JP2017162938A - 光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】設置面積あたりの発電量を増加させることができる光電変換装置を提供すること。
【解決手段】少なくとも1つの光電変換セルを備え、光電変換セルが、電極基板と、電極基板に対向する対向基板と、電極基板と対向基板とを接合する環状の封止部とを有する光電変換装置であって、電極基板のうち対向基板と反対側に設けられるアンテナコイルを備え、アンテナコイルが、封止部の厚さ方向に封止部及びアンテナコイルを見た場合に、封止部と重なるように配置されている、光電変換装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、アンテナコイルを有する光電変換装置に関する。
色素増感太陽電池や有機薄膜太陽電池などの光電変換装置は少なくとも1つの光電変換素子を有するものである。光電変換装置は通常は電池としてのみ使用されることが多いが、近年では、通信機能を付与するべく、アンテナコイルを有する光電変換装置が用いられるケースも増えてきている。
例えば下記特許文献1には、色素増感太陽電池と、色素増感太陽電池に設けられるアンテナコイルとを備える光電変換装置が開示されている。同公報においては、上記色素増感太陽電池が、透明基板を含む導電性基板と、導電性基板に対向する対向基板と、導電性基板と対向基板とを接合する環状の封止部とを有し、透明基板のうち対向基板側の表面において、環状の封止部を包囲するようにアンテナコイルが巻回されることが開示されている。
特開2015−56293号公報
しかし、上述した特許文献1に記載の光電変換装置は以下に示す課題を有していた。
すなわち、特許文献1に記載の光電変換装置は、透明基板の一面側でアンテナコイルが環状の封止部を包囲するように設けられているため、透明基板の一面上で環状の封止部の外側にアンテナコイルを設置するためのスペースを必要とし、設置面積を増大させる。ここで、このスペースは発電に寄与するものではないため、このスペースが大きくなるほど設置面積あたりの発電量が低下する。そのため、特許文献1に記載の光電変換装置は、設置面積あたりの発電量の点で改善の余地を有していた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、設置面積あたりの発電量を増加させることができる光電変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも1つの光電変換セルを備え、前記光電変換セルが、電極基板と、前記電極基板に対向する対向基板と、前記電極基板と前記対向基板とを接合する環状の封止部とを有する光電変換装置であって、前記電極基板のうち前記対向基板と反対側に設けられるアンテナコイルを備え、前記アンテナコイルが、前記封止部の厚さ方向に前記封止部及び前記アンテナコイルを見た場合に、前記封止部と重なるように配置されている、光電変換装置である。
この光電変換装置によれば、電極基板のうち対向基板と反対側に、封止部の厚さ方向に封止部及びアンテナコイルを見た場合に、アンテナコイルが封止部と重なるように配置されているため、電極基板において、環状の封止部の外側にアンテナコイルを設置するためのスペースを設ける必要がなくなる。このため、本発明の光電変換装置によれば、設置面積あたりの発電量を増加させることができる。
上記光電変換装置は、前記電極基板のうち対向基板と反対側に設けられる絶縁部をさらに備え、前記絶縁部が、前記アンテナコイルを覆うように設けられる樹脂層を有することが好ましい。
この場合、アンテナコイルが、絶縁部に含まれる樹脂層によって保護されるため、アンテナコイルにスクラッチなどの傷が生じることが十分に防止される。また、アンテナコイルに水分が付着することも十分に抑制できる。このため、水分がアンテナコイルを横断することが十分に抑制され、アンテナコイルにおける短絡が抑制されるため、アンテナとしての機能を十分に保持することが可能となる。さらにアンテナコイルの酸化も十分に抑制されるため、アンテナコイルの抵抗の低下も抑制できる。またアンテナコイルが樹脂層で覆われることでアンテナコイルに剛性を付与することもできる。
上記光電変換装置においては、前記絶縁部が紫外線吸収剤を含むことが好ましい。
この場合、光電変換装置に入射した光のうち紫外線が、絶縁部に含まれる紫外線吸収剤によって吸収される。このため、紫外線による光電変換セルの劣化がより十分に抑制される。その結果、本発明の光電変換装置の耐久性をより十分に向上させることができる。
上記光電変換装置は、前記電極基板のうち前記対向基板と反対側に設けられ光を遮蔽する光遮蔽部をさらに備え、前記光遮蔽部及び前記封止部を前記封止部の厚さ方向に見た場合に前記光遮蔽部が前記封止部と重なって配置されていることが好ましい。
この場合、光遮蔽部及び封止部を封止部の厚さ方向に見た場合に光遮蔽部が封止部と重なって配置されているため、光遮蔽部によって封止部に光が入射されることが十分に抑制され、光による封止部の劣化をより十分に抑制できる。
上記光電変換装置においては、例えば前記光電変換セルが色素増感光電変換セルで構成される。
本発明によれば、設置面積あたりの発電量を増加させることができる光電変換装置が提供される。
本発明の光電変換装置の一実施形態を示す断面図である。 図1のII−II線に沿った断面図である。
以下、本発明に係る光電変換装置の実施形態について図1及び図2を参照しながら詳細に説明する。なお、図1は、本発明の光電変換装置の第1実施形態を示す平面図、図2は、図1のII−II線に沿った断面図である。
図1及び図2に示すように、光電変換装置100は光電変換セル10を備えている。本実施形態では、光電変換セル10は色素を用いた光電変換セルで構成されている。光電変換セル10は、電極基板20と、電極基板20に対向する対向基板30と、電極基板20と対向基板30とを接合する環状の封止部40と、電極基板20のうち対向基板30側の表面上に設けられる酸化物半導体層50と、酸化物半導体層50に担持される色素と、電極基板20と対向基板30との間に設けられる電解質60とを有している。
また、光電変換装置100は、電極基板20のうち対向基板30と反対側に設けられる絶縁部70をさらに備えており、絶縁部70の内部にはアンテナコイル80が設けられている。アンテナコイル80は、封止部40の厚さ方向に封止部40及びアンテナコイル80を見た場合に、封止部40と重なるように配置されている。アンテナコイル80は、封止部40の厚さ方向に封止部40及びアンテナコイル80を見た場合に、封止部40に沿って巻回するように設けられている。アンテナコイル80の両端の各々には端子部90a、90bが接続されている。
電極基板20は、透明基板21と、透明基板21のうち対向基板30側に設けられる電極としての透明導電層22とを備えている。
対向基板30は、導電性基板31と、導電性基板31のうち電極基板20側に設けられて電解質60の還元に寄与する触媒層32とを備えている。
絶縁部70は、アンテナコイル80を支持する支持基板71と、支持基板71と電極基板20とを接着する接着層72と、アンテナコイル80を覆うように設けられる樹脂層73とを有する。本実施形態では、樹脂層73は、アンテナコイル80を直接覆うカバー層73aと、カバー層73a上に設けられる保護層73bとを有する。
また本実施形態では、絶縁部70が紫外線吸収剤を含む。
この光電変換装置100によれば、電極基板20のうち対向基板30と反対側に、封止部40の厚さ方向に封止部40及びアンテナコイル80を見た場合に、アンテナコイル80が封止部40と重なるように配置されているため、電極基板20において、環状の封止部40の外側にアンテナコイル80を設置するためのスペースを設ける必要がなくなる。このため、光電変換装置100によれば、設置面積あたりの発電量を増加させることができる。また、光電変換装置100によれば、電極基板20側から光電変換セル10に光が入射する場合、アンテナコイル80によって光が反射されるので、封止部40に入射される光の量を低減することができ、光による封止部40の劣化を十分に抑制できる。このため、光電変換装置100によれば、耐久性を向上させることもできる。
また光電変換装置100は、電極基板20と反対側に設けられる絶縁部70をさらに備えており、絶縁部70が、アンテナコイル80を覆うように設けられる樹脂層73を有している。
この場合、アンテナコイル80が絶縁部70に含まれる樹脂層73によって保護されるため、アンテナコイル80にスクラッチなどの傷が生じることが十分に防止される。また、アンテナコイル80に水分が付着することも十分に抑制できる。このため、水分がアンテナコイル80を横断することが十分に抑制され、アンテナコイル80における短絡が抑制されるため、アンテナとしての機能を十分に保持することが可能となる。さらにアンテナコイル80の酸化も十分に抑制されるため、アンテナコイル80の抵抗の低下も抑制できる。またアンテナコイル80が樹脂層73で覆われることでアンテナコイル80に剛性を付与することもできる。
さらに、本実施形態では、絶縁部70が紫外線吸収剤を含むため、光電変換装置100に入射した光のうち紫外線が、絶縁部70に含まれる紫外線吸収剤によって吸収される。このため、紫外線による光電変換セル10の劣化が十分に抑制される。
次に、電極基板20、対向基板30、封止部40、酸化物半導体層50、電解質60、色素、絶縁部70、アンテナコイル80及び紫外線吸収剤について詳細に説明する。
<電極基板>
電極基板20は、上述したように、透明基板21と、透明基板21のうち対向基板30側に設けられる電極としての透明導電層22とを有する。
(透明基板)
透明基板21を構成する材料は、例えば透明な絶縁材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、および、ポリエーテルスルフォン(PES)などが挙げられる。透明基板21の厚さは、光電変換セル10のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば50〜10000μmの範囲にすればよい。
(透明導電層)
透明導電層22を構成する材料としては、例えばスズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化スズ(SnO)、及び、フッ素添加酸化スズ(FTO)などの導電性金属酸化物が挙げられる。透明導電層22は、単層でも、異なる導電性金属酸化物で構成される複数の層の積層体で構成されてもよい。透明導電層22が単層で構成される場合、透明導電層22は、高い耐熱性及び耐薬品性を有することから、FTOで構成されることが好ましい。透明導電層22の厚さは例えば0.01〜2μmの範囲にすればよい。
<対向基板>
対向基板30は、上述したように、導電性基板31と、導電性基板31のうち電極基板20側に設けられて電解質60の還元に寄与する触媒層32とを備えている。
導電性基板31は、例えばチタン、ニッケル、白金、モリブデン、タングステン、アルミ、ステンレス等の耐食性の金属材料で構成される。また、導電性基板31は、基板と電極を分けて、上述した透明基板21上にITO、FTO等の導電性酸化物からなる導電層を電極として形成した積層体で構成されてもよく、ガラス上にITO、FTO等の導電性酸化物からなる導電層を形成した積層体でもよい。導電性基板31の厚さは、光電変換セル10のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば0.005〜0.1mmとすればよい。
触媒層32は、導電性材料で構成される。導電性材料としては、白金などの金属材料、炭素系材料又は導電性高分子などが挙げられる。ここで、炭素系材料としては、カーボンナノチューブが好適に用いられる。
<封止部>
封止部40としては、例えば変性ポリオレフィン樹脂、ビニルアルコール重合体などの熱可塑性樹脂、及び、紫外線硬化樹脂などの樹脂が挙げられる。変性ポリオレフィン樹脂としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体およびエチレン−ビニルアルコール共重合体が挙げられる。これらの樹脂は単独で又は2種以上を組み合せて用いることができる。
<酸化物半導体層>
酸化物半導体層50は、酸化物半導体粒子で構成されている。酸化物半導体粒子は、例えば酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO)、酸化ニオブ(Nb)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化スズ(SnO)、酸化インジウム(In)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化タリウム(Ta)、酸化ランタン(La)、酸化イットリウム(Y)、酸化ホルミウム(Ho)、酸化ビスマス(Bi)、酸化セリウム(CeO)、酸化アルミニウム(Al)又はこれらの2種以上で構成される。酸化物半導体層50の厚さは、例えば0.1〜100μmとすればよい。
(電解質)
電解質60は、酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、バレロニトリル、ピバロニトリル、などを用いることができる。酸化還元対としては、例えばヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオン(例えばI/I )、臭化物イオン/ポリ臭化物イオンなどのハロゲン原子を含む酸化還元対のほか、亜鉛錯体、鉄錯体、コバルト錯体などのレドックス対が挙げられる。なお、ヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオンは、ヨウ素(I)と、アニオンとしてのアイオダイド(I)を含む塩(イオン性液体や固体塩)とによって形成することができる。アニオンとしてアイオダイドを有するイオン性液体を用いる場合には、ヨウ素のみ添加すればよく、有機溶媒や、アニオンとしてアイオダイド以外のイオン性液体を用いる場合には、LiIやテトラブチルアンモニウムアイオダイドなどのアニオンとしてアイオダイド(I)を含む塩を添加すればよい。また電解質60は、有機溶媒に代えて、イオン液体を用いてもよい。イオン液体としては、例えばピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩などが用いられる。このようなヨウ素塩としては、例えば、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、又は、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドが好適に用いられる。
また、電解質60は、上記有機溶媒に代えて、上記イオン液体と上記有機溶媒との混合物を用いてもよい。
また電解質60には添加剤を加えることができる。添加剤としては、1−メチルベンゾイミダゾール(NMB)、1−ブチルベンゾイミダゾール(NBB)などのベンゾイミダゾール、LiI、テトラブチルアンモニウムアイオダイド、4−t−ブチルピリジン、グアニジウムチオシアネートなどが挙げられる。中でも、ベンゾイミダゾールが添加剤として好ましい。
さらに電解質60としては、上記電解質にSiO、TiO、カーボンナノチューブなどのナノ粒子を混練してゲル様となった擬固体電解質であるナノコンポジットゲル電解質を用いてもよく、また、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などの有機系ゲル化剤を用いてゲル化した電解質を用いてもよい。
<色素>
色素としては、例えばビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体や、ポルフィリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などの光増感色素や、ハロゲン化鉛系ペロブスカイト結晶などの有機−無機複合色素などが挙げられる。ハロゲン化鉛系ペロブスカイトとしては、例えばCHNHPbX(X=Cl、Br、I)が用いられる。上記色素の中でも、ビピリジン構造又はターピリジン構造を含む配位子を有するルテニウム錯体が好ましい。この場合、光電変換装置100の光電変換特性をより向上させることができる。なお、色素として、光増感色素を用いる場合には、光電変換装置100は色素増感光電変換装置となる。
<絶縁部>
絶縁部70は、上述したように、アンテナコイル80を支持する支持基板71と、支持基板71と電極基板20とを接着する接着層72と、アンテナコイル80を覆うように設けられる樹脂層73とを有する。
(支持基板)
支持基板71は、絶縁材料で構成されていればよく、このような絶縁材料としては、例えばPETフィルム、PENフィルムなどの樹脂材料やガラスなどの無機材料などが挙げられる。
支持基板71の厚さは特に限定されるものではないが、例えば20〜4000μmであればよい。
(接着層)
接着層72は、支持基板71と電極基板20とを接着させることが可能な接着剤で構成されていればよい。このような接着剤としては、例えばアクリル系接着剤、エポキシ系接着剤などの接着剤などを用いることができる。これらの接着剤は、光硬化型接着剤、熱硬化型接着剤又は二液混合型接着剤などのいずれであってもよい。
但し、接着層72は、透明基板11の屈折率と支持基板71の屈折率の間の屈折率を有することが好ましい。この場合、透明基板11と接着層72との界面、及び、接着層72と支持基板71との界面における光の反射を低減できるので、光を酸化物半導体層50により十分に導くことができる。
(樹脂層)
樹脂層73は、アンテナコイル80を直接覆うカバー層73aと、カバー層73a上に設けられる保護層73bとを有する。
カバー層73aは、樹脂材料で構成されていればよいが、アンテナコイル80が水分によって短絡することを抑制する観点からは、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、ビニル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂及びポリイミド樹脂などの透明樹脂などが挙げられる。
保護層73bは、カバー層73aと同一の樹脂材料やガラスなどの無機材料で構成される。また、保護層73bは、カバー層73aと同一の材料で構成されてもよく、異なる材料で構成されてもよい。保護層73bがカバー層73aと異なる材料で構成される場合、保護層73bは、カバー層73aよりも耐摩耗性の大きい材料で構成されていることが好ましい。この場合、例えばカバー層73aがエポキシ樹脂、アクリル樹脂で構成される場合、保護層73bはPETフィルムや、PENフィルム、ガラスなどの材料で構成すればよい。
<アンテナコイル>
アンテナコイル80は導電性材料で構成される。導電性材料としては、銀、銅などの金属材料やカーボン材料などが挙げられる。
アンテナコイル80の巻き数は特に制限されないが、アンテナコイル間の隙間がアンテナコイルの幅よりも小さくなる巻き数とすることが好ましい。この場合、封止部40に入射される光の量をより低減することができるので、封止部40の劣化が十分に抑制され、光電変換装置100の耐久性を向上させることができる。
<紫外線吸収剤>
上述したように、紫外線吸収剤は絶縁部70に含まれる。絶縁部70において、紫外線吸収剤は、支持基板71、接着層72及び樹脂層73の少なくとも1つに含まれていればよい。
紫外線吸収剤は、紫外線を吸収する材料であればよい。このような紫外線吸収剤としては、例えば酸化セリウム、酸化亜鉛、トリアジン誘導体、ベンゾトリアゾール誘導体及びベンゾフェノン誘導体が挙げられる。これらは1種類単独で又は2種以上を組み合せて用いることができる。
なお、紫外線吸収剤の添加割合は特に制限されるものではないが、透明基板11及び絶縁部70全体中の紫外線吸収剤の添加割合は0.01〜50質量%であることが好ましい。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、絶縁部70が、支持基板71及び接着層72を有しているが、絶縁部70は、支持基板71及び接着層72を必ずしも有していなくてもよい。この場合、電極基板20を、アンテナコイル80の支持基板71として使用することが可能である。
さらに、上記実施形態では、アンテナコイル80が、支持基板71のうち電極基板20と反対側に設けられているが、アンテナコイル80は、支持基板71のうち電極基板20側に設けられてもよい。この場合、接着層72がアンテナコイル80を覆う樹脂層になる。また、この場合、アンテナコイル80は、支持基板71で保護されることになるため、カバー層73a及び保護層73bは省略してもよい。さらに上記実施形態では、絶縁部70は必ずしも必要なものではなく、省略が可能である。
また、電極基板20のうち対向基板30と反対側には、光を吸収又は反射によって遮蔽する光遮蔽部がさらに設けられていてもよい。ここで、光遮蔽部は、封止部40の厚さ方向に見た場合に封止部40と重なる領域に配置されている。この場合、光遮蔽部及び封止部40を封止部40の厚さ方向に見た場合に光遮蔽部が封止部40と重なって配置されているため、光遮蔽部によって封止部40に光が入射されることが十分に抑制され、光による封止部40の劣化をより十分に抑制できる。光遮蔽部としては、着色された樹脂材料や着色された無機材料を用いることができる。着色された樹脂材料や着色された無機材料としては、透明な樹脂材料や透明な無機材料に着色剤を混ぜた物や、それ自体有色の樹脂材料や無機材料を用いることができる。光遮蔽部は、支持基板71のうち、アンテナコイル80が設けられていない面上に別途設けてもよいし、接着層72、カバー層73a及び保護層73bのうち少なくとも1つにおいて、封止部40と重なる部分のみを着色したものであってもよい。なお、上記着色剤は、光を遮蔽できるものあればいかなるものでもよいが、このような着色剤としては、例えば遷移金属の酸化物、炭素系材料及び有機染料などが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合せて用いられてもよい。遷移金属の酸化物としては、例えば酸化銅、酸化鉄、酸化コバルト及び酸化マンガンなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合せて用いられてもよい。また、光遮蔽部としては、アンテナコイル80と電気的に接続されないのであれば、非透明の金属材料を用いることもできる。
また、上記実施形態では、光電変換セル10において、電極基板20上に酸化物半導体層50が設けられているが、酸化物半導体層50は対向基板30上に設けられてもよい。この場合、触媒層32は電極基板20の上に設けられる。
また、上記実施形態では、紫外線吸収剤が絶縁部70に含まれているが、紫外線吸収剤は絶縁部70に含まれていなくてもよい。
さらに、上記実施形態では、対向基板30が対極で構成され、電極基板20と対向基板30とが封止部40によって連結されているが、電極基板20と対向基板30との間で、酸化物半導体層50上に、電解質60を含浸した多孔性の絶縁層及び電極層が順次積層される場合には、対向基板30は、絶縁性の基材で構成されてもよい。
さらにまた、上記実施形態では、光電変換装置100が1つの光電変換セル10を有しているが、光電変換装置100は、光電変換セル10を複数備えていてもよい。ここで、複数の光電変換セル10は直列に接続されてもよいし、並列に接続されてもよい。
また、上記実施形態では光電変換セル10として色素増感光電変換セルが用いられているが、光電変換セル10は光電変換機能を有していればよく、光電変換セル10としては、有機薄膜太陽電池を用いることも可能である。
10…光電変換セル
20…電極基板
30…対向基板
40…封止部
70…絶縁部
73…樹脂層
80…アンテナコイル
100…光電変換装置

Claims (5)

  1. 少なくとも1つの光電変換セルを備え、
    前記光電変換セルが、
    電極基板と、
    前記電極基板に対向する対向基板と、
    前記電極基板と前記対向基板とを接合する環状の封止部とを有する光電変換装置であって、
    前記電極基板のうち前記対向基板と反対側に設けられるアンテナコイルを備え、
    前記アンテナコイルが、前記封止部の厚さ方向に前記封止部及び前記アンテナコイルを見た場合に、前記封止部と重なるように配置されている、光電変換装置。
  2. 前記電極基板のうち前記対向基板と反対側に設けられる絶縁部をさらに備え、
    前記絶縁部が、前記アンテナコイルを覆うように設けられる樹脂層を有する、請求項1に記載の光電変換装置。
  3. 前記絶縁部が紫外線吸収剤を含む、請求項2に記載の光電変換装置。
  4. 前記電極基板のうち前記対向基板と反対側に設けられ光を遮蔽する光遮蔽部をさらに備え、
    前記光遮蔽部及び前記封止部を前記封止部の厚さ方向に見た場合に前記光遮蔽部が前記封止部と重なって配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  5. 前記光電変換セルが色素増感光電変換セルで構成される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光電変換装置。
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