JP2009259742A

JP2009259742A - 色素増感型太陽電池

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Publication number: JP2009259742A
Application number: JP2008110229A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Yamamoto; 博樹山本
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-04-21
Also published as: JP5240650B2

Abstract

【課題】光電極と対電極とを接着一体化するために最適な極性のある接着剤を使用することが可能で、しかも、温度変化による膨潤収縮により接着部分の剥離や基板の破損が生じたとしても、電解質が漏洩することを防止できると共に、ガスケットに均一な面圧を与え、良好な封止機能を発揮することを目的とする。
【解決手段】前記光電極と前記対電極との間に前記電解質層を封止する封止手段が設けられた色素増感型太陽電池において、前記封止手段が前記光電極と前記対電極との間に挟まれ、前記電解質層を封止している弾性材製ガスケットと、前記ガスケットの外周側に位置して、前記光電極と前記対電極とを接着一体化している接着剤層とよりなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐久性に優れる色素増感型太陽電池に関するものである。

近年、温暖化等の地球環境の悪化が懸念され、クリーンなエネルギーとして太陽光発電が注目されている。
しかし、その普及は未だ満足出来る状態ではない。
そして、普及への障害となっている最も大きな原因の一つは、現在主流であるシリコン系太陽電池の製造コストが高いことにある。
この製造コストが下がらない大きな要因は、シリコン系太陽電池に必要なシリコン半導体を安価に大量に供給することには、その製法上限界があり、今後も大きな改善は望めそうもない点である。

このシリコン系太陽電池に対し、グレッツェルらのグループが発表した色素増感太陽電池は、分光増感色素に増感された光変換層を作用電極とする湿式太陽電池である。
この湿式太陽電池の基本構成は、ガラス等の透明基板に設けた透明導電電極、電解質、分光増感色素、酸化チタン等の多孔質半導体層、基板に設けた対電極から成る。
この種の色素増感太陽電池は、使用する材料が安価であり、作製には、シリコン系太陽電池に必要な真空プロセス等の大掛かりな設備を必要としないことから、低コストの太陽電池として期待を集めている。

しかし、現時点までに開発された色素増感太陽電池の信頼性は、シリコン系のそれと比べて低い。
その原因の一つが、電子のキャリアである電解質の封止の問題がある。
電解質が漏洩したり、電解質に、外部から水分等が侵入すると、発電効率が低下するのみならず、光変換層の劣化が生じ、色素増感太陽電池の寿命を短くする問題を惹起していた。
電解質には、液体、ゲルおよび固体などの形態が挙げられる。
電解液の封止には、漏洩の少ないゲルや固体が適している（特許文献１）。
しかし、シリコン系並みの高い変換効率を得るには、液体、それもアセトニトリル等の極性が高くかつ揮発性の高い有機溶媒が好ましい。
ただし、かかる電解液を太陽電池のセル中に封止することは難しい。
このため、色素増感太陽電池の長期信頼性の向上には、透明導電電極と対電極の基板間にある電解液を、封止材を用いることにより基板端部周辺を封止し、電解液の漏洩や水分の浸入を防止することが、必要不可欠である。

これまで検討された封止方法としては、液状接着剤（特許文献２）、ホットメルトフィルム（特許文献３）およびガラスフリット（特許文献４）等を使用する接着方式がある。
そして、液状接着剤には、シリコン系樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが挙げられるが、いずれの接着剤も、基板などの披接着剤との接着性を高めるために、ある程度の極性を有している。
このため、この極性により、電解液との親和性が高くなり、侵食や膨潤により長期的には封止性能が低下する。
一方、極性の小さい接着剤として、ポリイソプチレン系樹脂が報告されている。
これにより電解液による侵食や膨潤はある程度抑制されるものの、接着性が劣るため長期的には剥離等により封止性能が低下する恐れがある。

また、ホットメルトフィルムには、分子鎖中にカルボン酸基を有する熱可塑性樹脂、具体的にはハイミラン（三井デュポンケミカル社製）が挙げられる（特許文献５）。
ただし、液状接着剤同様、極性を有しているため、長期的には封止性能が低下する恐れがある。
一方、ガラスフリットによる封止は、封止性能には優れるものの、一般に450℃以上の加熱処理が必要であるため、増感色素をはじめとした構成部品の変質を招く恐れがある。
また、作業が煩雑になり、製造コストの悪化を招いていた。
一方、水ガラスなどのケイ酸塩を用いることで、固化温度を60℃以下とすることもできる。
しかしながら、水ガラスに含有される水やナトリウムなどが電解質に溶解して、変換効率を低下させる恐れがある（特許文献７）。
さらに太陽電池は太陽光の照射によりセル温度が上昇するため、いずれの接着方式においても、封止材と基板との線膨張率が異なる場合、温度変化による膨潤収縮により接着部分の剥離や基板の破損が生じる恐れがあった。

このような接着方式の封止課題に対して、図２に示す様な、封止材に弾性を備える合成樹脂を使用し、これを基板端部周辺に配し、基板で挟み圧縮することで電解液を封止する非接着方式が提案されている（特許文献６）。

すなわち、光電極１０４が、透明な第１電極基材１０１と、この第１電極基材１０１の一面に設けられた第１導電膜１０２と、この第１導電膜１０２上に半導体材料を用いて形成され、増感色素を吸着させてなる多孔質の半導体層１０３とより構成されている。
また、対電極１０７が、第２電極基材１０５と、この第２電極基材１０５の一面に設けられた第２導電膜１０６とより構成されている。
この光電極１０４と対電極１０７との間には、液状またはゲル状の電解質を含む電解質層１０８が介在している。
更に、光電極１０４と対電極１０７との間には、電解質層１０８を封止する封止材が設けられ、この封止材として、弾性を備えた合成樹脂材製ガスケット１０９を使用している。
また、これらの部材を一体化するために、光電極１０４と対電極１０７の４箇所の角部が、４本のボルト１１１とナット１１２により、締め付け保持されている。

本法によれば、封止材が弾性を備えていることで、基材の膨潤収縮に追随することが可能なため、接着部分の剥離や基板の破損の恐れは少なく、封止の長期信頼性を確保できる。
しなしながら、提案された封止材の形状はＯ-リング状であるため、基板間のスペースは大きくなり、接着方式で一般的なスペース厚みである100μm以下にすることは非常に困難である。
このため、封止性には優れていても、高い変換効率を期待できない。

また、Ｏ-リング形状の弾性体を圧縮して封止するには、一般的に大きいシール面圧が必要とされる。
このため、セルが大面積化した場合、大きな圧縮力によって基板が撓むか、場合によっては破損する恐れがある。
更に、この種方法は、光電極１０４と対電極１０７の４箇所の角部を、４本のボルト１１１とナット１１２により、締め付け保持しているため、ガスケット１０９に加わる圧力が不均等になりやすく、局所的に面圧の高い部位と低い部位が発生しやすいため、応力集中による基板の破壊、高圧縮による弾性体のヘタリ、圧縮過少からくる面圧不足によっての漏れなどの問題が惹起していた。

特開２００２−２９９６６５号公報特開２００２−３６８２３６号公報特開２００３−１８８３９４号公報特開２００４−１７２０４８号公報特開２００７−３３５１９７号公報特開２００６−２０２６８１号公報特開２００７−０７３４０１号公報

弾性材製ガスケットと接着剤層とを並列に使用することにより、光電極と対電極とを接着一体化するために最適な極性のある接着剤を使用することが可能で、しかも、温度変化による膨潤収縮により接着部分の剥離や基板の破損が生じたとしても、電解質が漏洩することを防止できると共に、ガスケットに均一な面圧を与え、良好な封止機能を発揮することである。

上記目的を達成するために本発明にあっては、透明な第１電極基材と、前記第１電極基材の一面に設けられた第１導電膜と、前記第１導電膜上に半導体材料を用いて形成され、増感色素を吸着させてなる多孔質の半導体層とよりなる光電極と、第２電極基材と、前記第２電極基材の一面に設けられた第２導電膜とよりなる対電極と、前記光電極と前記対電極との間に配された電解質層と、前記光電極と前記対電極との間に前記電解質層を封止する封止手段が設けられた色素増感型太陽電池において、前記封止手段が前記光電極と前記対電極との間に挟まれ、前記電解質層を封止している弾性材製ガスケットと、前記ガスケットの外周側に位置して、前記光電極と前記対電極とを接着一体化している接着剤層とよりなることを特徴とする。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、弾性材製ガスケットと接着剤層とを並列に使用することにより、光電極と対電極とを接着一体化するために最適な極性のある接着剤を使用することが可能で、しかも、温度変化による膨潤収縮により接着部分の剥離や基板の破損が生じたとしても、電解質が漏洩することを防止できると共に、ガスケットに均一な面圧を与え、良好な封止機能を発揮することが出来る。

また、請求項２記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、電解質層によりガスケットが侵食や膨潤を受け難く、長期に渡って、安定した封止機能を発揮出来る。
更に、請求項３記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、ガスケットの位置決めが容易であるため、組み付けやすく、電極基材間を直接シールするため、良好な封止機能を発揮出来る。

更に、請求項４記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、光電極と対電極とを確実に接着一体化できる。
更に、請求項５記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、高い変換効率が期待できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１に基づき発明を実施するための最良の形態について説明する。

すなわち、光電極４が、透明な第１電極基材１と、この第１電極基材１の一面に設けられた第１導電膜２と、この第１導電膜２上に半導体材料を用いて形成され、増感色素を吸着させてなる多孔質の半導体層３とより構成されている。
また、対電極７が、第２電極基材５と、この第２電極基材５の一面に設けられた第２導電膜６とより構成されている。
この光電極４と対電極７との間には、液状またはゲル状の電解質を含む電解質層８が介在している。
更に、光電極４と対電極７にそれぞれ設けた溝部４１、７１の間には、弾性を備えたガスケット９が配置されている。
また更に、ガスケット９の外周側には、光電極４と対電極７とを接着一体化している接着剤層１０が存在する。

ガスケット９に用いられる材料は、弾性を備えた合成ゴム若しくは合成樹脂であるが、特に、エチレンプロピレンターポリマー（ＥＰＤＭ）が好適である。
接着剤層１０に用いられる材料は、液状の接着剤であるシリコン系樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
いずれの接着剤も、基板などの披接着剤との接着性を高めるために、ある程度の極性を有していが、接着剤層１０が電解質層８に直接接触することがないため、電解質層８による侵食や膨潤を受けることは無い。
このため、液状エポキシ樹脂が好適に用いられる。

第１電極基材１に用いられる材料は、透明であれば特に限定されるものではないが、ガラス、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、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホンなどで、透明若しくは光透過性の高いもので、且つ封止材を挟み込む程度の強度を有するものを用いることができ、それらを単独で用いるか、又は複数を用いて混合物、積層物を形成して適用してもよい。

また、第２電極基材５については、第２導電膜６を形成できる程度の平滑性を備えた表面を形成でき、且つ封止材を挟み込む程度の強度を有するものであれば特に限定されるものではなく、無機系材料、有機系材料、金属材料等の材質を問わず用いることができる。

また、電解質層８は、液状またはゲル状の電解質を含むものであれば特に限定されず用いることができるが、アセトニトリルにヨウ素及びヨウ化リチウムを溶解させた混合溶液や、メトキシプロピオニトリル等の溶媒に、ヨウ化リチウム、金属ヨウ素等の電解質を加えたもの等の液体電解質や、高分子ゲル電解液等の擬固体化電解質等の液体電解質系を好適に用いることができる。
さらに、液状の場合は粘性を低くし、イオンの拡散をスムーズにするため常温溶融塩、具体的には1,2ジメチル-3−プロピルイミダゾリウムヨウ化物が用いられる。

更に、半導体層３を形成する多孔質の半導体層の形成に用いられる半導体材料としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適であるが、それに限定されるものではなくＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などを用いることができる。

また、半導体３を形成する増感色素は、上述のルテニウム錯体色素としては、カルボキシル基を有するルテニウムビピリジン錯体、ビピリジル系、フェナントロリン、キノリンなどを用いることができる。

第１導電膜２の形成に用いられる材料としては、チタニア粒子をペースト状にしたチタニア層、透明性に優れると共に高い導電性を備える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）、金、白金等やそれらを複数組み合わせたものを真空蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法等の適宜の方法により形成することができる。

また、第２導電膜６については、第１導電膜２と電位差が生じるものであればよく、白金、カーボン等を用いて形成することができる。

実施例
透明導電性膜をつけたガラス基板(150mmx150mm厚さ2mm)に、チタニア粒子をペースト状にして120mm×120mm厚み10μmで塗布して焼結させてチタニア層を形成した。
この形成したチタニア層にカルボキシル基を有するルテニウムビピリジル錯体（Ｎ７１９）を担持させ、光電極とした。
一方対電極としてガラス基板 (150mmx150mm厚さ2mm)上の透明導電性膜に白金を120mmx120mm範囲で蒸着させた。
光電極および対電極には縦125mm×横125mmで幅1.5mm深さ0.5mmの四角い溝を形成しておき、溝には縦125mm×横125mmで線径1.3mmのEPDMガスケットを装着した。
光電極と対電極の外周部に10mm幅で接着剤と塗布してから、光電極と対電極を貼り合せ、電極間のクリアランス100μmで、均一に荷重がかかるように重石をして接着剤を硬化させた。
接着剤の硬化後、アセトニトリルにヨウ素およびヨウ化リチウムおよび1,2ジメチル-3−プロピルイミダゾリウムヨウ化物を溶解させた電解質溶媒を電極間に封入して色素増感タイプ太陽電池を製作した。

色素増感型太陽電池にかかる発明の実施の形態を示す断面図ある。従来技術にかかる色素増感型太陽電池の断面図である。

符号の説明

１第１電極基材
２第１導電膜
３半導体層
４光電極
５第２電極基材
６第２導電膜
７対電極
８電解質層
９ガスケット
１０接着剤層
４１溝部
７１溝部

Claims

透明な第１電極基材（１）と、前記第１電極基材（１）の一面に設けられた第１導電膜（２）と、前記第１導電膜（２）上に半導体材料を用いて形成され、増感色素を吸着させてなる多孔質の半導体層（３）とよりなる光電極（４）と、第２電極基材（５）と、前記第２電極基材（５）の一面に設けられた第２導電膜（６）とよりなる対電極（７）と、前記光電極（４）と前記対電極（７）との間に配された電解質層（８）と、前記光電極（４）と前記対電極（７）との間に前記電解質層（８）を封止する封止手段が設けられた色素増感型太陽電池において、前記封止手段が前記光電極（４）と前記対電極（７）との間に挟まれ、前記電解質層（８）を封止している弾性材製ガスケット（９）と、前記ガスケット（９）の外周側に位置して、前記光電極（４）と前記対電極（７）とを接着一体化している接着剤層（１０）とよりなることを特徴とする色素増感型太陽電池。
前記ガスケット（９）の材質が、エチレンプロピレンターポリマー（ＥＰＤＭ）であることを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池。
前記ガスケット（９）が、前記光電極（４）と前記対電極（７）にそれぞれ設けた溝部（４１）、（７１）の間に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の色素増感型太陽電池。
前記接着剤層（１０）に使用される接着剤が液状エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の色素増感型太陽電池。
前記光電極（４）と前記対電極（７）との間隙が１５０μm以下であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項記載の色素増感型太陽電池。