JP2012252842A - 電気モジュールの製造方法及び電気モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電解質溶液の充填が容易で、電気モジュールの封止の阻害を回避し、電気モジュールの変換効率を低下させ難い電気モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】色素を担持した半導体電極２を有する第１の基板４又は対向電極５を有する第２の基板６の少なくとも一方に電解質溶液７を保持させる工程と、第１の基板４と第２の基板６との貼り合せ時に半導体電極３及び電解質溶液７を囲繞するとともに、電解質溶液７との間で間隙Ｍが形成されるように第１の基板４上又は第２の基板６上に封止材８を配する工程と、第１の基板４と第２の基板６とを対向させ、封止材８を介して第１の基板４と第２の基板６とを貼り合せるとともに、間隙Ｍを形成させた状態で封止材８を硬化させる工程と、第１の基板４又は第２の基板６の全体を押圧し、第１の基板４，第２の基板６及び封止材８に囲まれた空間内部Ｓ全体に電解質溶液７を浸透させる工程とを有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、色素増感太陽電池等の電気モジュールの製造方法及び電気モジュールに関する。

近年、化石燃料に代わるクリーンエネルギーの発電装置として太陽電池が注目され、シリコン（Ｓｉ）系太陽電池、および色素増感型太陽電池の開発が進められている。
とりわけ色素増感型太陽電池は、安価で量産しやすいものとして注目されているが、シリコン系太陽電池に比べ光電変換率が低いことから、光電変換効率を向上させ、かつ製造コストを抑えるための開発がなされている。従来より、かかる色素増感型太陽電池の製造方法としては、例えば下記特許文献１，２に記載された方法が提案されている。

特許文献１の色素増感型太陽電池は、色素を担持させた半導体電極を有する第１の基板と第２の基板とを対向させるとともに、これら第１及び第２の基板を封止材によって貼り合わせ、予め第１の基板、第２の基板又は封止材のいずれかに開けておいた細孔から第１の基板と第２の基板との間に電解液を注入し、注入後、封止材で前記細孔を塞ぐ方法により製造されるものである。

また、特許文献２の色素増感型太陽電池は、電解質溶液を第１の基板上又は第２の基板上に塗布し、第１の基板上又は第２の基板上の周辺部分に封止材を塗布した後、第１の基板と第２の基板とを貼り合わせてプレスを行いながら、熱、光などで封止材を硬化させる方法により製造されるものである。

特開２０００−３０７６７号公報 特開２００９−９９４７６号公報

しかし、特許文献１及び２の色素増感型太陽電池の製造方法によれば、硬化する前の封止材と電解質溶液が接触してしまい、電解質溶液に含まれる溶媒等によって封止材の硬化が阻害されてしまうおそれがあった。また、硬化する前の封止材と電解質溶液が接してしまうことにより封止材に含まれる化合物が電解質溶液に溶解して電気モジュールの変換効率が低下してしまう懸念があった。

また、特許文献１の色素増感型太陽電池の製造方法においては、電解質溶液を細い経路を通じて注入するものであるため、高粘度の電解質溶液の注入が困難であるという課題があった。
そこで、本願発明は、上記従来の課題に鑑み、電解質溶液の充填が容易で、電気モジュールの封止の阻害を回避し、かつ、電気モジュールの変換効率を低下させ難い電気モジュールの製造方法を提供する。

請求項１の発明は、色素を担持した半導体電極を有する第１の基板又は対向電極を有する第２の基板の少なくとも一方に電解質溶液を保持させる工程と、前記第１の基板と前記第２の基板との貼り合せ時に前記半導体電極及び前記電解質溶液を囲繞するとともに、該電解質溶液との間で間隙が形成されるように前記第１の基板上又は前記第２の基板上に封止材を配する工程と、前記第１の基板と前記第２の基板とを対向させ、前記封止材を介してこれら第１の基板と第２の基板とを貼り合せるとともに、前記間隙を形成させた状態で前記封止材を硬化させる工程と、前記第１の基板又は前記第２の基板の全体を押圧し、これら第１の基板，第２の基板及び前記封止材に囲まれた空間内部全体に前記電解質溶液を浸透させる工程とを有することを特徴とする。
本発明では、第１の基板と第２の基板との貼り合せ前に電解質溶液を第１の基板又は第２の基板に配することとしたため、高粘度の電解質溶液であっても容易に充填することができる。また、封止材を硬化させるまで、電解質溶液と封止材との間に間隙を設けているため、封止材と電解質溶液とが接触することによる封止材の硬化の阻害や封止材に含まれる化合物が電解質溶液に溶解することによる電気モジュールの変換効率の低下を防止することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電気モジュールの製造方法において、前記第１の基板又は前記第２の基板の少なくとも一方が有機樹脂フィルムにより形成されていることを特徴とする。
本発明では、第１の基板又は第２の基板の少なくとも一方が有機樹脂フィルムにより形成されているため、該有機樹脂フィルムにより形成された方の基板を撓ませて電解質溶液を位置させることが可能となる。したがって、前記撓ませた部分に電解質溶液を位置させられることによって、第１の基板と第２の基板との貼り合せ時に、電解質溶液を押さえ付けて電解質溶液が封止材に向かって拡がり、電解質溶液と封止材とが接触するのを防止し、前記封止材との間隙を維持させることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の電気モジュールの製造方法において、前記電解質溶液は、ゲル状電解液であることを特徴とする。
本発明では、電解質溶液をゲル状としているので、第１又は第２の基板上の中央近傍に電解質溶液を配してこれを該位置に留めやすくなる。

請求項４の発明は、電気モジュールにおいて、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法により製造されたことを特徴とする。
本発明では、電気モジュールが、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法により製造されたものであるため、変換効率の高い電気モジュールを得ることができる。

本発明に係る電気モジュール及び電気モジュールの製造方法によれば、第１の基板と第２の基板とを貼り合せる前に電解質溶液を第１の基板上又は第２の基板上に保持させるので、電気モジュールの製造が容易であるという効果を奏する。
また、封止材が硬化する前に電解質溶液と封止材とを接触させないため、電解質溶液に含まれる溶媒が封止材に溶解移動することにより電解質溶液が封止材の硬化反応を阻害させたり、封止材に含まれる化合物が電解質溶液に溶解移動し、酸化還元反応を阻害し光電変換効率を低下させたりすることを回避することができるという効果を奏する。

は、本発明の製造方法により製作された電気モジュールを模式的に示した断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態として示した電気モジュールの製造方法の基板形成工程の一部を示した断面図である。 は、本発明の一実施形態として示した電気モジュールの製造方法の電解質溶液を保持させる工程の一部を示した図であり、同図（ａ）は、該工程の断面図、同図（ｂ）は該工程の斜視図である。 は、本発明の一実施形態として示した電気モジュールの製造方法の基板貼り合せ工程の一部を示した断面図である。 は、本発明の一実施形態として示した電気モジュールの製造方法の電解質溶液の浸透工程を示す断面図である。

以下、図を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明の製造方法によって製造された電気モジュールの一例として示された色素増感太陽電池１である。
同図に示すように、色素増感太陽電池１は、色素を担持させた半導体電極２が透明導電膜３上に形成された第１の基板４と、対向電極膜５が積層された第２の基板６とが所定の間隔Ｔをおいて配置され、これら第１の基板４と第２の基板６との間に電解質溶液７が充填された状態で、両基板４，６の外周を廻るように封止材８が配され、液密に封止されている。

第１の基板４は、透明導電膜３の基台となる部材であり、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド等の透明の樹脂材料により可撓性のある平板又はフィルム状に形成されるものであるが、第２の基板６が可撓性のある平板又はフィルムにより形成されている場合にはこの第１の基板４はガラス板等の剛直な材料を用いて板状に形成されたものであってもよい。

透明導電膜３は、いわゆる第１電極となるものである。この透明導電膜３には酸化スズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛等が用いられ、スパッタリングや印刷法により第１の基板４の上面全体に形成されるものである。

半導体電極２は、後述する増感色素から電子を受け取り輸送する機能を有するものであり、金属酸化物からなる半導体により略矩形に形成され、透明導電膜３上に配置される。金属酸化物としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、等が用いられる。

この半導体電極２は、増感色素を担持している。増感色素は、有機色素または金属錯体色素で構成されている。有機色素として、例えば、クマリン系、ポリエン系、シアニン系、ヘミシアニン系、チオフェン系、等の各種有機色素を用いることができる。金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム錯体等が好適に用いられる。

図３（ｂ）に示すように、封止材８は、第１の基板４の外周部分に沿って配され、第１の基板４と第２の基板６とを接着するとともに、図４に示す内部空間Ｓを封止するものである。封止材８の材料には、例えば、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂等が用いられる。なお、この封止材８は、第２の基板６側の外周部分に沿って配されたものであってもよい。

図２（ｂ）に示すように、第２の基板６は、対向電極膜５を積層させる部材であり、例えば、ＰＥＴ、アクリル、ＰＥＮ、ポリイミド等の樹脂材料により可撓性のある平板状又はフィルム状に形成される。この第２の基板６の中央部には、電解質溶液７を位置させる窪み部１０（撓ませた部分）が予め形成されていることが好ましい。

対向電極膜５は、いわゆる第２電極となるものであり、半導体電極２と間隙を隔てて透明導電膜３と対向するように配置されている。
この対向電極膜５には、例えば、プラチナ、ポリアニリン、ＰＥＤＯＴ、カーボン等が用いられ、スパッタリングや印刷により第２の基板６に成膜される。

電解質溶液７は、ゲル状のものが用いられることが好ましい。また、電解質としては酸化還元種を含む有機溶媒、イオン液体などを用いることができる。

次に、色素増感太陽電池１の製造方法について図２〜図５を用いて説明する。
色素増感太陽電池１の製造においては、（Ｉ）色素が担持された半導体電極２を有する第１の基板４又は対向電極膜５を有する第２の基板６を形成する基板形成工程（図２（ａ），（ｂ）参照）と、(ＩＩ)第１の基板４又は第２の基板６の少なくとも一方に電解質溶液７を保持させる工程（図３（ａ），（ｂ）参照）と、（ＩＩＩ）第１の基板４と第２の基板６との貼り合せ時に電解質溶液７との間で間隙Ｍが形成されるように、第１の基板４上又は第２の基板６上に封止材８を配する工程（図３（ａ），（ｂ）参照）と、（ＩＶ）第１の基板４と第２の基板６とを対向させ、封止材８を介してこれら第１の基板４と第２の基板６とを貼り合せるとともに、間隙Ｍを形成した状態で封止材８を硬化させる工程（図４参照）と、（Ｖ）第１の基板４又は第２の基板６全体を押圧し、これら第１の基板４と第２の基板６との間の全体に電解質溶液７を浸透させる工程（図５参照）とを有する。

（Ｉ）基板形成工程
基板形成工程においては、図２（ａ），（ｂ）に示すように、半導体電極２が透明導電膜３上に形成された第１の基板４と、対向電極膜５が形成された第２の基板６とを形成する。具体的には、前記第１の基板４は以下のようにして形成される。

図２（ａ）に示すように、第１の基板４として、ＰＥＴフィルム等を用い、該ＰＥＴフィルム等の上面に透明導電膜３となる酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）やフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等をスパッタリングし透明導電膜３を形成する。
透明導電膜３上には、焼成が可能な酸化チタン含有ペーストをマスクや印刷法により塗布し、焼結して多孔質の半導体電極２を複数形成する。なお、この半導体電極２は低温焼成法やエアロゾルデポジション法によって作成されたものでもよい。

半導体電極２を形成した後、増感色素を溶剤に溶かした増感色素溶液に半導体電極２を浸漬させ、該半導体電極２に増感色素を担持させる。なお、半導体電極２に増感色素を担持させる方法は、上記に限定されず、増感色素溶液中に半導体電極２を移動させながら連続的に投入・浸漬・引き上げを行う方法なども採用される。

図２（ｂ）に示すように、第２の基板６は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等を用いる。なお、中央部には予め窪み部１０を設けて形成することが好ましい。そしてこの第２の基板６上にプラチナ（Ｐｔ）等をスパッタリングして対向電極膜５を設ける。この対向電極膜５は、印刷法やスプレー法にて形成されたものであってもよい。

（ＩＩ）電解質溶液を保持させる工程
図３（ａ），（ｂ)に示すように、電解質溶液７は、第１の基板４の半導体電極２側において、基板の中心付近に滴下し、外周部に配する封止材８と接触しないようにする。なお、電解質溶液７は、第２の基板６の対向電極膜５側の中心付近に配してもよく、又は第１の基板４側と第２の基板６側の双方に配したものであってもよい。
（ＩＩＩ）封止材を配する工程
封止材８は、電解質溶液７及び半導体電極２を囲むように第１の基板４の透明導電膜３側の外周部分に塗布する。なお、この封止材８は、第２の基板６の対向電極膜５側の外周部分に塗布してもよい。この際、封止材８は電解質溶液７と接することがないように、間隙Ｍが形成される位置に配する。

（ＩＶ）基板貼り合せ及び硬化工程
基板貼り合せ工程は、真空雰囲気下で行われることが好ましく、図４に示すように、基板形成工程にて形成された第２の基板６の窪み部１０を、電解質溶液７に合わせ、該電解質溶液７を窪み部１０内に位置させる。そして電解質溶液７と封止材８との間隙Ｍを残しつつ、第１の基板４と第２の基板６とを封止材８が配された部分及びこれに対向する部分を重ね合わせて押圧し、熱及び／又は光によって封止材８を硬化させて接着する。

（Ｖ）電解質溶液の浸透工程
図５に示すように、電解質溶液７の浸透工程では、封止材８が硬化した後に、基板貼り合せ工程において第１の基板４に貼り合された第２の基板６の窪み部１０と該基板６の板面全体とが略平面になるように押圧して、これら第１の基板４，第２の基板６及び封止材８によって密封された空間内部Ｓに電解質溶液７を浸透させる。上記押圧は、真空状態で行うことが好ましい。
この押圧により、第２の基板６が略平坦状となるとともに、第１の基板４の中心付近に滴下された電解質溶液７が第２の基板６の押圧により周囲の間隙Ｍ部分に拡がり透明導電膜３及び半導体電極２と、これに対向する対向電極５との間の全体に電解質溶液７が拡がる。上記基板貼り合せ工程が真空状態で行われた場合、空間内部Ｓが真空状態になっているため、第２の基板６の全体を押圧するにあたり空気を逃がす孔等を設けておく必要はない。
以上のようにして、色素増感太陽電池１が完成する。

上述の色素増感太陽電池１の製造方法によれば、第１の基板４と第２の基板６との貼り合せ前に電解質溶液７を第１の基板４に配するため、電解質溶液７を容易に充填することができる。
また、封止材８を硬化させるまで、電解質溶液７と封止材８との間に間隙Ｍを設けているため、封止材８の硬化前に電解質溶液７と封止材８とが接触して、電解質溶液７に含まれる化合物が封止材８に溶解移動することによる封止材８の硬化の阻害や、封止材８に含まれる化合物が電解質溶液７に溶解移動することによる色素増感太陽電池１の変換効率の低下を回避することができるという効果が得られる。

また、第２の基板６及び対向電極膜５に電解質溶液７を位置させておく窪み部１０が形成されていることにより、該窪み部１０を押しつぶさない限り電解質溶液７が封止材８に向かって拡がらないようになっている。このため、電解質溶液７が封止材８に接触するのを防止することができる。また、電解質溶液７がゲル状である場合には、電解質溶液７は封止材８に向かって拡がりにくい。したがって、電解質溶液７に含まれる溶媒等が封止材８に溶解移動して封止材８の硬化反応を阻害したり、封止材８に含まれる化合物が電解質溶液７に溶解移動し、酸化還元反応を阻害し光電変換効率を低下させたりすることを回避することができるという効果が得られる。

なお、本発明は、色素増感太陽電池１に限定して適用されるものではなく、色素増感太陽電池以外にも例えばリチウムイオン電池等の対向する電極に挟まれた電気モジュールを製造する場合に広く適用することが可能である。

１ 色素増感太陽電池(電気モジュール)
２ 半導体電極
３ 透明導電膜
４ 第１の基板
５ 対向電極膜
６ 第２の基板
７ 電解質溶液
８ 封止材
Ｍ 間隙
Ｓ 空間内部

Claims (4)

1. 色素を担持した半導体電極を有する第１の基板又は対向電極を有する第２の基板の少なくとも一方に電解質溶液を保持させる工程と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との貼り合せ時に前記半導体電極及び前記電解質溶液を囲繞するとともに、該電解質溶液との間で間隙が形成されるように前記第１の基板上又は前記第２の基板上に封止材を配する工程と、
   前記第１の基板と前記第２の基板とを対向させ、前記封止材を介してこれら第１の基板と第２の基板とを貼り合せるとともに、前記間隙を形成させた状態で前記封止材を硬化させる工程と、
   前記第１の基板又は前記第２の基板の全体を押圧し、これら第１の基板，第２の基板及び前記封止材に囲まれた空間内部全体に前記電解質溶液を浸透させる工程とを有することを特徴とする電気モジュールの製造方法。
2. 請求項１に記載の電気モジュールの製造方法において、
   前記第１の基板又は前記第２の基板の少なくとも一方が有機樹脂フィルムにより形成されていることを特徴とする電気モジュールの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の電気モジュールの製造方法において、
   前記電解質溶液は、ゲル状電解液であることを特徴とする電気モジュールの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法により製造されたことを特徴とする電気モジュール。

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