JP2011175895A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液が、ガスケットの取り扱い性が良好で、封止材の接着層へ浸食することを抑止すると共に、封止手段が低い面圧で良好な封止機能を発揮することを目的とする。
【解決手段】
光電極と対電極との間に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するものであって、複数個の貫通孔を形成した環状のシート状部材の両面に一体成形された弾性材製ガスケットとより構成され、前記封止手段の全周のいかなる個所においても、前記貫通孔を埋めている前記ガスケットの連結部が存在す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６）。
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７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７）。

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１００マイクロｍ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。
そこで、シール面圧を下げる為に、ガスケットの形状を細くして、リップ状にすることも考えられるが、弾性材単体で構成されている為、取り扱い性が悪く、作業効率を低下させた。
この取り扱い性を改善する方策として、シート状部材にガスケットを接着する方策が提案された。
しかし、シート状部材とガスケットとの接着界面が電解液により浸食され、電解液が漏洩する危険性を招来した。
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２００６−２１０２２９号公報 特開２００４−１７２０４８号公報 特開２００７−３３５１９７号公報 特開２００７−０７３４０１号公報 特開２００６−２０２６８１号公報

本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ガスケットの取り扱い性が良好で、電解液が、封止材の接着層へ浸食することを抑止すると共に、封止手段が低い面圧で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するものであって、複数個の貫通孔を形成した環状のシート状部材の両面に一体成形された弾性材製ガスケットとより構成され、前記封止手段の全周のいかなる個所においても、前記貫通孔を埋めている前記ガスケットの連結部が存在す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、ガスケットの取り扱い性が良好で、電解液が、封止材の接着層へ浸食することを抑止すると共に、封止手段が低い面圧で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。
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、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４記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、接着剤を使用することなく、ガスケット９をシート状部材９１に一体化することが出来る。

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、封止手段が低い面圧で良好な封止機能を発揮することが出来る。
更に、請求項６記載の発明の色素増感型太陽電池によればシート状部材とガスケットとの一体化が確実に達成出来る為、より安定した封止機能を発揮出来る。

更に、請求項７記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、シート状部材とガスケットとの一体化がより確実に達成出来ると共に、取り扱いが容易である。
更に、請求項８記載の発明の色素増感型太陽電池によれば、電極基材間の間隙が一定に保てる為に、封止手段が、より安定した封止機能を発揮出来る。

色素増感型太陽電池に係る本発明の実施の形態を示す断面図ある。 図１の封止手段単体を拡大して示した図である。 図２の封止手段に用いられたシート状部材の平面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 封止手段に用いられたシート状部材の他の例を示す平面図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 従来技術に係る色素増感型太陽電池の断面図ある。

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乃至図６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、図１に示す様に、本発明に係る色素増感型太陽電池は、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、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、この第２電極基材５の一面に設けられた第２導電膜６とよりなる対電極７と、光電極４と対電極７との間に配された液状またはゲル状の電解質を含む電解質層８と、光電極４と対電極７との間に電解質層８を封止する封止手段９を設ける構成としている。

そして、この封止手段９は、光電極４と対電極７との間に挟まれ、電解質層８を封止するものであって、複数個の貫通孔９１１、９１１を形成した環状のシート状部材９１の両面に一体成形された弾性材製ガスケット９２とより構成され、この封止手段９の全周のいかなる個所においても、貫通孔９１１、９１１を埋めているガスケット９２の連結部９２１が存在する態様としている。

すなわち、図２に示す様に、弾性材製ガスケット９２が、シート状部材９１に設けた貫通孔９１１、９１１を介して、シート状部材９１の両側（図上上下）に存在するガスケット９２、９２が連結している。
そして、この連結部９２１には、ガスケット９２の弾性材が存在する。
このため、ガスケット９２の内周側の電解質層８に存在する電解液による侵食や膨潤は、この連結部９２１により、連結部９２１を超えて（更に外周側へ）、侵食や膨潤が生起することを抑止できる。

この目的を達成する為に、使用されるシート状部材９１には、図３及び図４に示す様な貫通孔９１１、９１１が形成されている。
この為、シート状部材９１の全周のいかなる個所の断面をとっても、貫通孔９１１が存在するため、この貫通孔９１１に存在する事となる連結部９２１により、電解液による侵食や膨潤を効果的に阻止出来るものである。
また、シート状部材９１に形成する貫通孔９１１、９１１の形状は、図３及び図４に示すものに限らず、図５及び図６に示す様に、より短い貫通孔９１１、９１１を数多く、相互にその一部が重なる様に設ける態様としても良く、実施例では貫通孔９１１を２層に設ける態様としたが、２層に限らず３層以上の構造としても良い。

また、太陽電池の外周は、クリップ手段１０により、その全周が、均一な押圧力で挟持されている。
このため、ガスケット９２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、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、中でも液状ゴムが好ましい。
この液状ゴムは、射出成型により、ガスケット９をシート状部材９１に一体化する作業が、効率的に行える点から好ましい。
液状ゴムとしては、液状シリコーンゴム、液状フッ素ゴム、液状エチレンプロピレンターポリマー（ＥＰＤＭ）、液状ＡＣＭ等であるが、特に液状エチレンプロピレンターポリマー（ＥＰＤＭ）が好ましい。
また、自己接着型シリコーンゴムも接着剤を使用することなく、ガスケット９をシート状部材９１に一体化することが出来る点で好ましい。
更に、ガスケット９は、電極４、７と接する領域が、リップ形状部９２２、９２２となっている。
このため、封止手段９が低い面圧で良好な封止機能を発揮することが出来ると共に、色素増感型太陽電池を小型化出来る。

更に、シート状部材９１には、耐熱性及び耐薬品性に優れるポリイミドを使用したが、これに限定されるものではなく、電解液に対して耐性を有する材料であればよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂、液晶ポリマーが挙げられる。

また、シート状部材９１とガスケット９２との界面には、接着剤層９１２が存在する。
この接着剤層９１２に使用される接着剤としては、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が、特に、接着強度の観点から、液状エポキシ樹脂が好ましい。

更に、ガスケット９２の外周側であって、光電極４と対電極７との間隙には、スペーサ１１が配置されている。
このことにより、電極基材間の間隙が一定に保てる為に、封止手段が、より安定した封止機能を発揮出来る。

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、半導体層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。

タンデム型色素増感型太陽電池にも、同様の考え方に基づき適用することが出来る。

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 封止手段
１０ クリップ手段
９１ シート状部材
９２ ガスケット
９１１貫通孔
９２１連結部

Claims (8)

1. 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（９）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（９）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）を封止するものであって、複数個の貫通孔（９１１）、（９１１）を形成した環状のシート状部材（９１）の両面に一体成形された弾性材製ガスケット（９２）とより構成され、前記封止手段（９）の全周のいかなる個所においても、前記貫通孔（９１１）、（９１１）を埋めている前記ガスケット（９２）の連結部（９２１）が存在することを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記太陽電池の外周が、クリップ手段（１０）により挟持されてい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。
3. 前記ガスケット（９）の材質が、液状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または２記載の色素増感型太陽電池。
4. 前記ガスケット（９）の材質が、自己接着型シリコーンゴムであ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。
5. 前記ガスケット（９）が、前記電極（４）、（７）と接する領域がリップ形状部（９２２）、（９２２）となってい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。
6. 前記シート状部材（９１）と前記ガスケット（９２）との界面に接着剤層（９１２）が存在することを特徴とする請求項１〜５いずれか一項記載の色素増感型太陽電池。
7. 前記接着剤層（９１２）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６記載の色素増感型太陽電池。
8. 前記ガスケット（９２）の外周側であって、前記光電極（４）と前記対電極（７）との間隙にスペーサ（１１）が存在することを特徴とする請求項１〜７いずれか一項記載の色素増感型太陽電池。

Images