JP2014154414A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
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、集電極、光電極および対向電極が配設され、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。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell that converts light energy into electrical energy, and in particular, a collector electrode, a photoelectrode, and a counter electrode are disposed in a translucent tubular container, and an electrolytic solution is provided. The present invention relates to an enclosed dye-sensitized solar cell.
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。 Conventionally, solar cells that convert solar energy into electrical energy have been actively researched and developed as environmentally friendly and clean energy sources. Among them, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a low-cost solar cell with high photoelectric conversion efficiency, and various proposals have been made.
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、該容器の内面に形成された集電極と、これに積層形成されて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。
One example thereof is Japanese Patent No. 4840540 (Patent Document 1). In this dye-sensitized solar cell, an electrolytic solution is sealed in a translucent tubular container, and a collector electrode formed on the inner surface of the container; A photoelectrode made of a porous semiconductor layered thereon and adsorbed with a dye, and a counter electrode facing the photoelectrode are disposed, and sunlight is made incident on the photoelectrode to excite the electrons. It is taken out as electric energy by discharging.
This type of dye-sensitized solar cell is attracting attention because it does not require a high-vacuum chamber or the like for its manufacture, has a small burden on facilities, and can be manufactured at low cost.
図7(A)にかかる太陽電池の概略構造が示されている。
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20の本体部21の内面に、透明導電膜からなる集電極24と、増感色素が吸着された半導体層からなる光電極25とが積層形成され、前記管状容器20内に光電極25と離間して所定の間隙を設けるようにコイル状の対向電極26が配置されるとともに、前記管状容器20内に電解質物質を備えた電解液27が密封されて構成されている。
前記管状容器20の本体部21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20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22、23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22内には金属箔33が埋設され、対向電極26からの内部リード31と、封止部22から外方に突出する外部リード35が該金属箔33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23内にも金属箔34が埋設されていて、該金属箔34には、前記対向電極26に絶縁部材15を介して接続された内部リード32と、封止部23から突出する外部リード36とが接続されている。そして、前記管状容器20の本体部21の内面に形成した集電極24が、この封止部23内にまで延在していて、前記内部リード32、金属箔34および外部リード36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。
A schematic structure of the solar cell according to FIG. 7A is shown.
In the figure, a dye-sensitized solar cell includes a
At both ends of the
Similarly, a
このような構成により、一方の封止部22においては、対向電極26−内部リード31−金属箔33−外部リード35と電気的接続が形成され、他方の封止部23においては、光電極25−集電極24−内部リード32−金属箔34−外部リード36と電気的接続が形成されている。
With such a configuration, an electrical connection is formed between the
こうして形成された管状容器20に電解液27を封入する工程を説明する。
図7(B)に示されるように、管状容器20の円筒状本体部21において、内面に集電極24および光電極25が形成されていない端部領域に注入管40を溶着して管状容器20の内部と連通させる。
この注入管40から電解液27を管状容器20内に注入する。管状容器20内に電解液27が充填された後、当該注入管40をバーナーなどにより加熱溶融して封管する。この溶融封管により、図7(A)に示されるように、管状容器20の本体部21には封止チップ残部40aが形成される。
A process of sealing the
As shown in FIG. 7B, in the cylindrical
The
ところで、上記従来技術によれば、効率の観点から光電極25はできるだけ管状容器20の全長方向に亘って設けられることから、注入管40を設ける位置がどうしても光電極25の端部に近接したものとなり、注入管40の加熱溶融による封管時に、該注入管40の近傍の光電極25も加熱されてしまうことが避けられない。この光電極25の色素は、有機物で構成されていることから、加熱を受けてしまうと劣化し、発電効率が低下してしまうという不具合が生じる。
By the way, according to the above prior art, from the viewpoint of efficiency, the
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、透光性の管状容器の内部に、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、前記管状容器の内部に電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、電解液の注入後の封止作業に伴う光電極への加熱の影響を回避して、該光電極の劣化を防止した構造を提供するものである。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the problem to be solved by the present invention is that a translucent tubular container has a photoelectrode comprising a semiconductor layer carrying a sensitizing dye, and a contact with the photoelectrode. In a dye-sensitized solar cell comprising a collector electrode formed by the above-mentioned method and a counter electrode facing the collector electrode, and the electrolyte solution is filled in the tubular container, a sealing operation after injection of the electrolyte solution Thus, a structure in which the influence of heating on the photoelectrode is avoided and deterioration of the photoelectrode is prevented is provided.
本発明に係る色素増感型太陽電池は、管状容器の一端封止部に、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、集電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続されていることを特徴とする。
また、前記金属管において、前記内部リードと接続された圧着部より更に突出側端部に金属管のみを圧着封止した封止部を設けたことを特徴とする。
また、前記管状容器の他端封止部にも、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、前記対向電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続されたことを特徴とする。
The dye-sensitized solar cell according to the present invention is sealed at one end sealing portion of a tubular container so that the metal tube protrudes from the inside of the tubular container and is electrically connected to the collector electrode. An internal lead penetrates the metal tube and is connected to the internal lead by crimping the metal tube outside the tubular container.
Further, the metal tube is characterized in that a sealing portion in which only the metal tube is crimped and sealed is provided at the protruding side end portion further than the crimp portion connected to the internal lead.
Also, the other end sealing portion of the tubular container is sealed so that a metal tube protrudes from the inside of the tubular container to the outside, and an internal lead electrically connected to the counter electrode has the metal lead The tube is penetrated and connected to the internal lead by crimping the metal tube outside the tubular container.
本発明の色素増感型太陽電池によれば、管状容器の一端封止部に貫通するように封止した金属管を介して電解液を管状容器内に注入し、電界液の充填後に該金属管を圧着して封止するとともに、前記集電極に電気的に接続された内部リードと接続するので、封止作業に加熱を伴うことがなく、光電極が熱的な影響を受けず、その劣化が防止されるものである。
また、前記金属管の内部リードとの圧着部よりも突出側で金属管のみを圧着封止したので、管状容器の密封がより完全なものとなる。
According to the dye-sensitized solar cell of the present invention, the electrolytic solution is injected into the tubular container through the metal tube sealed so as to penetrate one end sealing portion of the tubular container, and the metal is filled after the electrolytic solution is filled. Since the tube is crimped and sealed, and connected to the internal lead electrically connected to the collector electrode, the sealing operation is not accompanied by heating, and the photoelectrode is not thermally affected. Deterioration is prevented.
In addition, since only the metal tube is crimped and sealed on the projecting side of the crimping portion with the internal lead of the metal tube, the tubular container is more completely sealed.
図1は、本発明の色素増感型太陽電池の全体を示す側断面図である。
色素増感型太陽電池において、透明なガラスよりなる管状容器1は、本体部2とその両端の封止部3、4とからなり、本体部2の内面には、透明導電膜からなる集電極5と、増感色素が吸着された半導体層からなる光電極6とが積層形成されている。
前記管状容器1内には、対向電極7が前記集電極5に対向配置されていて、この対向電極7は、図1(B)に示すように、スリットを有する略円筒形状をなし、半径方向に弾性的に拡縮可能な金属板からなり、その周囲には、例えば、ガラス繊維や絶縁樹脂繊維などの繊維布からなる半径方向に拡縮可能な円筒状の絶縁体8が被せられている。このような構造とすることにより、対向電極7の弾性復元力によって、該対向電極7は、絶縁体8を介在させて光電極6に当接している。
このような構造により、対向電極7と集電極5および光電極6とは、絶縁体8の厚さに相当する所定の間隙をもって互いに絶縁状態で対向配置される。
なお、絶縁体8は円筒形状に限られず、シート状のものであってもよい。
FIG. 1 is a side sectional view showing the entire dye-sensitized solar cell of the present invention.
In a dye-sensitized solar cell, a
A
With such a structure, the
The
前記管状容器1の一端の封止部3には、金属管10が管状容器1の本体部2の内部から外部に突出するように封止されている。
そして、前記集電極5に電気的に接続された内部リード11が、この金属管10内に挿入され、これを貫通している。
前記金属管10は、その突出端部において、前記内部リード11ともにプレス成型により圧着されて圧着部15が形成されている。この構造により、前記管状容器1内が密封封止されるとともに、金属管10は、内部リード11と電気的な接続がなされて外部リードとして機能する。
これにより、金属管(外部リード)10−内部リード11−集電極5という電気的接続が形成されている。
A
An
The
Thus, an electrical connection of the metal tube (external lead) 10 -the internal lead 11 -the
一方、他端の封止部4は、図7に示すものと同様なピンチシール構造によって封止されていて、対向電極7は内部リード12によって封止部4内の金属箔13及び外部リード14に電気的に接続されている。
こうして内部が密閉された管状容器1内には、電解質物質を備えた電解液9が密封充填されている。
On the other hand, the sealing part 4 at the other end is sealed by a pinch seal structure similar to that shown in FIG. 7, and the
The
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、管状容器1の内面に設けられた集電極5および光電極6に対向して、絶縁体8が被嵌された対向電極7が当接配置されている。そして、管状容器1の一端側の開放端1aには、管状容器1の内部から外部に突出するように金属管10を配置して、集電極5に接続された内部リード11がこの金属管10内に挿入されて、外部にまで貫通している。
一方、対向電極7は内部リード12、金属箔13および外部リード14が接続されている。
この状態で、管状容器1の他端封止部側(金属箔13側)の開放端1bからアルゴン等の不活性ガスを流しつつ、管状容器1の金属管10側の端部1aを酸水素バーナーなどにより加熱溶融して、該金属管10の外面と溶着させて封止部3を形成する。
A schematic manufacturing method of the dye-sensitized solar cell having such a structure will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2A, a
On the other hand, the
In this state, while flowing an inert gas such as argon from the
次いで、他方の端部においては、ピンチール技術により封止部4が形成される。
つまり、図2(B)に示されるように、金属管10から管状容器1内に不活性ガスを流しつつ、管状容器1の他端部1bを加熱溶融して、これを圧潰して金属箔13を埋設するように封止部4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の内部に電極構造体が内蔵され、その一端側の封止部3においては、金属管10が放電容器1の外方に突出した状態で封止され、他方の封止部4では金属箔13が埋設された状態で封止された形状の構造体ができる。
Next, at the other end, the sealing portion 4 is formed by a pinch technique.
That is, as shown in FIG. 2 (B), the
Thus, as shown in FIG. 2C, the electrode structure is built in the
次いで、かかる構造体の管状容器1内に電解液を注入・充填する工程および金属管10を封止する工程を図3により説明する。
図3(A)に示されるように、管状容器1を、金属管10が上方に向かうように立設する。そして、前記金属管10から管状容器1内に電解液9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9が充填されたら、金属管10の上端15をプレス手段18により内部リード11を介在させて圧着し密封して圧着部15を形成する。このとき、該金属管10は加熱されることなく密封されるので、内部リード11を介して集電極5が加熱されることがない。
これにより、図3(C)に示されるように、管状容器1に従来のような電解液注入管を設けることなく、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。
Next, the step of injecting and filling the electrolytic solution into the
As shown in FIG. 3A, the
As shown in FIG. 3B, when the electrolytic solution 9 is filled in the
As a result, as shown in FIG. 3C, the dye-sensitized solar cell in which the
ところで、上記実施例においては、金属管10は、ガラス製の管状容器1に熱溶着により封止されるものであり、この場合、管状容器1と金属管10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3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、両者における線膨張率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/℃)
By the way, in the said Example, the
For this purpose, a combination in which the difference between the linear expansion coefficients α is within the range of ± 5 × 10 −7 / ° C. is preferable.
Examples of specific combinations of materials are listed below.
(Example 1)
Tubular container: aluminosilicate glass (linear expansion coefficient α = 51 × 10 −7 / ° C.)
Metal pipe: Molybdenum pipe (linear expansion coefficient α = 55 × 10 −7 / ° C.)
(Example 2)
Tubular container: Kovar glass (linear expansion coefficient α = 55 × 10 −7 / ° C.)
Metal tube: Kovar pipe (linear expansion coefficient α = 50 × 10 −7 / ° C.)
(Example 3)
Tubular container: soda lime glass (linear expansion coefficient α = 90 × 10 −7 / ° C.)
Metal pipe: Titanium pipe (linear expansion coefficient α = 88 × 10 −7 / ° C.)
なお、金属管10は、電解液9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9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10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。
For the
That is, in the above example, the metal pipes of Examples 1 and 2 are preferably titanium-coated. For example, it is preferable to prepare a molybdenum pipe and perform titanium coating on the surface with a film thickness of about several tens of nanometers by sputtering.
また、内部リード11を介在して金属管10を圧着させると、金属管10の内面と内部リード11の外面との間に隙間が形成される場合がある。このような不具合を是正するために、図4に示すように、金属管10において、圧着部15よりも更に突出側の端部において、金属管10のみを圧着させて封止した封止部16を別途設けることもできる。
Further, when the
ところで、前記対向電極7には種々の金属材料を用いることができるが、発電効率の観点からアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンが好ましい。アナターゼ型の結晶構造は、加熱を受けると、ルチル型やブルッカイト型の結晶構造に変化することがあり、これらはアナターゼ型に比べて発電効率が落ちる。
このため、前記実施例では、管状容器1の一端側の封止部3で金属管10を用いる構造としたが、対向電極7をアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンで形成する場合には、この対向電極7の加熱を抑制するために、図5に示すように、一端側の封止部3に金属管10a(10)を用いるのに加えて、他端側の封止部4においても、同様に、金属管10b(10)を採用して、対向電極7に電気的に接続された金属管10bを圧着することで電気的に接続することが好ましい。
By the way, although various metal materials can be used for the
For this reason, in the said Example, although it was set as the structure which uses the
また、上記実施例においては、管状容器1の内面に透明導電膜からなる集電極5と、その内面に光電極6とが積層形成されたものを示して説明したが、この集電極と光電極の構造はこれに限られず、例えば、特開2012−256459号公報で示されるように、管状容器の内面に光電極を形成し、その内面に電解液が透過する開口を有する集電極を設ける構造であってもよい。
図6(A)(B)にその構造が示されていて、管状容器1の内面に光電極6が焼成などにより形成されており、その内面に、集電極5が設けられていて、この集電極5には電解液が通過できる開口5aが形成されている。この集電極5は具体的には、SUSなどの金属多孔板やメッシュ構造の金属網状体などで構成することができる。
そして、対向電極7を、この集電極5に対して、絶縁体8を介在させて当接させる構造としたものである。
Moreover, in the said Example, although the
6 (A) and 6 (B), the structure is shown. The
The
なお、対向電極7についても、上記各実施例の構造に限られるわけではなく、図7に示すような、コイル形状とすることもでき、この場合も、そのコイル形状対向電極の外周には絶縁体を設けて、集電極5と対向電極7の間に所定の間隙を形成して絶縁状態を維持し、両者が接触することによる短絡を防止することが好ましい。
またこの場合、対向電極に接続する内部リードは、該コイル状対向電極のコイル素線をそのまま一体的に直線状に延長して内部リードとすることもできる。
Note that the
In this case, the internal lead connected to the counter electrode can be formed as an internal lead by integrally extending the coil wire of the coiled counter electrode as it is.
以上説明したように、本発明に係る色素増感型太陽電池は、管状容器内に設けられた集電極に接続された内部リードを、封止部内を貫通して封止される金属管内に挿入し貫通させて、封止部の外部で金属管を圧着して内部リードと接続するとともに金属管を封止する構成としたので、この金属管の圧着封止前に、この金属管を利用して電解液の注入充填ができて、従来のように管状容器に電解液注入管を形成する必要もなく、従って、注入管の熱封着も必要としないので、光電極に熱的な影響を与えることがなく、その熱的劣化を防止できる。
また、金属管は、管状容器の外部で圧着により内部リードと接続されるので、何等の熱的作業も伴うことがなく、この面からも光電極に対して熱的影響を与えることがない。
更には、金属管の圧着部よりも突出側端部で、該金属管のみを圧着により封止するので、管状容器の封止がより完全なものとなる。
As described above, in the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the internal lead connected to the collector electrode provided in the tubular container is inserted into the metal tube sealed through the sealing portion. Since the metal tube is crimped outside the sealing portion and connected to the internal lead and the metal tube is sealed, this metal tube is used before the metal tube is crimped and sealed. Therefore, it is not necessary to form an electrolyte injection tube in a tubular container as in the prior art, and therefore, it is not necessary to heat seal the injection tube. The thermal deterioration can be prevented without giving.
Further, since the metal tube is connected to the internal lead by pressure bonding outside the tubular container, no thermal work is involved, and there is no thermal influence on the photoelectrode from this aspect.
Furthermore, since only the metal tube is sealed by crimping at the protruding side end portion than the crimping portion of the metal tube, the tubular container is more completely sealed.
1 管状容器
2 本体部
3、4 封止部
5 集電極
5a 孔
6 光電極
7 対向電極
8 絶縁体
9 電解液
10 金属管
11、12 内部リード
13 金属箔
14 外部リード
15 圧着部
16 封止部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記管状容器の一端封止部には、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、
前記集電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続されている、
ことを特徴とする色素増感型太陽電池。 Inside a translucent tubular container having sealing portions at both ends, a photoelectrode comprising a semiconductor layer carrying a sensitizing dye, a collector electrode formed in contact with the photoelectrode, the collector electrode, In the dye-sensitized solar cell comprising a counter electrode facing the photoelectrode, and the tubular container filled with an electrolyte solution,
The one end sealing portion of the tubular container is sealed so that a metal tube protrudes from the inside of the tubular container,
An internal lead electrically connected to the collector electrode passes through the metal tube and is connected to the internal lead by crimping the metal tube outside the tubular container.
A dye-sensitized solar cell characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載の色素増感太陽電池。 2. The dye-sensitized sun according to claim 1, wherein a sealing portion in which only the metal tube is pressure-bonded and sealed is provided at a protruding side end portion further than the pressure-bonding portion connected to the internal lead in the metal tube. battery.
前記対向電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続された
ことを特徴とする請求項1または2に記載の色素増感型太陽電池。
The other end sealing portion of the tubular container is also sealed so that the metal tube protrudes from the inside of the tubular container,
The internal lead electrically connected to the counter electrode penetrates the metal tube and is connected to the internal lead by crimping the metal tube outside the tubular container. 3. The dye-sensitized solar cell according to 1 or 2.
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