JP4037618B2 - Dye-sensitized solar cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は色素増感型太陽電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、色素増感型太陽電池と呼ばれる電池が開発されている。色素増感型太陽電池は、1991年にスイスのローザンヌ大学のグレッツェルらによって開発されたものであり、グレッツェルセルとも呼ばれている。これは、光透過性を有する基板と基板に積層された光透過性を有する導電層と受光に伴い電子を放出する色素とを有する光極と、光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する対極と、光極と対極との間に配置された流動性を有する電解質層とを有する。一般的には、色素としてはルテニウム錯体が使用され、電解質層としてはヨウ素を含む電解液が使用されている。上記した色素増感型太陽電池においては、色素が太陽光を吸収して励起されると電子を放出する現象、ルテニウム錯体からなる色素に残った正孔が電解質層のヨウ素を酸化させる現象を利用していると文献では報告されている。
【0003】
また特開2000ー173680号に係る公開特許公報によれば、光極と対極とを重ねるように組み合わせると共に、光極と対極との間には、シール用樹脂を塗った封止用の固形物を介在させる技術が開示されている。この公報に係る技術によれば、シール用樹脂としてエポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂が用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電池シール部がエポキシ系樹脂である場合には、長期的な耐食性に問題がある。殊に電解液と直接的に接触する部分では、良好なるシール性を長期的に確保することができない。樹脂骨格にある2重結合部と電解液中のヨウ素との反応による架橋度の低下、電解液により電池シール部の膨潤が起こるためである。また電池シール部がシリコーン系樹脂の場合には、電解液中の有機溶剤により膨潤し易いため、電解液のシール性に問題がある。
【0005】
その対策として、上記した特開2000ー173680に係る公開公報の技術によれば、耐食性が高いガラス等の封止用の固形物を光極と対極との間に配置してシールしているが、その固形物と光極及び対極との接着層は上記したエポキシ樹脂等を用いているため、電池シール部のシール性における信頼性は必ずしも充分ではない。
【0006】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、電池シール部におけるシール性を長期にわたり良好に確保することができる色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明者は色素増感型太陽電池について鋭意開発を進めている。そして、色素増感型太陽電池における電解質層はヨウ素等のハロゲンを含むことに着目した。ヨウ素等のハロゲンは、電解質層においてイオン化された状態で存在し、有機物における2重結合部と反応し易い性質を有する。このため、エポキシ樹脂等の2重結合を骨格にもつ樹脂では、架橋度の低下を招き、長期的な電解質層の漏れに対する信頼性が低い。
【0008】
本発明者らは、各種の材質の電池シール部についての電解質層に対する膨潤性、密着性等を検討してきた結果、ヨウ素等のハロゲンを含む電解質層に対する耐久性が高い材料としてポリイソブチレン系樹脂が適切であることを見出した。ポリイソブチレン系樹脂は、その基本骨格に2重結合を持たないため、電解質層に含まれているヨウ素等のハロゲンとの反応を抑えることができるためと推察される。
【0009】
(2)即ち、本発明に係る色素増感型太陽電池は、光透過性を有する基板と透明導電層とN型の半導体層と色素とを有する光極と、
光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する対極と、
光極と対極との間に封入された電解質層と、
電解質層に対してシールを行う電池シール部とを有する色素増感型太陽電池において、
電解質層はハロゲンを含むと共に、電池シール部はポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されており、
対極は複数個設けられており、複数個の対極は、光極側の光透過性を有する基板を共通 にして互いに所定の間隔を隔てて並設されており、
電池シール部は、隣設する対極同士の間を被覆すると共に、各対極のうち前記光極と反対側の面を被覆していることを特徴とするものである。
【0010】
本発明に係る色素増感型太陽電池によれば、電解質層はヨウ素、臭素等のハロゲンを含む。電池シール部はポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されている。ポリイソブチレン系樹脂は、ヨウ素、臭素等のハロゲンに対する耐久性が高い。その基本骨格に2重結合を持たないため、ヨウ素等のハロゲンとの反応を抑えることができるためと推察される。更にポリイソブチレン系樹脂は、湿気やガスに対するバリヤ性についても優れている。光極や対極の主構成要素となる透明導電層やガラス板に対する密着性も高い。
【0011】
(3)本発明に係る色素増感型太陽電池の製造方法は、光透過性を有する基板と透明導電層とN型の半導体層と色素とを有する光極と、
光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する対極と、
光極と対極との間に封入されハロゲンを含む電解質層と、
ポリイソブチレン系樹脂を基材として形成され電解質層に対してシールを行う電池シール部とを具備する色素増感型太陽電池を製造する色素増感型太陽電池の製造方法であって、
光透過性を有する基板と透明導電層とN型の半導体層と色素とを有する光極と、光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する対極とを有する電池素子を用意すると共に、
ベースフィルムとベースフィルムの片面に塗布されたポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材とを有する電池シール部を用意する工程と、
電池シール部の塗布材を電池素子のうち対極に対面させた状態で、電池シール部を電池素子に貼り合わせると共に塗布材を硬化させる工程とを含むことを特徴とするものである。
【0012】
本発明に係る色素増感型太陽電池の製造方法によれば、電池素子に貼り合わせる前の電池シール部は、ベースフィルムと、ベースフィルムの片面に積層されポリイソブチレン系樹脂を基材とする主シール部となる塗布材を有する。その後、電池シール部の塗布材を電池素子のうち対極に対面させた状態で、電池シール部を電池素子に貼り合わせると共に塗布材を硬化させる。硬化とは、塗布材を固めるという意味である。従って、硬化した状態の電池シール部はシールに必要な弾性を有する。
【0013】
ところで、ポリイソブチレン系樹脂を基材とする主シール部となる塗布材を、ベースフィルムを用いることなく、電池素子に直接的に接着してシールを行う製造方法も考えられる。しかしこの場合には、塗布材の量が部位によってばらつくおそれがある。この点本発明に係る色素増感型太陽電池の製造方法によれば、ベースフィルムの片面にポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材を予め塗布しておくため、ポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材の量の平均化を図るのに有利となる。ひいては主シール部となる塗布材の量が過剰になることを抑えるのに有利であり、電池内部への塗布材成分の進入を抑えるのに有利となる。
【0014】
なお、ポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されている電池シール部は、透明導電層やガラス等の相手材に対する密着性も高い。より高い密着性が必要な場合には、電池シール部の基材にシランカップリング剤等を用いるプライマー処理を施すことも可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明に係る色素増感型太陽電池によれば、電池シール部は、ポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されている。この場合、ポリイソブチレンのみで形成されていても良いし、共重合体でも良い。ポリイソブチレン系樹脂には必要に応じてガラスフィラー等のフィラーが配合されていても良い。電解質層としては電解液を採用できる。電解液は電解質物質を溶媒に溶解したものを採用することができる。電解液の溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピロニトリル等のニトリル系化合物、また、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γーブチロラクトン等の溶媒、またはこれらの混合溶媒を採用することができる。また電解質層としては、固体状電解質でもよい。固体状電解質は上記電解液をゲル状にしたもの、ヨウ素イオン伝導性をもつ高分子電解質、ヨウ素イオン伝導性をもつ無機電解質等を例示できる。電池シール部は、色素増感型太陽電池の内部の電解液等の電解質層の漏れを防止する目的、外部から酸素や水蒸気等が混入することを防止する目的を有する。
【0016】
本発明に係る色素増感型太陽電池に係る技術によれば、電解質を注入する注入口が設けられている形態を採用することができる。この場合、電池シール部は、電解質層の周囲を包囲する熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された主シール部と、注入口を塞ぐ紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部とを有する形態を採用することができる。
【0017】
本発明に係る色素増感型太陽電池に係る技術によれば、複数個の対極が共通の光極に所定の間隔を隔てて並設されている形態が採用されている。この場合、電池シール部は、隣設する対極同士の間を被覆すると共に、各対極のうち光極と反対側の面を被覆している形態を採用する。
【0018】
本発明に係る色素増感型太陽電池に係る製造方法によれば、電池シール部は、ベースフィルムと、ベースフィルムの片面に積層されたポリイソブチレン系樹脂を基材とする主シール部とを有する形態を採用することができる。この場合、主シール部は隣設する対極同士の間を被覆すると共に各対極のうち光極と反対側の面を被覆している形態を採用することができる。この場合、複数個の対極が並設されている場合に適する。
【0019】
【実施例】
本発明に係る実施例の説明に先立って参考例を説明する。図1は参考例に係る色素増感型の太陽電池の代表的な構成を示す。この太陽電池は図1に示すように、光極1と、対極2と、電解質層3と、電池シール部4とを有する。光極1は、互いに背向する光入射面10及び搭載面11を有すると共に光透過性を有するガラス製の基板13と、基板13のうち光入射面10と反対側の片面である搭載面11に積層された光透過性を有する透明導電層15と、透明導電層15に積層された多孔質のN型の半導体層16(酸化チタン層)と、N型の半導体層16に担持された色素18とを有する。透明導電層15は、FまたはSbをドープしたSnO2 膜、あるいは、ITO膜で形成されている。色素18はルテニウム錯体とされており、受光に伴なう電子放出性を有する。
【0020】
対極2は光極1に対して所定の間隔を隔てて対面している。対極2は、搭載面21をもつと共に光透過性を有するガラス製の基板23と、基板23の搭載面21に積層された導電層25と、導電層25に担持された対極触媒26とを有する。対極2側の導電層25は光の透過が要請されないため、透明性は特に要請されない。従って、対極2側の導電層25はヨウ素に対して耐食性が高く且つ導電性を有する金属で形成することができる。例えばチタン、タンタル、ニオブ、タングステン、白金等を用いることができる。但し部品の共通化のため、本実施例では光極1と対極2とは共通のものを採用している。
【0021】
電解質層3は光極1と対極2との間に配置されており、流動性を有する電解液で形成されている。電解液は電解質を有機溶媒に溶解したものである。電解質としてはハロゲンであるヨウ素を採用している。ヨウ素はイオンとして存在する。対極2には電解液を注入する注入口9が設けられている。
【0022】
電池シール部4は電解質層3に対してシールを行うものである。電池シール部4は、光極1と対極2との間に介在すると共に熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された枠形状をなす主シール部5と、注入口9を塞ぐ紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部6とで形成されている。主シール部5は電解質層3の周囲をシールしている。
【0023】
上記した太陽電池の製造にあたっては、光極1及び対極2の少なくも一方に、主シール部5を構成する熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材を配置する。その後、光極1と対極2とを互いに対面するように貼り合わせる。その後、加熱処理により熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を熱硬化させ、主シール部5を形成する。その後、対極2の注入口9から電解液を注入する。その後、対極2の注入口9に紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材を配置し、これに紫外線を照射させて紫外線硬化させ、副シール部6を形成する。紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂では、紫外線の照射により瞬時に接着力が確保できるため、光極1と対極2との間における電解液を速やかに封止することができる。
【0024】
上記した色素増感型太陽電池の使用の際には、光極1の光入射面10に光が入射されると、発電が生じる。発電原理としては、光入射に起因して色素18に基づいて光極1側のN型の半導体層16の側において発生した電子が、外部回路の導線を経由して対極2側へ移動し、電解質層3の電解液に含まれているヨウ素の酸化還元反応によって対極2からN型の半導体層16へ電子が運ばれることに基づいて電気が発生すると、一般的には考えられている。このため、色素増感型の太陽電池の耐久性を確保するには、電解質層3を構成する電解液の漏れ防止が不可欠である。
【0025】
本例によれば、電池シール部4はポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されているため、電解質層3の電解液に含まれているヨウ素に対する耐久性が確保され、電池シール部4の信頼性が向上する。これは試験により確認されている。ポリイソブチレン系樹脂は、その基本骨格に2重結合を持たないため、電解質層3に含まれているヨウ素イオン等のハロゲンイオンとの反応を抑えることができるためと推察される。
【0026】
殊に本例によれば、電池シール部4は、光極1と対極2との間に介在すると共に熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された枠形状をなす主シール部5と、注入口9を塞ぐ紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部6とで形成されている。主シール部5は、電解液を注入する前に硬化されるため、瞬間硬化の要請が少なく、従って熱硬化タイプを用いる。副シール部6は、電解液を注入した後に硬化されるため、電解液の漏れを防止すべく瞬間硬化の要請が強いため、紫外線硬化タイプを用いる。このため光極1と対極2との間に収容されている電解質層3の洩れを防止すると共に電解質層3に大気等の気体が進入することを抑えるのに有利である。
【0027】
(第1試験例)
参考例に係る色素増感型の太陽電池を以下のように作成した。まず光極1の作成方法について説明する。光極1側の基板13としては透明ガラスを用いた。この透明ガラスの大きさとしては、15mm×25mm×1.1mmとした。光極1側の基板13に積層されている透明導電層15は、表面抵抗率が10Ω/□で、FをドープしたSnO2 膜とした。なお表面抵抗率はJIS−W7202に基づく。この光極1側の基板13の片面である搭載面11に、酸化チタン用ペーストをスクリーン印刷し、450℃で焼成することにより、N型の半導体層16となる酸化チタン層16cを積層した。積層された酸化チタン層16cとしては、電極面積のサイズが6mm×20mmであり、厚みが10μmであった。この光極1側の基板13をルテニウム錯体のエタノール溶液に所定時間(24時間)浸漬することにより、色素18として機能するルテニウム錯体を酸化チタン層16cの表面に吸着させ、以て光極1を作成した。
【0028】
次に対極2の作成について説明する。対極2側の基板23としては、光極1側と同様の透明ガラス板を用いた。基板23の搭載面21には導電層25が積層されている。電解液を注入するために、直径約1mmの注入口9を対極2の基板にドリル加工により作成した。対極2側の基板23の積層されている導電層25の表面に、Pt溶液をスピンコート法で塗布し、400℃で焼き付けることにより、対極触媒26として機能するPt触媒粒子を担持させ、以て対極2を形成した。
【0029】
このように形成した光極1と対極2とを用いて、光極1の酸化チタン層16cで形成されたN型の半導体層16の周囲の外方、約2mmの位置にディスペンサーで、主シール部5となる熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂の塗布材を塗布した。主シール部5となるポリイソブチレン系樹脂には、光極1と対極2との間の電気絶縁性を確保するため、または、電解液を収容する収容室35を確保するため、粒子径50μmの微小球状をなすフィラー(例えばガラスフィラー)が添加されていた。その後、光極1と対極2とを貼り合せた。この場合、光極1と対極2とを貼り合わせ後、100℃で30分間加熱することにより、ポリイソブチレン系樹脂を熱硬化させ、主シール部5を形成した。
【0030】
次に、対極2に形成した注入口9を電解液に浸漬させた状態で、電解液が沸騰しない程度の真空引き操作により、光極1と対極2との間の収容室35の内部の脱気を行い、その後、大気圧に戻すことにより、電解液を収容室35に注入させた。使用した電解液は、ヨウ素、ヨウ化リチウムを有機溶媒であるプロピレンカーボネートに溶解したものを用いた。
【0031】
上記したように電解液を収容室35に注入した後、紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂の塗布材を注入口9に塗布し、これに紫外線をスポット照射することにより、ポリイソブチレン系樹脂を紫外線硬化させ、副シール部6を形成し、収容室35の電解液を封止した。
【0032】
上記したように作成した太陽電池について、85℃に放置する高温放置試験を100時間行うと共に、−40℃に放置する低温放置試験を100時間行った。試験後においても、主シール部5及び副シール部6からの電解液の漏れは起こらなかった。ポリイソブチレン系樹脂のガラス転移温度は−40℃よりも低温であるため、低温試験においても主シール部5及び副シール部6のシールのための必要弾性は確保されていた。
【0033】
(第1実施例)
本発明に係る第1実施例を説明する。図2及び図3は第1実施例に係る色素増感型の太陽電池の代表的な構成を示す。この太陽電池は、図2に示すように、光極1と対極2Bとセパレータ層7と電解質層3と電池シール部4Bとを有する。光極1は、互いに背向する光入射面10及び搭載面11を有すると共に光透過性を有するガラス製の基板13と、基板13の搭載面11に積層された光透過性を有する透明導電層15と、透明導電層15に積層された多孔質のN型の半導体層16(酸化チタン層)と、N型の半導体層16に担持された色素18とを有する。透明導電層15は溝15mを有しており、FまたはSbをドープしたSnO2 膜、あるいは、ITO膜で形成されている。色素18はルテニウム錯体とされている。図2に示すように、共通の単一の光極1に対して複数個の対極2Bが直列的に並設されている。対極2Bはカーボン膜で形成されており、導電性、電解液に対する耐久性、触媒性を有する。対極2Bには光が透過されないため、透明性は特に要請されない。光極1と対極2Bとの間には多孔質のセパレータ層7が介在している。セパレータ層7は光極1と対極2Bとの直接的な電気導通性を遮断している。
【0034】
電解質層3は光極1と対極2Bとの間に配置されており、流動性を有する電解液で形成されている。本実施例に係る太陽電池の端側には、電解液を注入する注入口9が設けられている。電池シール部4Bは電解質層3に対してシールを行うものである。電池シール部4Bは、光極1と対極2Bとの間に介在すると共に熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された主シール部5Bと、注入口9を塞ぐと共に紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部6Bとで形成されている。図2に示すように、主シール部5Bは電解質層3の周囲をシールしており、隣設する対極2B同士の間を埋めて被覆する中間シール部分5wと、各対極2Bのうち光極1と反対側の面を被覆する外面シール部5xと、太陽電池の外縁をシールする外縁シール部5yとを有する。
【0035】
本実施例によれば参考例と同様に、電池シール部4Bはポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されているため、電解液に含まれているヨウ素に対する耐久性が確保され、電池シール部4Bの信頼性が向上する。これは試験により確認されている。殊に本実施例によれば、電池シール部4Bは、光極1と対極2Bとの間に介在すると共に熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された主シール部5Bと、注入口9を塞ぐと共に紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部6Bとで形成されている。図3に示すように副シール部6Bは基板13の外端側に沿って配置されている。主シール部5Bは、電解液を注入する前に硬化されるため、瞬間硬化の要請が少ないため、熱硬化タイプを用いる。副シール部6Bは、電解液を注入した後に硬化されるため、瞬間硬化の要請が強いため、紫外線硬化タイプを用いる。このため光極1と対極2Bとの間に収容されている電解質層3に大気等の気体が進入することを抑えるのに有利である。
【0036】
(第2試験例)
第1実施例に係る太陽電池を以下のように作成した。光極1側の基板13としては透明ガラスを用いた。この透明ガラスの大きさとしては、30mm×25mm×1.1mmとした。光極1側の基板13に積層されている透明導電層15は、表面抵抗率が10Ω/□で、FをドープしたSnO2 膜とした。更に透明導電層15を7mmピッチでスクライブつまり削り取ることにより溝15mを形成し、隣設する導電層部分の電気的導通性を遮断した。この光極1側の基板の透明導電層15に、スクリーン印刷と450℃焼成とを繰り返し、N型の半導体層16となる酸化チタン層16c、多孔質のセパレ−タ層7、対極2Bとなるカーボン層をそれぞれ積層した。各層を作成した後に、光極1となる基板をルテニウム錯体のエタノール溶液に所定時間(24時間)浸漬することにより、N型の半導体層16となる酸化チタン層16cに色素18つまりルテニウム錯体を吸着させた。
【0037】
次に、酸化チタン層16c、多孔質のセパレ−タ層7、対極2Bとなるカーボン層を搭載した基板13に対して、ポリイソブチレン系樹脂の塗布材を塗布し、加圧圧着させ、熱硬化させることにより主シール部5Bを形成した。そして、真空脱気操作及び電解液への浸漬操作により、注入口9から電解液を太陽電池に注入した。電解液を注入した後、紫外線硬化型ポリイソブチレン系樹脂を注入口9に塗布し、これに紫外線をスポット照射させて紫外線硬化させることにより、注入口9を塞ぐ副シール部6Bを形成し、電解液を封止した。
【0038】
上記したように作成した太陽電池について、85℃に放置する高温放置試験を100時間行うと共に、−40℃に放置する低温放置試験を100時間行った。試験後においても、主シール部5B及び副シール部6Bからの電解液の漏れは起こらなかった。
【0039】
(第2実施例)
本発明に係る第2実施例を説明する。図4〜図6は第2実施例に係る色素増感型の太陽電池の代表的な構成を示す。第2実施例は第1実施例と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を奏する。第1実施例と共通する部位には共通の符号を付する。以下、第1実施例と相違する部分を中心として説明する。この太陽電池は図4に示すように、光極1と対極2Bとセパレータ層7と電解質層3と電池シール部4Cとを有する。電解質層3は光極1と対極2Bとの間に配置されており、流動性を有する電解液で形成されている。電池シール部4Cは電解質層3に対してシールを行うものである。電池シール部4Cは、光極1と対極2Bとの間に介在すると共に熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された主シール部5Cと、注入口9を塞ぐと共に紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部6Cとで形成されている。主シール部5Cは電解質層3の周囲を包囲してシールする。
【0040】
図6は太陽電池に接着する前の電池シール部4Cを示す。太陽電池に接着する前の電池シール部4Cは、可撓性を有するベースフィルム8と、ベースフィルム8の片面に塗布されたポリイソブチレン系樹脂を基材とする主シール部5Cとなるペースト状の塗布材5Hを有する。なお電池素子に貼り合わせる前の電池シール部4Cにはこれを厚み方向に貫通するように、電解液を注入するための注入口9が設けられている。
【0041】
そして電池シール部4Cの塗布材5Hを電池素子のうち対極2Bに対面させた状態で、電池シール部4Cの塗布材5Hを電池素子に貼り合わせる工程を実施する。この場合、塗布材5Hを加圧させると共に熱硬化させ、主シール部5Cを形成する。熱硬化された主シール部5Cは、図4に示すように、隣設する対極2B同士の間を埋めて被覆する中間シール部分5wと、各対極2Bのうち光極1と反対側の面を被覆する外面シール部分5xと、太陽電池の外縁をシールする外縁シール部分5yとを有する。
【0042】
本実施例によれば、電池シール部4Cはポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されているため、電解液に含まれているヨウ素に対する耐久性が確保され、電池シール部4Cの信頼性が向上する。これは試験により確認されている。殊に本実施例によれば、電池シール部4Cは、光極1と対極2Bとの間に介在すると共に熱硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された枠形状をなす主シール部5Cと、注入口9を塞ぐと共に紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を基材として形成された副シール部6Cとで形成されている。主シール部5Cは、電解液を注入する前に硬化されるため瞬間硬化の要請が少なく、従って熱硬化タイプを用いる。副シール部6Cは、電解液を注入した後に硬化されるため、電解液の漏れを防止すべく瞬間硬化の要請が強いため、紫外線硬化タイプを用いる。このため光極1と対極2Bとの間に収容されている電解質層3に大気等の気体が進入することを抑えるのに有利である。
【0043】
本実施例によれば、接着に必要な量だけポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材5Hをベースフィルム8に塗布しておけば良い。このためベースフイルム8に塗布する塗布材5Hの量を必要最小限に抑えることができる。このため過剰な塗布材5Hが対極2B層の表面等から太陽電池の内部へ浸透することを抑えるのに有利となる。従って、太陽電池の性能の低下を抑えるのに有利となる。なお、ベースフィルム8の材質としては、高密度ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、シリコーン等の1種、または、これらを積層した樹脂フィルムを用いることができる。場合によってはベースフィルム8としては金属箔を用いてもよい。またベースフィルム8としては、樹脂フィルムに金属薄膜を形成したものを用いてもよい。
【0044】
(第3試験例)
第3実施例に係る太陽電池を以下のように作成した。この場合は基本的には第2試験例と同じである。光極1の基板13を形成する透明ガラスの大きさとしては、30mm×25mm×1.1mmとした。光極1側の基板13に積層されている透明導電層15は、表面抵抗率が10Ω/□で、FをドープしたSnO2 膜とした。更に透明導電層15を7mmピッチでスクライブつまり削り取ることにより溝15mを形成し、隣設する導電層部分の電気的導通性を遮断した。この光極1側の基板13の搭載面11に、スクリーン印刷と450℃焼成とを繰り返し、N型の半導体層16となる酸化チタン層16c、多孔質のセパレ−タ層7、対極2Bとなるカーボン層をそれぞれ作成した。各層を作成した後に、光極1となる基板をルテニウム錯体のエタノール溶液に所定時間(24時間)浸漬することにより、N型の半導体層16となる酸化チタンに色素18つまりルテニウム錯体を吸着させた。
【0045】
図6に示すように、ベースフィルム8とベースフィルム8の片面に積層されポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材5H(目標厚み:10μm)とを有する電池シール部4Cを用いた。そして電池シール部4Cの塗布材5Hを電池素子のうち対極2Bに対面させた状態で、電池シール部4Cの塗布材5Hを電池素子に貼り合わせる工程を実施した。そして温間状態(150℃)に保持されているホットロール装置を用いてプレス貼り合わせを行い、塗布材5Hを加圧させると共に熱硬化させ、主シール部5Cを形成した。
【0046】
その後、電池シール部4Cにこれの厚み方向に貫通するように事前に作成した直径約1mmの注入口9から、電解液を注入した。電解液を注入した後、紫外線硬化型のポリイソブチレン系樹脂を注入口9に塗布し、紫外線をこれにスポット照射することにより、ポリイソブチレン系樹脂を紫外線硬化させ、副シール部6Cを形成し、電解液を封止した。
【0047】
上記したように作成した太陽電池について、85℃に放置する高温放置試験を100時間行うと共に、−40℃に放置する低温放置試験を100時間行った。試験後においても、主シール部5C及び副シール部6Cからの電解液の漏れは起こらなかった。
【0048】
(比較例)比較例に係る太陽電池を作製した。比較例は第1実施例と同様な構成である。但し、電池シール部の材質としてはエポキシ系樹脂を採用した。上記方法で作成した太陽電池について、85℃における高温放置試験、−40℃における低温放置試験をそれぞれ行った。その結果、85℃における高温放置試験において100時間経過した後に、副シール部からの液漏れが発生した。また−40℃における低温放置試験において100時間経過した後、主シール部および副シール部の双方が剥離し、電解液の漏れが発生した。
【0049】
(他の例)その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【0050】
【発明の効果】
本発明に係る色素増感型太陽電池及び製造方法によれば、電解質層の漏れの防止に対する信頼性を向上することができる。故に太陽電池における変換効率を長期間にわたり良好に保持することができる。これにより色素増感型太陽電池の使用可能な環境条件が広がり、用途拡大を期待することができる。
【0051】
本発明に係る色素増感型太陽電池の製造方法によれば、接着に必要な量だけポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材をベースフィルムに塗布しておけば良い。このためベースフイルムに塗布する塗布材の量を必要最小限に抑えることができる。このため過剰な塗布材の成分が対極層の表面等から太陽電池の内部へ浸透することを抑えるのに有利となる。従って、太陽電池の性能の低下を抑えるのに有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例に係る色素増感型の太陽電池を模式的に示す概略断面図である。
【図2】第1実施例に係る色素増感型の太陽電池を模式的に示す概略断面図である。
【図3】第1実施例に係る色素増感型の太陽電池を模式的に示す概略平面図である。
【図4】第2実施例に係る色素増感型の太陽電池を模式的に示す概略断面図である。
【図5】第2実施例に係る色素増感型の太陽電池を模式的に示す概略平面図である。
【図6】第2実施例に係る色素増感型の太陽電池に貼り合わせる前の電池シール部を模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
図中、1は光極、10は光入射面、13は基板、15は透明導電層、16は半導体層、18は色素、2は対極、3は電解質層、4は電池シール部、5は主シール部、6は副シール部を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, batteries called dye-sensitized solar cells have been developed. The dye-sensitized solar cell was developed in 1991 by Gretzer et al. At the University of Lausanne in Switzerland and is also called a Gretzell cell. This is because a light electrode having a light-transmitting substrate, a light-transmitting conductive layer laminated on the substrate, and a dye that emits electrons upon receiving light, and facing the light electrode at a predetermined interval. And a conductive counter electrode, and a fluid electrolyte layer disposed between the photoelectrode and the counter electrode. In general, a ruthenium complex is used as the dye, and an electrolytic solution containing iodine is used as the electrolyte layer. In the dye-sensitized solar cell described above, the phenomenon that electrons are emitted when the dye is excited by absorbing sunlight, and the holes that remain in the dye made of ruthenium complex oxidize iodine in the electrolyte layer are utilized. It has been reported in the literature.
[0003]
Further, according to the published patent publication related to Japanese Patent Laid-Open No. 2000-173680, a solid body for sealing in which a photoelectrode and a counter electrode are combined so as to overlap each other and a sealing resin is applied between the photoelectrode and the counter electrode. A technique that intervenes is disclosed. According to the technology according to this publication, an epoxy resin or a silicone resin is used as a sealing resin.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the battery seal portion is an epoxy resin, there is a problem in long-term corrosion resistance. In particular, good sealability cannot be ensured for a long period of time at the portion that is in direct contact with the electrolyte. This is because the degree of crosslinking decreases due to the reaction between the double bond portion in the resin skeleton and iodine in the electrolyte solution, and the battery seal portion swells due to the electrolyte solution. Further, when the battery seal portion is made of a silicone resin, there is a problem in the sealing performance of the electrolyte because it is easily swelled by the organic solvent in the electrolyte.
[0005]
As a countermeasure, according to the technique disclosed in JP 2000-173680 described above, a solid material for sealing such as glass having high corrosion resistance is disposed between the photoelectrode and the counter electrode and sealed. In addition, since the above-described epoxy resin or the like is used for the adhesive layer between the solid material, the photoelectrode, and the counter electrode, the reliability in the sealing performance of the battery seal portion is not always sufficient.
[0006]
This invention is made | formed in view of the above-mentioned situation, and makes it a subject to provide the dye-sensitized solar cell which can ensure favorable the sealing performance in a battery seal part over a long period of time, and its manufacturing method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
(1) The inventor has been diligently developing a dye-sensitized solar cell. Then, attention was paid to the fact that the electrolyte layer in the dye-sensitized solar cell contains a halogen such as iodine. Halogen such as iodine is present in an ionized state in the electrolyte layer and has a property of easily reacting with a double bond portion in an organic substance. For this reason, a resin having a double bond in the skeleton such as an epoxy resin causes a reduction in the degree of crosslinking, and has low reliability against long-term electrolyte layer leakage.
[0008]
As a result of studying the swelling property, adhesion, etc. of the battery seal portion of various materials with respect to the electrolyte layer, the polyisobutylene-based resin has been used as a material having high durability for the electrolyte layer containing a halogen such as iodine. I found it appropriate. The polyisobutylene-based resin is presumed to have no double bond in its basic skeleton, so that the reaction with a halogen such as iodine contained in the electrolyte layer can be suppressed.
[0009]
(2) That is, the dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a light-transmitting substrate, a transparent conductive layer, an N-type semiconductor layer, and a photoelectrode having a dye.
A counter electrode facing the photoelectrode at a predetermined interval and having conductivity;
An electrolyte layer enclosed between the photoelectrode and the counter electrode;
In a dye-sensitized solar cell having a battery seal portion that seals against an electrolyte layer,
ElectricThe repellent layer contains halogen, and the battery seal is formed using a polyisobutylene resin as a base material.And
A plurality of counter electrodes are provided, and the plurality of counter electrodes share a light-transmitting substrate on the photoelectrode side. In parallel with each other at a predetermined interval,
The battery seal portion covers between the adjacent counter electrodes, and covers the surface opposite to the photoelectrode among the counter electrodes.It is characterized by this.
[0010]
According to the dye-sensitized solar cell of the present invention, the electrolyte layer contains a halogen such as iodine or bromine. The battery seal portion is formed using a polyisobutylene resin as a base material. The polyisobutylene resin has high durability against halogens such as iodine and bromine. This is presumed to be because the basic skeleton does not have a double bond, so that the reaction with a halogen such as iodine can be suppressed. Furthermore, the polyisobutylene resin is excellent in barrier properties against moisture and gas. Adhesion to the transparent conductive layer and glass plate, which are the main constituent elements of the photoelectrode and counter electrode, is also high.
[0011]
(3) A method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention includes:A photoelectrode having a light-transmitting substrate, a transparent conductive layer, an N-type semiconductor layer, and a dye;
A counter electrode facing the photoelectrode at a predetermined interval and having conductivity;
An electrolyte layer containing halogen enclosed between the photoelectrode and the counter electrode;
A method for producing a dye-sensitized solar cell for producing a dye-sensitized solar cell comprising a battery seal portion formed using a polyisobutylene-based resin as a base material and sealing against an electrolyte layer,
A battery element having a light-transmitting substrate, a transparent conductive layer, an N-type semiconductor layer, a photoelectrode having a dye, and a counter electrode having conductivity and facing the photoelectrode at a predetermined interval As well as
Preparing a battery seal part having a base film and a coating material based on a polyisobutylene resin applied to one side of the base film;
The process of bonding the battery seal portion to the battery element and curing the coating material with the coating material of the battery seal portion facing the counter electrode of the battery element.IncludingIt is characterized by.
[0012]
According to the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, the battery seal portion before being bonded to the battery element is mainly formed of a base film and a polyisobutylene-based resin laminated on one side of the base film. It has the coating material used as a seal part. Thereafter, in a state where the coating material of the battery seal portion is opposed to the counter electrode of the battery element, the battery seal portion is bonded to the battery element and the coating material is cured. Curing means to solidify the coating material. Therefore, the battery seal portion in the cured state has elasticity necessary for sealing.
[0013]
By the way, the manufacturing method which adhere | attaches the coating material used as the main seal part which makes a polyisobutylene-type resin a base material directly on a battery element, without using a base film, and can seal is also considered. However, in this case, the amount of the coating material may vary depending on the part. In this regard, according to the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, since a coating material based on a polyisobutylene resin is applied in advance to one side of a base film, a polyisobutylene resin is used as a substrate. This is advantageous for averaging the amount of the coating material. As a result, it is advantageous to suppress an excessive amount of the coating material serving as the main seal portion, and it is advantageous to suppress entry of the coating material component into the battery.
[0014]
In addition, the battery seal part formed using the polyisobutylene-based resin as a base material has high adhesion to a counterpart material such as a transparent conductive layer or glass. When higher adhesion is required, primer treatment using a silane coupling agent or the like can be performed on the base material of the battery seal portion.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the dye-sensitized solar cell of the present invention, the battery seal portion is formed using a polyisobutylene resin as a base material. In this case, it may be formed of only polyisobutylene or a copolymer. A filler such as a glass filler may be blended in the polyisobutylene resin as necessary. An electrolyte solution can be used as the electrolyte layer. An electrolytic solution in which an electrolyte substance is dissolved in a solvent can be employed. As a solvent for the electrolytic solution, a nitrile compound such as acetonitrile, methoxyacetonitrile, propylonitrile, a solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, or a mixed solvent thereof can be employed. . The electrolyte layer may be a solid electrolyte. Examples of the solid electrolyte include gels of the above electrolytic solutions, polymer electrolytes having iodine ion conductivity, inorganic electrolytes having iodine ion conductivity, and the like. The battery seal portion has a purpose of preventing leakage of an electrolyte layer such as an electrolyte solution inside the dye-sensitized solar cell and a purpose of preventing oxygen, water vapor, and the like from being mixed from the outside.
[0016]
According to the technique relating to the dye-sensitized solar cell according to the present invention, a mode in which an injection port for injecting an electrolyte is provided can be employed. In this case, the battery seal part is composed of a main seal part formed using a thermosetting polyisobutylene resin surrounding the electrolyte layer as a base material, and an ultraviolet curable polyisobutylene resin sealing the inlet. It is possible to adopt a form having a secondary seal portion formed as:
[0017]
According to the technique related to the dye-sensitized solar cell according to the present invention, a plurality of counter electrodes are arranged in parallel with a predetermined interval on a common photoelectrode.ButHiringHas been. In this case, the battery seal portion employs a configuration in which the counter electrodes adjacent to each other are covered and the surface opposite to the photoelectrode is covered among the counter electrodes.The
[0018]
According to the dye-sensitized solar cell according to the present inventionProduction methodAccordingly, the battery seal portion can adopt a form having a base film and a main seal portion based on a polyisobutylene resin laminated on one side of the base film. In this case, it is possible to adopt a form in which the main seal portion covers between the adjacent counter electrodes and covers the surface of each counter electrode opposite to the photoelectrode. This is suitable when a plurality of counter electrodes are arranged in parallel.
[0019]
【Example】
According to the present inventionReference prior to the description of the examplesAn example will be described. Figure 1referenceThe typical structure of the dye-sensitized solar cell which concerns on an example is shown. As shown in FIG. 1, this solar cell has a
[0020]
The counter electrode 2 faces the
[0021]
The
[0022]
The
[0023]
In manufacturing the solar cell described above, a coating material based on a thermosetting polyisobutylene resin constituting the
[0024]
When using the dye-sensitized solar cell described above, power is generated when light is incident on the
[0025]
This exampleAccordingly, since the
[0026]
EspeciallyThis exampleAccording to the present invention, the
[0027]
(First test example)
referenceA dye-sensitized solar cell according to an example was prepared as follows. First, a method for creating the
[0028]
Next, creation of the counter electrode 2 will be described. As the
[0029]
Using the thus formed
[0030]
Next, in the state where the
[0031]
After injecting the electrolytic solution into the
[0032]
About the solar cell produced as mentioned above, the high temperature leaving test which is left to stand at 85 degreeC was performed for 100 hours, and the low temperature standing test to which it was left to stand at -40 degreeC was done for 100 hours. Even after the test, electrolyte leakage from the
[0033]
(No.1Example)
According to the present invention1Examples will be described. 2 and 3 show the first1The typical structure of the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example is shown. As shown in FIG. 2, this solar cell has a
[0034]
The
[0035]
According to this examplereferenceSimilarly to the example, since the
[0036]
(Second test example)
First1The solar cell which concerns on an Example was created as follows. Transparent glass was used as the
[0037]
Next, a polyisobutylene-based resin coating material is applied to the
[0038]
About the solar cell produced as mentioned above, the high temperature leaving test which is left to stand at 85 degreeC was performed for 100 hours, and the low temperature standing test to which it was left to stand at -40 degreeC was done for 100 hours. Even after the test, electrolyte leakage from the
[0039]
(No.2Example)
According to the present invention2Examples will be described. 4-6 are the first2The typical structure of the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example is shown. First2Examples are first1The configuration is basically the same as that of the embodiment, and the same effect is obtained. First1Parts common to the embodiments are denoted by common reference numerals. The following1A description will be given centering on differences from the embodiment. As shown in FIG. 4, this solar cell includes a
[0040]
FIG. 6 shows the
[0041]
Then, the step of bonding the
[0042]
According to the present embodiment, since the
[0043]
According to the present embodiment, the
[0044]
(Third test example)
A solar cell according to the third example was prepared as follows. This case is basically the same as the second test example. The size of the transparent glass forming the
[0045]
As shown in FIG. 6, a
[0046]
Then, electrolyte solution was inject | poured from the
[0047]
About the solar cell produced as mentioned above, the high temperature leaving test which is left to stand at 85 degreeC was performed for 100 hours, and the low temperature standing test to which it was left to stand at -40 degreeC was done for 100 hours. Even after the test, electrolyte leakage from the
[0048]
Comparative Example A solar cell according to a comparative example was produced. The comparative example has the same configuration as that of the first embodiment. However, an epoxy resin was used as the material for the battery seal. About the solar cell created by the said method, the high temperature leaving test in 85 degreeC and the low temperature leaving test in -40 degreeC were each performed. As a result, after 100 hours passed in the high-temperature standing test at 85 ° C., liquid leakage from the sub-seal portion occurred. Moreover, after 100 hours passed in the low temperature standing test at −40 ° C., both the main seal portion and the sub seal portion were peeled off, and electrolyte leakage occurred.
[0049]
(Other Examples) In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.
[0050]
【The invention's effect】
According to the dye-sensitized solar cell and the manufacturing method according to the present invention, the reliability for preventing leakage of the electrolyte layer can be improved. Therefore, the conversion efficiency in the solar cell can be maintained well over a long period. As a result, the environmental conditions in which the dye-sensitized solar cell can be used are expanded, and the application can be expected to expand.
[0051]
According to the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, an application material having a polyisobutylene resin as a base material may be applied to the base film in an amount necessary for adhesion. For this reason, the amount of the coating material applied to the base film can be minimized. For this reason, it becomes advantageous in suppressing that the excessive component of the coating material penetrates into the solar cell from the surface of the counter electrode layer or the like. Therefore, it is advantageous to suppress a decrease in the performance of the solar cell.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]referenceIt is a schematic sectional drawing which shows typically the dye-sensitized solar cell which concerns on an example.
FIG. 21It is a schematic sectional drawing which shows typically the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example.
FIG. 31It is a schematic plan view which shows typically the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example.
FIG. 42It is a schematic sectional drawing which shows typically the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example.
FIG. 52It is a schematic plan view which shows typically the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example.
FIG. 62It is a schematic sectional drawing which shows typically the battery seal part before bonding together to the dye-sensitized solar cell which concerns on an Example.
[Explanation of symbols]
In the figure, 1 is a light electrode, 10 is a light incident surface, 13 is a substrate, 15 is a transparent conductive layer, 16 is a semiconductor layer, 18 is a dye, 2 is a counter electrode, 3 is an electrolyte layer, 4 is a battery seal portion, and 5 is A
Claims (4)
前記光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する対極と、
前記光極と前記対極との間に封入された電解質層と、
前記電解質層に対してシールを行う電池シール部とを有する色素増感型太陽電池において、
前記電解質層はハロゲンを含むと共に、前記電池シール部はポリイソブチレン系樹脂を基材として形成されており、
前記対極は複数個設けられており、複数個の前記対極は、前記光極側の光透過性を有する前記基板を共通にして互いに所定の間隔を隔てて並設されており、
前記電池シール部は、隣設する前記対極同士の間を被覆すると共に、各前記対極のうち前記光極と反対側の面を被覆していることを特徴とする色素増感型太陽電池。A photoelectrode having a light-transmitting substrate, a transparent conductive layer, an N-type semiconductor layer, and a dye;
A counter electrode facing the photoelectrode at a predetermined interval and having conductivity;
An electrolyte layer enclosed between the photoelectrode and the counter electrode;
In a dye-sensitized solar cell having a battery seal part that seals against the electrolyte layer ,
With pre-Symbol electrolyte layer containing a halogen, the battery sealing portion is formed of polyisobutylene-based resin as a base material,
A plurality of the counter electrodes are provided, and the plurality of counter electrodes are arranged in parallel at a predetermined interval from each other with the substrate having light transmittance on the light electrode side in common.
The said battery seal part coat | covers between the said adjacent counter electrodes, and has coat | covered the surface on the opposite side to the said photoelectrode among each said counter electrodes, The dye-sensitized solar cell characterized by the above-mentioned .
前記光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する対極と、
前記光極と前記対極との間に封入されハロゲンを含む電解質層と、
ポリイソブチレン系樹脂を基材として形成され前記電解質層に対してシールを行う電池シール部とを具備する色素増感型太陽電池を製造する色素増感型太陽電池の製造方法であって、
光透過性を有する前記基板と前記透明導電層と前記N型の半導体層と前記色素とを有する前記光極と、前記光極に対して所定の間隔を隔てて対面すると共に導電性を有する前記対極とを有する電池素子を用意すると共に、
ベースフィルムと前記ベースフィルムの片面に塗布されたポリイソブチレン系樹脂を基材とする塗布材とを有する前記電池シール部を用意する工程と、
前記電池シール部の前記塗布材を前記電池素子のうち前記対極に対面させた状態で、前記電池シール部を前記電池素子に貼り合わせると共に前記塗布材を硬化させる工程とを含むことを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法。 A photoelectrode having a light-transmitting substrate, a transparent conductive layer, an N-type semiconductor layer, and a dye;
A counter electrode facing the photoelectrode at a predetermined interval and having conductivity;
An electrolyte layer containing halogen enclosed between the photoelectrode and the counter electrode;
A method for producing a dye-sensitized solar cell for producing a dye-sensitized solar cell comprising a battery seal portion that is formed using a polyisobutylene-based resin as a base material and seals the electrolyte layer,
Wherein with said light pole having said said substrate which transmits light wherein the transparent conductive layer and the N-type semiconductor layer dye, a conductive with facing at a predetermined interval with respect to the light pole While preparing a battery element having a counter electrode,
A step of preparing the cell sealing portion and a coating material for a polyisobutylene-based resin applied on one surface of the base film and the base film as a base material,
In a state of being opposed to the counter electrode of the battery element the coating material of the battery sealing portion, characterized in that it comprises a step of curing the coating material with bonding the battery sealing unit to the battery element method of manufacturing a color Motozo-sensitized solar cell.
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