JP2010277999A - 染料感応太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】染料感応太陽電池及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】透明な導電性酸化物を受光基板として使用しない染料感応太陽電池及びその製造方法が提供されている。この染料感応太陽電池は、貫通ホールを有し、下部電極層と光電変換部との間に配置される上部電極層及び下部電極層と受光基板との間に配置される支持体とを含む。支持体は、絶縁性の多孔性膜でありうる。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池に関し、より詳細には、染料感応太陽電池及びその製造方法に関する。

太陽電池は、太陽から放出される光エネルギーを電気エネルギーへ転換する光電エネルギー変換システム（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）である。現在主に使われるシリコン太陽電池は、光電エネルギーを変換させるため、シリコン内に形成されるｐ−ｎ接合ダイオード（ｐ−ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉｏｄｅ）を利用する。

しかし、電子とホールとの時期尚早の再結合（ｐｒｅｍａｔｕｒｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を防止するために、使われるシリコンは、高純度及び低欠陥を有しなければならない。このような技術的要求は、使われる材料の費用の増加を生じるため、シリコン太陽電池の場合、電力当たり製造費用が高い。

これに加えて、バンドギャップ以上のエネルギーを有する複数の光子（ｐｈｏｔｏｎｓ）のみが電流を生成することに寄与するため、シリコン太陽電池のシリコンは、可能な低いバンドギャップ（ｂａｎｄｇａｐ）を有するようにドーピングされる。しかし、このように低くなったバンドギャップのため、青色光又は紫外線によって励起された複数の電子（ｅｘｃｉｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）は、過度なエネルギーを有するようになって、電流生産に寄与することより熱で消耗される。

なお、光子（ｐｈｏｔｏｎ）がキャプチャーリング（ｃａｐｔｕｒｉｎｇ）される可能性を増加させるためには、ｐ型層（ｐ−ｔｙｐｅ ｌａｙｅｒ）は、十分に厚くなければならないが、このような厚いｐ型層は、励起された電子がｐ−ｎ接合に到達する前に電孔と再結合する可能性を増加させるため、シリコン太陽電池の効率は、約７乃至１５％の付近でとどまる。

一方、非特許文献１で知らされた、光合成反応の原理に基づいた染料感応太陽電池（Ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ：ＤＳＣ）を提案した。そのグレッチェルセルを原型（ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ）とした染料感応太陽電池は、光電エネルギー変換のために、ｐ−ｎ接合ダイオードでなく染料及び遷移金属酸化膜を利用する光電気化学システム（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）である。このような染料感応太陽電池は、使われる材料が低価であり、その製造方法が単純であるので、シリコン太陽電池に比べて生産費用が低価である。したがって、染料感応太陽電池のエネルギー変換効率が増加される場合、シリコン太陽電池に比べて電力当たり製造費用を低減されることができる。

米国特許第４，９２７，７７１号明細書 米国特許公開第２００５／０２７４４１２号明細書

Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｔｚｅｌ、Ｍｏｈａｍｍａｄ Ｋ． Ｎａｚｅｅｒｕｄｄｉｎ、及びＢｒｉａｎ Ｏ’Ｒｅｇａｎは、１９９１年にその グレッチェルセル（Ｇｒａｔｚｅｌ ｃｅｌｌ）

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、製造費用を低減されることができる染料感応太陽電池を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、入射光の透過度を増加させることができる染料感応太陽電池を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、製造費用を低減されることができる染料感応太陽電池の製造方法を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、入射光の透過度を増加させることができる染料感応太陽電池の製造方法を提供することにある。

上述した技術的課題を達成するために、本発明は、透明導電性酸化物を受光基板として使用しない染料感応太陽電池を提供する。この染料感応太陽電池は、下部電極層及び受光基板との間に配置された光電変換部（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐａｒｔ）と、貫通ホールを有し、前記下部電極層と前記光電変換部との間に配置される上部電極層と、前記下部電極層の上部面を覆い、前記下部及び上部電極層との間に配置される触媒層と、前記貫通ホールを満たし、前記触媒層と前記受光基板との間に配置される電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）とを含む。この時、前記下部電極層、及び前記受光基板との間、又は支持体（ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ）が配置され、前記支持体は、絶縁性の多孔性膜であり、前記電解液は、前記支持体に含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ）される。

前記支持体は、前記触媒層と前記上部電極層との間に配置され、前記上部電極層と前記受光基板との間に配置され、前記触媒層と前記上部電極層との間、及び前記上部電極層と前記受光基板との間に配置されることができる。

前記受光基板は、非導電性の透明な（ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）物質に形成されることができ、前記光電変換部は、複数の半導体粒子、及び前記半導体粒子のそれぞれの表面に付着された複数の染料物質を含むことができる。一実施形態によると、前記光電変換部は、前記受光基板から離隔されうる。また、前記上部電極層の上部面及び下部面は、実質的に全体にわたって扁平でありうり、前記貫通ホールは、前記上部電極層内に規則的に配列できる。

上述した技術的課題を達成するために、本発明は、透明導電性酸化物を受光基板として使用しない染料感応太陽電池の製造方法を提供する。この方法は、貫通ホールが形成された上部電極層を準備する段階と、下部電極層上に前記貫通ホールが形成された前記上部電極層を配置する段階と、前記上部電極層上に光電変換部を形成する段階と、前記光電変換部上に受光基板を形成する段階と、前記下部電極層と、及び前記受光基板との間に支持体（ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ）を形成する段階と、前記支持体に電解液を含浸させる段階とを含むことができる。この時、前記支持体は、絶縁性の多孔性膜に形成されることができる。

前記支持体は、前記触媒層と前記上部電極層との間に配置され、前記上部電極層と前記受光基板との間に配置され、前記触媒層と前記上部電極層との間、及び前記上部電極層と前記受光基板との間に配置されることができる。

前記貫通ホールは、前記上部電極層を前記下部電極層の上に付着する前に前記上部電極層の内に形成されることができ、前記受光基板は、非導電性の透明な物質に形成されることができる。前記下部電極層、及び前記上部電極層は、金属膜（ｍｅｔａｌ ｆｉｌｍ）に形成され、前記光電変換部は、複数の半導体粒子、及び前記半導体粒子のそれぞれの表面に付着された複数の染料物質を含むことができる。

一実施形態によると、前記下部電極層上に前記上部電極層を付着する前に、前記下部電極層の上部面に触媒層を形成する段階と、前記触媒層の上部面のエッジに前記下部電極層から前記上部電極層を離隔させる下部密封剤を形成する段階と、前記上部電極層の上部面のエッジに前記上部電極層から前記受光基板を離隔させる上部密封剤を形成する段階とがさらに実施できる。

一実施形態によると、前記貫通ホールが形成された上部電極層を準備する段階は、金属膜を準備した後、蝕刻マスクを利用して前記金属膜をパターニングする段階を含むことができる。この時、前記蝕刻マスクは、前記貫通ホールが形成される位置を定義する開口部を有し、前記開口部は、空間的に規則性あるように形成されることができる。

一実施形態によると、前記下部電極層上に前記上部電極層を付着する段階は、ロール−ロール工程を使用して実施できる。

本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態によると、透明導電性酸化物を含まない受光基板が使われる。これに従い、染料感応太陽電池の製造費用を低減されることができるだけでなく入射光の透過度損失を最小化できる。

また、光電変換部の下部に、染料感応太陽電池の電子循環体系を構成する上部電極層及び下部電極層が配置され、前記上部及び下部電極層との間には多孔質の絶縁性物質に形成される支持体が配置される。前記支持体は、多様な理由からも生じることができる上部及び下部電極との間の電気的ショットを予防するのに寄与する。

本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係るフレキシブルな特性を有する染料感応太陽電池の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態による上部電極層を示す斜視図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態による上部電極層を示す斜視図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態による上部電極層の形成方法を示す図面である。 本発明に係る染料感応太陽電池の他の実施形態による染料感応太陽電池を示す断面図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の他の実施形態による染料感応太陽電池を示す断面図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の他の実施形態による染料感応太陽電池を示す断面図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の製造方法の一実施形態を示す順序図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の製造方法の他の実施形態を示す順序図である。 本発明に係る染料感応太陽電池の製造方法のその他の実施形態を示す順序図である。

以上の本発明の目的、他の目的、特徴、及び長所は、添付された図面を参照する以下の望ましい実施形態を通じて容易に分かるはずである。しかし、本発明は、ここで説明される実施形態に限定されずに他の形態に具体化されうる。むしろ、ここで紹介される実施形態は、開示された内容が徹底であり、完全になるように、当業者に本発明の思想が十分に伝えられることができるように提供されるものである。

本明細書において、ある膜が他の膜又は基板の上にあると言及される場合、それは、他の膜又は基板の上に直接形成されるか、又はこれらの間に第３の膜が介在されうることを意味する。また、図面において、膜及び領域の厚さは、技術的内容を効果的に説明するために誇張されることができる。また、本明細書の多様な実施形態で第１、第２、第３等の用語が多様な領域、膜等を説明するために使われしかし、これらの領域、膜がこのような用語によって限定されない。これらの用語は、単なる所定の領域、又は膜を他の領域、又は膜と区別するために使われたものである。したがって、ある一実施形態で第一膜質として言及された膜質が他の実施形態では、第２膜質として言及されることができる。ここで説明され、例示される各々の実施形態は、その相補的な実施形態を含む。

図１は、本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態を示す断面図であり、図２は、本発明に係るフレキシブルな特性を有する染料感応太陽電池の一実施形態を示す断面図であり、図３は、本発明に係る染料感応太陽電池の一実施形態による上部電極層を示す斜視図である。

図１を参照すると、本発明の実施形態による染料感応太陽電池１００は、下部電極層１０、下部電極層１０の上に配置される受光基板７０、下部電極層１０と受光基板７０との間に配置される光電変換部５０、及び光電変換部５０と下部電極層１０との間に配置される上部電極層４０とを含む。これに加えて、下部電極層１０の上部面又は上部電極層４０から離隔された触媒層２０が形成され、触媒層２０と受光基板７０との間の空間は、電解液８０（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）で満たされる。

光電変換部５０は、半導体物質及び半導体物質の表面に吸着された染料を含むことができる。一実施形態によると、図２に示すように、光電変換部５０は、酸化物半導体粒子５２及び酸化物半導体粒子５２の表面に吸着された染料物質５４を含むことができる。酸化物半導体粒子５２は、チタニウム酸化物ＴｉＯ₂、錫酸化物ＳｎＯ₂、ジルコニウム酸化物ＺｒＯ₂、シリコン酸化物ＳｉＯ₂、マグネシウム酸化物ＭｇＯ、ニオビウム酸化物Ｎｂ２Ｏ₅、及び亜鉛酸化物ＺｎＯなどと同じ、遷移金属酸化物を含む金属酸化物の中の１つでありうる。染料物質５４は、光エネルギーを電気的エネルギーに転換させることができるルテニウムコンプレックス（ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ ｃｏｍｐｌｅｘ）のような染料分子でありうる。例えば、染料物質５４は、Ｎ７１９（Ｒｕ（ｄｃｂｐｙ）２（ＮＣＳ）２ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ２ ｐｒｏｔｏｎｓ）でありうる。しかし、Ｎ７１２、Ｚ９０７、Ｚ９１０及びＫ１９等のような公知された染料の中の少なくとも１つでありうる。本発明の実施形態による染料感応太陽電池１００は、フレキシブルな特性を有することができる。即ち、図２に示すように、製品の外形を変形させることができる外力（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ）の下でも、染料感応太陽電池１００は、実質的な機能喪失、又は製品破損なし正常に動作できる。このような実施形態によると、受光基板７０、下部電極層１０及び上部電極層４０は、フレキシブルな特性を提供できる厚さ及び物質に形成されることができる。

より具体的に、下部電極層１０及び上部電極層４０の各々は、金属及び金属合金の中の少なくとも１つを含む薄膜（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）又はホイール（ｆｏｉｌ）でありうる。例えば、物質の種類において、下部電極層１０及び上部電極層４０は、チタニウム、ステンレススチール、アルミニウム、及び銅などに形成されることができる。しかし、他の多様な金属性物質に形成されることができる。変形された実施形態によると、下部電極層１０の下部面は、絶縁性薄膜（図示せず）でコーティングできる。また、下部電極層１０及び上部電極層４０の厚さは、フレキシブルな特性を提供できるように、数マイクロメートル乃至数ミリメートルの厚さの範囲内で選択されることができ、より具体的な厚さは、該当物質の種類によって変わることができる。

本発明の実施形態によると、受光基板７０は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ：ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ）無しで、透明な物質のみで形成される。例えば、受光基板７０は、ガラス（ｇｌａｓｓ）又は高分子フィルムで形成されることができる。知らされたように、ＴＣＯを含む透明基板は、導電性を提供できるが、しかし、その製品単価が高いので、これを使用しない染料感応太陽電池は、低廉な製造費用で製造できる。一実施形態によると、受光基板７０は、フレキシブルな特性を有することができるように透明なプラスチック膜でありうる。

電解液８０は、酸化還元ヨウ化物電解質（ｒｅｄｏｘ ｉｏｄｉｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）でありうる。本発明の一実施形態によると、電解液８０は、０．７Ｍの１−ビニール−３− ヘキシルイミダゾリウムヨウ化物（１−ｖｉｎｙｌ−３−ｈｅｘｙｌ−ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍｉｏｄｉｄｅ）と０．１Ｍ ＬｉＩ、そして４０ｍＭのＩ₂（Ｉｏｄｉｎｅ）を３−メトキシプロピオニトリル（３−Ｍｅｔｈｏｘｙｐｒｏｐｉｏｎｉｔｒｉｌｅ）に溶解させたＩ₃ ^-／Ｉ^-の電解液でありうる。本発明の他の実施形態によると、電解液８０は、０．６Ｍ ｂｕｔｙｌｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ、０．０２Ｍ Ｉ２、０．１Ｍ Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍｔｈｉｏｃｙａｎａｔｅ、０．５Ｍ ４−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅを含むアセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）溶液でありうる。しかし、例示せずの多様な電解液の中に１つが本発明による染料感応太陽電池用として使われることができる。例えば、電解液８０は、ａｌｋｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍｉｏｄｉｄｅｓ、 又はｔｅｔｒａ−ａｌｋｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｉｏｄｉｄｅｓを含むことができ、 ＴＢＰ（ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｐｙｒｉｄｉｎ）、ＢＩ（ｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、及びＮＭＢＩ（Ｎ−Ｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）を表面添加剤（ｓｕｒｆａｃｅ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ）としてさらに含むことができる。また、アセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）、プロピオニトリル（ｐｒｏｐｉｏｎｉｔｒｉｌｅ）、又はアセトニトリル （ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）とバレロニトリル（ｖａｌｅｒｏｎｉｔｒｉｌｅ）の混合液が溶媒として使われることができる。

触媒層２０は、電解質の還元過程に参加できるように電解液８０と接触する。一実施形態によると、電解液８０が酸化還元ヨウ化物電解質（ｒｅｄｏｘ ｉｏｄｉｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）である場合、触媒層２０は、下部電極層１０の上に塗布になる白金Ｐｔでありうる。

受光基板７０を通じ、太陽光が光電変換部５０へ入射される場合、染料物質５４の電子は、入射された光によって励起（ｅｘｃｉｔｅｄ）され、酸化物半導体粒子５２の伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）へ注入された後、上部電極層４０、所定の負荷Ｌ（ｌｏａｄ）、及び下部電極層１０を経由して電解液８０で還元される。このような過程は、染料感応太陽電池の電子循環体系と称する。

一方、電解質の還元過程、又は染料感応太陽電池の電子循環過程が持続的に行われるためには、光電変換部５０で電子を失ったイオンが還元過程がおきる触媒層２０へ拡散するべきである。このために、本発明の実施形態によると、図１乃至図３に示すように、光電変換部５０と触媒層２０との間に配置される上部電極層４０は、これを貫通する少なくとも１つの貫通ホール９９を有する。

一実施形態によると、貫通ホール９９は、上部電極層４０の所定領域の内で規則的へ配列できる。具体的に、図３に示すように、所定の貫通ホールとこれに隣接する貫通ホール９９との間の相対的位置及び距離は、平行でない２ベクトル（ａ、ｂ）によって表現されることができ、複数の隣接する他の貫通ホールとの間の相対的位置及び距離は、２ベクトル（ａ、ｂ）によって同一に表現されることができる。このように、貫通ホール９９が上部電極層４０内に規則的に配列になる場合、イオンが触媒層２０へ均一に拡散されることができる。その結果、還元過程が均一であり、効率的に行われることができるので、製品の光電性能（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が向上することができる。

本発明の他の実施形態によると、上部電極層４０の内に形成されるすべての貫通ホール９９の配置は、所定のベクトルに構成されるベクトル集合を含む複数のベクトル集合によって実質的に完全に表現されることができる。貫通ホール９９の配置を定義するベクトル集合の数が増加する場合、貫通ホール９９は、減少された規則性を有して配置されるか、或いは無作為的に配置されることができる。すなわち、本発明の実施形態によると、貫通ホール９９の配置での規則性水準は、多様でありうる。貫通ホール９９の幅は、酸化物半導体粒子５２の平均直径より小さいか、或いはその数倍でありうる。例えば、貫通ホール９９の幅は、概略に数ナノメートル乃至数センチメートルでありうる。一実施形態によると、酸化物粒子５２が貫通ホール９９を有効に防ぐように形成されることができる。

一方、上部電極層４０の厚さと関連して、本発明の一実施形態によると、図１、図２、図３Ａ、図４乃至図９に示すように、上部電極層４０は、貫通ホール９９を除いた全領域で実質的に均一な厚さに形成されることができる。本発明の他の実施形態によると、図３Ｂに示すように、上部電極層４０は、その上部面から延びる少なくとも１つの突出部４５を含むことができる。しかし、突出部４５は、図３Ｂに示す実施形態から多様に変形できる。例えば、突出部４５は、上部電極層４０の下部面から下方に延びる部分、及び上部電極層４０の上部面から上側に延長される部分の中の少なくとも１つを含むことができる。また、突出部４５が配置される位置及び厚さも多様に変形できる。

貫通ホール９９を上部電極層４０の内に形成する方法は、図４に示すように、所定の蝕刻マスク（ＥＭ）を使用して上部金属層４０用の金属膜を蝕刻する段階８８を含むことができる。蝕刻マスク（ＥＭ）は、再使用可能な物質（例えば、高分子化合物、又はセラミック）で形成されることができ、貫通ホール９９の位置を定義する開口部９５を含むことができる。このように再使用可能な蝕刻マスクを使用することによって、貫通ホール９９を有する上部電極層４０の準備費用が低減できるだけでなく貫通ホール９９の位置は、製造される染料感応太陽電池の全ての位置で実質的に同一でありうる。貫通ホール９９の位置的変化（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）の減少は、製造される染料感応太陽電池の製品特性での均一性を向上させることができる。

図５乃至図９は、本発明に係る染料感応太陽電池の他の実施形態を示す断面図である。説明を簡単にするため、図１を参照して説明された実施形態と重複する技術的特徴に対する説明は、省略する。

図５乃至図７を参照すると、受光基板７０と触媒層２０との間には、支持体９１、９２がさらに配置されることができる。具体的に、下部支持体９１が図５及び図７に示すように触媒層２０と上部電極層４０との間に配置されるか、或いは上部支持体９２が、図６及び図７に示すように、上部電極層４０と受光基板７０との間に配置されることができる。このような実施形態によると、貫通ホール９９の幅は、概略に数ナノメートル乃至数センチメートルでありうる。

本発明の一実施形態によると、下部支持体９１は、触媒層２０から上部電極層４０を物理的／電気的に離隔させる スペーサーでありうる。下部支持体９１は、絶縁性物質（例えば、ガラス、セラミック、及びプラスチック）で形成されることができ、その模様は、ボール（ｂａｌｌ）、及びバー（ｂａｒ）でありうるが、下部支持体９１の物質及び模様は、多様に変形できる。このような絶縁性下部支持体９１によって、触媒層２０と上部電極層４０との間の直接的な接触（すなわち、電気的ショット）が予防でき、触媒層２０と上部電極層４０との間の間隔は、一定に維持されることができる。これに従い、受光基板７０又は下部電極層１０に外力が作用する場合にも、電気的ショットによる製品損傷は、予防できる。

本発明の他の実施形態によると、下部又は上部支持体９１、９２は、多孔質の絶縁性物質でありうる。例えば、下部又は上部支持体９１、９２は、微細な吸収孔（ｐｏｒｅｓ）（図示せず）を有する高分子物質又はセラミックでありうる。このような実施形態によると、電解液８０は、下部又は上部支持体９１、９２の吸収孔を満たしながら受光基板７０と触媒層２０との間に介在できる。すなわち、電解液８０は、下部又は上部支持体９１、９２に含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ）できる。

本発明の一実施形態によると、下部支持体９１は、酸化物半導体粒子５２が上部電極層４０と触媒層２０との間の空間、又は触媒層２０の上部面へ移動することを実質的に有効に防止するように構成される。例えば、下部支持体９１の吸収孔の幅は、実質的に酸化物半導体粒子５２の大きさより小さいか、或いは同一でありうる。しかし、酸化物半導体粒子の移動は、吸収孔の配置及び酸化物半導体粒子との間の接着特性などに依存することができる。このような点において、他の実施形態による下部支持体９１の吸収孔は、酸化物半導体粒子５２の大きさより大きい幅を有することができる。

本発明の一実施形態によると、光電変換部５０で電子を失ったイオンが還元過程がおきる触媒層２０へ拡散されるように、下部支持体９１の吸収孔は、連続的に連結することができる。

図８を参照すると、本発明の変形された実施形態によると、貫通ホール９９は、図３を参照して説明された実施形態と異なる構造の上部電極層４０によって提供されることができる。例えば、上部電極層４０は、交差しながら織られたワイヤー（ｉｎｔｅｒｃｒｏｓｓｅｄ ａｎｄ ｗｏｖｅｎ ｗｉｒｅｓ）を含むメッシュ構造体（ｍｅｓｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、粉末が相互に連結された焼結体（ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、及び多孔質の金属性物質でありうる。

このような変形された実施形態によると、上部電極層４０の上部面又は下部面は、局所的に扁平でないことがありうる。すなわち、上部電極層４０の厚さは、位置によって変わることができ、このような厚さの不均一は、上部及び下部密封剤６０、３０との間でも生じることができる。この場合、上部及び下部密封剤６０、３０と上部電極層４０との間の接着特性がよくない場合、電解液８０が外部へ漏出される不良が発生できる。これに比べて、図１乃至図７を参照して説明された実施形態によると、上部電極層４０は、上部面及び下部面が全体にわたって扁平な膜であるという点で、上部及び下部密封剤６０、３０は、上部電極層４０に固く接着できるので、電解液８０の外部への流出は、抑制されることができる。
これに加えて、図１乃至図７に示すように、貫通ホール９９は、上部及び下部密封剤６０、３０との間に介在される上部電極層４０のエッジ領域には形成されない。すなわち、上部電極層４０のエッジ領域は、貫通ホール９９がない扁平な膜でありうる。この場合、上述した変形された実施形態で生じることができる上部電極層４０の厚さの不均一及びこれによる電解液８０の外部への流出は、さらに抑制されることができる。

また、上述した変形された実施形態によると、上部電極層４０に形成される貫通ホールを微細に形成するためには、高費用の製造技術が要求される。例えば、メッシュ構造体の場合、貫通ホールを微細な大きさに形成するためには、これを構成するワイヤーの数が急激に増加させるだけでなく織造過程（ｗｅａｖｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）でワイヤーの各々を制御するのが、難しい。これに比べて、図１乃至図７を参照して説明された実施形態によると、貫通ホール９９を形成するパターニング工程は、相対的に低価である、蝕刻マスク（ＥＭ）を反復的に使用する段階を含むことができる。これに従い、図１乃至図７を参照して説明された実施形態は、低廉な費用で透明導電性酸化物がない染料感応太陽電池（ＴＣＯ−ｌｅｓｓ ＤＳＣ）を製造することができる。

その他の変形された実施形態によると、上部電極層４０は、ナノ大きさの貫通ホール有する導電性膜、又は貫通ホールを提供するナノチューブを含む導電性膜でありうる。このようなその他の変形された実施形態も、やはり高費用の製造技術が要求されるため、図１乃至図７を参照して説明された実施形態は、その他の変形された実施形態に比べて低廉な費用で透明導電性酸化物がない染料感応太陽電池（ＴＣＯ−ｌｅｓｓ ＤＳＣ）を製造することができる。

図１０は、本発明に係る染料感応太陽電池の製造方法の一実施形態を示す順序図である。

図１０を参照すると、下部電極層１０の上に触媒層２０及び下部密封剤３０を各々形成する（Ｓ１及びＳ２）。この段階らは、独立的に、金属膜を準備した後、金属膜をパターニングして、少なくとも１つの貫通ホール９９を有する上部電極層４０を準備する（Ｓ３及びＳ４）。

続いて、下部密封剤３０の上に上部電極層４０を付着し（Ｓ５）、上部電極層４０の上に光電変換部５０を形成し（Ｓ６）、上部電極層４０の上に光電変換部５０を囲む上部密封剤６０を形成し（Ｓ７）、上部密封剤６０の上に非導電性の透明な受光基板７０を形成する（Ｓ８）。受光基板７０と触媒層２０との間に電解液８０を注入した後（Ｓ９）、密封過程を実行する（Ｓ１０）。

この実施形態によると、金属膜をパターニングする段階（Ｓ４）は、図４に示すように、所定の蝕刻マスク（ＥＭ）を使用して金属膜を蝕刻する段階８８を含むことができる。蝕刻マスク（ＥＭ）は、再使用可能な物質に形成されることができ、貫通ホール９９の位置を定義する開口部９５を含むことができる。これに従い、染料感応太陽電池の製造費用は、低減できるだけでなく貫通ホール９９の位置は、製造される全ての染料感応太陽電池で実質的に同一でありえる。貫通ホール９９の位置的変移（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）減少は、製造される染料感応太陽電池の製品特性での均一性を向上させることができる。

金属膜を蝕刻する段階８８は、等方性又は異方性蝕刻の方法の中の少なくとも１つを使用して実行できる。例えば、蝕刻マスク（ＥＭ）を金属膜の上に配置した後、金属膜を湿式蝕刻することによって金属膜を貫通する貫通ホールを形成できる。メッシュ構造体、焼結体、及び多孔質の金属性物質、ナノ大きさの貫通ホール有する導電性膜、又は貫通ホールを提供するナノチューブを含む導電性膜として上部電極層４０を形成する上述した変形される実施形態に比べて、このような蝕刻の方法は、低廉な費用に前記貫通ホール９９を有する上部電極層４０を形成することが可能である。

上部電極層４０が下部電極層１０とは独立的に用意されるので、下部密封剤３０の上に上部電極層４０を付着する段階（Ｓ５）は、ロール−ロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）の技術を使用して実施できる。本発明の一実施形態によると、下部電極層１０、触媒層２０、下部密封剤３０、上部密封剤６０、及び受光基板７０の中の少なくとも１つは、やはりロール−ロール技術を使用して形成されることができる。ロール−ロールの技術は、高価の蒸着工程を要求しないため、本発明による染料感応太陽電池は、低減された費用に製造できる。

本発明の一実施形態によると、貫通ホール９９は、上部及び下部密封剤６０、３０との間に介在される上部電極層４０のエッジ領域には形成されない。このため、金属膜を蝕刻する段階８８は、光電変換部５０が形成される領域で金属膜を選択的／局所的に蝕刻するように実施できる。この場合、上述したように、上部電極層４０の厚さの不均一、及びこれによる電解液８０の外部への流出は、有効に抑制されることができる。

図１１は、本発明に係る染料感応太陽電池の製造方法の他の実施形態を示す順序図である。説明を簡単にするため、図１０を参照して説明された実施形態と重複する技術的特徴に対する説明については省略する。

図１１を参照すると、他の実施形態による製造方法は、下部密封剤３０の上に上部電極層４０を付着（Ｓ５）する前に、触媒層２０の上に下部支持体９１を形成する段階（Ａ１）さらに含むことができる。その結果として、図５及び図７に示すように、下部支持体９１は、触媒層２０と上部電極層４０との間に配置される。上述したように、この場合、下部支持体９１は、酸化物半導体粒子５２が上部電極層４０と触媒層２０との間の空間へ移動することを防止するか、或いは触媒層２０と上部電極層４０との間の間隔を維持させることができる。変形された実施形態によると、図１１に示すように、上述した製造方法は、受光基板７０を形成（Ｓ８）する前に、光電変換部５０の上に上部支持体９２を形成する段階（Ａ２）さらに含むことができる。

下部又は上部支持体９１、９２は、多孔質の絶縁性物質［例えば、微細な吸収孔（ｐｏｒｅｓ）（図示せず）を有する高分子物質、又はセラミック］でありうる。このような実施形態によると、電解液８０は、下部又は上部支持体９１、９２に含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ）なりながら受光基板７０と触媒層２０との間に介在できる。下部支持体９１の吸収孔は、光電変換部５０で電子を失ったイオンが、還元過程がおきる触媒層２０へ拡散されるように、連続的に連結することができる。

一方、図１２に示すように、本発明のその他の実施形態によると、上部電極層４０の上に光電変換部５０を形成する段階は、下部密封剤３０の上に上部電極層４０を付着する前に実施されうる。このような形成順序での変化は、図１０を参照して説明された実施形態でも同一に適用されることができる。

１０ 下部電極層
２０ 触媒層
３０ 下部密封剤
４０ 上部電極層
５０ 光電変換部
５２ 酸化物半導体粒子
５４ 染料
６０ 上部密封剤
７０ 受光基板
８０ 電解質
９１ 下部支持体
９２ 上部支持体
９９ 貫通ホール
Ｌ 負荷

Claims (20)

1. 下部電極層及び受光基板との間に配置された光電変換部（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐａｒｔ）と、
   貫通ホールを有し、前記下部電極層と前記光電変換部との間に配置される上部電極層と、
   前記下部電極層の上部面を覆い、前記下部及び上部電極層との間に配置される触媒層と、
   前記触媒層と前記受光基板との間に配置される電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）と
   を含むことを特徴とする染料感応太陽電池。
2. 前記上部電極層は、前記貫通ホール以外の領域で均一な厚さを有する金属ホイール（ｍｅｔａｌ ｆｏｉｌ）であることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
3. 前記上部電極層は、その上部面及びその下部面の中の少なくとも１つから延びる少なくとも１つの突出領域さらに含む請求項２に記載の染料感応太陽電池。
4. 前記貫通ホールとの間の最小間隔は、前記貫通ホールの最小幅より広いことを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
5. 前記下部電極層及び前記受光基板との間に配置される絶縁性支持体（ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ）さらに含む請求項１に記載の染料感応太陽電池。
6. 前記支持体は、多孔性膜であり、前記電解液は、前記支持体に含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ）されることを特徴とする請求項５に記載の染料感応太陽電池。
7. 前記支持体は、前記触媒層と前記上部電極層との間、及び前記上部電極層と前記受光基板との間の中の少なくとも１ケ所に形成されることを特徴とする請求項５に記載の染料感応太陽電池。
8. 前記下部電極層の上部面のエッジに配置される下部密封剤と、
   前記上部電極層の上部面のエッジに配置される上部密封剤とをさらに含み、
   前記貫通ホールは、前記下部密封剤と前記上部密封剤との間の領域を除外した前記上部電極層の内に形成されることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
9. 前記受光基板は、非導電性物質のみで形成されることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
10. 前記上部電極層は、粉末が相互に連結された焼結体（ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、多孔質の金属性物質、及びナノチューブを含む導電性膜の中の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
11. 貫通ホールが形成された上部電極層を準備する段階と、
    下部電極層の上に、前記貫通ホールが形成された前記上部電極層を配置する段階と、
    前記上部電極層の上に光電変換部を形成する段階と、
    前記光電変換部の上に受光基板を形成する段階と、
    前記受光基板と前記下部電極層との間に電解液を注入する段階と
    を含むことを特徴とする染料感応太陽電池の製造方法。
12. 前記貫通ホールが形成された上部電極層を準備する段階は、
    金属ホイールを準備する段階と、
    開口部を有する蝕刻マスクを利用して前記金属ホイールを蝕刻する段階と、を含み、
    前記貫通ホールの位置は、前記蝕刻マスクの開口部によって定義されることを特徴とする請求項１１に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
13. 前記金属ホイールを蝕刻する段階は、前記金属ホイールの上部面及び下部面の中の少なくとも１つを湿式蝕刻する段階を含む請求項１２に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
14. 前記貫通ホールは、前記上部電極層を前記下部電極層の上に付着する前に前記上部電極層の内に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
15. 前記下部電極層及び前記上部電極層の中の少なくとも１つは、ロール−ロール工程を使用して形成されることを特徴とする請求項１１に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
16. 前記電解液を注入する前に、前記下部電極層及び前記受光基板間に絶縁性支持体（ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ）を形成する段階をさらに含み、
    前記絶縁性支持体は、ロール−ロール工程を使用して形成されることを特徴とする請求項１１に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
17. 前記支持体は、多孔性膜に形成され、前記電解液は、前記支持体の内に含浸されることを特徴とする請求項１６に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
18. 前記支持体は、前記触媒層と前記上部電極層との間、及び前記上部電極層と前記受光基板との間の中の少なくとも１ケ所に形成されることを特徴とする請求項１７に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
19. 前記受光基板は、非導電性物質のみで形成されることを特徴とする請求項１１に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
20. 前記下部電極層の上に前記上部電極層を付着する前に、前記下部電極層の上部面に触媒層を形成する段階と、
    前記触媒層の上部面のエッジに前記下部電極層から前記上部電極層を離隔させる下部密封剤を形成する段階と、
    前記上部電極層の上部面エッジに前記上部電極層から前記受光基板を離隔させる上部密封剤を形成する段階とをさらに含み、
    前記貫通ホールは、前記下部密封剤及び前記上部密封剤との間の領域を除外した前記上部電極層の内に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の染料感応太陽電池の製造方法。