JP2016076633A - 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、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、前記外部リードの少なくとも一方が金属管からなるとともに、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、前記管状容器内に気泡が残留することがないようにした構造を提供する。【解決手段】金属管８の内部突出部における、管状容器１内部での封止部２１、２２の内端部２１ａに近接した位置に、金属管８の内外部を連通する気体排出用開口８１が形成されている。【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５３８２１８６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１の概略構造が示されていて、図５（Ａ）はその側断面図、図５（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
両端部に封止部２１、２２を有する透光性の管状容器１の本体部２の内面に透明導電膜からなる集電極３が形成され、この集電極３の内面に増感色素を担持する半導体層よりなる光電極４が積層形成されている。
更に、前記集電極４および光電極４と所定の間隔を隔てて絶縁するように対向電極５が設けられていて、これらの対向電極５と集電極４には、それぞれ外部リード８、９が接続され、これら外部リード８、９は封止部２１、２２から管状容器２の外部に導出されている。そして、前記電極３、４、５が配置された管状容器１の内部には電解液６が封入されている。
そして、前記外部リード８、９のうち、少なくとも一方の外部リード８は金属管から形成されていて、この金属管８は封止部２１に封止されていて、外部側の突出端部８ａが圧接などにより密封されている、という構造である。
この従来技術によれば、金属管（外部リード）８は、封止部材として機能し、かつ、導電機能を有するとともに、管状容器２内に充填される電解液の注入管としても機能するものである。

しかして、前記従来技術における、封止部２１に封止される金属管８は、封止の精度や導電機能を考慮すると、その長さが封止部の長さと一致することはなく、基本的にはこれを超える長さを有している。そのため、図５に示すように、金属管８は、外部リードであることから封止部２１より外部に突出することは当然であるとして、管状容器２の内部で対向電極５と接続されることもあり、かつ、金属管８の内部端が封止部内に位置することは、その端部でガラスにクラックが生じてしまい封止をすることができないということもあって、封止部２１より管状容器２の内部側にも突出する構造とされている。このような事情から、金属管８は、管状容器８内部で封止部２１の最内端２１ａの位置よりも内部空間側に位置することになる。
このような構成において管状容器２内に電解液６を注入する場合、引用文献１にも記載されているように、通常は、金属管８を上方にして管状容器２を垂直配置する状態で注入するが、液面が金属管８の内部突出端部８ｂに達した段階で管状容器２内の空気が該金属管８を介して逃げにくくなり、電解液６の流入が止まってしまい、管状容器２の内部に気泡が残留してしまうことがあった。

電解液中に気泡が残留してしまうと、光電極に吸着されている増感色素は、気泡内の酸素や水と反応して加水分解し、光電極から脱離してしまうことがある。そのため、気泡が管状容器内の電解液中に残留すると、前記光電極から増感色素が脱離してしまって、発電効率を著しく悪化させてしまうという問題がある。
また、光電極と電解液の界面に残溜気泡が介在してしまうことにより、光電極と電解液との接触が不十分となり、光電極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も生じる。

特許５３８２１８６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設けられる集電極と、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、前記外部リードの少なくとも一方が金属管からなるとともに、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、前記管状容器内の電解液中に気泡が残留することが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、前記金属管の内部突出部における、前記管状容器内部での封止部の内端部に近接した位置に、前記金属管の内外部を連通する気体排出用開口が形成されていることを特徴とする。
また、前記両端の封止部における外部リードがいずれも金属管からなり、前記気体排出用開口が前記金属管のいずれかに形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、外部リードを構成する金属管の内部突出部に、その封止部内端に近接した位置に気体排出用開口を形成したので、該金属管を介して管状容器内部に電解液を注入する際に、金属管の内部突出端が電解液で塞がれた後も、管状容器内の空気はこの排気用開口を介して排出されるので、管状容器内に充填された電解液中に気泡として残留することがない。そのため、光電極の増感色素が脱離することもなく、かつ、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。 本発明の他の実施例の断面図 本発明の色素増感型太陽電池の電解液充填工程図。 本発明の更に他の実施例の断面図。 従来技術に係る色素増感型太陽電池の断面図。

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Ｘ−Ｘ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、例えばコイル状の対向電極５が、光電極４と所定の間隔を隔てて配設されている。

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。

そして、前記金属管８の内部突出部には、前記管状容器１の内部での封止部２１の内端部２１ａに近接した位置に、前記金属管８の内外部を連通する気体排出用開口８１が形成されている。この開口８１の位置は、封止部２１の内端部２１ａにできるだけ近接していることが好ましい。
この開口８１は、図１（Ｂ）に示すような、円形孔であってもよいし、図２に示すような、金属管８の内部突出端部８ｂにまで開口するスリット形状であってもよい。また、孔形状も円形孔に限られず任意の形状であってよい。
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、封止部２２内で集電極３とともに封止されてこれと電気的に接続された外部リード９が、封止部２２の外方に突出している。

この構造の放電容器への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、一方の封止部２１では、金属管８が封止されているが、その外部突出端部８ａは密封されずに開放状態にあり、他方の封止部２２は封止された状態の管状容器２を、金属管８が上方に向かうように、垂直状態に配置する。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。
電解液６の液面が徐々に上昇していき、金属管８の内部突出端部８ｂの開口にまで達するが、気体排出用開口８１が形成されているので、図３（Ｂ）に示されるように、管状容器１の本体部２内の空気は、この気体排出用開口８１を経て金属管８の上方から排出され、電解液６の液面は金属管８の内部突出端部８ｂを超えて上昇していく。

そして、電解液６は気体排出用開口８１の位置まで達するが、その間に管状容器１内の空気は円滑に排出され、管状容器１内に残存することがなく、その後、図３（Ｃ）に示すように、電解液６は金属管８内にまで充填される。
電解液６が充填された後は、図３（Ｂ）に示すように、プレス手段３０により、金属管８の外部突出端部８ａを圧接して密封する。これにより、放電容器１の内部に気泡が残留することなく電解液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の外部突出端部８ａ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。

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９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に集電端子１０を介して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１１が設けられ、該絶縁部材１１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。
この金属管９も、前記金属管８と同様に、その外部突出端部９ａにおいて密封されている。なお、この実施例では、気体排出用開口８１は、両端の金属管８、９のいずれに設けられてもよく、気体排出用開口が設けられたほうの金属管から電解液６を注入すればよい。

なお、上記いずれの実施例においても、対向電極５はコイル形状のものを説明したが、これに限らず、棒状体、筒状体、網状円筒体など種々の形態が採用できる。

ところで、本発明における上記実施例では、集電極３が管状容器１の内面に形成されて、その内面に光電極４が積層形成されたものを説明したが、その配置はこれに限られず、例えばＷＯ２０１３／０３１０９８で開示されているように、管状容器１の内面側に光電極を設け、更にその内面側に集電極を当接して設ける構造としたものであってもよい。この場合も、対向電極は集電極に所定の間隙を介して対向配置される。
つまり、管状容器１内に、集電極と光電極が設けられ、これらの内側において対向電極が所定の間隔をもって対向配置されたものであればよい。
また、図４に示す集電極３と外部リード９を接続する集電端子１０は、特開２０１３−１９１３４２号公報に開示されたような、コイル状のもの、金属板を渦巻きバネ状に形成したものなど、集電極３に対して弾性力を用いて当接するものを採用することもできる。

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管状容器の内部に、光電極と、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それぞれ電気的に接続された外部リードの少なくとも一方が金属管からなるとともに、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、前記金属管の内部突出部における、前記管状容器内部での封止部の内端部に近接した位置に、前記金属管の内外部を連通する気体排出用開口が形成したことにより、放電容器内に金属管を介して電界液を注入する際に、放電容器内の空気がこの気体排出用開口を介して放電容器外に排出されるので、放電容器内の電解液中に気泡が残留することがなく、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。

１ 管状容器
２ 本体部
２１、２２ 封止部
２１ａ （封止部）内端部
３ 集電極
４ 光電極
５ 対向電極
６ 電解液
８ 金属管（外部リード）
８ａ 外部突出端部
８ｂ 内部突出端部
８１ 気体排出用開口
９ 外部リード
１０ 集電端子
１１ 絶縁部材

Claims (2)

1. 両端に封止部を有する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設けられる集電極と、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、前記外部リードの少なくとも一方が金属管からなるとともに、
   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、
   前記金属管の内部突出部における、前記管状容器内部での封止部の内端部に近接した位置に、前記金属管の内外部を連通する気体排出用開口が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. 前記両端の封止部における外部リードがいずれも金属管からなり、前記気体排出用開口が前記金属管のいずれかに形成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。
   
   
   

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