液２４の溶媒成分によって溶解し、やがては両極の界面から電解液２４が漏れ出すおそれがある。このように、前記色素増感太陽電池においては封止材料２５によって電解液２４を長期的に封止することが困難であるのが現状である。

本発明は、かかる事情を鑑みなされたもので、その目的は、電解液の漏洩を防いで長期的に電池特性を維持できる色素増感太陽電池とその製造方法の提供にある。

そこで、請求項１の色素増感太陽電池の製造方法は、電解液が充填される金属セル容器と、前記金属セル容器の底部において貫通支持される集電用端子と、この集電用端子と接触する集電用グリットが形成されたガラス基板と、このガラス基板が嵌め込まれる枠体の形状に形成されると共に前記金属セル容器の開口部を密閉する封止部材とを備えた色素増感太陽電池の製造方法であって、前記封止部材に前記ガラス基板を嵌め込み、前記封止部材を冷却収縮させる工程と、前記冷却収縮させた封止部材を予め加熱膨張させた金属セル容器の開口部に組み込んだ後、前記封止部材と金属セル容器の温度の均一化による前記封止部材の膨張と金属セル容器の収縮により前記開口部を密閉する工程とを有する。

請求項２の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項１の色素増感太陽電池の製造方法において、前記金属セル容器の底部に形成された穴を貫通すると共に前記集電用端子を気密支持させる筒体に当該集電用端子を挿入し、この筒体を冷却収縮させる工程と、前記形成された穴から電解液を前記金属セル容器内に注入し、この金属セル容器を加熱膨張させる工程と、前記集電用端子を挿入させた筒体を冷却収縮する工程と、前記加熱膨張させた金属セル容器の底部の穴に前記収縮させた筒体を挿入し、前記筒体と金属セル容器の温度の均一化によるこの筒体の膨張と金属セル容器の収縮により前記筒体を前記底部において気密支持する工程とを有する。

請求項３の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項１または２の色素増感太陽電池の製造方法において、前記封止部材及び筒体はフッ素樹脂またはシリコーン樹脂で構成することを特徴とする。

請求項４の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項１から３のいずれかの色素増感太陽電池の製造方法において、前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の底面を白金によってメッキ処理する工程を有する。

請求項５の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項１から３のいずれかの色素増感太陽電池の製造方法において、前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の面をニッケルによってメッキ処理する工程を有する。

請求項６の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項１から５のいずれかの色素増感太陽電池の製造方法において、前記集電用グリットを前記ガラス基板上において前記集電用端子と接触する集電用端子接触部を中心に格子状または放射格子状に形成し、これに透明電極層をスパッタリング形成する。

請求項７の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項６の色素増感太陽電池の製造方法において、金属成分を含有させた電導性ペーストによって集電用グリットを形成する。

請求項８の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項６の色素増感太陽電池の製造方法において、不燃性揮発溶剤に溶解した微細金属粒子によって集電用グリットを形成する。

請求項９の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項６の色素増感太陽電池の製造方法において、前記透明電極層を酸化スズドープ酸化イリジウムで形成する。

請求項１０の色素増感太陽電池の製造方法は、請求項６記載の色素増感太陽電池の製造方法において、前記透明電極層を形成するにあたり、酸化スズドープ酸化イリジウムからなる層を形成し、この層に酸化アンチモンドープ酸化スズからなる層を形成する。

請求項１１の色素増感太陽電池は、電解液が充填される金属セル容器と、この金属セル容器の底部において貫通支持される集電用端子と、この集電用端子と接触する集電用グリットが形成されたガラス基板と、このガラス基板が嵌め込まれる枠体の形状に形成されると共に前記金属セル容器の開口部を密閉する封止部材とを備える。

請求項１２の色素増感太陽電池は、請求項１１の色素増感太陽電池において、前記集電用端子が挿入される筒体を備え、この筒体は前記底部において気密状態で貫通支持される。

請求項１３の色素増感太陽電池は、請求項１１または１２の色素増感太陽電池において、前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の上端内周部には前記封止部材を係止する係止部が設けられる。

請求項１４の色素増感太陽電池は、請求項１３の色素増感太陽電池において、前記係止部は前記金属セル容器の開口部の径が前記内周上端に向かって徐々に小さくなるように設けられる。

請求項１５の色素増感太陽電池は、請求項１３の色素増感太陽電池において、前記係止部は前記金属セル容器の内周中心方向に突起する突起部からなる。

請求項１６の色素増感太陽電池は、請求項１２から１５のいずれかの色素増感太陽電池において、前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の底面を白金によってメッキ処理する工程を有する。

請求項１７の色素増感太陽電池は、請求項１２から１５のいずれかの色素増感太陽電池において、前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の面をニッケルによってメッキ処理する工程を有する。

請求項１８の色素増感太陽電池は、請求項１２から１７のいずれかの色素増感太陽電池において、前記集電用グリットは前記ガラス基板上において前記集電用端子と接触する集電用端子接触部を中心に格子状または放射格子状に形成され、これに透明電極層がスパッタリング形成されている。

請求項１９の色素増感太陽電池は、請求項１８の色素増感太陽電池において、前記透明電極層は酸化スズドープ酸化イリジウムからなるものである。

請求項２０の色素増感太陽電池は、請求項１８の色素増感太陽電池において、前記透明電極層は酸化スズドープ酸化イリジウムからなる層に酸化アンチモンドープ酸化スズからなる層を形成したものである。

以上の発明によれば、電解液が充填される金属セル容器の開口部をガラス基板とで密閉させる封止部材に前記ガラス基板が嵌め込まれ、この封止部材が前記金属セル容器の開口部を密閉させているので、前記金属セル容器からの電解液の漏洩がなくなる。

特に、請求項３の発明によれば、前記ガラス基板の破損を防ぐと共に電極間の絶縁及び電極間距離の保持が可能となる。また、請求項４及び１６の発明によれば、触媒効果を奏し、電池特性が向上する。さらに、請求項５及び１７の発明によれば、電解液による腐食耐性が向上する。そして、請求項６及び１８の発明によれば、内部抵抗が低減し、電池特性が向上する。また、請求項７の色素増感太陽電池の製造方法によれば、内部抵抗が低減し、コストを上げることなく電池特性が向上する。さらに、請求項８の色素増感太陽電池の製造方法によれば、耐電解液性に優れた集電金属グリッドを形成することが可能となり、太陽電池の信頼性が向上する。他には、銀ナノ粒子インキによって集電用グリットを形成すると、著しく内部抵抗が低減し、電池特性が向上する。また、請求項９及び１９の色素増感太陽電池とその製造方法によれば、集電金属グリッドは直接電解液と触れなくなり、電池特性の長期的安定が可能となる。さらに、請求項１０及び２０の色素増感太陽電池とその製造方法によれば、導電膜自体の耐熱性が向上することに加え、集電金属グリッドは直接電解液と触れなくなり、電池特性の長期的安定が可能となる。そして、請求項１３〜１５の色素増感太陽電池によれば、色素増感太陽電池を構成する部品の抜け外れ防止が可能となる。

以上のように、本発明の色素増感太陽電池とその製造方法によれば、電解液の漏洩を防止でき、電池特性を長期的に維持できるようになる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る色素増感太陽電池の実施形態例を示した概略断面図である。

本実施形態例の色素増感太陽電池は電解液１４が充填される金属セル容器１０を備える。金属セル容器１０の底部には集電用端子１７が貫通支持される。金属セル容器１０の開口部はガラス基板１１が嵌め込まれる枠体の形状に形成された封止部材１５によって密閉される。ガラス基板１１には集電用端子１７と接触する集電用グリット１１１が形成される。このガラス基板１１には透明電解層１２が形成され、さらにこの層に半導体層１３が形成される。集電用端子１７は筒体１８に挿入され、この筒体１８が金属セル容器１９の底部において貫通支持される。封止部材１５と筒体１８は、耐薬品性、耐候性、耐熱性に優れた材料からなる。前記材料としてはフッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＣＴＦＥ）やシリコーン樹脂等からなる。

本実施形態例の色素増感太陽電池における電解液の封止方法について説明する。

先ず、予め、電池の内側に嵌め込む部品を冷却して寸法収縮させると同時に、外側の部品は逆に加熱して寸法を膨張させておく。この状態でぎりぎり嵌め込む寸法に設計されている部品は、嵌め込み後、各部品温度が均一化した時点、すなわち部品間の温度差がなくなった時点で、強力な圧着力を生じ、電池内部の電解液の漏出を防ぐ構造となる。

本実施形態例では、封止部材１５に嵌めこまれたガラス基板１１を予め加熱膨張させた金属セル容器１０に組み込んだ後、この金属セル容器１０を冷却している。集電用端子１７も同様に筒体１８を付帯させたものを予め加熱膨張させた金属セル容器１０に組み込んだ後に、この金属セル容器１０を冷却している。

集電用端子１７の取り付け方法について説明する。前述の金属セル容器１では、半導電体層１３で励起した電子を外部に取り出すために、集電用端子１７が必要となる。この集電用端子１７は金属セル容器１０に設けた穴から電解液１４を注入した後、この穴に挿入して集電用グリット１１１と接触させて電子を取り出している。また、この集電用端子１７−金属セル容器１０間を電気的に絶縁すること、この穴からの液漏れを防止することを目的として、この部分も筒体１８を用いた焼きばめ封止を行なっている。

このセル構成の半導電体層１３で励起された電子は負極である集電用端子１７から取り出され、金属セル容器１０自体が正極となる。金属セル容器１０は、電解液１４を充填できるものであればよいので、四角形、円形、六角形、三角形等のいかなる形状で作成してもよい。

従来の封止方法によると、封止部材１５を使用せずに金属セル容器１０とガラス基板１１に直接適用すれば、その応力からガラス基板１１が割れることが確認されている。

そこで、本実施形態例のように、前記樹脂からなる封止部材１５を金属セル容器１０とガラス基板１１の間に介在させることで、ガラス基板１１への応力が緩和すると共に、金属セル容器１０と透明導電層１２との間の電気的な絶縁が可能となる。封止部材１５のガラス基板１１と接触する部分には切り込みが施されており、電極間距離を一定にするためのスペーサとして機能する。

また、金属セル容器１０内に注入された電解液１４の温度が上昇すると、セル内圧が上昇する。特に、摩擦抵抗の少ないフッ素樹脂を封止材料として用いた場合、各部品の抜けはずれの確率が高くなる。このような抜け外れ防止策として、電解液が充填される金属セル容器１０の空洞部の上端内周部に封止部材１５を係止する係止部１０１を設けるとよい。係止部１０１の形態例としては、図２記載の丸内に示したように、金属セル容器１０の開口部の径が前記内周上端に向かって徐々に小さくなるようなテーパー部が挙げられる。他の形態例としては、図３記載の丸内に示したように、金属セル容器１０の内周中心方向に突起する突起部が挙げられる。

金属セル容器１０内においてガラス基板１１と対向する部分すなわち電解液１４が充填される空洞部の底部は、電解液１４に含まれる電子輸送体を還元するために、触媒効果が必要となる。そこで、前記底部にはＰｔメッキ処理を施すとよい。

金属セル容器１０の材質は導電性の良い金属であれば、どのような金属でも可能である。例えば、ＳＵＳ，Ａｌ，Ｃｕ等が挙げられる。軽量化、低コストを目的としてＡｌを採用する場合、Ａｌ等の金属は電解液１４の腐食性に耐えられないので、電解液１４の触れる金属セル容器１０側にＮｉメッキ処理を施せば、長期安定性が確保される。

一般的に太陽電池のガラス基板１１に焼結された透明導電層１２は比較的抵抗が高く、これが電池の内部抵抗となり、電池性能を著しく低下させることが知られている。そこで、本実施形態例では、先ず始めにガラス基板１１上に集電用グリット１１１を加工し、その上に透明導電層１２を焼結している。

集電用グリット１１１は図４及び図５に示された形態のように同心円、放射状、格子状の形状に形成するとよい。このとき、必ず内部抵抗を低減させるためグリット間隔が２ｃｍ以下となるようにするとよい。また、グリットの線幅は太すぎると発電に寄与する有効面積を減少させるため１ｍｍ以下とし、グリット線断面の厚みは０．１ｍｍ以下となるようにするとよい。

これらの集電用グリット１１１で集めた電子を外部に取り出すために、集電用端子１７が必要となる。この集電用端子１７とガラス基板１１上の集電用グリット１１１が接する付近には電流が集中するため、１ｍｍ²以上の金属部分が必要である。

次に集電用グリット１１１の加工方法について説明する。ここでは、導電性ペースト、微細金属粒子、Ａｇナノ粒子インキを用いた加工方法について説明する。

導電性ペーストを用いた加工方法について説明する。集電用グリット１１１は、電解液１４が腐食性を有するため、金、銀、白金、ニッケル等の金属が必要である。これらの金属を含有する導電性ペーストをスクリーン印刷（インクジェットプリンター、ディスペンサー等でも可）でガラス基板１１に塗布することで、集電用グリット１１１を形成する。

微細金属粒子を用いた集電用グリット１１１の加工方法について説明する。前記導電性ペースト以外にも、金、銀、白金、ニッケル等の微細粒子を不燃性揮発溶剤（フッ素系オイル等）に溶かし込み、これをスクリーン印刷（インクジェットプリンター、ディスペンサー等でも可）でガラス基板に塗布した後、不燃性揮発溶剤のみ蒸発させる方法でも集電用グリット１１１を形成する。

Ａｇナノ粒子インキを用いた集電用グリット１１１の加工方法について説明する。Ａｇナノ粒子インキ（例えば住友電工製）を使用したものは、スクリーン印刷（インクジェットプリンター、ディスペンサー等でも可）でガラス基板１１に塗布した後、３００℃で焼結することで各粒子が結合し、高導電性の集電用グリット１１１を形成する。

次いで、透明導電層１２の加工方法について説明する。ここでは、ＩＴＯ（酸化スズドープ酸化イリジウム，Ｉｎ₂Ｏ₃＋Ｓｎ）を主成分とする透明導電層１２の加工例と、ＩＴＯとＡＺＯ（酸化アンチモンドープ酸化スズ，ＳｎＯ₃＋Ｓｂ）を主成分とする透明導電層１２の加工例とについて説明する。

ＩＴＯを主成分とする透明導電層１２の加工例について説明する。集電用グリッド１１１を形成したガラス基板１１上にＩＴＯ透明導電層１２をスパッタリングで加工する。これにより、集電用グリット１１１は電解液１４と直接接触することがなくなり、長期的に安定した導電性が得られる。この透明導電層１２の膜厚は光の透過性を考慮して６５０ｎｍ以下に設定するとよい。また、図４及び図５に示された集電用端子接触部１１２にはマスクを施して、集電用グリット集電用端子間の接触抵抗の低減を図っている。

ＩＴＯとＡＺＯを主成分とする透明導電層１２の加工例について説明する。集電用グリッド１１１を形成したガラス基板１１上にＩＴＯを形成し、さらにその上にＡＴＯ透明導電層１２をスパッタリングで加工する。これにより、透明導電層１２自体の耐熱性が向上したうえ、集電用グリット１１１は電解液１４と直接接触しなくなり、長期的に安定した導電性が得られる。この透明導電層１２の膜厚は光の透過性を考慮して６５０ｎｍ以下にした。また、図４及び図５に示された集電用端子接触部１１２にはマスクを施して、集電用グリット集電用端子間の接触抵抗の低減を図っている。

本発明に係る色素増感太陽電池の実施形態例を示した概略断面図。本発明に係る色素増感太陽電池の金属容器と封止部材との接触断面を示した概略図。本発明に係る色素増感太陽電池の金属容器と封止部材との接触断面を示した概略図。本発明に係る色素増感太陽電池の集電金属グリットの形態例を示した概略図。本発明に係る色素増感太陽電池の集電金属グリットの形態例を示した概略図。従来技術に係る色素増感型太陽電池の実施形態例を示した概略断面図。

符号の説明

１０…金属セル容器、１０１…テーパー部、１０２…突起部、１１…ガラス基板、１２…透明電極層、１３…半導電体層、１４…電解液、１５…封止部材
１６…金属メッキ層、１７…集電用端子、１８…筒体
１１１…集電グリッド、１１２…集電用端子接触部

Claims

電解液が充填される金属セル容器と、前記金属セル容器の底部において貫通支持される集電用端子と、この集電用端子と接触する集電用グリットが形成されたガラス基板と、このガラス基板が嵌め込まれる枠体の形状に形成されると共に前記金属セル容器の開口部を密閉する封止部材とを備えた色素増感太陽電池の製造方法であって、
前記封止部材に前記ガラス基板を嵌め込み、前記封止部材を冷却収縮させる工程と、
前記冷却収縮させた封止部材を予め加熱膨張させた金属セル容器の開口部に組み込んだ後、前記封止部材と金属セル容器の温度の均一化による前記封止部材の膨張と金属セル容器の収縮により前記開口部を密閉する工程とを有すること
を特徴とする色素増感太陽電池の製造方法。
前記金属セル容器の底部に形成された穴を貫通すると共に前記集電用端子を気密支持させる筒体に当該集電用端子を挿入し、この筒体を冷却収縮させる工程と、
前記形成された穴から電解液を前記金属セル容器内に注入し、この金属セル容器を加熱膨張させる工程と、
前記集電用端子を挿入させた筒体を冷却収縮する工程と、
前記加熱膨張させた金属セル容器の底部の穴に前記収縮させた筒体を挿入し、前記筒体と金属セル容器の温度の均一化によるこの筒体の膨張と金属セル容器の収縮により前記筒体を前記底部において気密支持する工程とを有すること
を特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池の製造方法。
前記封止部材及び筒体はフッ素樹脂またはシリコーン樹脂で構成することを特徴とする請求項１または２記載の色素増感太陽電池の製造方法。
前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の底面を白金によってメッキ処理する工程を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池の製造方法。
前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の面をニッケルによってメッキ処理する工程を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池の製造方法。
前記集電用グリットを前記ガラス基板上において前記集電用端子と接触する集電用端子接触部を中心に格子状または放射格子状に形成し、これに透明電極層をスパッタリング形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池の製造方法。
金属成分を含有させた電導性ペーストによって集電用グリットを形成することを特徴とする請求項６記載の色素増感太陽電池の製造方法。
不燃性揮発溶剤に溶解した微細金属粒子によって集電用グリットを形成することを特徴とする請求項６記載の色素増感太陽電池の製造方法。
前記透明電極層を酸化スズドープ酸化イリジウムで形成することを特徴とする請求項６記載の色素増感太陽電池の製造方法。
前記透明電極層を形成するにあたり、酸化スズドープ酸化イリジウムからなる層を形成し、この層に酸化アンチモンドープ酸化スズからなる層を形成することを特徴とする請求項６記載の色素増感太陽電池の製造方法。
電解液が充填される金属セル容器と、
この金属セル容器の底部において貫通支持される集電用端子と、
この集電用端子と接触する集電用グリットが形成されたガラス基板と、
このガラス基板が嵌め込まれる枠体の形状に形成されると共に前記金属セル容器の開口部を密閉する封止部材と
を備えたこと
を特徴とする色素増感太陽電池。
前記集電用端子が挿入される筒体を備え、
この筒体は前記底部において気密状態で貫通支持されたこと
を特徴とする請求項１１記載の色素増感太陽電池。
前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の上端内周部には前記封止部材を係止する係止部が設けられたことを特徴とする請求項１１または１２記載の色素増感太陽電池。
前記係止部は前記金属セル容器の開口部の径が前記内周上端に向かって徐々に小さくなるように設けられたことを特徴とする請求項１３記載の色素増感太陽電池。
前記係止部は前記金属セル容器の内周中心方向に突起する突起部からなることを特徴とする請求項１３記載の色素増感太陽電池。
前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の底面を白金によってメッキ処理する工程を有することを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池。
前記金属セル容器の電解液が充填される空洞部の面をニッケルによってメッキ処理する工程を有することを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池。
前記集電用グリットは前記ガラス基板上において前記集電用端子と接触する集電用端子接触部を中心に格子状または放射格子状に形成され、これに透明電極層がスパッタリング形成されたことを特徴とする請求項１２から１７のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池。
前記透明電極層は酸化スズドープ酸化イリジウムからなるものであることを特徴とする請求項１８記載の色素増感太陽電池。
前記透明電極層は酸化スズドープ酸化イリジウムからなる層に酸化アンチモンドープ酸化スズからなる層を形成したものであることを特徴とする請求項１８記載の色素増感太陽電池。