JP2019145663A - 光電変換素子 - Google Patents
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第1電極基板10は、既に述べたように、ガラス基板11と、導電層12とで構成される。
ガラス基板11を構成する材料は可視光に対して透明な材料であればよく、このような材料としては、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、石英ガラスなどが挙げられる。ガラス基板11の厚さは、光電変換素子100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50μm〜10mmの範囲にすればよい。
導電層12に含まれる材料としては、例えばスズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化スズ(SnO2)、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。導電層12は、単層でも、異なる導電性金属酸化物を含む複数の層の積層体で構成されてもよい。導電層12が単層で構成される場合、導電層12は、高い耐熱性及び耐薬品性を有することから、FTOを含むことが好ましい。導電層12は、ガラスフリットをさらに含んでもよい。導電層12の厚さは例えば0.01〜2μmの範囲にすればよい。
第1外部接続端子80及び第2外部接続端子は金属材料を含む。金属材料としては、例えば銀、銅およびインジウムなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合せて用いてもよい。第1外部接続端子80及び第2外部接続端子は例えば金属材料のみからなる焼結体で構成される。
第2電極基板20は、上述したように、基板と電極とを兼ねる金属基板21と、触媒層22とを備える。
金属基板21は、金属で構成されればよいが、この金属は、不動態を形成し得る金属であることが好ましい。この場合、金属基板21が電解質40によって腐食されにくくなるため、光電変換素子100は、より優れた耐久性を有することが可能となる。不動態を形成し得る金属としては、例えばチタン、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ステンレス又はこれらの合金等が挙げられる。金属基板21の厚さは、光電変換素子100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5μm〜0.1mmとすればよい。
触媒層22は、白金、炭素系材料又は導電性高分子などから構成される。ここで、炭素系材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブが好適に用いられる。
封止部30を構成する材料としては、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、エチレン−ビニルアルコール共重合体等を含む変性ポリオレフィン樹脂、紫外線硬化樹脂、及び、ビニルアルコール重合体などの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
電解質40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、ヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオン(例えばI−/I3 −)のほか、臭化物イオン(臭素イオン)/ポリ臭化物イオン、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(I2)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。
酸化物半導体層50は、酸化物半導体粒子で構成される。酸化物半導体粒子は、例えば酸化チタン(TiO2)、酸化シリコン(SiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In3O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タリウム(Ta2O5)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)又はこれらの2種以上で構成される。
絶縁層55は絶縁材料で構成されていればよい。このような絶縁材料としては、樹脂や無機絶縁材料が挙げられるが、中でも、無機絶縁材料が好ましい。この場合、無機絶縁材料は樹脂よりも高い封止能を有するため、溝90からの水分の侵入をより十分に抑制できる。無機絶縁材料としては、例えばガラスが挙げられる。
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、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CH3NH3PbX3(X=Cl、Br、I)が用いられる。ここで、色素として光増感色素を用いる場合には、光電変換素子100は色素増感光電変換素子となり、光電変換セル110は色素増感光電変換セルとなる。
第1電極基板10の線膨張係数α1と第1樹脂フィルム60の線膨張係数α2との第1線膨張係数差Δα(α2−α1)は20×10−6/℃以下である。この場合、Δαが20×10−6/℃を超える場合に比べて、温度変化の大きい環境下で第1樹脂フィルム60が第1電極基板10から剥離することがより十分に抑制される。
第2電極基板20の線膨張係数β1と第2樹脂フィルム70の線膨張係数β2との第2線膨張係数差Δβ(=β2−β1)は20×10−6/℃以下である。この場合、Δβが20×10−6/℃を超える場合に比べて、温度変化の大きい環境下で第2樹脂フィルム70が第2電極基板20から剥離することがより十分に抑制される。
まず無アルカリガラスからなり、56mm×112mmの寸法を有する厚さ2.2mmのガラス基板11の上に、厚さ0.7μmのFTOからなる透明導電膜を形成してなる積層体(製品名「TEC7」、ピルキントン社製、線膨張係数α1=8.9×10−6/℃)を準備した。次に、図2に示すように、ファイバレーザによって透明導電膜に溝90を形成し、導電層12を形成した。このとき、導電層12は、電極12A、第1電流取出し部12D、分離部12C及び第2電流取出し部12Bを有するように形成した。このとき、溝90の幅は0.1mmとした。また電極12Aは、54.4mm×104.5mmの四角形状となるように形成し、第1電流取出し部12Dは、電極12Aの一辺から延出し、四角形状となるように形成した。第1電流取出し部12Dの延出方向の長さは4.3mmとし、第1電流取出し部12Dの幅は27.2mmとした。
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子について、以下のようにして樹脂フィルムの密着性、ガラス基板の飛散抑制効果及び発電性能を評価した。
(ヒートサイクル試験時の第1樹脂フィルム及び第2樹脂フィルムの剥離の有無)
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子について、JIS C 8938に準じたヒートサイクル(HC)試験を行い、第1電極基板10に対する第1樹脂フィルム60の剥離の有無、及び、第2電極基板20に対する第2樹脂フィルム70の剥離の有無を調べた。結果を表2に示す。
(1)HC試験後、光入射面側から外力を加えてガラス基板を破壊させた場合におけるガラス基板の裏面側飛散の有無
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子について、上記の同様のHC試験を行った後、水平面上で互いに平行に且つ9cm離間させて立てた衝立板(寸法:10cm×2cm×2cm)の上に光入射面11aを上側に向けた状態で載せ、光入射面11aの中央部をハンマーで叩き、ガラス基板11を破壊させた。そして、そのときのガラス基板11の破片の裏面側への飛散の有無を調べた。結果を表2に示す。
(2)HC試験後、裏面側から外力を加えてガラス基板を破壊させた場合におけるガラス基板の光入射面側飛散の有無
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子について、上記の同様のHC試験を行った後、水平面上で互いに平行に且つ9cm離間させて立てた衝立板(寸法:10cm×2cm×2cm)の上に裏面11bを上側に向けた状態で載せ、裏面11bの中央部をハンマーで叩き、ガラス基板11を破壊させた。そして、そのときのガラス基板11の破片の光入射面側への飛散の有無を調べた。結果を表2に示す。
(3)HC試験を行わず、光入射面側から外力を加えてガラス基板を破壊させた場合におけるガラス基板の裏面側飛散の有無
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子を、HC試験を行わずに水平面上で互いに平行に且つ9cm離間させて立てた上記衝立板の上に光入射面11aを上側に向けた状態で載せ、光入射面11aの中央部をハンマーで叩き、ガラス基板11を破壊させた。そして、そのときのガラス基板11の破片の裏面側への飛散の有無を調べた。結果を表2に示す。
(4)HC試験を行わず、裏面側から外力を加えてガラス基板を破壊させた場合における ガラス基板の光入射面側飛散の有無
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子を、HC試験を行わずに水平面上で互いに平行に且つ9cm離間させて立てた上記衝立板の上に裏面11bを上側に向けた状態で載せ、裏面11bの中央部をハンマーで叩き、ガラス基板11を破壊させた。そして、そのときのガラス基板11の破片の光入射面側への飛散の有無を調べた。結果を表2に示す。
(5)合格基準
以下の(A)〜(D)の全ての条件を満たすことを、ガラス基板の飛散抑制効果の合格基準とした。
(A)HC試験後、光入射面11a側から外力を加えてガラス基板を破壊させた場合におけるガラス基板11の裏面側飛散がないこと
(B)HC試験後、裏面11b側から外力を加えてガラス基板11を破壊させた場合におけるガラス基板11の光入射面側飛散がないこと
(C)HC試験を行わずに、光入射面11a側から外力を加えてガラス基板を破壊させた場合におけるガラス基板11の裏面側飛散がないこと
(D)HC試験を行わずに、裏面11b側から外力を加えてガラス基板11を破壊させた場合におけるガラス基板11の光入射面側飛散がないこと
上記のようにして得られた実施例1〜12及び比較例1〜14の光電変換素子について、白色LEDから200ルクスの光を照射して発電性能(最大出力)W1を測定した。その後、JIS C 8938に準じたHC試験を行い、上記と同様にして光電変換素子について再度発電性能(最大出力)W2を測定した。このとき、HC試験は、樹脂フィルムの密着性を評価したときと同様、JIS C 8938に準じて行った。なお、発電性能の測定は、測定器の2端子を、光電変換素子の第1外部接続端子80及び第2外部接続端子に接続して行った。そして、HC試験前後の最大出力の結果(W1及びW2)を用い、下記式に基づいて最大出力残率を算出した。結果を表2に示す。
最大出力残率(%)=100×W2/W1
なお、発電性能低下抑制効果の合格基準は以下の通りとした。
(合格基準) HC試験後の最大出力残率が80%以上であること。
11…ガラス基板
11a…光入射面
11b…裏面
20…第2電極基板
30…封止部
40…電解質
55…絶縁層
60…第1樹脂フィルム
70…第2樹脂フィルム
110…光電変換セル
100…光電変換素子
Claims (4)
- 光入射面、及び、前記光入射面と反対側の裏面を有する光電変換セルと、
前記光入射面に接着される第1樹脂フィルムと、
前記裏面に接着される第2樹脂フィルムとを備える光電変換素子であって、
前記光電変換セルが、
前記光入射面を有するガラス基板、及び、前記ガラス基板上に設けられる導電層で構成される第1電極基板と、
前記第1電極基板に対向し、前記裏面の少なくとも一部を有する第2電極基板と、
前記第1電極基板及び前記第2電極基板を接合する封止部と、
前記第1電極基板、前記第2電極基板及び前記封止部によって包囲される電解質とを有し、
前記第1電極基板の線膨張係数と前記第1樹脂フィルムの線膨張係数との第1線膨張係数差が20×10−6/℃以下であり、
前記第2電極基板の線膨張係数と前記第2樹脂フィルムの線膨張係数との第2線膨張係数差が20×10−6/℃以下であり、
前記第1電極基板に対する前記第1樹脂フィルムの90°ピール強度が0.5〜10N/5mmであり、
前記第2電極基板に対する前記第2樹脂フィルムの90°ピール強度が0.5〜10N/5mmであり、
前記第1樹脂フィルム及び前記第2樹脂フィルムの引張破断強度が30MPa以上である、光電変換素子。 - 前記光電変換セルを前記第2電極基板側から平面視した場合に、前記第2電極基板から外方に突出する絶縁層をさらに有し、
前記第2電極基板が前記裏面の一部を有し、前記絶縁層が前記裏面の残部を有する、請求項1に記載の光電変換素子。 - 前記第2樹脂フィルムの線膨張係数と前記絶縁層の線膨張係数との第3線膨張係数差が20×10−6/℃以下である、請求項2に記載の光電変換素子。
- 前記絶縁層に対する前記第2樹脂フィルムの90°ピール強度が0.5〜10N/5mmである、請求項2又は3に記載の光電変換素子。
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