JP2015065421A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】管状容器の内面に形成された透明導電膜よりなる集電極と、該集電極の内面に形成された光電極と、前記集電極および前記光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、透明導電膜からなる集電極の電気抵抗の大きさによる発電効率の低下を補って、集電極に集められた電子を効率良く外部に取り出して、発電効率の向上を図った構造を提供するものである。
【解決手段】前記集電極のいずれか一方の面側に、該集電極よりも導電率が大きい材料からなる帯状通電部が、前記環状容器の管軸方向に沿って延在して形成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、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。

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、該容器の内面に形成された透明導電膜からなる集電極と、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。

図８にかかる色素増感型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、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２８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。

太陽光は、太陽電池の管状容器２０を透過して、透明導電膜である集電極２４を透過して、光電極２５に到達する。この光電極２５が受光すると、これに担持された色素が励起されて半導体へ移動する電子が発生することにより発電が行われる。
このとき、光電極２５に発生した電子は集電極２４に集められ、該集電極２４を介して外部に取り出される。そのため、集電極２４の電気抵抗が高い場合には、外部への取り出し効率が悪くなり、発電効率が低下してしまうという問題を抱えている。
この集電極としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる透明導電膜が多用されているが、該ＩＴＯ導電膜も電気抵抗が大きく、また、それ以外に用いられる、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）や、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、あるいはＡＺＯ（アルミドープ酸化亜鉛）のような耐熱性の高い透明導電膜では更に抵抗が大きく、発電効率が良くないという不具合があった。

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、透光性の管状容器の内面に形成された透明導電膜よりなる集電極と、該集電極の内面に形成された増感色素を担持する半導体層よりなる光電極と、前記集電極および前記光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、透明導電膜からなる集電極の電気抵抗の大きさによる発電効率の低下を補って、集電極に集められた電子を効率良く外部に取り出して、発電効率の向上を図った構造を提供するものである。

本発明に係る色素増感型太陽電池は、前記集電極のいずれか一方の面側には、該集電極よりも導電率が大きい材料からなる帯状通電部が、前記環状容器の管軸方向に沿って延在して形成されていることを特徴とする。
また、前記帯状通電部には、前記集電極よりも導電率が大きい材料からなる複数の線状通電部が、前記管状容器の円周方向に延在するように間隔をもって接続されていることを特徴とする。
また、前記帯状通電部は、前記管状容器において、管軸方向に直交する断面における太陽光の受光面とは反対側に設けられていることを特徴とする。
また、前記帯状通電部の幅が、前記対向電極の幅より小さいことを特徴とする。

本発明の色素増感型太陽電池によれば、集電極の表面にこれより導電率の大きい帯状通電部を設けたので、集電極に発生した電子を素早く帯状通電部に集め、これを効率的に外部に取り出すことができて、発電効率の向上がもたらされる。
また、帯状通電部に円周方向の複数の線状通電部を設けたので、よりきめ細かく電子の収集ができる。
また、帯状通電部を太陽光からの受光面とは反対側に形成することにより、管状容器が受ける太陽光の陰になることなく、受光効率の低下がない。
更には、記帯状通電部の幅を、前記対向電極の幅より小さくしたことにより、対向電極による太陽光の遮蔽以上に影響されることがない。

本発明の色素増感型太陽電池の側断面図 図１のＡ−Ａ拡大断面図 本発明における集電極と帯状通電部のみを示す図 図３の他の実施例を表す図 図３の更に他の実施例を表す図 図３とは別の態様を表す別の実施例の断面図 図６における集電極と帯状通電部のみを示す図 従来例の側断面図

図１〜図３に、本発明の色素増感型太陽電池の全体構造が示されている。
色素増感型太陽電池１において、透明な石英ガラス、ソーダガラスなどよりなる管状容器２は、本体部３とその両端の封止部４、５とからなる。
管状容器２の本体部３の内面には、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＺｎＯ（ＡＺＯを含む）などの金属酸化物からなる透明導電膜が焼成されて集電極６が形成されている。
そして、この集電極６の内面には、太陽光を光電変換するための、増感色素が吸着された半導体層からなる光電極７が積層形成されている。この半導体層は、例えば、金属酸化物または金属硫化物である半導体微粒子を堆積させて形成した多孔質の薄膜である。

前記管状容器２内には、前記集電極６及び光電極７に対向する対向電極８が、これら集電極６、光電極７と絶縁状態を保って配置されている。この対向電極８は種々の形態を採用でき、円筒状体、円柱状体、あるいは、図８に示すようなコイル状体であってよい。
そして、管状容器２の両端の封止部４、５は、管状容器２を構成するガラスの両端を溶かして変形させて封止をしたものである。例えば、管状容器２の両端部をバーナーなどで適度に熱して、その一部が溶融し軟化した後に、この両端を上下から圧潰することで形成される。この圧潰された封止部３、４は平坦な形状に成型される。
図１において、管状容器２の一方の封止部４では、対向電極８と金属箔１１を介して接続された外部リード１２が外部に導出されており、他方の封止部５では、集電極６と金属箔１３を介して接続された外部リード１４が外部に導出されている。
なお、両端シール部の形状もこれに限られず、棒状もしくは円柱状の外部リードをシール部から導出して、管状容器２内部で、該外部リードをそれぞれ集電極６と対向電極８に電気的接続をする構造としてもよい。

そして、図２および、図２における集電極６を表した図３に示すように、前記集電極６の外面には、管状容器２の管軸方向に延在して帯状の通電部１５が設けられている。つまり、管状容器２の内面と、集電極６の外面とに間に帯状通電部１５が設けられている。この帯状通電部１５は、集電極６を構成する材料よりも導電率の大きな材料から構成されている。
具体的には、導電成分と、ガラスフリットと、樹脂バインダを含むペースト材料を用いて、これをインクジェット方式、スクリーン印刷方式を用いることにより管状容器２の内面に塗布して、これを焼成することで形成することができる。また、マスクを施して蒸着、スパッタリング、めっき、スプレー塗布などで形成してもよい。
導電成分としては、銀を主成分とし、導電率を調整するために金属として、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）を適宜選択して添加するものである。

この帯状通電部１５は、管状容器２が太陽光を受ける位置、図２の場合は、上方位置、とは反対側の下方位置に設けられる。こうすることで、帯状通電部１５が太陽光を遮ることのないようにしたものである。
また、該帯状通電部１５の幅Ｘは、対向電極８の幅（直径）Ｙよりも小さくしてある。太陽光は、対向電極８の形態によっては遮られることがあるが、帯状電極１５の幅Ｘを対向電極８の幅Ｙより小さくすることで、対向電極８の幅以上に太陽光を遮ることのないようにしたものである。

上記帯状通電部１５には、円周方向に延在する複数の線状通電部１６、１６が適宜間隔で接続されていて、該線状通電部１６の幅は、前記帯状通電部１５の幅よりも小さく形成されていて、その幅員や本数などは太陽光の透過を必要以上に妨げることのないように配慮して決定される。
この線状通電部１６は、図３に示す円周方向に延在する形態のほかに、図４に示すように螺旋状に形成されていてもよいし、あるいは、図５に示すように、円周方向に延在する円周方向部分１６ａと、これに直交する方向（環状容器２の管軸方向）に延在する管軸方向部分１６ｂとから構成するものであってもよい。更には、円周方向の全周に形成しなくてもよく、円周方向の一部に形成するものであってもよい。
そして、この線状通電部１６も、前記帯状通電部１５と同様に、前記集電極６よりも導電率の大きな材料からなり、具体的には、帯状通電部１５と同じ材料から選択される。

こうして管状容器２の内面に形成された帯状通電部１５と線状通電部１６の上に（内面に）、前述した、金属酸化物からなる透明導電膜が塗布・焼成されて集電極６が積層形成されている。つまり、この構造により、集電極６の外面側に帯状通電部１５と線状通電部１６が設けられていることになる。

このように、帯状通電部１５および線状通電部１６は、集電極６の外面側、つまり、集電極６の外面と管状容器２の内面との間に形成するものを説明したが、集電極６の内面側に形成するものであってもよい。
その態様が図６、図７に示されている。この実施例では、管状容器２の内面に形成された集電極６の内面に、帯状通電部１５と線状通電部１６が塗布・焼成により形成されており、更にその内面に光電極７が形成されるものである。

こうして、集電極６のいずれか一方の面側に帯状通電部１５および線状通電部１６が設けられていることにより、集電極６に集められた電子が、瞬時にその近辺の線状通電部１６を経て帯状通電部１５に集められ、該帯状通電部１６を介して外部に取り出されるものである。
なお、線状通電部１６については必ずしも必要というわけではなく、帯状通電部１５のみで十分な効果を奏する場合には、省いてもよい。

本発明の色素増感型太陽電池の一数値例を示すと以下の通りである。
管状容器の寸法：外径１０ｍｍ×内径８ｍｍ×肉厚１ｍｍ
集電極の厚さ：１μｍ
光電極の厚さ：１０μｍ
帯状通電部：厚さ１μｍ、幅２〜３ｍｍ
線状通電部：厚さ１μｍ、幅０．１〜１ｍｍ

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、管状容器の内面に形成した集電極のいずれか一方の面側に、該集電極よりも導電率が大きい材料からなる帯状通電部が、前記環状容器の管軸方向に沿って延在して形成されているので、光電極から集電極に集められた電子を素早く効率的に帯状通電部に導き、これを介して外部に取り出すことができるので、発電効率を向上することができる。
更に、帯状通電部に円周方向の線状通電部を接続することにより、集電極の電子をきめ細かく、細大漏らさずに素早く帯状通電部に導くことができる。

１ 色素増感型太陽電池
２ 管状容器
３ 本体部
４、５ 封止部
６ 光電極
７ 集電極
８ 対向電極
１５ 帯状通電部
１６ 線状通電部

Claims (4)

1. 透光性の管状容器の内面に形成された透明導電膜よりなる集電極と、該集電極の内面に形成された増感色素を担持する半導体層よりなる光電極と、前記集電極および前記光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、
   前記集電極のいずれか一方の面側には、該集電極よりも導電率が大きい材料からなる帯状通電部が、前記環状容器の管軸方向に沿って延在して形成されていることを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記帯状通電部には、前記集電極よりも導電率が大きい材料からなる複数の線状通電部が、前記管状容器の円周方向に延在するように間隔をもって接続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. 前記帯状通電部は、前記管状容器において、管軸方向に直交する断面における太陽光の受光面とは反対側に設けられている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。
4. 前記帯状通電部の幅が、前記対向電極の幅より小さいことを特徴とする請求項３に記載の色素増感太陽電池。
   
   
   

Images