JP2009224105A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】時間帯や季節による集光効率の低下を防止することができる色素増感型太陽電池を、簡単な構成を追加するだけで低製造コストにより製造できるようにする。
【解決手段】透明電極４と透明電極５との間には電解質層６が設けられている。電解質層６と透明電極４との間には多孔質層７が設けられている。多孔質層７には光を吸収して励起する色素を含んでいる。透明電極４の多孔質層７側とは反対側の面には、マイクロレンズアレイ８が設けられている。マイクロレンズアレイ８の凸レンズ８ａは多孔質層７に入射する光を集光する。ミラー９は、基板３の透明電極５が設けられている面とは反対側の面に反射面９ａを多孔質層７側として設けられ、色素増感型太陽電池パネル１を透過した太陽光Ｌを多孔質層７に向けて反射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、色素増感型太陽電池に関する。

近年、環境への配慮などにより太陽電池が注目を浴び、普及しつつある。しかし、透明性及び導電性の双方の性質を併せ持つ透明電極の材料となるＳｉ系材料が高価であるため、太陽電池は依然高価な商品であり、太陽電池を常時作動させるランニングコストなども莫大であり、これらの要因が未だに太陽電池が十分に普及していない理由の１つになっている。

そこで、近年、湿式の色素増感型（グレッツェルセル）太陽電池や、乾式の有機膜太陽電池など、Ｓｉ系材料を使用しない太陽電池の改良が進められている（特許文献１，２参照）。

また、特許文献１〜３には、１日の時間帯及び季節による影響を低減して集光効率を高めることで、結果としてコスト低減を図る集光型太陽電池について開示されている（特許文献３〜５）。
特開２００２‐３２４５９１号公報 特開２００７‐２８７５９３号公報 特開平６‐３７３４４号公報 特開平９‐１９９７４９号公報 特開２００４‐４７７５２号公報

色素増感型太陽電池の課題は、Ｓｉ太陽電池に比べて光電変換効率が低いことである。すなわち、最高で２０％を超えるＳｉ太陽電池に比べて、色素増感型太陽電池は高いものでもその半分の１０％程度の光電変換効率しかない。そして、吸収されない光はそのまま透過してしまう。

このように、色素増感型太陽電池は光電変換効率が元来低いにもかかわらず、時間帯や季節により太陽の位置が低くなると集光効率が低下してしまい、発電能力がさらに低下してしまうという不具合がある。

そこで、本発明の目的は、時間帯や季節による集光効率の低下を防止することができる色素増感型太陽電池を、簡単な構成を追加するだけで低製造コストにより製造できるようにすることである。

（１）本発明は、第１の透明電極と、第２の透明電極と、前記第１の透明電極と第２の透明電極との間に設けられた電解質層と、前記電解質層と前記第１の透明電極との間に設けられ、光を吸収して励起する色素を含んでいる多孔質層と、前記第１の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第２の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち一方側に設けられ、前記多孔質層に入射する光を集光する凸レンズと、を備えていることを特徴とする色素増感型太陽電池である。

（２）この場合に、前記第１の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第２の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち前記凸レンズが設けられていない側に設けられ、前記多孔質層に向けて光を反射する反射部材をさらに備えていることを特徴とするようにしてもよい。

（３）また、この場合に、前記凸レンズの焦点距離は前記反射部材で反射した光が前記各部材の外側で焦点を結ぶ距離であることを特徴とするようにしてもよい。

（１）の発明によれば、色素増感型太陽電池に入射する光は凸レンズにより集光されて入射する。これにより、多孔質層への光の集光効率を向上させ、時間帯や季節により太陽の位置が低くなることにより発生する集光効率の低下を防止することができる。このような構成は、色素増感型太陽電池に凸レンズを設けるだけの簡単な構成で実現できるので、製造コストも低く維持することができる。

（２）の発明によれば、色素増感型太陽電池で吸収されずに透過した光は光反射部材で反射され、再度多孔質層に照射され、ある程度多孔質層に吸収されることになるので、時間帯や季節により太陽の位置が低くなることにより発生する集光効率の低下をより一層防止することができる。このような構成は、色素増感型太陽電池にさらに反射部材を設けるだけの簡単な構成で実現できるので、製造コストも低く維持することができる。

（３）の発明によれば、反射部材で反射した光は色素増感型太陽電池の外側で焦点を結ぶので、凸レンズで集光された光により過度な熱が色素増感型太陽電池中で発生することがないので、色素増感型太陽電池に塑性変形が発生することを防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態にかかる色素増感型太陽電池パネルの一部を示す部分拡大縦断面図である。

この色素増感型太陽電池パネル１は、図１に示す構造がその左右にも連続的に構成されていて、パネル状に形成されている。色素増感型太陽電池パネル１は、透明なガラスやプラスチックなどから構成され、互いに対向している基板２及び基板３を備えている。基板２の内側にはＰｔ蒸着などで形成された透明電極４が設けられ、基板３の内側にはＰｔ蒸着などで形成された透明電極（対向電極）５が設けられている。透明電極４と透明電極５との間には電解質層６が設けられている。電解質層６は例えばホウ素を溶かした電解液である。

電解質層６と透明電極４との間には多孔質層７が形成されている。この多孔質層７は、例えば酸化チタン層であり、ルテニウム錯体など、光を吸収して励起する色素を含んでいる。この多孔質層７において光電変換が行なわれる。

基板２の透明電極４側とは反対側の面４ａには多数の凸レンズ８ａが連続的に形成されたマイクロレンズアレイ８が設けられている。この色素増感型太陽電池パネル１では、太陽光Ｌを上方から入射させることを想定していて、マイクロレンズアレイ８は太陽光Ｌを集光して多孔質層７に入射させる。

反射部材となるミラー９は、基板３の透明電極５が設けられている面とは反対側の面に反射面９ａを多孔質層７側として設けられ、色素増感型太陽電池パネル１を透過した太陽光Ｌを多孔質層７に向けて反射する。

また、マイクロレンズアレイ８を構成している各凸レンズ８ａは、その焦点距離がミラー９の反射面９ａで反射した光が色素増感型太陽電池パネル１の前述の各部材の外側で焦点を結ぶような距離に設定されている。前述の構成では、具体的には、マイクロレンズアレイ８、基板２、透明電極４、多孔質層７、電解質層６、透明電極５、及び基板３の合計の厚みの２倍以上の焦点距離があればよい。

次に、色素増感型太陽電池パネル１の動作について説明する。

多孔質層７に太陽光Ｌが入射すると、多孔質層７中の色素が可視光を吸収して励起する。この励起した色素から放出された電子が酸化チタンに移動する。この電子が透明電極４を通過して図示しない外部の回路を通過して電子としての仕事を行い、透明電極５に到達する。そして、電子を放出した多孔質層７中の色素は電解質層６のヨウ素イオンから電子を奪って中和する。この電子を奪われたヨウ素イオンが透明電極５に到達した電子と結合して中和する。以上の動作を繰返すことにより、透明電極４，５間に電力を取り出すことができる。

マイクロレンズアレイ８の凸レンズ８ａの機能について、図２〜図４を参照して説明する。

図２（ａ）には、マイクロレンズアレイ８が設けられていない状態の色素増感型太陽電池パネル１の基板２（透明電極４）に太陽光Ｌが垂直に入射している状態を示している。このように、太陽光Ｌが垂直に入射しているときが、集光効率が最も高い。ここで、透明電極４に入射する光束Ｂのうち、光電変換部となる多孔質層７の単位面積当たりの光束をＢ´とすると、
Ｂ´＝Ｂ／Ｓ
となり、通常、この場合が最も効率が良い。

図２（ｂ）には、マイクロレンズアレイ８が設けられていない状態の色素増感型太陽電池パネル１の基板２（透明電極４）に太陽光Ｌが鋭角に（入射角θ）入射している状態を示している。このように太陽光Ｌの入射角をθとすると、太陽光Ｌの多孔質層７への照度は、cosθとなる（ここでは、全反射しない入射角の範囲で説明する）。この場合に、図２（ａ）の場合と同様に多孔質層７の単位面積当たりの光束をＣとすると、
Ｃ＝Ｂ×cosθ
となる。この関係は、色素増感型太陽電池パネル１の発電効率に直接関係する。ここで、透明電極４に入射する光束Ｃのうち、光電変換部となる多孔質層７の単位面積当たりの光束をＣ´とすると、
Ｃ´＝（Ｂ×cosθ）／Ｓ
となり、
Ｃ´＝Ｂ´×cosθ
という関係が成立する。

次に、図２（ｃ）に示すように、本実施の形態の色素増感型太陽電池パネル１のようにマイクロレンズアレイ８を設ける。このときの多孔質層７の単位面積当たりの光束をＤとすると、
Ｄ＝Ｂ×cosθ
（θが前記と同じであるとすると、“Ｄ−Ｃ”である）
となり、ここで、光電変換部となる多孔質層７における単位面積当たりの光束Ｄ´は、
Ｄ´＝（Ｂ×cosθ）／Ｓ×（ｆ／（ｆ−ｇ））^２）
となる。ここで、図３に示すように、ｆはマイクロレンズアレイ８の凸レンズ８ａの焦点距離であり、ｇは凸レンズ８ａのレンズ面８ａ１から光電変換面７ａまでの距離である。光電変換面７ａは多孔質層７中のある面である。

このように集光倍率分Ｄ´は、増加し、光束の断面積は減少する。さらに、透過した光の反射光が多孔質層７に集光するので、多孔質層７の部分Ｅ（多孔質層７中で光を受けている部分）全体として光電変換効率が向上する。

そして、この場合の光電変換面７ａの凸レンズ８ａからの太陽光Ｌが直接当たる面積Ｓは、
Ｓ＝（１−ｇ／ｆ）^２
となり、光束の集光度ｌは、
ｌ＝（ｆ／（ｆ−ｇ））^２
となる。

図４は、焦点距離ｆを固定し、距離ｇを変えて、これらの比ｇ／ｆ、面積Ｓ、集光度ｌをそれぞれ計算したときの各値の一覧表である。図５は、ｇ／ｆの値に応じて変動する面積Ｓ、集光度ｌの変化を示すグラフである。凸レンズ８ａのレンズ面８ａ１から光電変換面７ａまでの距離ｇが焦点距離ｆに近づくほど、光電変換面７ａの凸レンズ８ａからの太陽光Ｌが直接当たる面積Ｓの範囲は狭まるが、集光度は向上することがわかる。

また、発電に寄与することなく多孔質層７をそのまま通過した太陽光Ｌは、ミラー９の反射面９ａで反射して、再び多孔質層７に戻る。これにより、集光効率が低下することを防止できるので、光電変換効率をさらに高く維持することができる。

よって、色素増感型太陽電池パネル１によれば、マイクロレンズアレイ８とミラー９を設けたことにより、このようなマイクロレンズアレイ８やミラー９を設けない場合に比べ、時間帯や季節により太陽の位置が低くなっても、集光効率が低下することを防止することができて、色素増感型太陽電池パネル１の発電能力を比較的高く維持することができる。しかも、そのためにはマイクロレンズアレイ８やミラー９を設けるだけでよいので、構成が簡単であり、製造コストの増大を招くこともない。

さらに、この場合に、マイクロレンズアレイ８の凸レンズ８ａは、その焦点距離がミラー９の反射面９ａで反射した光が色素増感型太陽電池パネル１の外側で焦点を結ぶような距離に設定されている。したがって、凸レンズ８ａで集光された光により過度な熱が色素増感型太陽電池１中で発生することがないので、色素増感型太陽電池１に塑性変形が発生することを防止することができる。

なお、前述の例では、太陽光Ｌは図１の上方からマイクロレンズアレイ８に入射することを想定しているが、図１の下方から入射させるようにしてもよい。その場合は、マイクロレンズアレイ８を基板３の透明電極５側とは反対側の面に設け、ミラー９を基板２の多孔質層７側とは反対側の面に反射面９ａを多孔質層７側に向けて設ければよい。

また、ミラー９の反射面９ａは、色素増感型太陽電池パネル１の横端面にも設けて良い。これにより、当該横端面のミラー９の反射面９ａが色素増感型太陽電池パネル１への入射光や図１に示す最下層のミラー９の反射面９ａで反射された光を、当該横端面から漏れるのを防止し、当該光を再度反射させて多孔質層７に戻すことができる。よって、このような色素増感型太陽電池パネル１の横端面から漏れる光も有効活用して、集光効率の低下を防止することができる。

本発明の一実施形態である色素増感型太陽電池パネルの一部を示す部分拡大縦断面図であるである。 マイクロレンズアレイの凸レンズの機能について説明する説明図である。 マイクロレンズアレイの凸レンズの機能について説明する説明図である。 マイクロレンズアレイの凸レンズの機能について説明する表である。 マイクロレンズアレイの凸レンズの機能について説明するグラフである。

符号の説明

１ 色素増感型太陽電池パネル
４ 透明電極
５ 透明電極
６ 電解質層
７ 多孔質層
８ａ 凸レンズ
９ ミラー

Claims (3)

1. 第１の透明電極と、
   第２の透明電極と、
   前記第１の透明電極と第２の透明電極との間に設けられた電解質層と、
   前記電解質層と前記第１の透明電極との間に設けられ、光を吸収して励起する色素を含んでいる多孔質層と、
   前記第１の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第２の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち一方側に設けられ、前記多孔質層に入射する光を集光する凸レンズと、
   を備えていることを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記第１の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第２の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち前記凸レンズが設けられていない側に設けられ、前記多孔質層に向けて光を反射する反射部材をさらに備えてい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。
3. 前記凸レンズの焦点距離は前記反射部材で反射した光が前記各部材の外側で焦点を結ぶ距離であることを特徴とする請求項２に記載の色素増感型太陽電池。

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