JP2009037861A - 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】本発明の色素増感型太陽電池モジュール(20)は、支持体(11)上に透明導電膜(12)とグリッド(13)を備えた導電性支持体と、多孔質半導体層に色素を吸着させた多孔質光電変換層(14)と、キャリア輸送層(15)と、対極(16)を含む色素増感型光電変換素子を複数個接続し、前記色素増感型光電変換素子は直列接続されており、前記色素増感型太陽電池モジュールの単位面積あたりの前記グリッドの面積を、モジュールの中央部から端部に向かって相対的に広くする。
【選択図】図1
Description
本実施形態における支持体11は、一般的に色素増感型太陽電池の支持体として用いられている材料であれば、その材料は特に限定されない。例えば、ガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムなどを用いることができる。なお、支持体のいずれか一方は、光透過性を有することが必要である。ただし、少なくとも後述の増感色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過するものであればよく、必ずしも全ての波長の光に対して透過性を有することは要求されない。
本実施形態における透明導電膜12は、酸化インジウムスズ(ITO、インジウム−錫−酸化物合金ともいう。)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)などがあげられる。これらの膜は、公知の種々の成膜手法を用いることにより作製することができる。
本実施形態におけるグリッド13は、たとえば、支持体11上にグリッド13を形成した後に透明導電膜12を形成する方法や、また、透明導電膜12上にグリッド13を形成する方法を採用できる。また、グリッドを形成する前に、グリッドとのぬれ性がよい材料をあらかじめ下地層として形成しておいてから、グリッドを形成することもできる。
多孔質光電変換層14を形成している多孔質半導体層の構成材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステンなどが挙げられ、これらの中でも、安定性、安全性の点から、酸化チタンが特に好ましく用いられる。
(1)キャリア輸送層上に半導体微粒子を含有する懸濁液を塗布し、乾燥及び/又は焼成する方法。
(2)所定の原料ガスを用いた化学蒸着法(CVD)法又は有機金属化学蒸着法(MOCVD)法等。
(3)固体原料を用いた物理的蒸着(PVD)法、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンメッキ法等。
(4)ゾル−ゲル法等。
多孔質光電変換層14に吸着して光増感剤として機能する色素としては、種々の可視光領域及び/又は赤外光領域に吸収をもつものが挙げられる。さらに、多孔質光電変換層14に色素を強固に吸着させるためには、色素分子中にカルボキシル基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等のインターロック基を有するもの(特に炭素原子1〜3を有する低級のもの)が好ましい。これらの中でも、カルボン酸基及びカルボン酸無水基がより好ましい。なお、インターロック基は、励起状態の色素と多孔質半導体層の伝導帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供するものである。
キャリア輸送層15は、多孔質光電変換層14と接して形成され、色素の酸化体を迅速に還元するために、電子を色素に輸送する機能を担う。
対極16は必ずしも透明である必要はないため、導体であれば特に限定されないが、導電率の観点からは、金属が好ましい。対極は、基板17上に形成されていることが好ましい。好ましく用いられる金属として、Al、Cu、Zn、Au、Ag、Ti、W、Ni、Ptなどが挙げられる。なお、耐腐食性の観点からは、Pt、Ti、W等の金属、ITO、SnO2などの導電性の金属酸化物がより好ましく用いられる。
また、対極としてPt以外の金属を用いる場合、その表面に触媒層を形成することが好ましく、Pt又は炭素で薄層を形成することが好ましい。
前記色素増感型光電変換素子間には厚さ方向に導電性接続層19を設け、透明導電膜12と、隣の対極16とを電気的に接続させるのが好ましい。導電性接続層19は導電性材料からなる。好ましくは、金、銀、白金、クロム、ニッケル、チタンのいずれか又はこれらの2種以上の合金、又は透明導電材料を用いることができ、透明導電膜12、グリッド13又は対極16と、同一の材料からなっていてもよい。また、厚さは、導電性支持体と対極との間の厚みがあればよい。
封止材は、キャリア輸送層の揮発や電池内への水などの浸入を防止するために設けるのが好ましい。また、封止材は、(1)支持体に作用する落下物や応力(衝撃)を吸収する、(2)長期にわたる使用時において支持体に作用するたわみなどを吸収する機能も有する。
まず、酸化スズ付きガラス板(日本板硝子株式会社製、商品名:SnO2膜付きガラス、SnO2膜厚:500nm:ガラス基板形状:縦7cm、横7cm、厚さ0.11cm)を、レーザースクライブ装置を用いて、後に形成する多孔質半導体層のパターンに応じて、多孔質半導体層の隣に0.5mmの幅で、酸化スズを除去した。その上に、図2に示すようなグリッド31a〜31d’のパターンを、グリッド幅(線幅)0.5mmで同一とし、スクリーン印刷法により銀ペーストを用い、形成した。グリッドの本数は、端部から、グリッド31dの部分が12本,グリッド31cの部分が8本,グリッド31bの部分が5本,グリッド31aの部分が3本,グリッド31b’の部分が5本,グリッド31c’の部分が8本,グリッド31d’の部分が12本とした。その上に、同様なマスクパターンを用い、SnO2をCVD装置により形成し、保護層(図示せず)を作製した。その後、市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti−Nanoxide DS/P)を用いて、スクリーン印刷により、多孔質半導体層の幅を、5.5mm、5.3mm、5.1mm、5.0mm、5.1mm、5.3mm、5.5mm、とし、長さを50mmとした多孔質半導体層を形成し、20℃で20分間、予備乾燥した後、電気炉(デンケン株式会社製、商品名“KDF−P70”)を用いて、500℃で1時間焼成した。焼成後の多孔質半導体層の膜厚は20μmであった。多孔質半導体層上のグリッドの積算面積は、グリッド31dの部分が32.7mm2、グリッド31cの部分が21.0mm2、グリッド31bの部分が12.8mm2、31aの部分が7.5mm2、グリッド31b’の部分が12.8mm2、グリッド31c’の部分が21.0mm2、グリッド31d’の部分が32.7mm2であった。
上記実施例1において、グリッドの本数を、端部から、グリッド31dの部分が8本,グリッド31cの部分が5本,グリッド31bの部分が3本,グリッド31aの部分が2本,グリッド31b’の部分が3本,グリッド31c’の部分が5本,グリッド31d’の部分が8本とし、多孔質半導体層の幅を、5.4mm、5.2mm、5.1mm、5.0mm、5.1mm、5.2mm、5.4mm、とし、実施例1と同様にモジュールを作製した。多孔質半導体層上のグリッド面積は、グリッド31dの部分が21.4mm2、グリッド31cの部分が13.0mm2、グリッド31bの部分が7.7mm2、31aの部分が5.0mm2、グリッド31b’の部分が7.7mm2、グリッド31c’の部分が13.0mm2、グリッド31d’の部分が21.4mm2であった。得られたモジュールに、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度、開放電圧、FF(曲線因子)及び光電変換効率を測定した。その条件と結果を表1〜2に示す。
上記実施例1において、グリッドの本数は、端部から、グリッド31dの部分が4本,グリッド31cの部分が3本,グリッド31bの部分が2本,グリッド31aの部分が1本,グリッド31b’の部分が2本,グリッド31c’の部分が3本,グリッド31d’の部分が4本とし、多孔質半導体層の幅を、5.2mm、5.1mm、5.1mm、5.0mm、5.1mm、5.1mm、5.2mm、とし、実施例1と同様にモジュールを作製した。多孔質半導体層上のグリッド面積は、グリッド31dの部分が10.3mm2、グリッド31cの部分が7.7mm2、グリッド31bの部分が5.1mm2、31aの部分が2.5mm2、グリッド31b’の部分が5.1mm2、グリッド31c’の部分が7.7mm2、グリッド31d’の部分が10.3mm2であった。得られたモジュールに、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度、開放電圧、FF(曲線因子)及び光電変換効率を測定した。その条件と結果を表1〜2に示す。
上記実施例1において、グリッドの本数は、端部から、グリッド31dの部分が15本,グリッド31cの部分が12本,グリッド31bの部分が6本,グリッド31aの部分が3本,グリッド31b’の部分が6本,グリッド31c’の部分が12本,グリッド31d’の部分が15本とし、多孔質半導体層の幅を、5.7mm、5.6mm、5.2mm、5.0mm、5.2mm、5.6mm、5.7mm、とし、実施例1と同様にモジュールを作製した。多孔質半導体層上のグリッド面積は、グリッド31dの部分が42.8mm2、グリッド31cの部分が33.3mm2、グリッド31bの部分が15.6mm2、31aの部分が7.5mm2、グリッド31b’の部分が15.6mm2、グリッド31c’の部分が33.3mm2、グリッド31d’の部分が42.8mm2であった。得られたモジュールに、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度、開放電圧、FF(曲線因子)及び光電変換効率を測定した。その条件と結果を表1〜2に示す。
上記実施例1において、グリッドの本数は、端部から、グリッド31dの部分が20本,グリッド31cの部分が15本,グリッド31bの部分が10本,グリッド31aの部分が5本,グリッド31b’の部分が10本,グリッド31c’の部分が15本,グリッド31d’の部分が20本とし、多孔質半導体層の幅を、6.0mm、5.6mm、5.3mm、5.0mm、5.3mm、5.6mm、6.0mm、とし、実施例1と同様にモジュールを作製した。多孔質半導体層上のグリッド面積は、グリッド31dの部分が59.5mm2、グリッド31cの部分が42.0mm2、グリッド31bの部分が26.5mm2、31aの部分が12.5mm2、グリッド31b’の部分が26.5mm2、グリッド31c’の部分が42.0mm2、グリッド31d’の部分が59.5mm2であった。得られたモジュールに、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度、開放電圧、FF(曲線因子)及び光電変換効率を測定した。その条件と結果を表1〜2に示す。
上記実施例1において、グリッドの本数は、端部から、グリッド31dの部分が14本,グリッド31cの部分が10本,グリッド31bの部分が7本,グリッド31aの部分が5本,グリッド31b’の部分が7本,グリッド31c’の部分が10本,グリッド31d’の部分が14本とし、多孔質半導体層の幅を、5.5mm、5.3mm、5.1mm、5.0mm、5.1mm、5.3mm、5.6mm、とし、実施例1と同様にモジュールを作製した。多孔質半導体層上のグリッド面積は、グリッド31dの部分が38.5mm2、グリッド31cの部分が26.5mm2、グリッド31bの部分が17.9mm2、31aの部分が12.5mm2、グリッド31b’の部分が17.9mm2、グリッド31c’の部分が26.5mm2、グリッド31d’の部分が38.5mm2であった。得られたモジュールに、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度、開放電圧、FF(曲線因子)及び光電変換効率を測定した。その条件と結果を表1〜2に示す。
グリッドを形成しなかった以外は上記実施例1と同様に、色素増感型太陽電池モジュールを作製し、得られたモジュールに、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度、開放電圧、FF(曲線因子)及び光電変換効率を測定した。その結果を表2に示す。
実施例1において、多孔質半導体層上のグリッド面積を、すべて7.5mm2と同一面積にした以外は、実施例1と同様に作製し、光電変換効率を測定した。その結果を表2に示す。
*1 中央セルから端部セルに向かって本数増加を示す。
*2 中央セルから端部セルに向かって面積増加を示す。
*3 セルaの面積を1としたとき、b,c,dセルのグリッド面積が何倍になっているかを示す。
*4 隣のセルに対するグリッド面積増加率を示す。
*5 多孔質半導体層面積を増加させていることを示す。
*6 グリッド面積分だけ多孔質半導体層面積を増加させていることを示す。
*7 中央から端部に向かって単位面積あたりのグリッド面積が増加していることを示す。グリッド面積/多孔質半導体層面積
*8 隣のセルへのグリッド面積率の増加率を示す。
12 透明導電膜
13,21a〜21c’,31a〜31d’ グリッド
14 多孔質光電変換層
15 キャリア輸送層
16,16a,16b 対極
17 基板
18a,18b 隔壁
19 導電性接続層
20,30 色素増感型太陽電池モジュール
22,22a〜22c’,32a〜32d’ 導電性接続層
23,33,23a〜23c’,33a〜33d’ 開口部
Claims (6)
- 支持体上に透明導電膜とグリッドを備えた導電性支持体と、多孔質半導体層に色素を吸着させた多孔質光電変換層と、キャリア輸送層と、対極を含む光電変換素子を、複数個接続した色素増感型太陽電池モジュールであって、
前記光電変換素子は直列接続されており、
前記色素増感型太陽電池モジュールの単位面積あたりの前記グリッドの面積を、モジュールの中央部から端部に向かって相対的に広くすることを特徴とする色素増感型太陽電池モジュール。 - 前記色素増感型太陽電池モジュールの光電変換素子あたりの前記グリッドの面積を、モジュールの中央部の光電変換素子から、直列接続方向の端部の光電変換素子に向かって相対的に広くする請求項1に記載の色素増感型太陽電池モジュール。
- 前記グリッドの線幅は前記モジュールの中央部と端部では実質的に同一とし、かつ前記モジュールの中央から端部に向かって前記グリッドの本数を増加させる請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池モジュール。
- 前記モジュールの中央から端部に向かって、さらに前記多孔質光電変換層の面積を広くする請求項1から3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池モジュール。
- 前記グリッドが、くし型である請求項1〜4のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池モジュール。
- 前記色素増感型光電変換素子間には厚さ方向に導電性接続層を設け、前記導電性接続層は導電性支持体と、隣の対極と電気的に接続している請求項1〜5のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池モジュール。
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