JP2009505426A - 外部回路への相互接続を有する光起電力電池 - Google Patents

Abstract

外部回路への相互接続を有する光起電力電池、ならびにそれに関連する構成要素、システム、および方法を開示する。

Description

本発明は、外部回路への相互接続を有する光起電力電池、ならびにそれに関連する構成要素、システム、および方法に関する。

光起電力電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用され得る。このような電池は一般に、２つの電極の間に配置された光活性層を有する。通常は、光は片方または両方の電極を通過し、光活性層と相互作用をし、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する。

一態様において、本発明は、第１および第２の電極と、第１および第２の電極の間の光活性層と、第１の電極と電気的に接続された導電層と、導電層および第１の電極の間の第１の基板とを備えるシステムを特徴とする。第１の電極は導電層を介して外部負荷に電気的に接続されるように構成されている。前記システムは光起電力電池として構成される。

別の態様において、本発明は、第１および第２の電極と、第１および第２の電極の間の光活性層と、第１の電極と電気的に接続された回路と、前記回路および第１の電極の間に１つ以上の開口を有する第１の基板と、前記開口に配置された導電性材料とを備えるシステムを特徴とする。前記回路は、前記導電性材料を介して第１の電極に電気的に接続されている。前記システムは光起電力電池として構成される。

実施形態は、下記の１つ以上の態様を含むことができる。
導電層は、真鍮、スズめっき銅、スズめっきステンレススチール、またはスズめっきニッケルからなることができる。

導電層はテープ状、またはメッシュ状をなすことができる、
導電層はバスを有することができる。
前記回路は、電源プラグ、バッテリーチャージャ、携帯電話充電器、電源装置などの電気装置の少なくとも一部を備えることができる。

導電層または前記回路は、第１の基板内の開口に配置された導電性接着材料を介して、第１の電極に電気的に接続され得る。一実施形態において、導電性接着材料は金属添加ポリマーからなることができる。

導電層または前記回路は、さらに金属円板を介して第１の電極に電気的に接続され得る。一実施形態において、金属円板は、チタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、スズ、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金からなる。

導電層または前記回路は、第１の基板内の開口に配置された導電性パッドを介して、第１の電極に電気的に接続され得る。一実施形態において、導電性パッドは、金属ばねまたは炭素を含有するポリマーからなる。そのポリマーは、ゴム、シリコーン、硬化性弾性ポリマーであることができる。金属ばねは、鋼鉄、銀、チタン、またはこれらの合金であることができる。

導電層または前記回路は、第１の基板内の開口に配置された低融点金属または低融点合
金を介して、第１の電極に電気的に接続され得る。
導電層または前記回路は、第１の電極上の２箇所以上の位置において、第１の電極に電気的に接続され得る。

導電層または前記回路は、第１の電極と第２の基板との間に配置され得る。一実施形態において、第１または第２の基板は、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、セルロース系ポリマー、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリウレタン、およびこれらの組合せから選択されたポリマーからなる。

前記システムは、第１の基板と第１の電極との間の第１の接着層、および第１の基板と導電層または前記回路との間の第２の接着層をさらに備えることができる。一実施形態において、第１または第２の接着層は、エポキシ、ポリウレタン、ポリ尿素、ポリエステル、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリエチレン系ポリマー、またはポリプロピレン系ポリマーからなる。

第１の電極は金属箔からなることができる。一実施形態において、金属箔はチタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金からなる。

光活性材料は、電子供与体材料と電子受容体材料とを含むことができる。一実施形態において、電子受容体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ_３基含有ポリマー、およびこれらの組合せから選択された材料からなることができる。一実施形態において、電子供与体材料は、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、およびポリイソチアナフタレンから選択された材料からなることができる。

光活性材料は、光増感凝集ナノ粒子材料を含むことができる。一実施形態において、光増感凝集ナノ粒子材料は、セレン化物、硫化物、テルル化物、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、およびこれらの組合せから選択された材料からなる。

光活性材料は、非晶質ケイ素またはＣＩＧＳからなることができる。
実施形態は、下記の１つ以上の利点を有することができる。
一実施形態において、導電層は、例えば表面上にスズの被覆体を備えることにより、はんだ付け可能な表面を有することができる。はんだ付け可能な表面は、光起電力電池を外部負荷に信頼性を有して接続するために用いられ得る。さらに、スズの被覆体は、光起電力電池と外部負荷との間の接続部分の酸化を最小限とし、それにより電気的な接続の信頼性を向上させることができる。

一実施形態において、金属円板は、導電性接着材料が接着するための良好な表面を提供できる。さらに金属円板は、はんだ付け可能な表面を有し（例えば表面上にスズの被覆体を備えることにより）、第１の電極を導電層または前記回路に信頼性を有して接続することができる。

本発明の他の特徴および利点は、明細書の記載、図面、および請求の範囲から明らかになろう。

複数の図面における類似の参照符号は、類似の要素を示す。
本発明は、広くは外部回路への相互接続を有する光起電力電池に関する。
一実施形態において、光起電力電池は色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）であることができる。図１に示すように、システム１００はＤＳＳＣ１２０からなり、ＤＳＳＣ１２０は、電荷キャリア層１０４（例えば、ヨウ化物／ヨウ素溶液などの電解質を有する）と、電極１０２（例えばＩＴＯ層または酸化スズ層）と電極１０７（例えば金属箔）との間に接着剤１０６を介して配置された光活性層１０５（例えば、ＴｉＯ_２粒子などの半導体材料を有する）とを備える。光活性層１０５はまた、色素などの光増感剤を有する。一般に、光増感剤は作動する波長範囲内（例えば太陽光スペクトル内）の光子を吸収することができる。ＤＳＳＣ１２０はまた、電極１０２と電荷キャリア層１０４との間に配置された触媒層１０３（例えば、白金を含有する）を有し、触媒層１０３は電荷キャリア層１０４内における酸化還元反応に触媒作用を及ぼす。ＤＳＳＣ１２０はまた、２つの基板１０１，１０９を有する。電極１０２は基板１０１の内面上に配置され、電極１０７は基板１０９の内面上に配置されている。

一実施形態において、電極１０７は導電層１１４を介して外部負荷１１６に電気的に接続される。一実施形態において、導電層は高導電性材料により形成される。このような高導電性材料の例には、真鍮、スズめっき銅、スズめっきステンレススチール、またはスズめっきニッケルなどのはんだ付け可能な合金がある。一実施形態において、導電層１１４はテーブまたはメッシュの形状をなす。一実施形態において、導電層１１４はバスの形状をなす。一実施形態において、導電層１１４は表面をスズにより被覆され、それにより導電層１１４はＤＳＳＣ１２０を外部負荷へ信頼性を有して接続するために用いられ得る。さらに、スズ被覆された表面はＤＳＳＣ１２０と外部負荷との間の接続部分の酸化を最小にし、それにより、電気的な接続の信頼性を向上させることができる。

導電層１１４は、基板１１５上に配置することができる。基板１１５は、基板１０１，１０９を形成するために用いられた材料と同一の材料から形成したり、同材料とは異なる材料から形成したりすることができる。一実施形態において、導電層１１４は接着層１１３を介して基板１０９に取り付けられる。接着層１１３を調製するために用いられ得る材料の例には、エポキシ、ポリウレタン、ポリ尿素、ポリエステル、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリエチレン系ポリマー、またはポリプロピレン系ポリマーがある。

一実施形態において、電極１０７は、接着層１０８を介して基板１０９の内面上に配置され得る。接着層１０８は、接着層１１３を形成するために用いられた材料と同一の材料から形成したり、同材料とは異なる材料から形成したりすることができる。

一実施形態において、電極１０７は、導電性接着材料１１０を介して導電層１１４に接続されている。導電性接着材料１１０を調製するために用いられ得る材料の例には、金属添加ポリマーがある。そのポリマーはポリエステル、ポリエレタン、またはエポキシポリマーであってよい。その金属は薄片をなすことができる（例えば銀の薄片）。一実施形態において、導電性接着材料１１０は乾燥形状であっても、液状であってもよい。例えば、導電性接着材料１１０は、ポリマー（例えばポリエステル）と、溶媒（例えばトルエンまたはメチルエチルケトン）に懸濁された金属薄片（例えば銀の薄片）とを含むことができる。一実施形態において、導電性接着材料１１０は、金属との混合を向上したり、可撓性を向上したり、ある条件における硬化性を向上したりするため、修飾されたポリマーを含むことができる。

導電性接着材料１１０は、接着層１０８、基板１０９、および接着層１１３の開口に配置され、それにより導電性接着材料１１０は電極１０７と導電層１１４とを電気的に接続することができる。前記開口は、レーザーまたはウォータジェットなどの切削工具により
調製され得る。切削工具は接着層１０８および基板１０９の一部を切除して電極１０７を露出させるとともに、接着層１１３の一部を切除して導電層１１４を露出させることができる。電極１０７が金属箔である場合、切削工具は金属箔上の酸化物層をも除去することができる。一実施形態において、前記開口は１ｍｍ以上（例えば、３ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上）の直径を有することができる。

一実施形態において、電極１０７はさらに金属円板１１１を介して導電層１１４に電気的に接続され得る。円板１１１を形成するために用いられ得る金属の例には、チタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、スズ、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金がある。金属円板は、導電性接着材料が接着するための良好な表面を提供できる。一実施形態において、金属円板は例えば表面上にスズの被覆体を備えることによりはんだ付け可能な表面を有し、電極１０７を導電層１１４に信頼性を有して接続することができる。

任意であるが、電極１０７はさらに接着材料１１２を介して導電層１１４に接続され得る。接着材料１１２は、接着材料１１０を形成するために用いられる材料と同一であったり、同材料と異なっていたりする材料により形成され得る。一実施形態において、電極１０７は、接着層１０８および基板１０９の開口内に配置された接着材料１１０と、接着層１１３の開口内に配置された接着材料１１２と、接着材料１１０，１１２同士の間に配置された金属円板１１１とを介して、導電層１１４に電気的に接続されている。

一実施形態において、接着材料１１０，１１２と金属円板１１１とに替えて、導電性パッドを用いることにより、電極１０７と導電層１１４とを電気的に接続するができる。導電性パッドは導電性材料を添加されたポリマーからなることができる。そのようなポリマーの例には、ゴム、シリコーン、硬化性弾性ポリマーがある。一実施形態において、そのポリマーは圧縮された形状であることができる。パッドに用いられ得る導電性材料には、１つ以上の金属ばねまたは炭素がある。金属ばねは、鋼鉄、銀、チタン、またはこれらの合金、あるいは任意の他の適切な金属または合金で形成され得る。導電性パッドは、接着層１０８、基板１０９、および接着層１１３の開口に配置され、電極１０７と導電層１１４との間における電子の輸送を促進することができる。

一実施形態において、電極１０７は、接着層１０８、基板１０９、および接着層１１３の開口に配置された低融点金属（例えば、スズまたは鉛）または合金（例えばはんだ）を介して、導電層１１４に電気的に接続され得る。

導電層１１４は、１つ以上の位置において電極１０７に電気的に接続され得る。理論に束縛されることなく言えば、電極１０７を複数の位置において導電層１１４と接続することにより、箔１０７から外部負荷１１６への電子輸送の効率を著しく向上させることができると考えられる。一実施形態において、外部負荷１１６は電源プラグ、バッテリーチャージャ、携帯電話充電器、または電源装置であることができる。

一実施形態において、接着材料１０６、接着層１０８，１１３、および導電性接着材料１１０，１１２は、ＤＳＳＣ１２０においてペーストとして配置され得る。任意であるが、これらは、配置された後で乾燥されたり、硬化されたりされ得る。

一実施形態において、導電層１１４は回路により置換されてもよい。前記回路は、電源プラグ、バッテリーチャージャ、携帯電話充電器、または電源装置などの電気装置の一部を備えることができる。

稼動に際しては、放射線（例えば、太陽光スペクトルに含まれる放射線）による照射に
対応して、ＤＳＳＣ１２０は外部負荷１１６を過ぎる電子流を産生する、励起、酸化、還元のサイクルを行う。入射光は光活性層１０５中の増感剤分子を励起する。その後、光励起された増感剤分子は、電子を光活性層１０５中の半導体の伝導帯に注入し、一方光増感剤分子は酸化される。注入された電子は、電極１０７、接着材料１１０、金属円板１１１、接着材料１１２、および導電層１１４を介して外部負荷１１６に流れる。電子は外部負荷１１６を過ぎって流れた後、電極１０２、さらに触媒層１０３へと流れ、次に電荷キャリア層１０４に流れる。そこでは、電子は電荷キャリア層１０４内の電解質材料を触媒層１０３において還元する。その後、還元された電解質は、酸化された光増感剤分子を還元し、もとの中性状態に戻すことができる。電荷キャリア層１０４内の電解質は酸化還元メディエータとして作用し、電極１０７から電極１０２への電子の流れを制御することができる。この励起、酸化、還元のサイクルは反復され、外部負荷に対して連続的に電気エネルギーを付与する。

ＤＳＳＣ１２０の別の構成要素に話を転じる。光活性層１０５は色素などの光増感剤を有することができる。一実施形態において、光活性層１０５は異なる領域に異なる色を有する複数の色素を有することができる。一般に、各領域の色は、所与の領域内に含有される個別の色素（または色素の組合せ）により決定される。色素の例には、黒色色素（例えば、トリス（イソチオシアナート）−ルテニウム（ＩＩ）−２，２´：６´，２´´−テルピリジン−４，４´，４´´−トリカルボン酸、トリス−テトラブチルアンモニウム塩）、オレンジ色色素（例えば、トリス（２，２´−ビピリジル−４，４´−ジカルボキシラート）ルテニウム（II）二塩化物、紫色色素（例えば、シス−ビス（イソチオシアナート）ビス−（２，２´−ビピリジル−４，４´−ジカルボキシラート）−ルテニウム（ＩＩ）、赤色色素（例えばエオシン）、緑色色素（例えばメロシアニン）、および青色色素（例えばシアニン）がある。さらなる色素の例としては、シアニン、キサンテン、アントラキノン、メロシアニン、フェノキサジノン、インドリン、チオフェン、クマリン、アントシアニン、ポーフィリン、フタロシアニン、スクアラート、スクアリリウム色素、およびある種の金属含有色素がある。所望の領域内において色素の組合せを用い、当該領域が複数（例えば、２種、３種、４種、５種、６種、および７種）の異なる色素を含有することができる。

一実施形態において、光活性層１０５はシス−ＲｕＬＬ´（ＮＣＳ）_２なる化学式を有する色素を含むことができる。ここで、Ｌは第１の２，２´−ジピリジルであり、Ｌ´は第２の２，２´−ジピリジルである。第１の２，２´−ジピリジルは第２の２，２´−ジピリジルと同一であっても、異なっていてもよい。ここに記載する「２，２´−ジピリジル」は、置換基および非置換基の双方を有する。置換基の例には、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル、Ｃ_２−Ｃ_１０アルケニル、Ｃ_２−Ｃ_１０アルキニル、Ｃ_３−Ｃ_８シクロアルキル、Ｃ_５−Ｃ_８シクロアルケニル、Ｃ_１−Ｃ_１０アルコキシ、アリール、アリーロキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリーロキシ、アミノ、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキルアミノ、Ｃ_１−Ｃ_２０ジアルキルアミノ、アリールアミノ、ジアリールアミノ、ヘテロアリールアミノ、ジヘトロアリールアミノ、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキルスルホニル、アリールスルホニル、ヘテロアリールスルホニル、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキルスルホンアミド、アリールスルホンアミド、ヘテロアリールスルホンアミド、ヒドロキシル、ハロゲン、メルカプト、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキルメルカプト、アリールメルカプト、シアノ、ニトロ、アシル、アシロキシ、カルボキシル、アミド、カルバモイル、およびカルボン酸エステルがある。シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、およびヘテロアリールはまた縮合環を含む。

シス−ＲｕＬＬ´（ＮＣＳ）_２の例には、シス−Ｒｕ（４，４´−ジカルボン酸−２，２´−ビピリジル）（４，４´−ジノニル−２，２´−ビピリジル）（ＮＣＳ）_２（Ｚ９０７）がある。一実施形態において、Ｚ９０７をまず適切な溶媒に溶解し、色素溶液を形成する。通常、この有機溶媒は低蒸気圧（例えば、２０℃において、＜１０ｍｍＨｇ（１
０Ｔｏｒｒ））と、良好な溶解度（例えば、５ｍＭより多量の色素を溶解する）と、高誘電率と、光活性層中の半導体（例えばＴｉＯ_２ナノ粒子）に対する良好な濡れ性とを有し、それにより半導体材料への色素吸着を促進し、染色時間を短縮することができる。このような有機溶媒の例には、ｇ−ブチロラクトン、１−メトキシ−２−プロパノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、プロピレングリコールフェニルエーテル、およびこれらの混合物がある。その後、色素溶液を、本願明細書に開示する１つ以上の方法により、半導体材料に付与する。このような色素溶液を用いる染色工程は、比較的短い染色時間を有することができる。一実施形態において、上記の染色溶液を用いることにより、６５ｍｇのＺ９０７を１ｇの半導体材料に、約５分以内に（例えば、約４分以内に、約３分以内に、約２分以内に、約１分以内に）吸収させることができる。

一実施形態において、色素（例えば、Ｚ９０７などのルテニウム系色素または有機色素）を含有する溶液に、増粘剤を加えることができる。増粘剤は染色時間を短縮することができる。増粘剤はまた、様々な濃度で用いることにより、染料溶液の粘弾性（例えば粘度）を調整するために用いることができる。増粘剤の例には、不可欠ではないヒュームドシリカ粒子およびポリ（プロピレングリコール）がある。色素が半導体材料に吸着された後、増粘剤は、任意により有機溶媒（例えば、エタノール、１−メトキシ−２−プロパノール）を用いて半導体材料を洗浄することにより除去され得る。

一実施形態において、ヒュームドシリカ粒子は疎水性表面を形成するように修飾されてもよい。例えば、ヒュームドシリカ粒子の表面をポリ（ジメチルシロキサン）により修飾することができる。このような疎水性シリカの例には、キャボット株式会社（Ｃａｂｏｔ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製のＣＡＢ−Ｏ−ＳＩＬ ＴＳ−７２０がある。疎水性シリカ粒子は、光起電力電池の熱安定性を向上させることができる。理論に束縛されることなく言えば、疎水性シリカ粒子は、光起電力電池において色素と電解質との間の接触を最小限にし、それにより色素の脱着を低減することができる。

光活性層１０５はまた、半導体材料などの色素と会合するさらに別の材料を含む。半導体材料の例には、化学式Ｍ_ｘＯ_ｙを有する材料があり、ここでＭは、例えばチタン、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、ランタン、タンタル、テルビウム、またはスズであり、ｘおよびｙは０より大きい整数である。他の安定な材料には、チタン、ジルコニウム、タングステン、ニオブ、ランタン、タンタル、テルビウム、スズ、またはこれらの組合せの硫化物、セレン化物、テルル化物、および酸化物がある。例えば、ＴｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＺｒＯ_２、ＷＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｎＯ_２、チタン酸ナトリウム、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム、およびニオブ酸カルシウムは適切な材料である。

通常、光活性層１０５中に含有される半導体材料は、ナノ粒子の形状をなす。一実施形態において、ナノ粒子は約２ｎｍから約１００ｎｍ（例えば約１０ｎｍから４０ｎｍであり、例えば約２０ｎｍ）の範囲の平均サイズを有する。

ナノ粒子は、例えば高温焼結、またはポリ（チタン酸ｎ−ブチル）などの反応性ポリマー凝集剤により凝集し得る。ポリマー凝集剤は、比較的低温（例えば、約３００℃未満）において凝集したナノ粒子を製造することを可能にする。一実施形態においては、これを室温において可能にする。比較的低温の凝集工程は、ポリマー基板を用いる連続製造工程に適している。

凝集ナノ粒子は、通常色素により光増感される。色素は入射光を電気に変換することを促進し、好ましい光起電力効果を生じる。色素は入射光を吸収し、色素の電子が励起されると考えられる。その後、励起電子のエネルギーは色素の励起レベルから凝集ナノ粒子の
伝導帯に移動する。この電子移動により電荷が分離され、好ましい光起電力効果を生じる。この結果、凝集ナノ粒子の伝導帯における電子は、外部負荷を駆動することを可能にする。

色素は、ナノ粒子に収着（例えば、化学吸着および／または物理吸着）され得る。色素は、例えば、稼動に関する波長領域（例えば、可視スペクトル内）の光子を吸収する能力、ナノ粒子の伝導帯において自由電子（または正孔）を産生する能力、ナノ粒子と錯化したり、ナノ粒子に収着されたりする能力、および／またはその色に基づいて選択され得る。

電極１０２の構成と厚さとは，通常は当該層の所望される電気伝導度、光学特性、および／または機械的特性に基づき選択される。一実施形態において、電極１０２は透明である。このような層を形成することに適切な透明材料の例には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズなどの金属酸化物がある。一実施形態において、電極１０２は箔（例えばチタン箔）から形成され得る。電極１０２は、例えば約１００ｎｍから５００ｎｍの厚さ（例えば、約１５０ｎｍから３００ｎｍの厚さ）である。

一実施形態において、電極１０２は導電性材料の不連続層を有することができる。例えば、電極１０２は導電性メッシュを有することができる。適切なメッシュ材料は、パラジウム、チタン、白金、ステンレススチール、およびこれらの合金などの金属からなる。一実施形態において、メッシュ材料は金属ワイヤからなる。導電性メッシュ材料はまた、金属などの導電性材料により予め被覆された電気絶縁材料を有することができる。電気絶縁材料は、織物繊維などの繊維、またはモノフィラメントからなることができる。繊維の例には、合成ポリマー繊維（例えばナイロン）および天然繊維（例えば、亜麻、綿、羊毛、および絹）がある。メッシュ電極は可撓性を備え、例えば連続製造工程によりＤＳＳＣを形成しやすくすることができる。メッシュ電極を有する光起電力電池は、例えば係属中の米国特許出願公開第２００３／０２３０３３７号明細書、同第２００４／０１８７９１１号明細書、および国際公開第０３／０４１１１７号パンフレットに開示されている。

メッシュ電極は、例えばワイヤ（または繊維）の直径、およびメッシュ密度（すなわち、メッシュの単位面積あたりのワイヤ（または繊維）の数）に関して、多様な形状をとることができる。メッシュは、例えば任意の数の開口の形状に関して、規則的であることも、不規則であることもできる。メッシュ形状の因子（例えば、ワイヤ径およびメッシュ密度）は、例えば、メッシュのワイヤ（または繊維）の伝導度、所望の光透過率、可撓性、および／または機械的強度に基づき選択され得る。通常は、メッシュ電極は、約１ミクロンから約４００ミクロンの範囲の平均ワイヤ（または繊維）径と、約６０％から約９５％の範囲のワイヤ（または繊維）の平均開口面積とを備えるワイヤ（または繊維）メッシュからなる。

触媒層１０３は通常、触媒層１０３の下方に位置する電荷キャリア層における酸化還元反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料により形成される。触媒層を形成することができる材料の例には、白金およびポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）がある。ＰＥＤＯＴ層は、米国特許出願番号第６０／４９５，３０２において検討されている。材料は、例えば、製造工程との適合性、長期間の安定性、および光学特性などの項目に基づき選択され得る。一般に、触媒層はほぼ透明である。しかし、一実施形態（例えば、カソードがほぼ透明である実施形態）において、触媒層はほぼ不透明であることができる。

基板１０１は、可撓性ポリマーなどの機械的には可撓性である材料、またはガラスなどの剛直な材料から形成され得る。可撓性基板を形成するために用いられ得るポリマーには
、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、セルロース系ポリマー、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリウレタン、およびこれらの組合せがある。可撓性基板は、ウェブに基づく被覆およびラミネーションなどの連続製造工程を行いやすくすることができる。

基板１０１の厚さは必要により変更し得る。通常、基板の厚さおよび種類は、ＤＳＳＣが製造、設置、および使用という過酷さに耐えるのに充分な機械的な支持を付与するように選択される。基板１０１は、約６ミクロンから約５，０００ミクロン（例えば、約６ミクロンから約５０ミクロン、約５０ミクロンから約５，０００ミクロン、約１００ミクロンから１，０００ミクロン）の厚さを有することができる。

電極１０２が透明である実施形態において、基板１０１は透明材料により形成される。例えば、基板１０１は、先に例示したようなシリカ系ガラスまたはポリマーなどの、透明なガラスまたはポリマーにより形成され得る。

基板１０９および電極１０７は、それぞれ基板１０１および電極１０２と類似であることができる。例えば、基板１０９は、基板１０１と同一の材料からなり、かつ同一の厚さであってよい。しかし、一実施形態において、基板１０９は基板１０１とは１つ以上の観点において異なっていることが好ましくてもよい。例えば、ＤＳＳＣは、異なる応力が異なる基板に作用する工程を用いて製造される場合には、基板１０９は基板１０１に対して耐性が高かったり低かったりしてもよい。したがって、基板１０９は基板１０１とは異なる材料から形成されていたり、異なる厚さを有していたりしていてもよい。さらに、使用に際して１基板のみが照射光源に暴露される実施形態において、両基板および／または両導電層が透明である必要はない。したがって、両基板のうちの１つおよび／または両導電層のうちの１つが不透明であることが可能である。例えば、電極１０７は金属箔により形成されていてよい。一実施形態において、金属箔には、チタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金である。

さらに、基板１１５は基板１０１，１０９と同様であることができる。例えば、基板１１５は基板１０１，１０９と同一の材料からなり、かつ同一の厚さを有することができる。

上記のように、電荷キャリア層１０４は、基底電位または電流源から光活性層１０５への電荷移動を促進する材料を含む。適切な電荷移動材料の一般的な分類としては、溶媒系液体電解質、多価電解質、ポリマー電解質、固体電解質、ｎ型またはｐ型電荷輸送材料（例えば導電性ポリマー）、およびゲル状電解質がある。電荷キャリア媒体として別の選択をすることも可能である。例えば、電荷キャリア層は、化学式ＬｉＸを有するリチウム塩を含むことができる。ここでＸは、ヨウ素、臭素、塩素、過塩素酸、チオシアン酸、トリフルオロメチル硫酸、またはヘキサフルオロ硫酸である。

通常、電荷キャリア媒体は酸化還元システムを備える。適切な酸化還元システムには有機および／または無機酸化還元システムを有することができる。このようなシステムの例には、硫酸セリウム（ＩＩＩ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ^２＋／Ｆｅ^３＋、Ｃｏ^２＋／Ｃｏ^３＋、およびビオロゲンがある。さらに、化学式Ｍ_ｉＸ_ｊを有する電解質溶液があり，ｉおよびｊは１または１より大きい値であり、Ｘはアニオンであり、Ｍはリチウム、銅、バリウム、亜鉛、ニッケル、ランタニド、コバルト、カルシウム、アルミニウム、またはマグネシウムである。適切なアニオンには、塩素、過塩素酸、チオシアン酸、トリフルオロメチル硫酸、およびヘキサフルオロ
硫酸がある。

一実施形態において、電荷キャリア媒体はポリマー電解質を含む。例えば、ポリマー電解質は、ポリ（ハロゲン化ビニルイミダゾリウム）およびヨウ化リチウム、および／またはポリビニルピリジニウム塩からなり得る。一実施形態において、電荷キャリア媒体は、ヨウ化リチウム、ヨウ化ピリジニウム、および／または置換ヨウ化イミダゾリウムなどの固体電解質を有することができる。

電荷キャリア媒体は多様な種類のポリマー電解質を有することができる。例えば、適切なポリマー電解質は、重量において約５％から約９５％（例えば、５〜６０％、５〜４０％、または５〜２０％）のポリマー、例えばイオン伝導性ポリマーと、重量において約５％から約９５％（例えば、約３５〜９５％、６０〜９５％、または８０〜９５％）の可塑剤と、約０．０５Ｍから約１０Ｍ（例えば、約０．０５Ｍ〜２Ｍ、０．０５Ｍ〜１Ｍ、または０．０５Ｍ〜０．５Ｍ）の有機または無機ヨウ化物の酸化還元電解質と、約０．０１Ｍから約１Ｍ（例えば、約０．０５Ｍ〜０．５Ｍ、０．０５Ｍ〜０．２Ｍ、または０．０５Ｍ〜０．１Ｍ）のヨウ素とを有することができる。イオン伝導性ポリマーには、例えば、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテル、およびポリフェノールがある。適切な可塑剤の例には、エチルカーボネート、プロピレンカーボネート、カーボネート混合物、有機リン酸塩、ブチロラクトン、およびジアルキルフタレートがある。

ＤＳＳＣ１２０は、ロール・ツー・ロール工程またはウェブ工程などの連続製造工程を用いて調製され得る。ロール・ツー・ロール工程の例は、例えば米国特許出願公開第２００５／０２６３１７９号明細書、および同第２００６／０１３０８９５号明細書に記載されている。

複数の光起電力電池を電気的に接続し、光起電システムを形成することができる。一実施例として、図２は、複数の光起電力電池５２からなるモジュール５１を備える光起電システム５０の概略図である。電池５２は電気的に直列に接続され、システム５０は負荷に電気的に接続されている。別の実施例として、図３は、複数の光起電力電池６２からなるモジュール６１を備える光起電システム６０の概略図である。電池６２は電気的に並列に接続され、システム６０は負荷に電気的に接続されている。一実施形態において、光起電システムにおける複数（例えば、すべて）の光起電力電池は、１つ以上の共通の基板を有することができる。一実施形態において、光起電システムにおける複数の光起電力電池は、電気的に直列に接続され、複数の光起電力電池は電気的に並列に接続されている。

種々の実施形態を開示してきたが、別の実施形態もまた可能である。
一実施例として，ＤＳＳＣの実施形態を説明してきたが、他の種類の光起電力電池もまた可能である。このような光起電力電池には、有機光起電力電池、非晶質ケイ素太陽電池、銅インジウムガリウムヒ素太陽電池、セレン化カドミウム太陽電池、テルル化カドミウム太陽電池、硫化銅インジウム太陽電池、および/またはタンデムセルがある。

例えば、有機光起電力電池において、上記の触媒層１０３、電荷キャリア層１０４、および光活性層１０５は、それぞれ正孔キャリア層、光活性層、および正孔阻止層により置換することができる。

一実施形態において、有機光起電力電池における光活性層は、電子供与体材料および電子受容体材料を有することができる。電子供与体材料の例には、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリ（フェニレンビニレン）、ポリチエニルビニレン、ポリイソチアナフタレン、およびこれらの組合せがある。電子受容体材料の例には、フ
ラーレン、無機ナノ粒子（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、インジウムリン、セレン化カドミウム、および／または硫化鉛から形成されたナノ粒子）、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、炭素ナノロッド、無機ナノロッド（例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、インジウムリン、セレン化カドミウム、および／または硫化鉛から形成されたナノロッド）、あるいは電子受容性または安定陰イオン形成性の基を含有するポリマー（例えば、ＣＮ基含有ポリマーまたはＣＦ_３基含有ポリマー）、およびこれらの組合せがある。一実施形態において、光活性層内の少なくとも複数の電子供与体材料は異なる色を有する。例えば、光活性層はそれぞれ異なる色を有する少なくとも３つの異なる電子供与体材料を含むことができる。

有機光起電力電池における正孔キャリア層は、通常、光起電力電池において用いられる厚さにおいて、正孔を電極１０２に輸送し、かつ電子を電極１０２へ輸送することをほぼ阻止する材料により形成される。正孔キャリア層を形成することができる材料の例には、ポリチオフェン（例えばＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニレンビニレン、および／またはポリイソチアナフタレンがある。一実施形態において、正孔キャリア層は正孔キャリア材料の組合せを有し得る。

有機光起電力電池における正孔阻止層は、通常、光起電力電池において用いられる厚さにおいて、電子を電極１０７に輸送し、かつ正孔を電極１０７へ輸送することをほぼ阻止する材料により形成される。正孔阻止層を形成することができる材料の例には、ＬｉＦおよび金属酸化物（例えば、酸化亜鉛、酸化チタン）がある。

有機光起電力電池の例は、例えば、米国特許出願公開第２００４／０１８７９１１号明細書、および米国特許出願番号第６０／５７６，０３３号明細書に記載されている。
複数の有機光起電力電池を（例えば上記のように）電気的に接続することができる。

他の実施形態は、請求の範囲に記載されている。

光起電力電池の一実施形態の断面図。 電気的に直列に接続された複数の光起電力電池からなるシステムの概略図。 電気的に並列に接続された複数の光起電力電池からなるシステムの概略図。

Claims (49)

1. 第１および第２の電極と、
   第１および第２の電極の間の光活性層と、
   第１の電極と電気的に接続された導電層と、
   導電層および第１の電極の間の第１の基板とを備え、
   第１の電極は導電層を介して外部負荷に電気的に接続されるように構成され、光起電力電池として構成されるシステム。
2. 導電層は、真鍮、スズめっき銅、スズめっきステンレススチール、またはスズめっきニッケルからなる、請求項１に記載のシステム。
3. 導電層はテープ状、またはメッシュ状をなす、請求項１に記載のシステム。
4. 導電層はバスを有する請求項１に記載のシステム。
5. 導電層は、第１の基板内の開口に配置された導電性接着材料を介して、第１の電極に電気的に接続される、請求項１に記載のシステム。
6. 導電性接着材料は金属添加ポリマーからなる、請求項５に記載のシステム。
7. 導電層は、さらに金属円板を介して第１の電極に電気的に接続される、請求項５に記載のシステム。
8. 金属円板は、チタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、スズ、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金からなる、請求項７に記載のシステム。
9. 導電層は、第１の基板内の開口に配置された導電性パッドを介して、第１の電極に電気的に接続される、請求項１に記載のシステム。
10. 導電性パッドは、金属ばねまたは炭素を含有するポリマーからなる、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ポリマーは、ゴム、シリコーン、または硬化性弾性ポリマーである、請求項１０に記載のシステム。
12. 導電層は、第１の基板内の開口に配置された低融点金属または低融点合金を介して、第１の電極に電気的に接続される、請求項１に記載のシステム。
13. 導電層は、第１の電極上の２箇所以上の位置において、第１の電極に電気的に接続される、請求項１に記載のシステム。
14. 導電層は第１の基板と第２の基板との間に配置される、請求項１に記載のシステム。
15. 第１または第２の基板は、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、炭化水素ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、およびこれらの組合せから選択されたポリマーからなる、請求項１４に記載のシステム。
16. 第１の基板と第１の電極との間の第１の接着層、および第１の基板と導電層との間の第２の接着層をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
17. 第１または第２の接着層は、エポキシ、ポリウレタン、ポリ尿素、ポリエステル、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリエチレン系ポリマー、またはポリプロピレン系ポリマーからなる、請求項１６に記載のシステム。
18. 第１の電極は金属箔からなる請求項１に記載のシステム。
19. 金属箔はチタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金からなる、請求項１８に記載のシステム。
20. 光活性材料は電子供与体材料と電子受容体材料とを含む、請求項１に記載のシステム。
21. 電子受容体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ_３基含有ポリマー、およびこれらの組合せから選択された材料からなる、請求項２０に記載のシステム。
22. 電子供与体材料は、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、およびポリイソチアナフタレンから選択された材料からなる、請求項２０に記載のシステム。
23. 光活性材料は光増感凝集ナノ粒子材料を含む、請求項１に記載のシステム。
24. 光増感凝集ナノ粒子材料は、セレン化物、硫化物、テルル化物、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、およびこれらの組合せから選択された材料からなる、請求項２３に記載のシステム。
25. 光活性材料は非晶質ケイ素またはＣＩＧＳからなる、請求項１に記載のシステム。
26. 第１および第２の電極と、
    第１および第２の電極の間の光活性層と、
    第１の電極と電気的に接続された回路と、
    前記回路および第１の電極の間にある第１の基板と、第１の基板は１つ以上の開口を有することと、
    前記開口に配置された導電性材料と、
    前記回路は前記導電性材料を介して第１の電極と電気的に接続されており、光起電力電池として構成されるシステム。
27. 前記回路は電気装置の少なくとも一部を備える、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記電気装置は、電源プラグ、バッテリーチャージャ、携帯電話充電器、または電源装置からなる、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記導電性材料は導電性接着材料からなる、請求項２６に記載のシステム。
30. 前記導電性接着材料は金属添加ポリマーからなる、請求項２９に記載のシステム。
31. 前記回路は、さらに金属円板を介して第１の電極に電気的に接続される、請求項２６に記載のシステム。
32. 金属円板は、チタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、スズ、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金からなる、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記導電性材料は導電性パッドからなる、請求項２６に記載のシステム。
34. 導電性パッドは、金属ばねまたは炭素を含有するポリマーからなる、請求項３３に記載のシステム。
35. 前記ポリマーは、ゴム、シリコーン、または硬化性弾性ポリマーである、請求項３４に記載のシステム。
36. 前記導電性材料は低融点金属または低融点合金を含む、請求項２６に記載のシステム。
37. 前記回路は、第１の電極上の２箇所以上の位置において、第１の電極に電気的に接続される、請求項２６に記載のシステム。
38. 前記回路は、第１の電極と第２の基板との間に配置される、請求項２６に記載のシステム。
39. 第１または第２の基板は、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、炭化水素ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、およびこれらの組合せから選択されたポリマーからなる、請求項３８に記載のシステム。
40. 第１の基板と第１の電極との間の第１の接着層、および第１の基板と前記回路との間の第２の接着層をさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
41. 第１または第２の接着層は、エポキシ、ポリウレタン、ポリ尿素、ポリエステル、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリエチレン系ポリマー、またはポリプロピレン系ポリマーからなる、請求項４０に記載のシステム。
42. 第１の電極は金属箔からなる請求項２６に記載のシステム。
43. 金属箔はチタン、ステンレススチール、パラジウム、白金、銅、アルミニウム、インジウム、金、銀、ニッケル、またはこれらの合金からなる、請求項４２に記載のシステム。
44. 光活性材料は電子供与体材料と電子受容体材料とを含む、請求項２６に記載のシステム。
45. 電子受容体材料は、フラーレン、無機ナノ粒子、オキサジアゾール、ディスコティック液晶、炭素ナノロッド、無機ナノロッド、ＣＮ基含有ポリマー、ＣＦ_３基含有ポリマー、およびこれらの組合せから選択された材料からなる、請求項４４に記載のシステム。
46. 電子供与体材料は、ディスコティック液晶、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニルビニレン、ポリシラン、ポリチエニルビニレン、およびポリイソチアナフタレンから選択された材料からなる、請求項４４に記載のシステム。
47. 光活性材料は光増感凝集ナノ粒子材料を含む、請求項２６に記載のシステム。
48. 光増感凝集ナノ粒子材料は、セレン化物、硫化物、テルル化物、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、およびこれらの組合せから選択された材料からなる、請求項４７に記載のシステム。
49. 光活性材料は非晶質ケイ素またはＣＩＧＳからなる、請求項２６に記載のシステム。

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