JP3170293U - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液の漏洩や蒸発による性能低下が生じず、本体側から貯蔵部への電解液の逆流を防止することができる色素増感型太陽電池を提供する。
【解決手段】色素が吸着された半導体層が導電層上に形成されてなる半導体電極を有する第１基板１０と、前記第１基板と対向するように配置された導電層を含む対向電極２１を有する第２基板２０と、前記第１基板と前記第２基板との間の周縁に配置され内部に電解液が充填される電解液充填部５０を形成する第１カバー３０と、を備えて色素増感型太陽電池１００を形成する。さらに、前記第１基板、前記第２基板、前記第１カバーのうちの少なくとも１つに設けられる貫通孔６０と、前記電解液充填部の外側に設けられ前記電解液充填部に前記貫通孔を介して電解液を補充する電解液補充部７０を有する第２カバー４０と、を備え、前記貫通孔に逆止弁８０を有する。
【選択図】図１

Description

本考案は、色素増感型太陽電池に関するものである。

石炭や石油等の化石燃料に代わるエネルギー源として太陽光を電力に変換できる太陽電池が注目されている。現在、シリコンを半導体材料とした太陽電池が多数市販されている。このシリコン系太陽電池は、単結晶または多結晶のシリコンを用いた結晶シリコン系太陽電池と、非晶質のシリコンを用いたアモルファスシリコン系太陽電池とに大別される。どちらのシリコン系太陽電池においても、複雑な設備や時間を要するため、製造コストが高くなるという問題に直面している。

上記の問題を解決すべく、新しいタイプの太陽電池として、色素により増感された光誘起電子移動を利用した色素増感型太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。これは表面上に光増感色素を吸着させた光電変換材料を設けた電極と、これに対向する電極とで電解質材料を挟む構造である。光電変換材料は、光増感色素を吸着させることにより、可視光領域に吸収スペクトルをもたせることができる。光が入射することにより電子が光電変換材料に発生する。この電子は、外部回路を通り、対向する電極へ移動し、電解質材料を介して光電変換材料に戻る。このような電子移動が繰り返されることにより、電気エネルギーが生み出される。

上述した色素増感型太陽電池は、電解液の漏洩、蒸発による性能低下が課題となっている。この問題を解決する為に、例えば、電解液を補充できる出し入れ口や貯蔵部を設けることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１−２２０３８０号公報 特開２００２−２８００８５号公報

特許文献２に記載の色素増感型太陽電池では、電解液の出し入れ口が、太陽電池を設置した時の上部と下部に設けられている。よって、例えば屋根等に常設する等のように、太陽電池を設置した時の本体の向きが一方向に限定される場合については有効だが、太陽電池を可動式とする場合や携帯して使用する場合のように、本体の向きが一方向に限定されない場合については、本体側から貯蔵部へと電解液が逆流してしまう恐れがある。また、圧力が高くなっていることを知るための圧力センサーや、圧力が高くなりすぎた時に自動的に圧力を低下させる過圧防止装置を取付けることにより、破損を防止することが提案されているが、コストが上がるとともに、大型となってしまうため、携帯して使用するものについても事実上活用できないものとなる。

そこで、本考案は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電解液の漏洩や蒸発による性能低下が生じず、本体側から貯蔵部への電解液の逆流を防止することができる色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本考案に係る色素増感型太陽電池は、色素が吸着された半導体層が導電層上に形成された半導体電極を有する第１基板と、第１基板と対向するように配置された導電層を含む対向電極を有する第２基板と、第１基板と第２基板との間の周縁に配置され内部に電解液が充填される電解液充填部を形成する第１カバーと、を有する色素増感型太陽電池であって、第１基板、第２基板、第１カバーのうちの少なくとも１つに形成される貫通孔と、電解液充填部の外側に設けられ電解液充填部に貫通孔を介して電解液を補充する電解液補充部を有する第２カバーと、を備え、貫通孔に、電解液充填部から電解液補充部へ電解液が流れることを防止できる逆止弁を有する。

また、本考案に係る色素増感型太陽電池は、貫通孔は、第１基板に設けられ、第２カバーは第1基板の半導体層を有する面と逆側の面に形成される。

また、本考案に係る色素増感型太陽電池は、貫通孔は、第２基板に設けられ、第２カバーは第２基板の導電層を有する面と逆側の面に形成される。

また、本考案に係る色素増感型太陽電池は、貫通孔は、第１カバーに設けられ、第２カバーは第１カバーの電解液充填部と逆側の面に形成される。

また、本考案に係る色素増感型太陽電池は、第2カバーは、第1基板と第2基板と第1カバーとを覆うように形成されることを特徴とする。

また、本考案に係る色素増感型太陽電池は、貫通孔は、第１基板と第２基板と第１カバーとに有することを特徴とする。

また、本考案に係る色素増感型太陽電池は、電解液充填部に、逆止弁が半導体層と導電層とに接触することを防止する第１スペーサーを有する。

本考案によれば、電解液の漏洩や蒸発による性能低下が生じず、電解液充填部から電解液補充部へと電解液が逆流することがない色素増感型太陽電池を提供することができる。

実施の形態１に係る色素増感型太陽電池の概略断面図である。 実施の形態２に係る色素増感型太陽電池の概略断面図である。 実施の形態３に係る色素増感型太陽電池の概略断面図である。 実施の形態４に係る色素増感型太陽電池を示す図である。

以下、本考案の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。但し、以下に説明する色素増感型太陽電池は、本考案の技術思想を具体化するためのものであって、本考案を以下のものに限定しない。特に、以下に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本考案の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る色素増感型太陽電池の概略断面図である。本実施の形態において、色素増感型太陽電池１００は、色素が吸着された半導体層と導電層（第１導電層）とを含む半導体電極１１を有する第１基板１０と、第１基板１０と対向するように配置された導電層（第２導電層）を含む対向電極２１を有する第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間の周縁に配置され内部に電解液が充填される電解液充填部５０を形成する第１カバー３０と、電解液充填部５０の外側に設けられ内部に電解液補充部７０を有する第２カバー４０と、を備えている。さらに、第１基板には、貫通孔６０が設けられており、貫通孔６０には、逆止弁８０が設けられている。第２カバーの上面には、第２カバーの内外を貫通し、電解液を注入可能な注入穴９０が設けられている。

電解液充填部５０は、第１基板と第２基板と第１カバーによって形成されている。第２カバー４０は、第１基板１０の半導体電極１１を有する面と逆側の面に設けられている。電解液補充部７０は、第１基板と第２カバーによって形成されている。第１基板に設けられた貫通孔６０は、電解液充填部５０から電解液補充部７０に通じている。電解液補充部７０は、電解液を貯蔵することができる。また、電解液充填部５０に貫通孔６０を介して電解液を補充することができる。貫通孔６０に設けられた逆止弁８０は、電解液充填部５０から電解液補充部７０へ電解液が逆流することを防止する。逆止弁８０は、差込み部８０ａと延設部８０ｂを有している。差込み部８０ａは貫通孔６０よりも径が小さく、貫通孔６０内に配置される。延設部８０ｂは、貫通孔６０よりも径が大きく、電解液充填部５０内に配置される。逆止弁８０は、貫通孔６０の軸方向に可動であり、逆止弁８０が貫通孔６０の外側（電解液補充部７０の方向）に動いた時に延設部８０ｂによって貫通孔６０を塞ぐことが可能である。

本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１００によれば、第２基板２０を下側、第１基板１０を上側として配置することにより、電解液充填部５０から電解液が漏洩、蒸発したとしても、電解液補充部７０から電解液を補充することができる。また、第１基板１０が下側になった場合でも、貫通孔６０に逆止弁８０が設けられているため、電解液充填部５０から電解液補充部７０への電解液が逆流することがない。

以下、本考案の色素増感型太陽電池の各構成要素について詳述する。

（半導体電極）
半導体電極１１は、導電層（第１導電層）の上に色素を吸着させた半導体層を備え、第１基板１０上に形成されている。

色素には、例えば、メロシアニンやキノシアニンなどのシアニン系色素、フェノサフラニンやカブリブルーやメチレンブルーなどの塩基性染料、ローダミンＢやローズベンガルやエオシンなどのキサンテン系色素、ポルフィリン系化合物、クマリン系化合物、ルテニウムＲｕのビピリジン錯体やターピリジン錯体、多環キノン系色素、スクアリリウム系色素等があるが、ルテニウムＲｕのビピリジン錯体は、量子収率が高いため用いやすい。

半導体層を構成する材料には、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化ニオブ、酸化タングステン、チタン酸ストロンチウム、硫化亜鉛、硫化鉛、硫化カドミウム、リン化インジウム、半導体化合物等がある。また、III―V族窒化物化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）も利用できる。特に、酸化チタンが安定して用いやすいため好ましい。これらの半導体材料を第１導電層上に形成することにより、半導体電極を作製することができる。

（対向電極）
対向電極２１は、導電層（第２導電層）を備え、第２基板上に形成されている。

（導電層）
導電層を構成する材料には例えば、インジウム錫複合酸化物（ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化錫にフッ素をドープした（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン等がある。

（基板）
第１基板１０及び第２基板２０としては、ガラス基板や樹脂基板等の絶縁性のものを用いることができる。ガラス基板の材質としては例えば、ソーダガラス系の材料からなり、Ｓｉ、Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌの酸化物を主成分に含んだものより構成される。樹脂基板の材質としては例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＡＢＳ樹脂、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等が挙げられる。
実施の形態１においては、第２基板２０は光を反射する材料によって構成されていてもよい。第２基板２０を光を反射する材料によって構成することにより、第１基板１０の半導体電極１１で吸収されずに透過する光を第２基板２０で反射して、再び半導体電極に入射させることができる。

（電解液）
電解液を構成する電解質は、酸化還元種として、Ｉ⁻／Ｉ^３−系、Ｂｒ^２−／Ｂｒ^３−系、Ｆｅ^２＋／Ｆｅ^３＋系等を用いることができ、具体的にはヨウ素（Ｉ２）とヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カリウム（ＫＩ）、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ２）等の金属ヨウ化物との組み合わせが挙げられる。電解液を構成する溶剤としては、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、エチレングリコールジアルキルエーテル等のエーテル類、ジエチルエーテル等のエーテル化合物、エタノール等のアルコール類、アセトニトリル等のニトリル化合物、水等を用いることができる。

（カバー）
第１カバー３０及び第２カバー４０は、上述した基板と同様の材料で構成できる。カバーと基板の接着は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やエポキシアクリレート樹脂等の光硬化性樹脂を用いても良いし、樹脂フィルムを用いた熱融着も利用できる。

（逆止弁）
逆止弁８０は、電解液充填部５０から電解液補充部７０へ電解液が流れることを防止する機能を有する。逆止弁８０は、差込み部８０ａと延設部８０ｂから構成されるものを用いることができる。逆止弁の材質としては、ガラスや樹脂等の絶縁性の材料が利用できるが、増感色素の感度領域の波長を実質的に透過できるものが好ましい。逆止弁を配置する場所は、半導体層と接触しない箇所が望ましい。

＜実施の形態２＞
図２は、実施の形態２に係る色素増感型太陽電池の概略断面図である。本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１００は、貫通孔６０が第２基板２０に設けられている点以外は、実施の形態１に係る色素増感型太陽電池と同様の構成及び効果を有する。

本実施の形態においては、貫通孔６０が第１基板１０上ではなく、第２基板２０に設けられていることにより、電解液補充部７０を有する第２カバー４０が第２基板２０側に設けられている。これにより、貫通孔６０の穴開け工程の際に、半導体電極１１の性能低下を防止する効果を奏する。

実施の形態２においては、第１基板１０は光を反射する材料によって構成されていてもよい。第１基板１０を光を反射する材料によって構成することにより、半導体電極１１で吸収されずに透過する光を第１基板１０で反射して、再び半導体電極１１に入射させることができる。

＜実施の形態３＞
図３は、実施の形態３に係る色素増感型太陽電池の概略断面図である。本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１００は、貫通孔６０が第１カバー３０に設けられている。また、貫通孔６０の軸の延長線上の電解液充填部５０内に、第１スペーサー１１０が設けられている。その他の構成は、実施の形態１に係る色素増感型太陽電池と同様である。第１スペーサー１１０は、貫通孔６０の電解液充填部５０側の開口端と電極との間に設けられる。また、第１スペーサー１１０と貫通孔６０の電解液充填部５０側の開口端との距離は、逆止弁８０の差込み部８０ａの長さよりも短い。これにより、逆止弁８０が電極に接触又は脱落することを防止することができる。

（第１スペーサー）
第１スペーサー１１０は、上述した逆止弁を構成する材料と同様のものを用いることができる。また、スペーサーと基板との接着は、上述したカバーと基板の接着と同様の方法を利用することができる。

本実施の形態においては、貫通孔６０が第１基板１０及び第２基板２０上ではなく、第１カバー３０上にあることにより、電解液補充部７０を有する第２カバー４０が第１カバー３０の外側に設けられている。このような構造は、色素増感型太陽電池１００の電極を設置面に対して直角に配置する際に有効である。

＜実施の形態４＞
図４は、実施の形態４に係る色素増感型太陽電池を示す図であり、図４（ａ）は実施の形態４に係る色素増感型太陽電池を第２カバーを透過して見た概略斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のI−I’線における概略断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のI−I’線及びＩＩ−ＩＩ’線で切り取った斜線部の概略断面斜視図である。本実施の形態に係る色素増感型太陽電池１００は、貫通孔６０が第１基板１０、第２基板２０及び第１カバー３０の対向する２つの面の各面（計４箇所）に設けられており、電解液補充部７０を有する第２カバー４０が、第１基板、第２基板、第１カバーの４方向全てを覆うように設けられている。また、第２カバー４０の内面と第１基板１０との間、及び第２カバー４０の内面と第２基板２０との間には、第２スペーサー１２０が設けられている。その他の構成は、実施の形態１に係る色素増感型太陽電池と同様である。

本実施の形態においては、電解液補充部７０を有する第２カバー４０が、色素増感型太陽電池１００の上下面及び側面の全てに設けられている。これにより、色素増感型太陽電池１００の設置する方向を可変する場合や、持ち運んで使用する際に特に有効である。また、第２カバー４０の内面と第１基板１０との間、及び第２カバー４０の内面と第２基板２０との間に第２スペーサー１２０を設けることにより、第２カバー４０が第１基板１０、第２基板２０及び第１カバー３０に衝突することを防止することができるとともに、第２カバー４０の位置決めの効果も担っている。

＜実施例１＞
以下、本考案に係る実施例について詳述する。なお、本考案は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

図１は、実施例１の色素増感型太陽電池１００を示す概略断面図である。第１基板として１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのガラス基板を用い、このガラス基板上にＩＴＯからなる第１導電層を成膜し、さらにその上の５ｍｍ×５ｍｍの領域に酸化チタンからなる半導体層を形成することによって、半導体電極１１を有する第１基板１０を作製する。この第１の基板に、半導体層及び第１導電層に接触しないように直径１ｍｍの貫通孔６０を形成する。さらに、外寸１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．１０５ｍｍで、内寸８ｍｍ×８ｍｍの貫通穴が開いた樹脂製の第１カバー３０を第１基板１０における半導体電極１１を有する面側に光硬化性樹脂により接着する。次に、第１基板１０の貫通孔６０に、直径０．８ｍｍ×長さ０．４ｍｍの差込み部８０ａと、直径１．２ｍｍ×長さ０．１ｍｍの延設部８０ｂからなる逆止弁８０の差込部８０ａを、半導体電極側より差し込む。次に、対向電極２１を有する第２基板２０を用意する。第２基板としては１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのガラス基板を用いる。このガラス基板上に、ＩＴＯからなる第２導電層を成膜することによって対向電極２１を形成する。この第２基板を、対向電極２１側が第１基板１０上の半導体電極１１と対向するように第１カバー３０上に配置し、光硬化性樹脂により接着する。次に、１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ１ｍｍのガラス基板の一方の主面に、８ｍｍ×８ｍｍ×深さ０．５ｍｍの凹部を設け、更に凹部の中心付近に直径０．５ｍｍの貫通穴（注入穴９０）を開けることにより、第２カバー４０を作製する。そして、第２カバー４０の凹部側を、第１基板１０の半導体電極１１を有する面と対向する面に配置し、光硬化性樹脂により接着することにより、第２カバーと第１基板とで囲まれた電解液補充部を形成する。そして、第２カバー４０の注入穴９０より、電解液を注入し、注入穴９０を光硬化性樹脂にて封止することによって、色素増感型太陽電池１００を得ることができる。

本考案に係る色素増感型太陽電池は、太陽電池を利用したモジュール、システムに利用できる。

１０ 第１基板
１１ 半導体電極
２０ 第２基板
２１ 対向電極
３０ 第１カバー
４０ 第２カバー
５０ 電解液充填部
６０ 貫通孔
７０ 電解液補充部
８０ 逆止弁
８０ａ 差込み部
８０ｂ 延設部
９０…注入穴
１００…色素増感型太陽電池
１１０…第１スペーサー
１２０…第２スペーサー

Claims (7)

1. 色素が吸着された半導体層が導電層上に形成されてなる半導体電極を有する第１基板と、
   前記第１基板と対向するように配置された導電層を含む対向電極を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間の周縁に配置され内部に電解液が充填される電解液充填部を形成する第１カバーと、
   を有する色素増感型太陽電池であって、
   前記第１基板、前記第２基板、前記第１カバーのうちの少なくとも１つに設けられる貫通孔と、前記電解液充填部の外側に設けられ前記電解液充填部に前記貫通孔を介して電解液を補充する電解液補充部を有する第２カバーと、を備え、
   前記貫通孔に逆止弁を有する色素増感型太陽電池。
2. 前記貫通孔は、前記第１基板に設けられ、前記第２カバーは前記第１基板の前記半導体層を有する面と逆側の面に形成される請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
3. 前記貫通孔は、前記第２基板に設けられ、前記第２カバーは前記第２基板の前記導電層を有する面と逆側の面に形成される請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
4. 前記貫通孔は、前記第１カバーに設けられ、前記第２カバーは前記第１カバーの前記電解液充填部と逆側の面に形成される請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
5. 前記第２カバーは、前記第１基板と前記第２基板と前記第１カバーとを覆うように設けられる請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
6. 前記貫通孔は、前記第１基板と前記第２基板と前記第１カバーとに有する請求項５に記載の色素増感型太陽電池。
7. 前記電解液充填部には、前記逆止弁が前記半導体層又は前記導電層に接触することを防止する第１スペーサーを有する請求項４又は６に記載の色素増感型太陽電池。

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