JP2014078387A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】両端に封止部を有する透光性の管状容器の内部に、光電極と、集電極と、対向電極とを備え、前記集電極と前記対向電極にはそれぞれ外部リードが電気的に接続されていて、前記管状容器の内部には電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、電界液充填後に管状容器を密封する際に、電解液が蒸発して気泡が残留することを回避して、良好な発電効率が得られる構造を提供することである。
【解決手段】前記外部リードの少なくとも一方が金属管からなり、該金属管が前記封止部に封止されているとともに、該金属管の突出端部が密封されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池に関するものであり、特に、透光性の管状容器内に電解液が封入された色素増感型太陽電池に係わるものである。

従来から、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池は、環境にやさしく、クリーンなエネルギー源として積極的な研究開発が進められている。中でも、光電変換効率が高く、低コストの太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目されて、各種の提案がなされている。

その一例が特許第４８４０５４０号公報（特許文献１）であり、この色素増感型太陽電池では、透光性の管状容器内に電解液を封入し、該容器内に色素を吸着させた多孔質半導体からなる光電極と、これに対向する対向電極とを配設し、前記光電極に太陽光を入射させてこれを励起して電子を放出させることによって電気エネルギーとして取り出すものである。
この種の色素増感型太陽電池は、その製造のために高真空なチャンバーなどが不要であり、設備面での負担が少なく、安価に製造できるという利点あり、注目を集めている。

図５にかかる構造の太陽電池の概略構造が示されていて、（Ａ）は電解液の封入工程図、（Ｂ）は封止完成図である。
図において、色素増感型太陽電池は、透明なガラスよりなる管状容器１の本体部２の内面に、透明導電膜からなる集電極３と、増感色素が吸着された半導体層からなる光電極４とが積層形成され、前記管状容器１内で光電極４と離間してコイル状の対向電極５が配置されるとともに、前記管状容器１内に電解質物質を備えた電解液６が密封されて構成されている。
前記管状容器１の本体部２の両端は、ランプ技術におけるピンチシールのように、管状容器１を構成するガラスを加熱・溶融してこれを圧潰することにより扁平な封止部２１、２２が形成されて密閉されている。そして、その一端側の封止部２１内には金属箔３１が埋設され、対向電極５からの内部リード１１と、封止部２１から外方に突出する外部リード１３とが該金属箔３１に接続されて導電状態がもたらされている。
また、同様に、他端側の封止部２２内にも金属箔３２が埋設されていて、該金属箔３２には、前記対向電極５に絶縁部材１５を介して接続された内部リード１２と、封止部２２から突出する外部リード１４とが接続されている。そして、前記管状容器１の本体部２の内面に形成した集電極３が、この封止部２２内にまで延在していて、前記内部リード１２、金属箔３２および外部リード１４を覆うようにピンチシールされ、これらと電気的に接続されている。

このような構成により、一方の封止部３１においては、対向電極５−内部リード１１−金属箔３１−外部リード１３と電気的接続が形成され、他方の封止部３２においては、光電極４−集電極３−内部リード１２−金属箔３２−外部リード１４と電気的接続が形成されている。
上記構成において、管状容器１の本体部２の両端部の封止部２１、２２は、前記したように、ランプ技術におけるピンチシール構造を採用するものであって、本体部２の両端部を加熱溶融して、これを圧潰することにより、内部に金属箔３１、３２が埋設された扁平状の封止部２１、２２とするものである。

こうして形成された管状容器１内に電解液６を封入する工程を説明する。
図５（Ａ）に示されるように、管状容器１の円筒状本体部２において、内面に集電極３および光電極４が形成されていない端部領域に注入管２３を溶着して管状容器1の内部と連通させる。
この注入管２３から電解液６を管状容器１内に注入する。管状容器１内に電解液６が充填された後、当該注入管２３を溶融して封管する。この溶融封管により、図５（Ｂ）に示されるように、管状容器１の本体部２には封止チップ残部２３ａが形成される。

ところで、上記従来技術によれば、注入管２３の加熱溶融による封止時に、該注入管２３の近傍の電解液６が加熱されてしまい、この加熱により電解液６が蒸発し、管状容器１内に気泡として残存するという問題がある。
管状容器１内部の電解液６は、対向電極５から光電極４へ電子を受け渡す媒体であって、光電極４中の増感色素を還元する役割を担っている。しかしながら、管状容器１内部に気泡が残存していると、光電極４と電解液６の界面に残溜気泡が介在してしまい、光電極４と電解液６との接触が不十分となり、光電極４に担持された増感色素が十分に還元されずに、発電効率が低下してしまうという不具合が生じる。

特許第４８４０５４０号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、両端に封止部を有する管状容器の内部に、増感色素を担持する半導体層よりなる光電極と、該光電極に接触して形成される集電極と、該集電極に対向する対向電極とを備え、前記集電極と前記対向電極にはそれぞれ外部リードが電気的に接続されていて、前記管状容器の内部には電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、管状容器内に電解液を封入した後に電解液注入管を密封する際に、電解液が蒸発することがなく、管状容器内に充填後の電解液に気泡が残留しないようにした構造を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明に係る色素増感型太陽電池では、前記対向電極に電気的に接続された外部リードが金属管からなり、該金属管が前記封止部に封止されているとともに、該金属管の突出端部が密封されていることを特徴とする。
また、前記金属管の突出端部が圧接により密封されていることを特徴とする。
また、前記金属管が前記封止部に溶着されていることを特徴とする。
また、前記集電極に電気的に接続された外部リードが金属管からなるとともに、前記対向電極の一端が、該金属管に絶縁部材を介して接続され、該絶縁部材は前記金属管内に挿入支持されていることを特徴とする。
また、前記金属管と前記管状容器の線膨張率αの差が±５×１０^−７／℃の範囲にある材料であることを特徴とする。
また、前記電解液が、ヨウ素を含んでおり、前記金属管がチタン材料か、または表面がチタンコートされた材料で構成されていることを特徴とする。

この発明の色素増感型太陽電池によれば、管状容器の少なくとも一方の封止部から突出する外部リードを金属管によって構成したので、該金属管が電極への導電機能を奏するとともに、電解液の注入管としても機能し、しかも、その突出端部を圧接などにより密封するので、従来技術のように熱による電解液の蒸発が発生することがなく、管状容器内に充填された電解液中に気泡が存在することがない。そのため、光電極と電解液の良好な接触状態が保たれて、発電効率が良好な色素増感型太陽電池が得られるものである。

本発明の色素増感型太陽電池の断面図。 本発明の色素増感型太陽電池の製造工程図。 本発明の色素増感型太陽電池の電解液充填工程図。 本発明の他の実施例。 従来技術に係る色素増感型太陽電池の電解液の充填工程図。

図１は、本発明の色素増感型太陽電池の全体を示す断面図であり、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
管状容器１の本体部２の内面には透明導電膜からなる集電極３と、これに積層された光電極４とが設けられている。この集電極３は本体部２から一方の封止部２２にまで延在するように設けられ、他方、前記光電極４は本体部２にのみ存在し、封止部２２にまでは延在していない。
そして、管状容器１の本体部２内にはコイル状の対向電極５が、光電極４と当接することなく配設されている。

前記管状容器１の一方の封止部２１においては金属管８が封止されている。この封止は、ランプ製造技術におけるシュリンクシール技術が採用されていて、金属管８が封止部２１を構成するガラスの溶着により封止されており、該金属管８が外部リードを構成している。
そして、前記対向電極５の一端部５ａがこの金属管８に接続され、電気的導通が取られている。
前記金属管８は前記封止部２１を貫通して外部に突出しており、その突出端部８ａにおいて圧接などにより密封されている。
一方、他方の封止部２２においては、図５の従来例と同様な構造であって、対向電極５の他端部５ｂに絶縁部材１５を介在させて接続された内部リード１２が、封止部２２内において金属箔３２に接続され、集電極３とともに封止されている。また、前記金属箔３２には外部リード１４が接続されていて、該外部リード１４は封止部２２の外方に突出している。
上記構成により、一方の封止部２１側では、対向電極５−金属管（外部リード）８という電気的接続が形成され、他方の封止部２２側では、光電極４−集電極３−内部リード１２−金属箔３２−外部リード１４という電気的接続が形成される。なお、この他方の封止部２２における集電極３との電気的接続は、最低限で内部リード１２と接続をとればよいが、図１に示すように、集電極３を封止部２２内の後方端の位置まで延在させることによって、内部リード１２、金属箔３２、外部リード１４を同時的に導通させて、より安定的な電気的接続がえられる。

このような構造の色素増感型太陽電池の概略の製造方法を図２に基づいて説明する。
図２（Ａ）に示されるように、内面に集電極３と光電極４とが形成された管状容器１を構成するガラス管２０の中に、金属管８−対向電極５−絶縁部材１５−内部リード１２−金属箔３２−外部リード１４からなる電極マウントＭを挿入する。
そして、ガラス管２０の一方の端部においては、ランプ封止技術であるシュリンクシール技術を応用して封止部２１を形成する。
つまり、ガラス管２０の金属箔３２側の他方の開放端２０ｂからアルゴン等の不活性ガスを流しつつ、ガラス管２０の金属管８側の端部２０ａを酸水素バーナーなどにより加熱溶融して、該金属管８の外面と溶着させて封止部２１を形成する。

次いで、他方の端部においては、同様にランプ封止技術であるピンチシール技術を応用して封止部２２が形成される。
つまり、図２（Ｂ）に示されるように、金属管８からガラス管２０内に不活性ガスを流しつつ、ガラス管２０の他端部２０ｂを加熱溶融して、これを圧潰して金属箔３２を埋設するように封止部２２を形成する。
こうして、図２（Ｃ）に示されるように、管状容器１の内部に電極マウントＭが内蔵され、その一端側の封止部２１においては、金属管８が封止された状態で封止部外方に突出し、他方の封止部２２では金属箔３２が埋設された状態で封止された形状の構造体ができる。

次いで、電解液の注入工程と封止工程を図３に基づいて説明する。
図３（Ａ）に示されるように、管状容器１を、金属管８が上方に向かうように立設する。そして、前記金属管８から管状容器１内に電解液６を注入する。
図３（Ｂ）に示されるように、管状容器１内に電解液６が充填されたら、金属管８の上端をプレス手段３０により圧接して密封する。このとき、該金属管８は加熱されることなく密封されるので、電解液６が蒸発することがなく、管状容器１内に気泡が残留することがない。
これにより、図３（Ｃ）に示されるように、管状容器１の内部に電解液６が充填された色素増感型太陽電池が完成する。
なお、金属管８の端部の密封は圧接に限らず、所定程度にまで金属管８を平たく潰し、その後パルスレーザにより溶接するものであってもよい。この場合も、ガラス製の電解液注入管を熱溶着して密封する従来例のような熱的影響がなく、電解液が蒸発するようなことがない。

ところで、上記実施例においては、金属管８は、ガラス製の管状容器１に溶着により封止されるものを示したが、この場合、管状容器１と金属管８とは線膨張率の近い材料の組み合わせが好ましい。線膨張率に大きな相違がある材料であると、熱溶着時に管状容器１の封止部２１にクラックが入り損傷することがあるからである。
このためには、線膨張率αの差が±５×１０^−７／℃の範囲に収まる組み合わせであることが好ましい。
その具体的な材料の組み合わせの例を列挙すると以下の通りである。
（例１）
管状容器：アルミノシリケートガラス（線膨張率α＝５１×１０^−７／℃）
金属管：モリブデンパイプ（線膨張率α＝５５×１０^−７／℃）
（例２）
管状容器：コバールガラス（線膨張率α＝５５×１０^−７／℃）
金属管：コバールパイプ（線膨張率α＝５０×１０^−７／℃）
（例３）
管状容器：ソーダライムガラス（線膨張率α＝９０×１０^−７／℃）
金属管：チタンパイプ（線膨張率α＝８８×１０^−７／℃）

なお、金属管は、電解液に対する耐腐食性の高い材料が適している。例えば、電解液に金属との反応性が高いヨウ素が含まれている場合、金属管にはチタン部材又は表面をチタンでコーティングした部材を用いることが好ましい。
つまり、上記の例でいえば、例１と例２の金属パイプはチタンコートされていることが好ましい。例えば、モリブデンパイプを用意し、その表面にスパッタリングで数十ｎｍ程度の膜厚でチタンコーティングを行うことが好適である。

ところで、前記実施例では、対向電極５に接続された外部リードを金属管８としたが、集電極３に接続される反対側の外部リードのほうを金属管としてもよく、さらには、図４に示されるように、両方の外部リードをともに金属管としてもよい。
図４に示す例では、一方の封止部２１において対向電極５の一端部５ａに電気的に接続する金属管８が設けられるとともに、その反対側の封止部２２においても、集電極３に電気的に接続される金属管９が設けられている。
そして、この例では、対向電極５の他端部５ｂには絶縁部材１５が設けられ、該絶縁部材１５が前記金属管９内に挿入支持されている例が示されている。
この構成を採用すると、コイル状対向電極５の管状容器１内での設置位置が強固なものとなって、光電極４との相対位置が確実なものとなる。

なお、上記いずれの実施例においても、金属管８、９は対向電極５の端部に直接接続されたものを示したが、対向電極５に内部リードを接続し、該内部リードが金属管８、９に接続されるものであってもよい。
また、対向電極５はコイル形状に限らず、棒状体、筒状体、網状円筒体など種々の形態が採用できる。

以上説明したように、本発明に係る色素増感型太陽電池によれば、両端に封止部を有する透光性の管状容器の内部に、光電極と、集電極と、対向電極とを備え、前記集電極と前記対向電極にはそれぞれ外部リードが電気的に接続されていて、前記管状容器の内部には電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、前記外部リードの少なくとも一方が金属管からなり、該金属管が前記封止部に封止されているとともに、該金属管の突出端部が密封されている構成としたことにより、前記金属管が電極への導電機能を有するとともに、電解液の供給路としても機能し、構造が簡略化するうえに、該金属管を利用して管状容器に電解液を注入充填したのちに、この金属管の突出端部を密封することで、電解液の加熱蒸発を回避でき、管状容器内の電解液中に気泡が存在することがなく、光電極と電解液との接触が阻害される要因がなくなり、良好な発電効率が得られるものである。

１ 管状容器
２ 本体部
２１、２２ 封止部
３１、３２ 金属箔
３ 集電極
４ 光電極
５ 対向電極
６ 電解液
８、９ 金属製金属管（外部リード）
１２ 内部リード
１４ 外部リード
１５ 絶縁部材
１６ フリットガラス
Ｍ 電極マウント

Claims (6)

1. 両端に封止部を有する透光性の管状容器と、該管状容器の内部には、増感色素を担持する半導体層よりなる光電極と、該光電極に接触して形成される集電極と、該集電極に対向する対向電極とを備え、
   前記集電極と前記対向電極にはそれぞれ外部リードが電気的に接続されていて、該外部リードはそれぞれ前記封止部から外部に突出しており、
   前記管状容器の内部には電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、
   前記外部リードの少なくとも一方が金属管からなり、該金属管が前記封止部に封止されているとともに、該金属管の突出端部が密封されていることを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記金属管の突出端部が圧接により密封されていることを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
3. 前記金属管が前記封止部に溶着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の色素増感型太陽電池。
4. 前記集電極に電気的に接続された外部リードが金属管からなるとともに、前記対向電極の一端が、該金属管に絶縁部材を介して接続され、該絶縁部材は前記金属管内に挿入支持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
5. 前記金属管と前記管状容器の線膨張率αの差が±５×１０^−７／℃の範囲にある材料であることを特徴とする請求項１〜４に記載の色素増感型太陽電池。
6. 前記電解液が、ヨウ素を含んでおり、
   前記金属管がチタン部材か、または表面がチタンコートされた材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
   
   
   

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