JP2015082367A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】色素増感型太陽電池において、管状容器における発電に寄与しない領域を極力少なくして、有効発電領域の割合を大きくするとともに、電解液の変質劣化を抑制でき、信頼性の高い色素増感型太陽電池の構造を提供する。
【解決手段】管状容器２における一方の端部の封止部４から一対の外部リード１２，１３が突設され、一対の外部リードにおける第１の外部リード１２が、管状容器内において集電極６に電気的に接続された第１のリード線８に接続され、一対の外部リードにおける第２の外部リード１３が、管状容器内において対向電極７に電気的に接続された第２のリード線９に接続されている。
【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、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６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を覆うように圧潰されたガラスに沿って変形され、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。

この従来技術によれば、ガラス製の管状容器２０の両端に封止部２２、２３を形成して管状容器を密閉するものであるが、両端封止部を形成する場合、バーナーなどで管状容器２０の端部を加熱して溶融し、これを圧潰するなどすることにより封止している。
このとき、光電極２５中の増感色素が有機物であることから、バーナーなどによる加熱によって劣化してしまうという問題がある。このため、光電極２５を熱的な影響を受けにくい部分にまで退避させて設けることが必要になる。すなわち、光電極２５を両端の封止部２２、２３（封止のための加熱領域）から遠ざけて配置しなければならない。このため、電池構造全体（全長）において発電に利用されないデットスペースＸ、Ｙが、管状容器２０の両端部において不可避に大きく（長く）形成されることになり、電池が大型化してしまうという問題がある。

また、色素増感型太陽電池では、管状容器２０内部に電解液２７を充填する必要があるため、発電に寄与しない不要な領域にまで、電解液を充填することから、そのためのコストが余計にかかることに加え、太陽光にさらされる部位に電解液が多く露出することで、電解液を構成する有機溶媒が変質劣化して、発電効率の低下を招くことになる。また、発電に寄与しない部分が存在するために、管状容器の単位長さあたりの発電量として、高い効率を実現できないという問題がある。

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、密閉された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、この光電極と接触して形成された集電極と、前記光電極および前記集電極に対向して配置された対向電極と、前記管状容器の内部に充填された電解液とを備えてなる色素増感型太陽電池において、管状容器における発電に寄与しない領域を極力少なくして、有効発電領域の割合を大きくするとともに、電解液の変質劣化を抑制でき、信頼性の高い色素増感型太陽電池を提供することである。

本発明に係る色素増感型太陽電池は、管状容器における一方の端部の封止部から一対の外部リードが突設され、前記一対の外部リードにおける第１の外部リードが、前記管状容器内において前記集電極に電気的に接続された第１のリード線に接続され、前記一対の外部リードにおける第２の外部リードが、前記管状容器内において前記対向電極に電気的に接続された第２のリード線に接続されていることを特徴とする。
また、前記集電極に接続された第１のリード線または前記対向電極に接続された第２のリード線の少なくとも一方が、電気絶縁体で被覆されていることを特徴とする。
また、前記第１の外部リードと前記第２の外部リードのいずれか一方の外部リードが、前記管状容器の内部において、他方の外部リードよりも前記管状容器の他方の端部側に向かって長く突出形成され、当該一方の外部リードにおける内部突出部が電気絶縁体で被覆されていることを特徴とする。
また、前記電気絶縁体は、ガラス繊維布からなることを特徴とする。

本発明の色素増感型太陽電池によれば、集電極と光電極にそれぞれ電気的に接続された一対の外部リードを、管状容器の一方の封止端部から突出配置したので、他方の端部に封止部を形成する必要がなく、加熱封止時の熱的影響を回避するためのデッドスペースが一方の端部のみで済み、両端部に封止部を形成した従来技術に比べて有効な発電領域が長くとれて、効率の良い色素増感型太陽電池を提供することができる。
そのうえ、封入する電解液の量を少なくできて低コスト化が図られ、しかも、電解液を構成する有機溶媒が太陽光に曝される割合も減り、その変質劣化を低減できる。
また、管状容器内で対向電極から伸びるリード線と光電極から伸びるリード線の少なくとも一方のリード線が電気絶縁体で被覆されているので、これらリード線が近接して配置されても、両リード線間の短絡を確実に防止することができる。

本発明の第１の実施例の断面図 本発明の第２の実施例の断面図 本発明の第３の実施例の断面図 本発明の第４の実施例の断面図 本発明の第５の実施例の断面図 従来例の側断面図

図１に、本発明の色素増感型太陽電池の第１の実施例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とその一方の端部の封止部４とからなる。
管状容器２の本体部３の内面には、金属酸化物からなる透明導電膜が焼成されて集電極５が形成されている。
そして、この集電極５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６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５及び光電極６に対向する対向電極７が、集電極６および光電極７と絶縁状態を保って配置されている。この対向電極７は種々の形態を採用でき、図示された円筒状体のほかに、円柱（棒）状体、あるいは、図６に示すようなコイル状体であってもよい。
そして、管状容器２の一端の封止部４は、管状容器２を構成するガラスの端部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の一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、この端部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は平坦な形状に成形される。
図１において、集電極５に接続された第１のリード線８と、対向電極７に接続された第２のリード線９とは、管状容器２の一端の封止部４内において、それぞれ、金属箔１０および金属箔１１を介して、第１の外部リード１２と第２の外部リード１３に電気的に接続されている。これら外部リード１２、１３は、封止部４から外部に突出して設けられている。
そして、管状容器２の他方の端部には封止部が形成されない。
このようにして密閉された管状容器２の内部には電解液が充填されている。

上記のように、本願発明においては、管状容器２の一端部にのみに封止部４が形成され、そこから、集電極５および対向電極７と接続された第１および第２の外部リード１２、１３が導出される構成とされているので、封止部４と光電極６との間に不可避に形成される熱的な緩衝領域は管状容器２の一方側だけに設ければよく、不要なスペースを少なくできる。
従って、有効発電領域の割合を大きくでき、管状容器の単位長さにおける発電量を高くでき、効率のよい色素増感型太陽電池を提供することがでる。また他にも、管状容器から伸びる外部リード線の取り回しが容易になり、汎用性が増すなどの副次的な効果もある。

図２（Ａ）（Ｂ）には、他の実施例が示されていて、図１のものとは封止部構造が相違する。
図２（Ａ）は全体構造を示し、図２（Ｂ）はその封止端部の拡大断面図である。
この封止部４の構造は、ガラスの焼結体からなる封止用部材１５を用いて構成されたものである。
この封止用部材１５は、成形型に一対の金属製の棒状の外部リード１２、１３を貫通するように挿入、配置しておき、ガラス粉末をこの成形型に充填して、高圧でプレス成形し、これを高温（硝子の軟化点近傍）で焼結することにより構成したものである。
この封止用部材１５は、そのつば状部分１５ａにおいて、管状容器２を構成するガラス管の端面に溶着することによって液密に封止したものである。
なお、外部リード１２、１３は金属棒状体としたが、金属管によって構成してもよく、この場合には、その金属管の外部突出端を圧着して封止する。
その他の構成は図１の実施例１と同様である。

図３に第３の実施例が示されていて、図２で示された第２の実施例における、管状容器２内でのリード線に電気絶縁体を被覆したものである。
即ち、対向電極７に接続された第２のリード線８に電気絶縁体１６を被覆したものである。電気絶縁体１６は、電解液に対して反応性を有さず、また、熱的にも耐性を備えた材料であり、ガラス、セラミックなどを採用することができる。
電気絶縁材料がガラスの場合、種々の形態が考えられるが、可撓性を備えるガラス繊維布（ガラス繊維で作られた布状シート）や、ガラス粉末からなる層、又は、ガラス管等を用いることができるが、管状容器２内でのリード線を被覆するということを考慮すると、可撓性を備えたガラス繊維布が好適である。ガラス繊維布からなるスリーブとしては、例えば（株）クラベ製ヒートセットガラスチューブ、ＨＧ−５を用いることができる。

本発明においては、内部リード線８、９が、共に同一側の封止部４に配置されているが、内部リード線が撓んで互いに接触するようなことがあっても、ガラス繊維布等からなる絶縁体１６を有することで通電（短絡）が阻害され、発電した電力をロスなく取り出すことができる。
なお、図３の例では対向電極７側の第２のリード線９をガラス繊維布からなる電気絶縁体１６で被覆した例を示したが、被覆されるリード線は、集電極５側の第１のリード線８でも良いし、両方としてもよい。

図４は、図３の変形例であり、この第４の実施例では、一方の外部リード、図４の場合、対向電極７に接続された第２の外部リード１３が、管状容器２内で、他方の端部側に向かってより長く突出形成されていて、この第２の外部リード１３の内部突出部１３ａに電気絶縁体１６が被覆されている。
この例においても、より長く突出させて電気絶縁材を被覆させる外部リードは、集電極５側の第１の外部リード１２であってもよい。

図５は、一対の外部リード１２、１３の表面にセラミックスからなる電気絶縁体１６を設けた例である。具体的には、セラミックス粉末（シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニアなど）を、有機溶剤、結着材と混合してコート液を調製し、外部リードにスプレー塗布、ディッピングなどの手段によって塗布する。乾燥後に、高温で焼き固めることで、絶縁体１６を形成する。このように、金属棒や金属管など撓みにくい材料からなる外部リードに絶縁被覆する場合、セラミック粉末の層で構成することができる。

以上説明したように、本発明に係る色素増感型太陽電池は、管状容器の一方の端部の封止部において、一対の外部リードが導出されていることで、両方の端部に封止部を構成する場合に比較して不要な離間スペースが半分でよく、管状容器の全長を小さくすることができるとともに、有効発電領域の割合を大きくすることができる。
また、電解液の量を少なく抑えることができるとともに、電解液を構成する有機溶媒の変質劣化を低減できるようになる。
更には、配線が一方の端部で済むことで、その配線構造が簡単になる。
また、外部リードの引き出し構造を管状容器の一方の端部にのみ集約することで２本のリード線が近接して配置されることになったとしても、集電極又は前記対向電極に接続されたリード線の少なくとも一方が、電気絶縁体で被覆されることで、両リード線間の短絡を確実に防止することができる。

１ 色素増感型太陽電池
２ 管状容器
３ 本体部
４ 封止部
５ 光電極
６ 集電極
７ 対向電極
８ 第１のリード線
９ 第２のリード線
１２ 第１の外部リード
１３ 第２の外部リード
１３ａ 内部突出部
１５ 封止用部材
１６ 電気絶縁体

Claims (4)

1. 密閉された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、この光電極と接触して形成された集電極と、前記光電極および前記集電極に対向して配置された対向電極と、前記管状容器の内部に充填された電解液とを備えてなる色素増感型太陽電池において、
   前記管状容器における一方の端部の封止部から一対の外部リードが突設され、
   前記一対の外部リードにおける第１の外部リードが、前記管状容器内において前記集電極に電気的に接続された第１のリード線に接続され、
   前記一対の外部リードにおける第２の外部リードが、前記管状容器内において前記対向電極に電気的に接続された第２のリード線に接続されている
   ことを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記集電極に接続された第１のリード線または前記対向電極に接続された第２のリード線の少なくとも一方が、電気絶縁体で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池。
3. 前記第１の外部リードと前記第２の外部リードのいずれか一方の外部リードが、前記管状容器の内部において、他方の外部リードよりも前記管状容器の他方の端部側に向かって長く突出形成され、当該一方の外部リードにおける内部突出部が電気絶縁体で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池。
4. 前記電気絶縁体は、ガラス繊維布からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の色素増感型太陽電池。
   
   
   

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