JP2009277464A - 色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】色素増感型太陽電池について光電変換効率を十分に向上させることである。
【解決手段】レンズアレイ８の各凸レンズ８ａは、透明電極２の外部からの多孔質層７への太陽光Ｌの入射側に設けられ、この光を集光する。反射部材１１は、透明電極２と凸レンズ８ａとの間に設けられ、透明電極４側の面が光の反射面１１ａとなっている。反射部材１１を貫通する各孔１２は、各凸レンズ８ａで集光された光が通過する。反射部材１３は、透明電極５の電解質層６側とは反対側に設けられ、透明電極５側の面が光の反射面１３ａとなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池システムに関する。

近年、環境に対して配慮する人々の関心や、従来の電気エネルギー取得手段の代替用途という側面から、太陽電池が注目されている。太陽電池の主要な種類としては、Ｓｉ系太陽電池や色素や導電性高分子を用いた有機半導体系太陽電池などが知られている。反射性を有するＳｉ系太陽電池は２０％の光電効率を有するが、半導体装置のような大掛かりな設備が必要となるため、製造コストが高価なものとなる。

一方、製造コストの高いＳｉ系太陽電池に代わる材料を用いた太陽電池として、反射性及び透過性の双方の特性を有する色素増感型太陽電池が注目されている。色素増感型太陽電池はＳｉ系太陽電池と比べると構造も単純なため、製造コストを安価にすることができる反面、光電効率も１０％程度と低い。

このように、光電効率が高いと製造コストが高価なものとなり、製造コストが低いと光電効率が低いものとなることが、未だに太陽電池が十分に普及していない理由のひとつである。

そこで、近年、太陽電池の発電効率を向上させるため、レンズやミラーによる集光装置を用い、一日の時間帯や季節の変動による影響を低減して集光効率を高め、発電効率の向上を図ろうとした集光型太陽電池が研究されている。

例えば、特許文献１に開示の技術では、シリンドリカル状集光曲面群の背面に直線スリット状光透過孔群を有する光反射層を設けて、太陽電池の光電変換に寄与しなかった反射光を再度反射させることにより、光反射層と光電変換層との間で光を多重反射できるようにして、太陽電池の光電変換効率を向上させようとしている。
特開２００３‐１０１０５９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、集光素子がシリンドリカル状集光曲面群であるため、光反射層に設けられている孔（直線スリット状光透過孔群）は直線スリット状であり、シリンドリカル状集光曲面群を構成する各シリンドリカルレンズの山部に対応して長細く構成されている。そのため、光電変換層で反射した光の相当量が多重反射には寄与せずに直線スリット状光透過孔群を通過して逃げてしまい、光電変換効率が不十分であるという不具合がある。

また、光反射層はシリンドリカル状集光曲面群の背面に設けられているだけである。太陽電池がＳｉ系太陽電池であるときは反射性を有するため、光反射層はシリンドリカル状集光曲面群の背面に設けられているだけでも光反射層と光電変換層との間に十分な多重反射が生じるかもしれないが、太陽電池が色素増感型太陽電池であるときは透過性も有するため、光反射層はシリンドリカル状集光曲面群の背面に設けるだけでは光電変換層を光が透過してしまい、十分な多重反射が発生せず、光電変換効率が不十分であるという不具合もある。

本発明の目的は、色素増感型太陽電池について光電変換効率を十分に向上させることである。

（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の透明電極の外部からの前記多孔質層への光の入射側に設けられ、当該光を集光する凸レンズと、前記第１の透明電極と前記凸レンズとの間に設けられ、前記第１の透明電極側の面が光の反射面となっている第１の反射部材と、前記第１の反射部材に設けられ前記凸レンズで集光された光が通過する孔と、前記第２の透明電極の前記電解質層側とは反対側に設けられ、前記第２の透明電極側の面が光の反射面となっている第２の反射部材と、を備えてい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、前記第２の透明電極、前記電解質層及び前記多孔質層の側面の周囲に設けられ、当該側面側の面が反射面となっている第３の反射部材をさらに備えているようにしてもよい。

（３）さらに、前記凸レンズは、球面レンズであり、前記孔は、前記球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔であるようにしてもよい。

（４）さらに、前記凸レンズは、非球面レンズであり、前記孔は、前記非球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔であるようにしてもよい。

（５）前記孔は、前記反射面側が最も狭くなっていて前記凸レンズに向けて漸次広くなっており、前記球面レンズは、その焦点が前記孔の最も狭くなっている位置に合っているようにしてもよい。

（６）別の本発明は、（１）〜（５）の何れかに記載の色素増感型太陽電池と、太陽の位置を検出するセンサと、前記凸レンズ及び前記第１の反射部材の向きを可変する移動機構と、このセンサの検出に基づいて前記移動機構で前記凸レンズ及び前記第１の反射部材の向きを前記凸レンズを透過した太陽光が第１の反射部材を透過するように制御する制御手段と、を備えている色素増感型太陽電池システムである。

（１）の発明によれば、電解質層、多孔質層を透過した光は第２の反射部材で反射され、第１の反射部材と第２の反射部材との間で多重反射を繰返すので、色素増感型太陽電池について光電変換効率を向上させることができる。

（２）の発明によれば、第１の透明電極、第２の透明電極、電解質層及び多孔質層の側面から漏れる光は第３の反射部材で戻されるので、第１の反射部材、第２の反射部材、第３の反射部材の間で多重反射を繰返し、光電変換効率をさらに向上させることができる。

（３）（４）の発明によれば、凸レンズが球面レンズ又は非球面レンズであり、球面レンズ又は非球面レンズが集光した光が通過する孔は球面レンズ又は非球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔であるため、球面レンズ又は非球面レンズが集光した光が通過する孔の広さが最小限となり、第１の反射部材の孔から漏れる光を最低限に抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

（５）の発明によれば、孔は反射面側が最も狭くなっていて、球面レンズは、その焦点が前記孔の最も狭くなっている位置に合っているので、球面レンズが集光した光が通過する孔の広さをさらに小さくし、第１の反射部材の孔から漏れる光をさらに抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

（６）の発明によれば、季節や時間帯に関係なく太陽光が孔を通って多孔質層に入射するようにできるので、季節や時間帯に関わらず光電変換効率の高い太陽光発電を行うことができる。

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、太陽電池本体２１を備えている。この太陽電池本体２１は基板２、基板３、透明電極４、透明電極５、電解質層６及び多孔質層７から構成されている。すなわち、太陽電池本体２１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の内側には同じく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。

透明電極４の外部からの多孔質層７への光の入射側（基板２側）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。

透明電極４と凸レンズ８との間で基板２の外側には、透明電極４側の面が光の反射面（ミラー面）１１ａとなっている板状の反射部材１１が設けられている。この反射部材１１には複数の孔１２が貫通している。この孔１２は、凸レンズ８ａで集光された光Ｌを通過させて多孔質層７に入射させる。

透明電極５の電解質層７側とは反対側で基板３の外側には、透明電極５側の面が光の反射面（ミラー面）１３ａとなっている反射部材１３が設けられている。

透明電極２、透明電極３、電解質層６及び多孔質層７の側面の周囲には、これらの側面の全体を取り囲むように側面側の面が反射面（ミラー面）１４ａとなっている反射部材１４が設けられている。

図２は、マイクロレンズアレイ８の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。このマイクロレンズアレイ８では、凸レンズ８ａは球面レンズであり、凸レンズ８ａの縦方向の並びからそれぞれ構成される各縦列は隣接する縦列と凸レンズ８ａの直径の１／２分だけずれていて、各凸レンズ８ａの中心（光軸）を結んだ線が正三角形又は正六角形を構成するように配置されている。

図３は、このマイクロレンズアレイ８に対応する反射部材１１の平面図である。反射部材１１に形成されている各孔１２は、各凸レンズ８ａの中心（光軸）に対応する位置に形成されている。マイクロレンズアレイ８から見た各孔１２の位置は図２にも破線で示している。

図４は、マイクロレンズアレイ８の他の例の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。このマイクロレンズアレイ８の例は、凸レンズ８ａは同じく球面レンズであり、凸レンズ８ａの縦方向の並びからそれぞれ構成される各縦列は隣接する縦列と凸レンズ８ａの位置が合っていて、各凸レンズ８ａは碁盤の目のように配列されている。

図５は、このマイクロレンズアレイ８に対応する反射部材１１の平面図である。反射部材１１に形成されている各孔１２は、各凸レンズ８ａの中心（光軸）に対応する位置に形成されている。マイクロレンズアレイ８から見た各孔１２の位置は図４にも破線で示している。

ここで、図２、図３の凸レンズ８ａの配置と図４、図５の凸レンズ８ａの配置とを比較すると、図２、図３の凸レンズ８ａの配置の方が同一面積内での凸レンズ８ａの集積度を高めることができるので望ましいといえる。

図６は、凸レンズ８ａと反射部材１１との配置を示す縦断面図である。反射部材１１の孔１２は、球面レンズ又は非球面レンズである凸レンズ８ａで集光されて横断面がほぼ円形である光束Ｌが通過するに際して、この光束Ｌに合った丸孔になっている。

この孔１２は、反射面１１ａ側の部分１２ａが最も狭くなっていて凸レンズ８ａに向けて漸次広くなっている。そして、凸レンズ８ａは、その焦点が孔１２の最も狭くなっている反射面１１ａの位置に合っている。

このように、色素増感型太陽電池パネル１によれば、電解質層６、多孔質層７を透過した光は反射部材１３で反射され、反射部材１１と反射部材１３との間で多重反射を繰返すので、色素増感型太陽電池パネル１について光電変換効率を向上させることができる。

また、透明電極２、透明電極３、電解質層６及び多孔質層７の側面から漏れる光は反射部材１４で戻されるので、反射部材１１、反射部材１２、反射部材１３の間で多重反射を繰返し、光電変換効率をさらに向上させることができる。

さらに、凸レンズ８ａは球面レンズであり、この凸レンズ８ａが集光した光が通過する孔１２は凸レンズ８ａで集光された光の光束に合った丸孔であるため、凸レンズ８ａが集光した光が通過する孔１２の広さは最小限となり、反射部材１１の孔１２から漏れる光を最低限に抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

そのうえ、孔１２は反射面１１ａ側の部分１２ａが最も狭くなっていて、凸レンズ８ａは、その焦点が孔１２の最も狭くなっている位置に合っているので、球面レンズが集光した光が通過する孔の広さをさらに小さくし、反射部材１１の孔１２から漏れる光をさらに抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

次に、色素増感型太陽電池パネル１を用いた色素増感型太陽電池システム１０１について説明する。図７は、色素増感型太陽電池システム１０１の色素増感型太陽電池パネル１部分を上から見た斜視図、図８は、同色素増感型太陽電池パネル１部分を下から見た斜視図、図９は、色素増感型太陽電池システム１０１の正面図、図１０は、同右側面図である。

図７に示すように、前述の色素増感型太陽電池パネル１はマイクロレンズアレイ８側の面を上にして支持板１１１上に固定されている。支持板１１１の底面１１２の両側部には２本のシャフト１１３の各一端部が固定されていて、この２本のシャフト１１３の各中間部にはそれぞれ駆動ギア１１４が取り付けられている。２本のシャフト１１３の各他端部は台座部１１５上に設けられた２つの軸支部１１６に回転自在に軸支されている。また、台座部１１５上には２つで一組の駆動軸抑え１１７が２組設けられていて、この駆動軸抑え１１７の各組にはそれぞれ駆動モータ１１８と、この駆動モータ１１８により正逆両方向に回転可能な駆動軸１１９とが支持されている。各駆動軸１１９の歯と各駆動ギア１１４の歯とはそれぞれ噛み合っており、２つの駆動モータ１１８により各駆動軸１１９を回転すると、各駆動ギア１１４が回転し、シャフト１１３を中心に、支持板１１１ひいては色素増感型太陽電池パネル１が回転して、色素増感型太陽電池パネル１の向きが変わる。なお、図８においては、１組の駆動軸抑え１１７については便宜上図示を省略している。

台座部１１５の底面１２１の両側部には２本のシャフト１２２の各一端部が固定されていて、この２本のシャフト１２２の各中間部にはそれぞれ駆動ギア１２３が取り付けられている。２本のシャフト１２２の各他端部は台座部１２４上に設けられた２つの軸支部１２５に回転自在に軸支されている。また、台座部１２４上には２つで一組の駆動軸抑え１２６が２組設けられていて、この駆動軸抑え１２６の各組には駆動モータ１２７と、この駆動モータ１２７により正逆両方向に回転可能な駆動軸１２８とがそれぞれ支持されている。各駆動軸１２８の歯と各駆動ギア１２３の歯とは噛み合っており、２台の駆動モータ１２７により各駆動軸１２８を回転すると、各駆動ギア１２３が回転し、シャフト１２２を中心に、支持板１１１ひいては色素増感型太陽電池パネル１が回転して、色素増感型太陽電池パネル１の向きが変わる。

シャフト１１３の軸方向とシャフト１２２の軸方向とは互いに直角に交差しており、シャフト１１３を中心に色素増感型太陽電池パネル１が回転する方向とシャフト１２２を中心に色素増感型太陽電池パネル１が回転する方向とは異なる。このように２軸（２自由度）により色素増感型太陽電池パネル１を回転することができるので、色素増感型太陽電池パネル１の周囲３６０度いかなる方向にも色素増感型太陽電池パネル１を傾けることができる。

また、支持板１１１上には、樹脂、ガラスの円柱あるいは水等の透明な液体が満たされた透明な円筒管等により構成される円柱状の位置検出用集光レンズ４２が設けられている。この位置検出用集光レンズ４２の焦点近傍の円周上には、位置検出センサ４３が配列されている。

図１１は、位置検出用集光レンズ４２と位置検出センサ４３の構成例を示す説明図である。図１１（ａ）では、位置検出用集光レンズ４２として、屈折率が１．５程度の円柱が利用されている。この場合には、位置検出用集光レンズ４２の焦点は、自分の円周面に一致するので、位置検出用集光レンズ４２の周囲に位置検出センサ４３が貼り付けられている。位置検出用集光レンズ４２に入射した太陽光Ｌは、位置検出用集光レンズ４２の円周上の位置検出センサ４３の上に集光され、これによって太陽の位置を検出することができる。

一方、図１１（ｂ）では、位置検出用集光レンズ４２として、屈折率が１．３〜１．４程度のものが使用された例が示される。これは、例えばガラスの円筒の中に水を満たして実現することができる。水の屈折率は１．３３８であるので、この場合の位置検出用集光レンズ４２の焦点は、自分の円周面よりも外側に存在する。従って、位置検出用集光レンズ４２の外側に、ガラス等の材質からなる透明円筒管４４を、その円周が位置検出用集光レンズ４２の焦点に一致するように配置し、ここに位置検出センサ４３を貼り付けている。この場合にも、位置検出用集光レンズ４２に入射した太陽光Ｌは、位置検出センサ４３の上に集光され、これによって太陽の位置を検出することができる。

図１２は、上記位置検出用集光レンズ４２の配置例を示す平面図であり、位置検出センサ４３については省略されている。図１２において、位置検出用集光レンズ４２は２つ用意され、互いに軸が直交するように置かれている。これらを、例えば、一方の位置検出用集光レンズ４２の軸が南北方向を向き、他方が東西方向を置くように配置する。これにより、軸が南北方向を向いた位置検出用集光レンズ４２により太陽の一日の動きが検出でき、軸が東西方向を向いた位置検出用集光レンズ４２により太陽の高さの季節変化を検出することができる。なお、これらの太陽の位置は、位置検出センサ４３上に太陽光Ｌが集光される位置の角度の情報として検出され、位置検出センサ４３から角度信号として出力される。

図１３は、色素増感型太陽電池システム１０１の電気的な接続のブロック図である。制御部４１は、マイクロコンピュータを備え、色素増感型太陽電池システム１０１の各部を集中的に制御する。制御部４１は、位置検出センサ４３から太陽光Ｌが集光される位置を示す角度信号を受けて太陽光Ｌの入射方向、入射角度を判断する。そして、その判断に応じて２台の駆動モータ１１８、２台の駆動モータ１２７を駆動して、色素増感型太陽電池パネル１の向きを制御する。

駆動ギア１１４，１２３と、駆動軸１１９，１２８とはウォームホイールとウォームギアとの関係になっており、例えば風が吹いて屋外に設置されている色素増感型太陽電池システム１０１に風圧が作用しても、駆動ギア１１４，１２３を逆回転させて色素増感型太陽電池パネル１の向きを補正する必要はない。

また、駆動ギア１１４，１２３は全周に渡りギアを切ってあるが、駆動ギア１１４，１２３の回転駆動により支持板１１１や台座部１１５が移動するので、これらの動きが大きいときは、支持板１１１、台座部１１５、台座部１２４が互いにぶつかる可能性があり、これらを防止するため、予め切り欠きや逃げを作っておくべきである。

色素増感型太陽電池システム１０１は、予め太陽の南中高度をその稼動範囲内に含むように、北半球においては南の方角に色素増感型太陽電池パネル１を向けて設置する。図１４は、このような制御により支持板１１１を傾けた状態を示し、図１５は、台座部１１５を傾けた状態を示し、図１６は、支持板１１１と台座部１１５の双方を傾けた状態を示す。前述のような制御を行うことにより、色素増感型太陽電池システム１０１は、太陽光Ｌが色素増感型太陽電池パネル１に対して常に垂直に入射するように制御し、もって、季節や時間帯に関係なく凸レンズ８ａで集光された太陽光Ｌが孔１２を通って多孔質層７に入射するようにできるので、季節や時間帯に関わらず光電変換効率の高い太陽光発電を行うことができる。

なお、太陽の追尾用駆動機構としては、望遠鏡などで用いられる経緯台や赤道儀を使用してもよい。

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。 マイクロレンズアレイの平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。 マイクロレンズアレイに対応する反射部材の平面図である。 マイクロレンズアレイの他の例の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。 マイクロレンズアレイに対応する反射部材の平面図である。 凸レンズと反射部材との配置を示す縦断面図である。 色素増感型太陽電池システムの色素増感型太陽電池パネル部分を上から見た斜視図である。 同色素増感型太陽電池パネル部分を下から見た斜視図である。 色素増感型太陽電池パネルを用いた色素増感型太陽電池システムの正面図である。 同右側面図である。 位置検出用集光レンズと位置検出センサの構成例を示す説明図である。 位置検出用集光レンズの配置例を示す平面図である。 色素増感型太陽電池システムの電気的な接続のブロック図である。 色素増感型太陽電池システムで支持板を傾けた状態を示す正面図である。 色素増感型太陽電池システムで台座部を傾けた状態を示す正面図である。 色素増感型太陽電池システムで支持板と台座部の双方を傾けた状態を示す正面図である。

符号の説明

１ 色素増感型太陽電池パネル
２ 基板
３ 基板
４ 透明電極
５ 透明電極
６ 電解質層
７ 多孔質層
８ レンズアレイ
８ａ 凸レンズ
１１ 反射部材
１１ａ 反射面
１２ 孔
１３ 反射部材
１３ａ 反射面
１４ 反射部材
１４ａ 反射面
４１ 制御部
４２ 位置検出用集光レンズ
４３ 位置検出センサ
１０１ 色素増感型太陽電池システム
１１４ 駆動ギア
１１８ 駆動モータ
１１９ 駆動軸
１２３ 駆動ギア
１２７ 駆動モータ
１２８ 駆動軸

Claims (6)

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の透明電極の外部からの前記多孔質層への光の入射側に設けられ、当該光を集光する凸レンズと、
   前記第１の透明電極と前記凸レンズとの間に設けられ、前記第１の透明電極側の面が光の反射面となっている第１の反射部材と、
   前記第１の反射部材に設けられ前記凸レンズで集光された光が通過する孔と、
   前記第２の透明電極の前記電解質層側とは反対側に設けられ、前記第２の透明電極側の面が光の反射面となっている第２の反射部材と、
   を備えている色素増感型太陽電池。
2. 前記第１の透明電極、前記第２の透明電極、前記電解質層及び前記多孔質層の側面の周囲に設けられ、当該側面側の面が反射面となっている第３の反射部材をさらに備えている請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
3. 前記凸レンズは、球面レンズであり、
   前記孔は、前記球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔である、
   請求項１又は２に記載の色素増感型太陽電池。
4. 前記凸レンズは、非球面レンズであり、
   前記孔は、前記非球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔である、
   請求項１又は２に記載の色素増感型太陽電池。
5. 前記孔は、前記反射面側が最も狭くなっていて前記凸レンズに向けて漸次広くなっており、
   前記球面レンズは、その焦点が前記孔の最も狭くなっている位置に合っている、
   請求項１〜４の何れかの一項に記載の色素増感型太陽電池。
6. 請求項１〜５の何れかの一項に記載の色素増感型太陽電池と、
   太陽の位置を検出するセンサと、
   前記凸レンズ及び前記第１の反射部材の向きを可変する移動機構と、
   このセンサの検出に基づいて前記移動機構で前記凸レンズ及び前記第１の反射部材の向きを前記凸レンズを透過した太陽光が第１の反射部材を透過するように制御する制御手段と、
   を備えている色素増感型太陽電池システム。

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