JP2012069342A - 太陽電池サブモジュールおよび太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率とデザイン性の双方を両立させやすい色素増感型太陽電池を提供する。
【解決手段】サブモジュール１３０は、複数のセル１００を含む。セル１００は、採光面側の作用極から電子を発生させ、非採光面側の対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池である。第１のセルの作用極と、隣の第２のセルの対極を接続することにより、複数のセルは直列接続される。ここで、サブモジュール１３０に含まれる各セルは所定の第１軸に対して回転対称に配置される。この結果、サブモジュール１３０は、放射形状の一部を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、色素増感型の太陽電池に関し、特に、太陽電池セルの構造および配置、に関する。

近年、太陽電池に対する期待が高まっているが、その中でも色素増感型太陽電池（DSC:Dye Sensitized Solar Cell）は注目されている。色素増感型太陽電池は、印刷技術の延長で製造できる、成形しやすい、多様な色彩を実現できるためデザイン性に優れる、といったさまざまな利点を有する。色素増感型太陽電池のセル(以下、単に「セル」とよぶ）に光を当てると、セル内の色素が励起され、色素は電子を放出する。放出された電子は作用極とよばれる陰極から取り出される。電子は、外部負荷を経由して、対極とよばれる陽極に戻る。色素が電子放出と電子吸収を繰り返すことにより、電池としての機能が発揮される。

特開２００４−１１９０８２号公報 特開２００９−２３８５８３号公報

セルの発電効率を高めるためには、セルが光を受け取る部分の面積（以下、「有効発電面積」とよぶ）を大きくする必要がある。また、色素増感型太陽電池を利用するさまざまな製品の外表面にセルを効率的に配置できることも重要もある。そのためにはさまざまなサイズや形状のセルを用意できることが望ましい。

色素増感型太陽電池のセルの起電力は、通常、０．３〜０．７（Ｖ）程度である。一つのセルの起電力で足りないときには、複数のセルを直列接続する。この直列回路の発電効率を高めるためには、各セルの内部抵抗やインピーダンスといった電気的特性を一致させる必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、色素増感型太陽電池の発電効率とデザイン性の双方を両立させやすいセルの構造および配置を提案することにある。

本発明にかかる太陽電池サブモジュールは、採光面側に設けられる作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられる対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池の複数のセルと、第１のセルの作用極と第１のセルとは異なる第２のセルの対極を接続することにより、複数のセルを直列接続する連結導体を備える。各セルは第１の軸に対して回転対称に配置され、複数のセルにより放射形状体の全部または一部が形成される。

第１の軸に対して複数のセルを回転対称に配列することにより、第１の軸を中心とした放射形状型太陽電池の全部または一部となる太陽電池サブモジュールが形成される。このような構成によれば、色素増感型太陽電池のデザインの自由度を拡げることができる。また、各セルの第１の軸に対する中心角をそろえることにより、セルのサイズ、ひいては、電気的特性を均一化させやすくなる。

各セルの形状は、第１の軸に対する中心角が略同一の扇形であってもよい。ここでいう略同一とは、たとえば、５％前後のずれは許容できる程度の同一性をいう。以下における「略」という用語の意味についても同様である。

各セルの有効発電面積は略同一であってもよい。有効発電面積をそろえることにより、各セルの起電力を均一化させやすくなる。

複数のセルそれぞれに含まれる電解質を分離する内部隔壁を、電解質と外界を分離する外部隔壁よりも薄く形成してもよい。セルの内部隔壁を薄くすることにより、有効発電面積をいっそう拡大しやすくなる。また、外部隔壁を厚くすることにより、外界のストレスからセルを守りやすくなる。

本発明にかかる太陽電池モジュールは、上述の太陽電池サブモジュールを複数備える。この太陽電池モジュールにおいては、第１の太陽電池サブモジュールの正極端子と第２の太陽電池サブモジュールの負極端子を接続することにより、複数の太陽電池サブモジュールが直列接続される。

複数の太陽電池サブモジュールを直列接続することにより、太陽電池モジュールが形成される。このような構成によれば、太陽電池モジュールの使用数に応じて太陽電池モジュールの起電力や形状を柔軟に変更できる。

各太陽電池サブモジュールは太陽電池モジュールの中心軸である第２の軸に対して回転対称に配置される。複数の太陽電池サブモジュールにより放射形状体の全部または一部が形成される。このような構成によれば、色素増感型太陽電池のデザインの幅を拡げることができる。

各太陽電池サブモジュールの形状は、第２の軸に対する中心角が略同一の扇形であってもよい。

外部隔壁の幅をＷ１、内部隔壁の幅をＷ２としたとき、第１の軸は、第２の軸に対して、Ｗ１−（Ｗ２／２）分だけオフセットされた位置に設定されてもよい。

このようなオフセットを設けることにより、設計上、各セルの有効発電面積を均一化させやすくなる。詳細については後述する。

本発明にかかる時計においては、上述の太陽電池モジュールの採光面上にアナログ時計の文字盤が形成される。また、文字盤の中心に第２の軸を設定し、かつ、第１の軸に対する各セルの中心角をいずれも略３０度に設定してもよい。

本発明によれば、色素増感型太陽電池の発電効率とデザイン性を両立させやすくなる。

色素増感型太陽電池のセルの概略断面図である。 色素増感型太陽電池のサブモジュールの概略斜視図である。 作用極導電膜および対極導電膜の連結方法を示す模式図である。 色素増感型太陽電池のモジュールの平面図である。 中心点近辺におけるモジュールの拡大平面図である。 モジュールにおけるセルの作図方法を説明するための模式図である。 図６の作図方法にしたがって描いたモジュールの設計図である。 本実施形態におけるモジュールを応用した時計の外観図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、色素増感型太陽電池のセルの概略断面図である。図１では、１つ分のセル１００について、その構造と原理を説明する。同図右方向をｘ軸の正方向、上方向をｚ軸の正方向、同図紙面から奥に向かう方向をｚ軸の正方向とする。図１のセル１００は、同図下方向からの光２００によって発電する。光２００は、ｚ軸の正方向に照射される。

セル１００の構造は以下の通りである。セル１００において、非採光面側の対極側基板１０８上に対極導電膜１１０が設置される。対極側基板１０８と対極導電膜１１０をまとめて「対極」とよぶ。対極側基板１０８の材質は、ガラスやプラスチック等である。対極導電膜１１０の材料としては、金属、導電性酸化物等を用いることができる。対極側基板１０８は、非採光面側の基板であるため、光透過性の材質でなくてもよい。対極導電膜１１０の表面には触媒層１２６が設けられる。触媒として白金（Ｐｔ）を用いることが好ましい。

採光面側の作用極側基板１０２の上には作用極導電膜１０４が設置される。作用極導電膜１０４の材質は、スズドープ酸化インジウム（ITO:Indium Tin Oxide）、または、フッ素ドープ酸化スズ（FTO:Fluorine doped tin oxide）等の光透過性の導電材料が好ましい。作用極側基板１０２は、ガラス、または、プラスチックなどの光透過性の材料を用いる必要がある。

作用極導電膜１０４、対極導電膜１１０および隔壁１１２によって仕切られた空間には電解質１１６が満たされ、作用極導電膜１０４の表面には金属酸化物層１１４が形成される。電解質１１６は、ヨウ素（Ｉ２）を溶かした電解液である。金属酸化物層１１４の材料は、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。金属酸化物層１１４は多孔質に形成され、色素１１８が吸着される。隔壁１１２の材料は樹脂、ガラスなどである。金属酸化物層１１４、作用極導電膜１０４および作用極側基板１０２をまとめて「作用極」とよぶ。作用極導電膜１０４から対極導電膜１１０までの距離、すなわち、空間の厚みは１〜３００μｍ程度である。

セル１００の動作原理は以下の通りである。作用極側基板１０２および作用極導電膜１０４を透過した光２００により、金属酸化物層１１４の色素１１８が励起され、色素１１８は電子を放出する。電子は、作用極導電膜１０４に放出される。詳細は後述するが、作用極導電膜１０４に放出された電子は、隣のセル１００の対極導電膜１１０に供給される。隣のセル１００から供給された電子は、対極導電膜１１０から電解質１１６内に到達する。電子は電解質１１６中のヨウ素イオンを酸化し、ヨウ素イオンは色素１１８により還元される。以下、本実施形態において、１個のセル１００の起電力は０．５（Ｖ）であるとして説明する。

図２は、サブモジュール１３０の概略斜視図である。本実施形態における色素増感型太陽電池のサブモジュール１３０（以下、単に「サブモジュール１３０」とよぶ）は、３つのセル１００ａ、１００ｂおよび１００ｃを含む。各セル１００の形状は中心角３０度の扇形であり、サブモジュール１３０の形状は中心角９０度の扇形である。すなわち、全てのセル１００は、仮想的な第１軸１３２に対して回転対称に配置される。ｘｙ平面における第１軸１３２の位置を集約点Ｐとよぶ。同図左側から、セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃの順に連結される。

セル１００ａの同図上側、すなわち、採光面側の作用極導電膜１０４からは負極端子１３４が引き出される。セル１００ａの対極導電膜１１０は、セル１００ｂの作用極導電膜１０４と連結導体（図示せず）を介して接続される。セル１００ｂの対極導電膜１１０は、セル１００ｃの作用極導電膜１０４と接続される。セル１００ｃの対極導電膜１１０からは正極端子１３６が引き出される。

この結果、負極端子１３４と正極端子１３６の間において、３つのセル１００が直列接続されることになる。１個あたりのセル１００の起電力が０．５（Ｖ）の場合、サブモジュール１３０全体としての起電力は０．５×３＝１．５（Ｖ）となる。なお、各セル１００の有効発電面積は略同一にそろえられている。これは、インピーダンス等の電気的特性のばらつきを抑制し、サブモジュール１３０全体としての発電効率を高めるためである。詳細については、図５等に関連して後述する。

図３は、作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の連結方法を示す模式図である。作用極導電膜１０４と対極導電膜１１０の形状は共に、扇形である。対極導電膜１１０ａの外周部分の一端には突起部１２２ａ、他端には切片部１２４ａが設けられる。同様に、作用極導電膜１０４ａの外周部分の一端には突起部１４０ａ、他端には切片部１４２ａが設けられる。セル１００ａの作用極導電膜１０４ａの切片部１４２ａには、隣のセル１００ｂの作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ａが入り込む。また、セル１００ａの対極導電膜１１０ａの突起部１２２ａは、隣のセル１００ｂの作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂと対向する。ここで、対極導電膜１１０ａの突起部１２２ａと作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂを導体（連結導体）で接続することにより、金属酸化物層１１４から作用極導電膜１０４ｂに流入した自由電子を、隣のセル１００ａの対極導電膜１１０ａに供給できる。このような連結方法により、複数のセル１００を直列接続させた「電池」を形成できる。

図４は、モジュール１５０の平面図である。本実施形態における色素増感型太陽電池モジュール１５０（以下、単に「モジュール１５０」とよぶ）は、４つのサブモジュール１３０ａ〜１３０ｄを含む。サブモジュール１３０は中心角９０度の扇形物体であるため、モジュール１５０の形状は真円となる。サブモジュール１３０ａの正極端子１３６は、隣接するサブモジュール１３０ｂの負極端子１３４と接続される。同様に、サブモジュール１３０ｂの正極端子１３６はサブモジュール１３０ｃの負極端子１３４、サブモジュール１３０ｃの正極端子１３６はサブモジュール１３０ｄの負極端子１３４と接続される。モジュール１５０全体としての負極端子１３４および正極端子１３６は、サブモジュール１３０ａ、１３０ｄからそれぞれ引き出される。

サブモジュール１３０においては３個のセル１００が直列接続されるため、モジュール１５０全体としては３×４＝１２個のセル１００が直列接続されることになる。１個あたりのセル１００の起電力が０．５（Ｖ）の場合、モジュール１５０全体の起電力は０．５×１２＝６．０（Ｖ）となる。

サブモジュール１３０の動作安定性を確保するためには、外界の水分や酸素等のセル１００内部への進入や、セル１００内部の電解質１１６の漏出を防止する必要がある。各セル１００は、隔壁１１２によって分離されている。本実施形態においては、セル１００の外壁部分に位置する隔壁１１２（外部隔壁）は厚く、セル１００とセル１００の接続部分に位置する隔壁１１２（内部隔壁）はそれよりも薄い。外部隔壁には外界からのストレスがかかりやすく、内部隔壁にはこういったストレスがかかりにくいためである。したがって、内部隔壁を外部隔壁より薄くしても、セル１００の堅牢性はそれほど損なわれない。また、内部隔壁を薄くすれば、金属酸化物層１１４の面積、いいかえれば、有効発電面積を拡大させやすくなる。外部隔壁の厚さをＷ１、内部隔壁の厚さをＷ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２であることが望ましい。

モジュール１５０の中心点をＯとする。いうまでもなく、各サブモジュール１３０はこの中心点Ｏを通る第２軸に対して回転対称となるように配置されている。ただし、モジュール１５０の中心点Ｏと、各サブモジュール１３０の集約点Ｐには若干のずれ（オフセット）が設けられる。詳細については次の図５に関連して後述する。

図５は、中心点Ｏ近辺におけるモジュール１５０の拡大平面図である。図５は、特に、サブモジュール１３０ａの集約点Ｐａ近辺を示している。中心点Ｏの座標を原点（０，０）とすると、サブモジュール１３０ａの集約点Ｐａの座標は（Ｗ１−Ｗ２／２，Ｗ１−Ｗ２／２）に設定される。サブモジュール１３０ｂの集約点Ｐｂの座標は（Ｗ１−Ｗ２／２，−Ｗ１＋Ｗ２／２）、サブモジュール１３０ｃの集約点Ｐｃの座標は（−Ｗ１＋Ｗ２／２，−Ｗ１＋Ｗ２／２）、サブモジュール１３０ｄの集約点Ｐｄの座標は（−Ｗ１＋Ｗ２／２，Ｗ１−Ｗ２／２）である。

本実施形態においては、外部隔壁の厚みＷ１＝２．５（ｍｍ）、内部隔壁の厚みＷ２＝１．５（ｍｍ）、モジュール１５０自体の外径＝８７．５（ｍｍ）、内径＝１６．５（ｍｍ）であるとする。上記の位置に集約点Ｐａを設定した場合、計算上、セル１００ａ、セル１００ｃの有効発電面積は共に３２６．６（平方ｍｍ）となり、セル１００ｂの有効発電面積は３２３．１（平方ｍｍ）となった。

一方、集約点Ｐａと中心点Ｏを一致させた場合には、セル１００ａ、セル１００ｃの有効発電面積は共に３１４．８（平方ｍｍ）となり、セル１００ｂの有効発電面積は３６４．２（平方ｍｍ）となる。

すなわち、集約点Ｐａを（Ｗ１−Ｗ２／２，Ｗ１−Ｗ２／２）だけ中心点Ｏからずらした方が、セル１００ａ〜１００ｃの有効発電面積を均一化しやすい。オフセットによりサブモジュール１３０ａ全体としての総有効発電面積は若干減少するものの、有効発電面積の均一化によりサブモジュール１３０ａ全体としての発電効率は高くなる。また、デザイン面においても、各セル１００の形状・面積を統一できる方が好ましい。

図６は、モジュール１５０におけるセル１００の作図方法を説明するための模式図である。モジュール１５０の外側半径をＲ１、内側半径をＲ４とする。また、中心点Ｏからセル１００の有効発電領域の外周までの距離をＲ２、中心点Ｏからセル１００の有効発電領域の内周までの距離をＲ３とする。外部隔壁の厚みはＷ１なので、Ｒ１＝Ｒ２＋Ｗ１、Ｒ４＝Ｒ３−Ｗ１である。ここでは、第１象限のサブモジュール１３０ａに関する作図方法について説明する。

１．中心点Ｏからｄ＝Ｗ１−Ｗ２／２だけずらした位置に集約点Ｐａを設定する。
２．集約点Ｐａを中心として、半径Ｒ１−ｓ（２）×ｄ、中心角９０度の第１円弧１６０を描く。ここでｓ（２）は、２の平方根を表し、約１．４１４である。集約点Ｐａと中心点０の距離がｓ（２）×ｄとなるため、集約点Ｐａを中心として描く第１円弧１６０の半径は、Ｒ１−ｓ（２）×ｄとなる。第１円弧１６０は、厳密には、モジュール１５０の外縁とは一致しない。
３．集約点Ｐａを中心として、Ｒ１−ｓ（２）×ｄ−Ｗ１の第２円弧１６２を描く。
４．集約点Ｐａを中心として、半径Ｒ４−ｓ（２）×ｄ、中心角９０度の第４円弧１６６を描く。
５．集約点Ｐａを中心として、半径Ｒ４−ｓ（２）×ｄ＋Ｗ１の第３円弧１６４を描く。
６．中心角９０度の各円弧を３等分する３等分直線１６８を描く。
７．３等分直線１６８の幅をＷ２に設定することにより、内部隔壁領域を決定する。
８．ｘ軸およびｙ軸の幅を２×Ｗ１に設定することにより、外部隔壁領域を設定する。

第２〜第４象限についても同様である。中心点Ｏと各集約点Ｐａが不一致となるため、中心部の貫通孔は真円である必要はない。図７は、以上の作図方法により描いたモジュール１５０の設計図である。

図８は、本実施形態におけるモジュール１５０を応用した時計１７０の外観図である。時計１７０の時計盤表面は、採光面となっている。このため、時計盤のほぼ全面から光を取り込むことが可能である。また、セル１００の中心角はいずれも３０度に統一されている。内部隔壁の位置がちょうど時間の区切りに対応するため、デザイン上の違和感が生じにくいというメリットもある。また、内部隔壁をシンメトリーに配置することは美観の面からも好ましい。

一般的には、色素増感型太陽電池のセルは矩形状に形成されることが多い（特許文献１参照）。特許文献２では円形のセルを提案するが、単一のセルであるため十分な起電力を確保しにくい。これに対して、本実施形態における色素増感型太陽電池のモジュール１５０は、扇形のセルを多数組み合わせることにより円形のモジュール１５０を形成している。これにより、十分な起電力の確保しつつデザインのバリエーションを拡大できる。本実施形態におけるモジュール１５０は円形であるが、多角形などその他の放射形状であってもよい。この場合には、セル１００の形状を台形や三角形とすればよい。本実施形態におけるモジュール１５０によれば、従来の矩形型に限らず、さまざまな放射形状にも色素増感型太陽電池を対応させることが可能となる。

また、モジュール１５０は複数のサブモジュール１３０により構成され、サブモジュール１３０は複数のセル１００により構成される。サブモジュール１３０の組み合わせによりモジュール１５０を形成するため、可搬性に優れるという特徴がある。１つのモジュール１５０に含まれるサブモジュール１３０の数は任意である。触媒層１２６を構成するときには真空成膜装置が使用される。サブモジュール１３０が大きい場合には真空成膜装置も大規模なものを使用する必要がある。したがって、サブモジュール１３０の製造プロセスの観点からは、サブモジュール１３０は小さい方が好ましい。一方、サブモジュール１３０の組立プロセスの観点からは、サブモジュール１３０は大きい方が好ましい。したがって、サブモジュール１３０の数やサイズについては、製造条件や作業条件に基づいて最適値を決定すればよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

１００ セル、１０２ 作用極側基板、１０４ 作用極導電膜、１０８ 対極側基板、１１０ 対極導電膜、１１２ 隔壁、１１４ 金属酸化物層、１１６ 電解質、１１８ 色素、１２２ 突起部、１２４ 切片部、１２６ 触媒層、１３０ サブモジュール、１３２ 第１軸、１３４ 負極端子、１３６ 正極端子、１４０ 突起部、１４２ 切片部、１５０ モジュール、１６０ 第１円弧、１６２ 第２円弧、１６４ 第３円弧、１６６ 第４円弧、１６８ ３等分直線、１７０ 時計、２００ 光。

Claims (8)

1. 採光面側に設けられる電極である作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられる電極である対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池の複数のセルと、
   第１のセルの作用極と、前記第１のセルとは異なる第２のセルの対極を接続することにより、前記複数のセルを直列接続する連結導体と、を備え、
   各セルは第１の軸に対して回転対称に配置され、前記複数のセルにより放射形状体の全部または一部を形成することを特徴とする太陽電池サブモジュール。
2. 各セルの形状は、前記第１の軸に対する中心角が略同一の扇形であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池サブモジュール。
3. 各セルの有効発電面積は略同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池サブモジュール。
4. 前記複数のセルそれぞれに含まれる電解質を分離する内部隔壁は、電解質と外界を分離する外部隔壁よりも薄く形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池サブモジュール。
5. 請求項４に記載の太陽電池サブモジュールを複数備え、
   第１の太陽電池サブモジュールの正極端子と前記第１の太陽電池サブモジュールとは異なる第２の太陽電池サブモジュールの負極端子を接続することにより、複数の太陽電池サブモジュールが直列接続されることを特徴とする太陽電池モジュール。
6. 各太陽電池サブモジュールは当該太陽電池モジュールの中心軸である第２の軸に対して回転対称に配置され、前記複数の太陽電池サブモジュールにより放射形状体の全部または一部を形成することを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュール。
7. 各太陽電池サブモジュールの形状は、前記第２の軸に対する中心角が略同一の扇形であることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池モジュール。
8. 前記外部隔壁の幅をＷ１、前記内部隔壁の幅をＷ２としたとき、
   前記第１の軸は、前記第２の軸に対して、Ｗ１−（Ｗ２／２）分だけオフセットされた位置に設定されることを特徴とする請求項６または７に記載の太陽電池モジュール。

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