JP2015090729A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】両端に封止部を有し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を備え、前記集電極および前記対向電極にそれぞれ接続された外部リードが、前記両端の封止部からそれぞれ導出され、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、管状容器内にデッドスペースが生じないようにして、有効な発電領域が長くとれる効率の良い構造を提供することである。
【解決手段】前記封止部は、外部リードと一体的に焼結されたガラス焼結体が、前記管状容器の端部に溶着され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５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。

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。
なお、３０は管状容器２０内への電解液２７の供給のためのチップ管の残留部分である。

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、これを圧潰することにより封止している。
このとき、封止部２２、２３を溶融圧潰して形成する際に、管状容器２０の本体部２１から封止部２２、２３に向かって徐々に変形していくので、どうしてもその変形部分だけ、発電に利用されないデッドスペースＸが大きく形成されてしまい、電池が大型化してしまうという問題がある。
また、光電極２５中の増感色素が有機物であることから、加熱によって劣化してしまうという問題があり、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ず、この観点からも、両端部のデットスペースＸが大きくなることが避けられなかった。

加えて、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、両端に封止部を有し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を備え、前記集電極および前記対向電極にそれぞれ接続された外部リードが、前記両端の封止部からそれぞれ導出され、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、前記封止部が、外部リードと一体的に焼結されたガラス焼結体が、前記管状容器の端部に溶着されて形成されていることを特徴とする。
また、前記外部リードが、金属管からなり、その突出外端部が圧潰密閉されていることを特徴とする。
また、前記ガラス焼結体と前記外部リードの材料が、それぞれの線膨張率の差が±５×１０^−７／℃の範囲内の材料からなることを特徴とする。
また、前記ガラス焼結体の内面形状が、前記管状容器の内方側に突出してい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、管状容器両端の封止部を、外部リードが一体焼結されたガラス焼結体を管状容器に溶着する構成としたことにより、加熱圧潰する従来構造では変形量が大きくそのため広範囲に亘って、加熱することが必要であったのに対して、管状容器の加熱領域を極めて少なく、かつ、管状容器の変形量が少なくて済むことによって、管状容器内に生じる不要なデッドスペースが少なくて済み、有効な発電領域が長くとれて、効率の良い構造を提供することができる。
また、外部リードとして金属管を用いることで、該金属管を介して電解液の充填ができることから、電解液充填のためのチップ管が不要となり、その分だけ前記したデッドスペースが更に少なくて済む。
更に、ガラス焼結体の内面形状を、管状容器の内方側に突出した形状とすることで、その分だけ電解液の充填量を減らすことができる。

本発明の第１の実施例の部分断面図 その製造方法の説明図 本発明の第２の実施例の部分断面図 本発明の第３の実施例の部分断面図 従来例の断面図

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、両端部に封止部３を有する。
管状容器２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、図示されたコイル状体のほかに、円筒状体、円柱（棒）状体であってもよい。
そして本発明においては、管状容器２の封止部３は、円板状のガラス焼結体４を有し、このガラス焼結体４は、ガラス粉末を前記対向電極７に接続された外部リード８を一体的に加圧成型し、これを焼結したものである。
図２に示すように、このガラス焼結体４を管状容器２内に配置して、管状容器２の端部をバーナーにより加熱溶融して溶着するものである。
なお、図１、２のものでは、管状容器２にチップ管１１が設けられていて、管状容器２へのガラス焼結体４の組み込み後に、このチップ管１１を介して電解液１０を管状容器２内に充填するものである。充填後に、このチップ管１１を溶融して密閉する。図１には、チップ管残部１２として示されている。
また、図１、２には管状容器２の一端側のみが示されているが、他端側においても同様な構造とするものであり、その他端側においては、外部リードは集電極５に接続されることは当然である。

図３の実施例は、外部リード８を金属管９によって構成したものであって、ガラス焼結体４に一体的に焼結されている。この場合、管状容器２への電解液の充填はこの金属管９を介して行うことができ、図１、２に示すチップ管１１は不要となる。電解液１０の充填後には、金属管９の突出外端部９ａを圧潰密閉してシールするものである。
この実施例では、電解液注入のためのチップ管が不要になり、その分だけ管状容器端部でのデッドスペースが少なくなる。

図４の実施例では、封止部３を構成するガラス焼結体４の内面４ａの形状が、前記管状容器２の内方側に突出しているものである。こうすることで、管状容器２内の容積が減少して、電解液１０の充填量を減らすことができる。

上記いずれの実施例においても、ガラス焼結体４と外部リード８の材料は、その線膨張率が近い材料の組み合わせであることが好ましい。線膨張率に大きな相違がある材料であると、両者の熱溶着時にガラス焼結体４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、両者の線膨張率の差が±５×１０^−７／℃の範囲に収まる組み合わせが好ましい。
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）
焼結体：アルミノシリケートガラス（線膨張率α＝５１×１０^−７／℃）
外部リード：モリブデン（線膨張率α＝５５×１０^−７／℃）
（例２）
焼結体：コバールガラス（線膨張率α＝５５×１０^−７／℃）
外部リード：コバール（線膨張率α＝５０×１０^−７／℃）
（例３）
焼結体：ソーダライムガラス（線膨張率α＝９０×１０^−７／℃）
外部リード：チタン（線膨張率α＝８８×１０^−７／℃）

なお、外部リード８は、電解液１０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１０に金属との反応性が高いヨウ素が含まれている場合、外部リード８にはチタン部材又は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。

上記のように、本願発明においては、管状容器の端部に、外部リードを一体的に焼結したガラス焼結体を用いて、これを管状容器と溶着する構成としたことにより、溶融圧潰する従来例と比較して管状容器の変形範囲および変形量が少なくて済み、管状容器の両端部におけるデッドスペースが少なくて済む。
また、加熱範囲も小さいので、光電極の退避量も少なくてよく、その観点からもデッドスペースの減少に寄与している。
これにより、管状容器全長に対する有効発電領域が拡大して効率的な構造とすることができるとともに、光電極を経ずに直接的に太陽光に曝される部位が減少して電解液の劣化が防止される。
また、外部リードを金属管から構成することで、電解液の注入のためのチップ管を省略でき、構造が簡略化するとともに、前述したデッドスペースの減少化に更に寄与する。
また、ガラス焼結体の内面形状を管状容器の内方側に突出した形状とすることで、管状容器内部の実効容積を減少して、電解液の充填量を減らすことができて、低コスト化に寄与する。

１ 色素増感型太陽電池
２ 管状容器
３ 封止部
４ ガラス焼結体
４ａ 突出内面
５ 集電極
６ 光電極
７ 対向電極
８ 外部リード
９ 金属管（外部リード）
９ａ 突出外端部
１０ 電解液
１１ チップ管
１２ チップ管残部

Claims (4)

1. 両端に封止部を有し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を備え、前記集電極および前記対向電極にそれぞれ接続された外部リードが、前記両端の封止部からそれぞれ導出され、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、
   前記封止部は、外部リードと一体的に焼結されたガラス焼結体が、前記管状容器の端部に溶着され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. 前記外部リードが、金属管からなり、その突出外端部が圧潰密閉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. 前記ガラス焼結体と前記外部リードの材料は、それぞれの線膨張率の差が±５×１０^−７／℃の範囲内の材料からな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。
4. 前記ガラス焼結体の内面形状が、前記管状容器の内方側に突出し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。
   
   
   

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