JP2012527093A - 染料感応型太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】染料感応型太陽電池の製造方法の提供。
【解決手段】本発明は、新規な構造の染料感応型太陽電池の製造方法に係り、さらに詳しくは、積み重ねられた透明電極と対向電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する中間体を用いた染料感応型太陽電池の製造方法に関する。
本発明によれば、染料感応型太陽電池の製造に際して、電解質注入のためのホールを加工することが不要になる結果、太陽電池の製造工程が短縮され、生産コストの節減効果が得られる他、生産性を高めることができ、しかも、ホールの加工による太陽電池の製造不良率を低下させることのできる染料感応型太陽電池の製造方法を提供することが可能になる。また、本発明によれば、電解質の注入後にホールを仕上げるときに発生する太陽電池の厚さ変化がなく、厚さが揃っており、しかも、均一な表面を有する染料感応型太陽電池を製造することが可能になる。
【選択図】図２
【解決手段】本発明は、新規な構造の染料感応型太陽電池の製造方法に係り、さらに詳しくは、積み重ねられた透明電極と対向電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する中間体を用いた染料感応型太陽電池の製造方法に関する。
本発明によれば、染料感応型太陽電池の製造に際して、電解質注入のためのホールを加工することが不要になる結果、太陽電池の製造工程が短縮され、生産コストの節減効果が得られる他、生産性を高めることができ、しかも、ホールの加工による太陽電池の製造不良率を低下させることのできる染料感応型太陽電池の製造方法を提供することが可能になる。また、本発明によれば、電解質の注入後にホールを仕上げるときに発生する太陽電池の厚さ変化がなく、厚さが揃っており、しかも、均一な表面を有する染料感応型太陽電池を製造することが可能になる。
【選択図】図２
Description
本発明は、染料感応型太陽電池の製造工程を短縮させ、且つ、生産コストを節減することができる他、生産性を高めることのできる染料感応型太陽電池の製造方法に関する。
化石燃料の枯渇および価格沸騰、地球気候の急激な変化は、持続可能なエネルギーの獲得技術を求めている。中でも、太陽エネルギーは、無限清浄・安全性を有することから、最も注目を集めている。
従来よりシリコン型太陽電池への研究が幅広く行われて産業的に活用されているが、コストが高くて経済性に乏しいということが問題点として指摘されている。最近には、シリコン型太陽電池に匹敵するエネルギー変換効率を有し、且つ、生産コストも安価な次世代太陽電池として、染料感応型太陽電池（ＤＳＳＣ：Ｄｙｅ−Ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）に関する研究が盛んになされている。
一般に、ＤＳＳＣは、透明伝導性基板の上に感光性染料分子が被覆されたナノ粒子酸化物がコーティングされた半導体電極（「透明電極」と称する。）、透明伝導性基板の上に白金もしくは炭素がコーティングされた反対側の電極（「対向電極」と称する。）、およびこれらの間に挟み込まれた電解質層から構成されている。染料分子は、太陽光を吸収して電子−正孔の対を生成する。
従来の染料感応型太陽電池は、一般に、下記のようにして製作される。
透明電極基板の上にナノ粒子酸化物をコーティングし且つ焼結した後、これを感光性染料溶液に浸漬してコーティングされたナノ粒子酸化物に染料を吸着させる。透明電極または対向電極に電解質の注入のためのホール１６を加工する。前記両電極を積み重ねた後に貼り合わせ、前記ホール１６を介して電解質を注入した後、ホール１６を仕上げる。図１は、このようにして製作された染料感応型太陽電池の垂直断面図である。
ところが、かような電解質注入方法は、ホールを加工するための工程がさらに必要になり、これにより、生産コストが嵩んでしまうという問題点があるだけではなく、図１に示すように、ホール仕上げ材１７によって太陽電池そのものの厚さが増大し、電極の表面が不均一になる。
上述した従来の技術における問題点を解消するために、本発明は、染料感応型太陽電池の製造工程を短縮させ、且つ、生産コストを節減することができる染料感応型太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解消するために、本発明は、染料感応型太陽電池の製造方法に関する。
（１）染料感応型太陽電池の中間体
本発明は、染料感応型太陽電池において、積み重ねられた透明電極と対向電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有することを特徴とする染料感応型太陽電池の中間体に関する。
本発明は、染料感応型太陽電池において、積み重ねられた透明電極と対向電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有することを特徴とする染料感応型太陽電池の中間体に関する。
前記染料感応型太陽電池がグリッド構造である場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることが好ましい。
前記封止材は、熱可塑性樹脂フィルム、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂またはガラス組成物よりなる群から選ばれてもよい。
（２）染料感応型太陽電池の製作方法
また、本発明は、上述した染料感応型太陽電池の中間体から染料感応型太陽電池を製造する方法に関し、（Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、（Ｂ）対向電極を製作するステップと、（Ｃ）前記両電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、（Ｄ）前記中間体の開放構造を介して感光性染料分子溶液を注入して前記ナノ粒子酸化物に染料分子を吸着させるステップと、（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、を含んでなる。これは、染料分子の吸着を工程の後半に行うものである。 。 前記染料感応型太陽電池がグリッド構造である場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることが好ましい。
また、本発明は、上述した染料感応型太陽電池の中間体から染料感応型太陽電池を製造する方法に関し、（Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、（Ｂ）対向電極を製作するステップと、（Ｃ）前記両電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、（Ｄ）前記中間体の開放構造を介して感光性染料分子溶液を注入して前記ナノ粒子酸化物に染料分子を吸着させるステップと、（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、を含んでなる。これは、染料分子の吸着を工程の後半に行うものである。 。 前記染料感応型太陽電池がグリッド構造である場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることが好ましい。
また、本発明は、（Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、（Ｂ）焼結されたナノ粒子酸化物に感光性染料分子を吸着させるステップと、（Ｃ）対向電極を製作するステップと、（Ｄ）前記両電極基板および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、を含んでなる染料感応型太陽電池の製造方法に関する。これは、染料分子の吸着を工程の前半、透明電極の製作時に行うものであり、染料吸着後に高温処理を必要としない場合に適用可能な方法である。 前記染料感応型太陽電池がグリッド構造である場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることが好ましい。
前記ステップ（Ｅ）において、熱可塑性樹脂フィルム、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂またはガラス組成物などを用いて開放構造を閉鎖する。
本発明によれば、染料感応型太陽電池の製造に際して、電解質注入のためのホールを加工することが不要になる結果、太陽電池の製造工程が短縮され、生産コストの節減効果が得られる他、生産性を高めることができ、しかも、ホールの加工による太陽電池の製造不良率を低下させることのできる染料感応型太陽電池の製造方法を提供することが可能になる。また、本発明によれば、電解質の注入後にホールを仕上げるときに発生する太陽電池の厚さ変化がなく、厚さが揃っており、しかも、均一な表面を有する染料感応型太陽電池を製造することが可能になる。 前記染料感応型太陽電池がグリッド構造である場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることが好ましい。
以下、添付図面に基づき、本発明を一層詳述する。ところが、このような図面と説明は、本発明の技術的思想の内容と範囲を容易に説明するための例示に過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定されるか、あるいは、変更されるものではない。なお、このような例示に基づいて本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形と変更が可能であることは当業者にとって当然のことである。
本発明は、染料感応型太陽電池の具体的な構成成分に関するものではないため、基板の種類、ナノ粒子酸化物の種類と特性、感光性染料の種類と特性、対向電極そのものの構造、電解質の性状と種類などを具体的に言及しない。
本発明における「プレ透明電極」は、ナノ粒子酸化物の上に感光性染料分子が吸着される前の透明電極を意味する。
図２は、本発明に係る積み重ねられた透明電極１１と対向電極１２および封止材１４によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造１３を有する染料感応型太陽電池の中間体の一例を示す図であって、Ａは、前記中間体の垂直断面図であり、Ｂは、前記中間体の水平断面図である。
同図２のＢに示すように、本発明に係る染料感応型太陽電池の中間体は、透明電極１１と対向電極１２を封止材１４により封着する過程で任意の位置に封止材１４を塗布しないことにより形成される開放構造１３を有する。前記開放構造１３に染料溶液または電解質が注入される。図２のＡから明らかなように、本発明に係る染料感応型太陽電池中間体は、ホール仕上げ材によって電極基板表面が突き出る現象がなく、均一な電極表面を有する。
一方、透明伝導性基板の電気的抵抗を低めるために透明伝導性基板の上に金属グリッドを形成するか、あるいは、基板の上に金属グリッド１５を形成し、その上に透明伝導性薄膜を塗布したような直列構造または並列構造の格子型（または、グリッド型）染料感応型太陽電池にも本発明に係る中間体を適用することができる（図３）。このとき、図３に示すように、開放構造１３は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることが好ましい。本発明は、格子型（または、グリッド型）染料感応型太陽電池の構造そのものに関するものではないため、これについての詳細な構造説明を省く。
本発明に係る染料感応型太陽電池の中間体において、透明電極１１および対向電極１２とともに内部空間を決定する封止材１４は、従来の染料感応型太陽電池の製造工程において両電極を貼り合わせるときに用いられる様々な素材、すなわち、熱可塑性樹脂フィルム、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂またはガラス組成物などを用いることができる。
これらのうち、ガラス組成物を用いる場合、染料感応型太陽電池の耐久性および長期安定性を大幅に向上させることができるという効果がある。しかしながら、ガラス組成物のうち、鉛（Ｐｂ）入りガラス組成物は、熱処理過程において対向電極１２に悪影響を与えて電池効率が下がるため、鉛フリーの無鉛系ガラス組成物を用いることが好ましい。無鉛系ガラス組成物を用いた染料感応型太陽電池の製造方法については、大韓民国特許出願第１０−２００９−１４７５５号公報に開示されている。
本発明に係る染料感応型太陽電池の製造方法は、大きく、「透明電極を製作するステップ→対向電極を製作するステップ→染料感応型太陽電池の中間体を製作するステップ→電解質を注入するステップ→前記中間体の開放構造を閉鎖するステップ」を含んでなるが、染料分子を吸着させるタイミングに応じて、２通りのやや異なる製造方法に分けられる。
（１）染料感応型太陽電池の中間体を製造する前に吸着させる場合
透明電極を製作した後、通常の方法に従い感光性染料分子をナノ粒子酸化物に吸着させる。
透明電極を製作した後、通常の方法に従い感光性染料分子をナノ粒子酸化物に吸着させる。
すなわち、この場合、染料感応型太陽電池の製造方法は、（Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物１８をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、（Ｂ）焼結されたナノ粒子酸化物１８に感光性染料分子を吸着させるステップと、（Ｃ）対向電極を製作するステップと、（Ｄ）前記両電極基板および封止材により開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、を含んでなる。このとき、前記（Ｄ）の太陽電池中間体を製作するステップは、レーザー処理により行われることが好ましい。
（２）染料感応型太陽電池の中間体を製造した後に吸着させる場合
また、染料感応型太陽電池の中間体を製作した後、前記中間体の開放構造を介して電解質を注入する前に、まず感光性染料分子溶液を注入して前記ナノ粒子酸化物に染料分子を吸着させることができる。
また、染料感応型太陽電池の中間体を製作した後、前記中間体の開放構造を介して電解質を注入する前に、まず感光性染料分子溶液を注入して前記ナノ粒子酸化物に染料分子を吸着させることができる。
すなわち、この場合、染料感応型太陽電池の製造方法は、（Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物１８をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、（Ｂ）対向電極を製作するステップと、（Ｃ）前記両電極基板および封止材により開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、（Ｄ）前記中間体の開放構造を介して感光性染料分子溶液を注入して前記ナノ粒子酸化物１８に染料分子を吸着させるステップと、（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、を含んでなる。
本発明に係る染料感応型太陽電池中間体の開放構造は、極めて狭い構造である。このため、前記ステップ（Ｄ）において、通常の方法、すなわち、前記（１）に示すように、太陽電池中間体を染料溶液に浸漬して染料溶液を開放構造を介して前記中間体の内部空間に流れ込ませる方式であり、染料分子を吸着させると、染料溶液が内部空間に流れ込むこと自体が容易ではないだけではなく、染料分子の均一な吸着もまた困難になる。
このため、前記ステップ（Ｄ）において、開放構造を介して感光性染料分子溶液を注入する方法は、より具体的に、（ｉ）前記開放構造を介して内部空間に感光性染料分子溶液を流れ込ませて透明伝導性基板にコーティングされたナノ粒子酸化物に染料分子を吸着させるステップと、（ｉｉ）染料分子の吸着が完了すれば、前記両側の開口部を介して前記封着された基板の内部に洗浄溶液を流れ込ませて未吸着の染料分子を除去するステップと、からなることが好ましい。図４は、このような方法により染料分子を注入する装置を示す図である。
染料分子溶液は、ポンプまたは真空減圧方式を用いて、上から下へと、下から上へと、または、水平に流れさせてもよい。このとき、染料分子溶液の無駄使いを防ぎ、作業の効率性を高めるために、感光性染料分子溶液を循環させることが好ましい。なお、繰り返し循環させる場合、染料分子の濃度を一定に調節することが好ましい。
一方、未吸着の染料分子を除去した後、前記開放構造を介して内部空間に乾燥熱風を循環させて洗浄溶液を蒸発させて残留する洗浄溶液を早い時間内に除去することが好ましい。
開放構造を介して太陽電池中間体の内部空間に電解質を注入する方法もまた、前記方法を用いることが好ましい。
両電極および封止材により形成される太陽電池の内部空間に染料溶液および電解質を注入する方法は、本発明の出願人によって大韓民国特許出願第１０−２００９−２１４０６号（２００９年３月１３日）をもって出願されている。
このような方法によれば、染料分子が吸着されていないプレ透明電極と対向電極が封止材によって封着された後、感光性染料分子が吸着される。このため、染料分子の吸着前ステップにおける熱処理は太陽電池の性能に全く影響しないため、前記染料感応型太陽電池の中間体を製作するまでの過程は、当業者が便宜的に熱処理またはレーザー処理など適切に選択して行うことができる。
これにより、染料分子が分解されていない完全なままの染料感応型太陽電池が得られる。
本発明の染料感応型太陽電池の製造方法によれば、太陽電池の製造工程が短縮され、生産コストの節減効果が得られる他、生産性を高めることができ、しかも、ホールの加工による太陽電池の製造不良率を低下させることができる。また、電解質の注入後にホールを仕上げるときに発生する太陽電池の厚さ変化がなく、厚さが揃っており、しかも、均一な表面を有する染料感応型太陽電池を製造することが可能になる。
Claims (6)
- （Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、
（Ｂ）対向電極を製作するステップと、
（Ｃ）前記両電極および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、
（Ｄ）前記中間体の開放構造を介して感光性染料分子溶液を注入して前記ナノ粒子酸化物に染料分子を吸着させるステップと、
（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、
を含むことを特徴とする染料感応型太陽電池の製造方法。 - 前記染料感応型太陽電池の透明伝導性基板に金属グリッドが形成されている場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１に記載の染料感応型太陽電池の製造方法。
- 前記ステップ（Ｅ）において、熱可塑性樹脂フィルム、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂またはガラス組成物よりなる群から選ばれるいずれか一種を用いて開放構造を閉鎖することを特徴とする請求項１または２に記載の染料感応型太陽電池の製造方法。
- （Ａ）透明伝導性基板の上にナノ粒子酸化物をコーティングし且つ焼結してプレ透明電極を製作するステップと、
（Ｂ）焼結されたナノ粒子酸化物に感光性染料分子を吸着させるステップと、
（Ｃ）対向電極を製作するステップと、
（Ｄ）前記両電極基板および封止材によって形成される内部空間が外部と連通されるように両電極の間の任意の位置が封止されていない形の開放構造を有する太陽電池の中間体を製作するステップと、
（Ｅ）前記開放構造を介して電解質を注入した後、開放構造を閉鎖するステップと、
を含むことを特徴とする染料感応型太陽電池の製造方法。 - 前記染料感応型太陽電池の透明伝導性基板に金属グリッドが形成されている場合、前記開放構造は、各グリッドパターンの両末端にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項４に記載の染料感応型太陽電池の製造方法。
- 前記ステップ（Ｅ）において、熱可塑性樹脂フィルム、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂またはガラス組成物よりなる群から選ばれるいずれか一種を用いて開放構造を閉鎖することを特徴とする請求項４または５に記載の染料感応型太陽電池の製造方法。
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