JP2009252522A - 光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】導電性基板を不要とし、低コスト化及び受光効率化を図ることが可能な、新しい構造を有する光電変換素子を提供する。
【解決手段】別体をなす第一電極10と第二電極13とが、少なくとも一つずつ、電解質14を介して配されてなる光電変換素子であって、前記第一電極10、前記第二電極13及び前記電解質14は、略円筒状の筐体内15に収納されており、前記第二電極13は、前記筐体内15において、その長手方向に延びる線状をなしており、前記第一電極10は、少なくとも導電性を有する第一線材11と、該第一線材11の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体12とから構成されており、該第一電極10は、前記第二電極13の外側を巡るようにスパイラル状に形成され、かつ、前記筐体15の内面側に向けて弾性的に付勢されていることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】別体をなす第一電極10と第二電極13とが、少なくとも一つずつ、電解質14を介して配されてなる光電変換素子であって、前記第一電極10、前記第二電極13及び前記電解質14は、略円筒状の筐体内15に収納されており、前記第二電極13は、前記筐体内15において、その長手方向に延びる線状をなしており、前記第一電極10は、少なくとも導電性を有する第一線材11と、該第一線材11の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体12とから構成されており、該第一電極10は、前記第二電極13の外側を巡るようにスパイラル状に形成され、かつ、前記筐体15の内面側に向けて弾性的に付勢されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、色素増感型太陽電池等に用いる光電変換素子およびその製造方法に関する。
色素増感型太陽電池は、スイスのグレッツェルらのグループなどから提案されたもので、安価で高い変換効率を得られる光電変換素子として着目されている(例えば、特許文献1、非特許文献1を参照)。
図5は、従来の色素増感型太陽電池の一例を示す断面図である。
この色素増感型太陽電池100は、増感色素を担持させた多孔質半導体電極(以下、色素増感半導体電極とも呼ぶ)103が一方の面に形成された第一基板101と、導電膜104が形成された第二基板105と、これらの間に封入された例えばヨウ素/ヨウ化物イオンなどの酸化還元対を含む電解質層106を主な構成要素としている。
この色素増感型太陽電池100は、増感色素を担持させた多孔質半導体電極(以下、色素増感半導体電極とも呼ぶ)103が一方の面に形成された第一基板101と、導電膜104が形成された第二基板105と、これらの間に封入された例えばヨウ素/ヨウ化物イオンなどの酸化還元対を含む電解質層106を主な構成要素としている。
第一基板101としては光透過性の板材が用いられ、第一基板101の色素増感半導体電極103と接する面には導電性を持たせるために透明導電層102が配置されており、第一基板101、透明導電層102及び色素増感半導体電極103により作用極(窓極)108をなす。
一方、第二基板105としては、電解質層106と接する側の面には導電性を持たせるために例えば炭素や白金からなる導電層104が設けられ、第二基板105及び導電層104により対極109を構成している。
一方、第二基板105としては、電解質層106と接する側の面には導電性を持たせるために例えば炭素や白金からなる導電層104が設けられ、第二基板105及び導電層104により対極109を構成している。
色素増感半導体電極103と導電層104が対向するように、第一基板101と第二基板105を所定の間隔をおいて配置し、両基板間の周辺部に例えば熱可塑性樹脂からなる封止剤107を設ける。そして、この封止剤107を介して2つの基板101、105を貼り合わせてセルを組み上げ、電解液の注入口110を通して、両極108、109間にヨウ素/ヨウ化物イオンなどの酸化還元対を含む有機電解液を充填し、電荷移送用の電解質層106を形成したものが挙げられる。
このような色素増感型の光電変換素子は、特に光が入射する側の電極(窓電極)には、可視光の透過性と高い伝導性が要求されるため、ガラス基板やプラスチック基板上に、スズドープ酸化インジウム(ITO)や、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)といった透明導電性金属酸化物を塗布した基板が用いられてきた。
しかしながら、上述した色素増感型光電変換素子の導電性基板に用いられているインジウム(In)等は、希少金属であり、昨今の価格の高騰からも、光電変換素子の低コスト化を阻害する要因となっている。したがって、導電性基板を必要とせず、希少金属の使用量を抑制できる構造とした色素増感型の光電変換素子が実現すれば、大幅な低コスト化が図れることから、その開発が期待されていた。また、従来の導電性基板を用いる構造では、曲げに対するストレスに弱いという問題もあり、その改善も求められていた。
特開平1−220380号公報
M.Graetzel et al., Nature, 737, p.353, 1991
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、導電性基板を不要とし、低コスト化が図れるとともに、優れた受光効率を備えることが可能な、新しい構造を有する光電変換素子を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、導電性基板を不要として低コスト化を図りつつ、優れた受光効率を実現できる新しい構造の光電変換素子を、容易にかつ大量に、安定して製造可能な光電変換素子の製造方法を提供することを第二の目的とする。
また、本発明は、導電性基板を不要として低コスト化を図りつつ、優れた受光効率を実現できる新しい構造の光電変換素子を、容易にかつ大量に、安定して製造可能な光電変換素子の製造方法を提供することを第二の目的とする。
本発明の請求項1に記載の光電変換素子は、別体をなす第一電極と第二電極とが、少なくとも一つずつ、電解質を介して配されてなる光電変換素子であって、前記第一電極、前記第二電極及び前記電解質は、略円筒状の筐体内に収納されており、前記第二電極は、前記筐体内において、その長手方向に延びる線状をなしており、前記第一電極は、少なくとも導電性を有する第一線材と、該第一線材の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体とから構成されており、該第一電極は、前記第二電極の外側を巡るようにスパイラル状に形成され、かつ、前記筐体の内面側に向けて弾性的に付勢されていることを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の光電変換素子は、請求項1において、前記第一電極が、前記筐体の内面に当接していることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の光電変換素子の製造方法は、別体をなす第一電極と第二電極とが、少なくとも一つずつ、電解質を介して配され、前記第一電極、前記第二電極及び前記電解質は、略円筒状の筐体内に収納されており、前記第二電極は、前記筐体内において、その長手方向に延びる線状をなしており、前記第一電極は、少なくとも導電性を有する第一線材と、該第一線材の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体とから構成されており、該第一電極は、前記第二電極の外側を巡るようにスパイラル状に形成された光電変換素子の製造方法であって、前記第一電極を前記筐体内に収納するに際して、該第一電極を、そのスパイラル形状を弾性変形せしめて軸線方向に引張し伸線して、前記筐体内に収納し、前記引張を解くことにより前記スパイラル形状を弾性復帰せしめることにより拡径し、その外周面を前記筐体内面方向に付勢するようにしたことを特徴とする。
本発明に係る光電変換素子は、導電性を有する第一線材と、該第一線材の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体層とから構成された第一電極を用いることにより、導電性基板が不要となり、低コスト化が図れる新しい構造を有するものとなる。特に、導電性基板を用いることなく第一電極をスパイラル形状としたので、曲げに対するストレスにも強い構造を実現できる。また、該第一電極のスパイラル形状が、前記筐体側に向かって付勢していることで、筐体内に保持された前記電解質が第一電極の受光の障害となることを回避しようとし、前記筐体を通して入射する光をより有効に活用することができる。
本発明に係る光電変換素子の製造方法は、前述した新しい構造の光電変換素子を製造するにあたり、まず、前記第一電極を前記筐体内に収納するに際して、該第一電極を、そのスパイラル形状を弾性変形せしめて軸線方向に引張し伸線して、前記筐体内に収納する。その後、前記引張を解くことにより前記スパイラル形状を弾性復帰せしめることにより拡径し、その外周面を前記筐体内面方向に付勢するようにした。これにより、前述した新しい構造の光電変換素子を、容易にかつ大量に、安定して製造することが可能となる。
本発明に係る光電変換素子の製造方法は、前述した新しい構造の光電変換素子を製造するにあたり、まず、前記第一電極を前記筐体内に収納するに際して、該第一電極を、そのスパイラル形状を弾性変形せしめて軸線方向に引張し伸線して、前記筐体内に収納する。その後、前記引張を解くことにより前記スパイラル形状を弾性復帰せしめることにより拡径し、その外周面を前記筐体内面方向に付勢するようにした。これにより、前述した新しい構造の光電変換素子を、容易にかつ大量に、安定して製造することが可能となる。
(第1実施形態)
図1(a)は、本発明の一実施形態として示す光電変換素子の概略構成を表す概念図、図1(b)は図1(a)におけるα−α断面図、図2は図1に示す光電変換素子の要部の拡大図である。図3は、図1に示す光電変換素子の第一電極及び第二電極の構造を具体的に示している。
図1乃至図3において、符号1は色素増感型の光電変換素子、10は第一電極(作用極)、13は第二電極(対極)、14は電解質層、15は筐体をそれぞれ示している。更に、図3及び図4において、11は第一線材、12は多孔質酸化物半導体層を示している。
図1(a)は、本発明の一実施形態として示す光電変換素子の概略構成を表す概念図、図1(b)は図1(a)におけるα−α断面図、図2は図1に示す光電変換素子の要部の拡大図である。図3は、図1に示す光電変換素子の第一電極及び第二電極の構造を具体的に示している。
図1乃至図3において、符号1は色素増感型の光電変換素子、10は第一電極(作用極)、13は第二電極(対極)、14は電解質層、15は筐体をそれぞれ示している。更に、図3及び図4において、11は第一線材、12は多孔質酸化物半導体層を示している。
図1に示すように、この光電変換素子1は、別体をなす第一電極10と第二電極13とが、少なくとも一つずつ配され、電解質層14が封入された略円筒状の筐体15内に収納されたものである。
第一電極10と第二電極13の位置関係は、図1〜図3に示すように、まず第二電極13が筐体15内において長手方向に延びる線状をなし、これに対し第一電極10が第二電極13の外側を巡るようにスパイラル状に形成されている。この際、第一電極10は、そのスパイラル形状が、筐体15の内面側に向けて弾性的に付勢されており、該筐体15の内面に当接している。この状態で、筐体内15には、第一電極10と第二電極13とを内在させた状態で、電解質14が封入されている。
第一電極10と第二電極13の位置関係は、図1〜図3に示すように、まず第二電極13が筐体15内において長手方向に延びる線状をなし、これに対し第一電極10が第二電極13の外側を巡るようにスパイラル状に形成されている。この際、第一電極10は、そのスパイラル形状が、筐体15の内面側に向けて弾性的に付勢されており、該筐体15の内面に当接している。この状態で、筐体内15には、第一電極10と第二電極13とを内在させた状態で、電解質14が封入されている。
第一電極10は、詳細が図3に示されているように、少なくとも導電性を有する第一線材11と、該第一線材11の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体層12とから構成され、スパイラル形状をなしている。
第一線材11の材質は、色素が担持できるような担体であれば良く、Ti、Ni、W、Zr、Moのいずれか、またはこれらの合金からなるワイヤや、中空の線材、棒材などが例として挙げられる。また、導電性を有し、かつ、電解質に対して電気化学的に不活性な材質からなる線状基材を、例えば、Ti、Ni、W、Zr、Moのいずれか、またはこれらの合金で被覆したものも第一線材11として用いられる。以上のとおりであるが、該第一線材11としては、電解質に腐食されないもので、例えば、特に酸化チタン被覆のチタン線が望ましい。
このような第一線材11の太さ(直径)は、特に限定されるものではないが、スパイラル形状の弾性を保つために、例えば、0.9mm程度とし、ピッチは2mm幅とするのが好ましい。
このような第一線材11の太さ(直径)は、特に限定されるものではないが、スパイラル形状の弾性を保つために、例えば、0.9mm程度とし、ピッチは2mm幅とするのが好ましい。
多孔質酸化物半導体層12は、第一線材11の周囲に設けられており、その表面には少なくとも一部に増感色素が担持されている。
なお、多孔質酸化物半導体層12は、第一線材11の外周の一部のみを覆うものであってもよいが、光収集能力の低下、逆電子移動反応の促進などがあるため、第一線材11の外周を完全に覆うことが好ましい。
なお、多孔質酸化物半導体層12は、第一線材11の外周の一部のみを覆うものであってもよいが、光収集能力の低下、逆電子移動反応の促進などがあるため、第一線材11の外周を完全に覆うことが好ましい。
多孔質酸化物半導体層12を形成する半導体としては特に限定されず、通常、光電変換素子1用の多孔質酸化物半導体を形成するのに用いられるものであれば、いかなるものでも用いることができる。このような半導体としては、例えば、酸化チタン(TiO2 )、酸化スズ(SnO2 )、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO3 )などを用いることができる。
多孔質酸化物半導体層12を、酸化チタン層とする場合、該酸化チタン層12は、空気中でチタン線を焼成し、形成することが出来る。又は、半導体微粒子の懸濁液をコーティングして乾燥し、多孔質酸化チタン層12を形成しても良い。
多孔質酸化物半導体層12を形成する方法としては、例えば、市販の酸化物半導体微粒子を所望の分散媒に分散させた分散液、あるいは、ゾル−ゲル法により調整できるコロイド溶液を、必要に応じて所望の添加剤を添加した後、コロイド溶液中に浸漬して電気泳動により酸化物半導体微粒子を基板上に付着させる泳動電着法、コロイド溶液や分散液に発泡剤を混合して塗布した後、焼結して多孔質化する方法、ポリマーマイクロビーズを混合して塗布した後、このポリマーマイクロビーズを加熱処理や化学処理により除去して空隙を形成させ多孔質化する方法などを適用することができる。
かかる多孔質酸化物半導体層12の厚みとしては、特に限定されるものではないが、例えば、1[μm]〜50[μm]が好ましい。
かかる多孔質酸化物半導体層12の厚みとしては、特に限定されるものではないが、例えば、1[μm]〜50[μm]が好ましい。
ガラス、プラスチックなどからなる透明基材上に、FTOやITOなどの透明導電膜が形成されてなる透明導電性基板を用いた従来の電極(作用極)では、透明基材の耐熱性の問題から多孔質酸化物半導体層の形成時に、高温での焼成が難しかったが、この第一電極10では、上記のような問題がなく、高温で十分に焼成できるため、光電変換素子1用電極(作用極)として好適である。
増感色素としては、N719色素に代えて、N3、ビピリジン構造、ターピリジン構造などを配位子に含むルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニンなどの含金属錯体をはじめ、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などを適用することができ、これらの中から用途、使用半導体に適した励起挙動をとるものを適宜選択すれば良い。
第二電極13は、線状をなす。第二電極13の材質としては、金属なら任意のものでよいが、耐食性の良い金属であること等を考慮すると、特に白金(Pt)が好ましい。その他第二電極として用いられるものとしては、カーボン、導電性高分子が考えられる。また、導電性を有し、かつ、電解質に対して電気化学的に不活性な材質からなる線状基材をPtで被覆したものや、上記線状基材をカーボンや導電性高分子で被覆したものも第二電極13として用いられる。このような第二電極13では電解質との電荷の授受が速やかに進行する。
このような線状基材としては、具体的には、例えば、Ti、Ni、W、Rh、Moなどの不活性金属、あるいは炭素繊維などが挙げられる。
このような線状基材としては、具体的には、例えば、Ti、Ni、W、Rh、Moなどの不活性金属、あるいは炭素繊維などが挙げられる。
上記カーボンとしては、具体的には、例えば、グラファイト化(結晶化)カーボンあるいは非晶質カーボン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、カーボンブラックなどの粒子をペースト化し、塗布してもよい。このようなカーボンを使用する場合には、加熱、焼成処理などにより不要吸着物を除去して用いた方が、ヨウ素レドックス対の電極反応が円滑に進むようになるので好ましい。
また、第二電極13の材料を構成する導電性高分子としては、例えば、PEDOT[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):「ポリエチレンジオキシチオフェン」]誘導体や、PANI[Polyaniline]誘導体などが挙げられる。
また、第二電極13の材料を構成する導電性高分子としては、例えば、PEDOT[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):「ポリエチレンジオキシチオフェン」]誘導体や、PANI[Polyaniline]誘導体などが挙げられる。
電解質層14は、多孔質酸化物半導体層12内に電解液を含浸させてなるものか、または、多孔質酸化物半導体層12内に電解液を含浸させた後に、この電解液を適当なゲル化剤を用いてゲル化(擬固体化)して、多孔質酸化物半導体層12と一体に形成されてなるもの、あるいは、イオン液体をベースとしたもの、さらには、酸化物半導体粒子および導電性粒子を含むゲル状の電解質のみならず、p型無機半導体や有機ホール輸送層といった固体も制限なく用いられる。
上記電解液としては、ヨウ素、ヨウ化物イオン、ターシャリーブチルピリジンなどの電解質成分が、エチレンカーボネートやメトキシアセトニトリルなどの有機溶媒やイオン性液体に溶解されてなるものが用いられる。
この電解液をゲル化する際に用いられるゲル化剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などが挙げられる。
この電解液をゲル化する際に用いられるゲル化剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などが挙げられる。
上記イオン液体としては、特に限定されるものではないが、室温で液体であり、例えば、四級化された窒素原子を有する化合物をカチオンとした常温溶融塩が挙げられる。
常温溶融塩のカチオンとしては、四級化イミダゾリウム誘導体、四級化ピリジニウム誘導体、四級化アンモニウム誘導体などが挙げられる。
常温溶融塩のアニオンとしては、BF4 −、PF6 −、(HF)n −、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド[N(CF3S02)2 −]、ヨウ化物イオンなどが挙げられる。
イオン液体の具体例としては、四級化イミダゾリウム系カチオンとヨウ化物イオンまたはビストリフルオロメチルスルホニルイミドイオンなどからなる塩類を挙げることができる。
常温溶融塩のカチオンとしては、四級化イミダゾリウム誘導体、四級化ピリジニウム誘導体、四級化アンモニウム誘導体などが挙げられる。
常温溶融塩のアニオンとしては、BF4 −、PF6 −、(HF)n −、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド[N(CF3S02)2 −]、ヨウ化物イオンなどが挙げられる。
イオン液体の具体例としては、四級化イミダゾリウム系カチオンとヨウ化物イオンまたはビストリフルオロメチルスルホニルイミドイオンなどからなる塩類を挙げることができる。
上記酸化物半導体粒子としては、物質の種類や粒子サイズなどが特に限定されないが、イオン液体を主体とする電解液との混和性に優れ、この電解液をゲル化させるようなものが用いられる。また、酸化物半導体粒子は、電解質の半導電性を低下させることがなく、電解質に含まれる他の共存成分に対する化学的安定性に優れることが必要である。特に、電解質がヨウ素/ヨウ化物イオンや、臭素/臭化物イオンなどの酸化還元対を含む場合であっても、酸化物半導体粒子は、酸化反応による劣化を生じないものが好ましい。
このような酸化物半導体粒子としては、TiO2、SnO2、SiO2、ZnO、Nb2O5、In2O3、ZrO2、Al2O3、WO3、SrTiO3、Ta2O5、La2O3、Y2O3、Ho2O3、Bi2O3、CeO2 からなる群から選択される1種または2種以上の混合物が好ましく、その平均粒径は2nm〜1000nm程度が好ましい。
上記導電性微粒子としては、導電体や半導体など、導電性を有する粒子が用いられる。
また、導電性粒子の種類や粒子サイズなどは特に限定されないが、イオン液体を主体とする電解液との混和性に優れ、この電解液をゲル化するようなものが用いられる。さらに、電解質に含まれる他の共存成分に対する化学的安定性に優れることが必要である。特に、電解質がヨウ素/ヨウ化物イオンや、臭素/臭化物イオンなどの酸化還元対を含む場合でも、酸化反応による劣化を生じないものが好ましい。
また、導電性粒子の種類や粒子サイズなどは特に限定されないが、イオン液体を主体とする電解液との混和性に優れ、この電解液をゲル化するようなものが用いられる。さらに、電解質に含まれる他の共存成分に対する化学的安定性に優れることが必要である。特に、電解質がヨウ素/ヨウ化物イオンや、臭素/臭化物イオンなどの酸化還元対を含む場合でも、酸化反応による劣化を生じないものが好ましい。
このような導電性微粒子としては、カーボンを主体とする物質からなるものが挙げられ、具体例としては、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、カーボンブラックなどの粒子を例示できる。これらの物質の製造方法はいずれも公知であり、また、市販品を用いることもできる。
筐体15としては、太陽光を透過する光学特性を有する部材が用いられる。太陽光を透過する光学特性を有する部材としては特に限定されないが、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ガラスなど透明で剛性のある材質からなる部材が挙げられる。また、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどの透明で可撓性や柔軟性のある材質からなる部材を用いることで、光電変換素子1に可撓性や柔軟性を付与することができる。
以上、本発明の光電変換素子について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、第一電極10および第二電極13の断面が略円形状をなす場合を例に挙げて説明してきたが、本発明はこれに限定されず、それぞれの電極の断面は楕円、三角形、四角形、星型、その他の多角形など形状を問わない。また、これらの形状を組み合わせてもよい。中でも円や楕円、特に作用極が円であれば、あらゆる方向から入射する光に対してほぼ同じ感度を示し、第二電極13の断面が円形状であれば、第一電極10上に生じる影になる部分の面積を最小限にするので、素子全体としての光の入射方向に対する変換効率の変動、低下が少ない構成が得られる。さらに、断面が円形状の金属線は、延伸によりもっとも安価に製造できるため、コストメリットの高い構成とすることができる。
第一電極10および第二電極13の数も、上述した例に限定されない。例えば、図4は、一本の第二電極13の外周に同じ太さを有する八本の第一電極10を配した構成例であるが、第一電極10の本数を増減した構成としてもよい。また、異なる太さを有する第一電極10を何種類か用い、これらを順番にあるいは無作為に混在させた構成とすることも可能である。
また、上述した図1、図2の構成例は、第一電極10は、第二電極13の外面上を、スパイラル状に配された一例を示しているが、例えば、両電極間も満たすように配される電解質層14の特性に応じて、両電極間の離間距離を適宜調整して、発電特性を制御できる。特に、スパイラル状とする場合には、隣接して同様にスパイラル状に配置される第一電極10同士の間隔や、スパイラル状に巻き付ける角度などを適宜調整することによっても、発電特性を制御可能となる。
次に、本発明による光電変換素子1の製造方法について説明する。
図1は、光電変換素子1が完成した状態を示しているが、この図に示すガラス製の筐体15は当初その両端が開口した状態にある。
この状態において、筐体15内に第一電極10を挿入配置する。この場合、第一電極10は、例えばチタン線が用いられ、スパイラル形状に形成されて弾性変形可能であり、この第一電極10のスパイラル形状を弾性変形せしめてその軸線方向に引張し伸線して、筐体15内に配置する。そして、この第一電極10の一端11aを筐体15の内面にはんだ等で固着する。その後この第一電極10の引張力を解除してそのスパイラル形状を弾性復帰せしめ、これを拡径させる。
この場合、第一電極10の外周面を図1、図2に示すように筐体15の内面に当接させる。そして、筐体15の一端をバーナーで加熱して封じ、更にこの筐体15を高温雰囲気下において、第一電極10を構成するチタン線を焼成し、その表面に酸化チタンの層を形成する。この層の厚みは特に限定されるものではないが、例えば1〜50μmが好ましい。
次に、筐体15内に3×10−4mol/LのN719色素溶液を入れる。色素溶液に酸化チタンを3日間侵漬して、十分に色素を吸着させた後、余分な色素をアセトニトリルとt−ブタノールの混合溶媒で取り除く。次に、筐体15内にヨウ素を含む電解質を入れ、第一電極10を構成するチタン線と短絡しないように第二電極13を構成する白金線を中心に通す。最後に、筐体15の開いている片端を封じ、一次元構造の色素増感太陽電池とする。
なお、上記の酸化チタン層の形成方法としては、半導体微粒子の懸濁液をコーティングして、乾燥し多孔質酸化チタン層を形成しても良い。
また、この実施の形態においては、第一電極10の外周面を筐体15の内面に当接させるように構成したが、第一電極10を筐体15の内面に当接させることなく、適宜所望の電気的特性を得るために、筐体15の内面から一定寸法離間させる構成としてもよい。
図1は、光電変換素子1が完成した状態を示しているが、この図に示すガラス製の筐体15は当初その両端が開口した状態にある。
この状態において、筐体15内に第一電極10を挿入配置する。この場合、第一電極10は、例えばチタン線が用いられ、スパイラル形状に形成されて弾性変形可能であり、この第一電極10のスパイラル形状を弾性変形せしめてその軸線方向に引張し伸線して、筐体15内に配置する。そして、この第一電極10の一端11aを筐体15の内面にはんだ等で固着する。その後この第一電極10の引張力を解除してそのスパイラル形状を弾性復帰せしめ、これを拡径させる。
この場合、第一電極10の外周面を図1、図2に示すように筐体15の内面に当接させる。そして、筐体15の一端をバーナーで加熱して封じ、更にこの筐体15を高温雰囲気下において、第一電極10を構成するチタン線を焼成し、その表面に酸化チタンの層を形成する。この層の厚みは特に限定されるものではないが、例えば1〜50μmが好ましい。
次に、筐体15内に3×10−4mol/LのN719色素溶液を入れる。色素溶液に酸化チタンを3日間侵漬して、十分に色素を吸着させた後、余分な色素をアセトニトリルとt−ブタノールの混合溶媒で取り除く。次に、筐体15内にヨウ素を含む電解質を入れ、第一電極10を構成するチタン線と短絡しないように第二電極13を構成する白金線を中心に通す。最後に、筐体15の開いている片端を封じ、一次元構造の色素増感太陽電池とする。
なお、上記の酸化チタン層の形成方法としては、半導体微粒子の懸濁液をコーティングして、乾燥し多孔質酸化チタン層を形成しても良い。
また、この実施の形態においては、第一電極10の外周面を筐体15の内面に当接させるように構成したが、第一電極10を筐体15の内面に当接させることなく、適宜所望の電気的特性を得るために、筐体15の内面から一定寸法離間させる構成としてもよい。
このような光電変換素子1によると、従来の電極のようにガラス基板や、透明導電膜を用いないため、安価に電極を製造することができる。
また、スパイラル状をなす第一電極10の外周面が受光面となるため、照射光に対する投影面積を増大することができ、かつ光入射角度依存性が少なくなることが期待される。
また、第一電極10をスパイラル状に配することで、光電変換素子1は可撓性に優れ曲げに対するストレスに強い構造を実現できる。
さらに、第一電極10がスパイラル形状をなし、第二電極13が線状をなすことで、システム設計上の自由度が向上する。
またさらに、スパイラル状をなす第一電極10の外周面が、より入射される光に接近又は当接しているため、筐体15内に保持された電解質14が第一電極10の受光の障害となることを防止し、筐体15を通して入射する光をより有効に活用することができる。
またさらに、本実施形態の光電変換素子1では、前記第一電極10は、前記第二電極13と前記筐体15との間に1又は複数配されるので、受光効率に優れる。
前述した新しい構造の光電変換素子を製造するにあたっては、まず、前記第一電極を前記筐体内に収納するに際して、該第一電極を、そのスパイラル形状を弾性変形せしめて軸線方向に引張し伸線して、前記筐体内に収納する。その後、前記引張を解くことにより前記スパイラル形状を弾性復帰せしめることにより拡径し、その外周面を前記筐体内面方向に付勢するようにした。これにより、前述した新しい構造の光電変換素子を、容易にかつ大量に、安定して製造することが可能となる。
また、スパイラル状をなす第一電極10の外周面が受光面となるため、照射光に対する投影面積を増大することができ、かつ光入射角度依存性が少なくなることが期待される。
また、第一電極10をスパイラル状に配することで、光電変換素子1は可撓性に優れ曲げに対するストレスに強い構造を実現できる。
さらに、第一電極10がスパイラル形状をなし、第二電極13が線状をなすことで、システム設計上の自由度が向上する。
またさらに、スパイラル状をなす第一電極10の外周面が、より入射される光に接近又は当接しているため、筐体15内に保持された電解質14が第一電極10の受光の障害となることを防止し、筐体15を通して入射する光をより有効に活用することができる。
またさらに、本実施形態の光電変換素子1では、前記第一電極10は、前記第二電極13と前記筐体15との間に1又は複数配されるので、受光効率に優れる。
前述した新しい構造の光電変換素子を製造するにあたっては、まず、前記第一電極を前記筐体内に収納するに際して、該第一電極を、そのスパイラル形状を弾性変形せしめて軸線方向に引張し伸線して、前記筐体内に収納する。その後、前記引張を解くことにより前記スパイラル形状を弾性復帰せしめることにより拡径し、その外周面を前記筐体内面方向に付勢するようにした。これにより、前述した新しい構造の光電変換素子を、容易にかつ大量に、安定して製造することが可能となる。
1 光電変換素子、10 第一電極、11 第一線材、12 多孔質酸化物半導体層、13 第二電極、14 電解質層、15 筐体。
Claims (3)
- 別体をなす第一電極と第二電極とが、少なくとも一つずつ、電解質を介して配されてなる光電変換素子であって、
前記第一電極、前記第二電極及び前記電解質は、略円筒状の筐体内に収納されており、
前記第二電極は、前記筐体内において、その長手方向に延びる線状をなしており、
前記第一電極は、少なくとも導電性を有する第一線材と、該第一線材の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体とから構成されており、該第一電極は、前記第二電極の外側を巡るようにスパイラル状に形成され、かつ、前記筐体の内面側に向けて弾性的に付勢されていることを特徴とする光電変換素子。 - 前記第一電極は、前記筐体の内面に当接していることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
- 別体をなす第一電極と第二電極とが、少なくとも一つずつ、電解質を介して配され、前記第一電極、前記第二電極及び前記電解質は、略円筒状の筐体内に収納されており、前記第二電極は、前記筐体内において、その長手方向に延びる線状をなしており、前記第一電極は、少なくとも導電性を有する第一線材と、該第一線材の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体とから構成されており、該第一電極は、前記第二電極の外側を巡るようにスパイラル状に形成された光電変換素子の製造方法であって、
前記第一電極を前記筐体内に収納するに際して、該第一電極を、そのスパイラル形状を弾性変形せしめて軸線方向に引張し伸線して、前記筐体内に収納し、
前記引張を解くことにより前記スパイラル形状を弾性復帰せしめることにより拡径し、その外周面を前記筐体内面方向に付勢するようにした光電変換素子の製造方法。
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- 2008-04-04 JP JP2008098771A patent/JP2009252522A/ja active Pending
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