JP4280707B2 - 染料感応太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は太陽電池に係り、特に、染料感応太陽電池の単位ブロックをレゴ（登録商標）ブロック型に構成して簡便に組み立てることができ、かつ、エネルギー変換効率も高い太陽電池モジュールに関する。

染料感応太陽電池は、可視光線を吸収する電子−ホール対を生成することができる感光性染料分子と、生成された電子を伝達する転移金属酸化物とを主な構成材料とする光電気化学的太陽電池である。このような染料感応太陽電池の代表的な例には、マイケル・グラツェル（Michael Gratzel）らによって提起された光電気化学的太陽電池が挙げられる。このような染料感応太陽電池は、シリコン太陽電池に比較して低コストで、約１０％程度のエネルギー変換効率を有するために、既存のシリコン太陽電池の代替となる次世代太陽電池として注目されている。

このような太陽電池の一例は、特許文献１に提示された、導電膜が形成されるか又は自体が導電性を有する第１基板と、透明な第２基板と、色素を吸着した半導体層とを備えている太陽電池モジュールとして提示することができる。このように、複数の単位セルを直列又は並列に連結してモジュールを構成することによって、染料感応太陽電池の出力を高めることができる。

それにも拘わらず、上記単位セルを連結するためには、個々の太陽電池セルを製造した後、各セルの間を導線により連結又は接続する追加的な工程が要求される。このような連結工程又は接続工程を伴うことによって、全体モジュール製造工程が非常に複雑になり、また、連続的な工程の実行が実質的に不可能となって、生産性の低下をもたらす。
特開平１３−１８５２４４号公報

本発明は、太陽電池単位セルブロックを直列又は並列に連結し易く、かつ、単位面積当りのエネルギー変換効率が相対的に高い染料感応太陽電池モジュールを提示することを目的とする。

本発明の実施の一形態は、相互対向に整列導入された透明な二つの第１基板と、少なくとも所定の一辺が上記第１基板間に位置し、上記所定の一辺とは反対側の他辺が上記第１基板間外部に位置するように上記第１基板に対して導入され、上記他辺が上記第１基板に対して相対的に突出した凸部をなし、上記凸部に対応する反対側では上記所定の一辺が上記第１基板に対して相対的に陥没されることにより上記第１基板部分が相対的に突出して凹部をなす透明な第２基板と、上記第１基板と上記第２基板との間に空間を提供して導入された密閉部と、上記密閉部の内側に対向する上記第１基板又は上記第２基板の表面上にそれぞれ導入された透明な両電極と、上記両電極にそれぞれ対向して導入された透明な両染料感応フィルムと、上記染料感応フィルムと上記電極との間に導入された電解質と、上記基板と上記染料感応フィルムとの間及び上記基板と上記電極との間に導入され、上記密閉部外側に延在する透明な伝導性フィルムと、をそれぞれ備えている複数の太陽電池セルブロックが、いずれか一つのセルブロックの凹部に他の一つのセルブロックの凸部が挿入されて、相互に電気的に連結される形態で相互連結された染料感応太陽電池モジュールを提示する。

ここで、上記第１基板及び上記第２基板は、等しい大きさの四角板形をなし、上記第２基板の一辺のみが、上記他辺として上記凸部をなすように上記第１基板に対して相対的に突出して導入される。

又は、上記第１基板及び上記第２基板は、等しい大きさの四角板形をなし、上記第２基板の隣り合う二辺が、それぞれ上記他辺として上記凸部をなすように上記第１基板に対して相対的に突出して導入される。

上記伝導性フィルムのうちのいずれか一つである第１伝導性フィルムは、上記凸部をなす上記第２基板部分上に延在し、他の一つである第２伝導性フィルムは、上記凹部をなす上記第１基板部分上に延在し、上記太陽電池セルブロックのうちのいずれか一つである第１セルブロックの上記第１伝導性フィルムは、他の一つである第２セルブロックの上記第２伝導性フィルムに電気的に連結される。

本発明によれば、単位セルブロックがレゴブロック型に相互に組み立てられて締結され、太陽電池モジュールのためのセルブロックの直列又は並列連結が簡単かつ便利に行われ得る。また、単位面積当りのエネルギー変換効率が単一セルに比較して約２倍程度高い透明な染料感応太陽電池モジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。但し、本発明の実施の形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が後述する実施の形態によって限定されると解釈されてはならない。本発明の実施の形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものと解釈されることが望ましい。

本発明の実施の形態は、太陽電池セルの単位ブロックが相互にレゴブロック型に結合又は締結されるように側部が、凹部とそれに対向する凸部とを有するように形成する技術を提示する。いずれか一つの太陽電池単位セルブロックの凸部は他の一つの太陽電池単位セルブロックの凹部に挿入され、このような挿入締結部は電気的な連結がなされるように誘導する。これにより、太陽電池セルブロックを、単に凹部と凸部とを挿入締結させる工程を通じて簡単に締結してモジュールを形成することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックの一例を説明するために概略的に図示した断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池モジュールを構成するための単位セルブロックは、第２基板１１０が介在して相互対向に整列導入された透明な二つの第１基板１３０と、透明な第２基板１１０と、第１基板１３０と第２基板１１０との間に空間を提供して導入された密閉部６００と、透明な両電極５００と、該両電極５００にそれぞれ対向して導入された透明な両染料感応フィルム３００と、染料感応フィルム３００と電極５００との間に導入された電解質４００と、基板１３０、１１０と染料感応フィルム３００との間及び／又は基板１３０、１１０と電極５００との間に導入され、密閉部６００の外側に延在する透明な伝導性フィルム２１０、２３０とを備えて構成されている。

ここで、透明な電極５００は、図１Ａに提示されたように第２基板１１０上の第１伝導性フィルム２１０上に形成し、又は、図１Ｂに提示されたように第１基板１３０上の第２伝導性フィルム２３０上に形成することができる。

第２基板１１０は第１基板１３０間に導入されるが、図１Ａ及び図１Ｂに提示されたように、少なくとも所定の一辺が第１基板１３０間に位置し、当該所定の一辺とは反対側の他辺が第１基板１３０間の外部に位置するように第１基板１３０に対して導入される。これにより、第１基板１３０に対して相対的に突出した凸部８１０が形成される。また、凸部８１０に対応する反対側においては相対的に第２基板１１０が陥没され、第１基板１３０部分が相対的に突出して凹部８５０が形成される。

このように一つの単位セルブロックが、図１Ａ及び図１Ｂに提示されたように、凸部８１０と凹部８５０とが対応する形状を有する。このような単位セルブロックは、あたかもレゴブロックが組み立てられるように、凹部８５０に凸部８１０が嵌め込まれて複数が組み立てられる形状を有している。

ここで、凸部８１０には第１ラッチ突起８１１が導入され、凹部８５０にはそれに対応する第２ラッチ突起８５１が導入されて、第１ラッチ突起８１１及び第２ラッチ突起８５１によってセルブロックが簡単に締結される。第１ラッチ突起８１１及び第２ラッチ突起８５１は金属導電物質により形成され、セルブロックを締結する手段として利用される。

密閉部６００は、基板１３０、１１０の間に導入されて基板１１０、１３０を付着させる役割を担い、内部に導入される溶液状の電解質４００の流出を抑止する役割を担う。このような密閉部６００は、サーリン（surlyn：デュポン社製品番号１７０２）のような熱可塑性高分子材料により形成することができる。電解質４００は、ヨード系酸化−還元液体電解質、例えば０．８Ｍの１，２−ジメチル−３−オクチル−ヨウ化イミダゾリウム及び４０ｍＭのＩ_２（ヨウ素）を３−メトキシプロピオニトリルに溶解させたＩ^３−／Ｉ⁻の電解質溶液であり得る。

ここで、第１基板１３０及び／又は第２基板１１０は、透明なガラス又はプラスチックにより形成することができる。このような基板１１０、１３０上に導入された伝導性フィルム２１０、２３０は、ＩＴＯ（indium tin oxide）又はＦＴＯ（Fluorine-doped Tin Oxide：ＳｎＯ_２）等により形成することができる。基板として使用されるプラスチック又は高分子は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、ポリテレフタル酸エチレンともいう。）、ポリカーボネート（ポリ炭酸エステル）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）のような透明な高分子又はプラスチックの基板上に、ＩＴＯ、又は、フッ素（Ｆ）ドーピングされた二酸化錫（ＦＴＯ）のような透明伝導性物質を塗布して基板を構成することができる。

電極５００は、第１伝導性フィルム２１０又は第２伝導性フィルム２３０上に形成されるが、例えば、白金（Ｐｔ）層を含んで形成される。透明な白金層は、例えば上記列挙した種類の透明な基板上に５ｍＭヘキサクロロ白金酸（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６・ｘＨ_２Ｏ）水溶液を分散させ且つ乾燥させて白金イオンをコーティングした後、白金イオンがコーティングされた基板を６０ｍＭ水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）水溶液処理して白金イオンを白金に還元させ、蒸溜水により洗浄した後に乾燥させる工程によって形成することができる。又は、基板がガラスである場合、５ｍＭヘキサクロロ白金酸（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６・ｘＨ_２Ｏ）水溶液を分散させて４５０℃程度で電気炉で加熱して透明な白金層を形成することができる。

白金層の電極５００に対向して導入される染料感応フィルム３００は、１０乃至２０ｎｍの大きさのナノ粒子酸化物を含む薄膜であって、ナノ粒子酸化物を利用するために透明なフィルムとして製造される。このようなナノ粒子酸化物層は、約５乃至１５μｍの厚さの二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化錫（ＳｎＯ_２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）のナノ粒子酸化物層であり、ナノ粒子酸化物層には、例えば、Ｒｕ錯体よりなる染料分子が化学的に吸着されて染料感応フィルム３００が形成される。

一方、本発明に係る染料感応太陽電池の動作は、基板を透過した光が電極層の白金層を通過してナノ粒子酸化物に吸着された染料分子に到達し、染料分子が太陽光を吸収する。光を吸収した染料分子は、基底状態から励起状態に電子転移して電子−ホール対をなし、励起状態の電子はナノ粒子酸化物の伝導帯に注入される。ナノ粒子酸化物に注入された電子は、粒子間界面を通じてナノ粒子酸化物に接している電極層に移動する。電子転移の結果として酸化された染料分子は、電解質内のヨウ素イオンの酸化（３^Ｉ−→Ｉ^３−＋２ｅ⁻）により提供される電子を受け取って再還元され、酸化されたヨウ素イオン（Ｉ^３−）は、電極に到達した電子により再還元されて染料感応太陽電池の動作過程が完成される。

ここで、図１Ａ及び図１Ｂに提示されたような太陽電池セルブロックは、結局、中心の第２基板１１０の両面上に二つの下部太陽電池セルを構成する。従って、可視光線７００は、第２基板１１０の両側に入射するとき、二方向に入射する可視光線７００のいずれに対しても電流を生成させ得る。従って、単位面積当りのエネルギー変換効率を約２倍程度に高め得る。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックの一例を説明するために概略的に図示した斜視図である。

図２Ａを参照すると、本発明の実施の形態に係る太陽電池単位セルブロックにおいて、第１基板１３０及び第２基板１１０が等しい大きさの四角板形をなすように形成され、第２基板１１０の一辺のみが凸部８１０をなすように相対的に突出して導入されている。従って、凹部８５０は、凸部８１０の反対辺に形成される。このような太陽電池単位セルブロックは、凹部８５０に凸部８１０が挟み込まれる形態で組み立てられるので、結局、セルブロックが鎖状に一方向に連結され続けてモジュールを形成する。

図２Ｂを参照すると、本発明の実施の形態に係る太陽電池単位セルブロックにおいて、第１基板１３０及び第２基板１１０が等しい大きさの四角板形をなすように形成され、第２基板１１０の隣り合う二辺が凸部８１０’をなすように相対的に突出して導入される。従って、凹部８５０’は、凸部８１０’の反対側の隣り合う二辺に形成される。このような太陽電池単位セルブロックは、凹部８５０’に凸部８１０’が２方向に嵌め込まれ得る。従って、セルブロックが、タイル型に２次元的に連結され続けてモジュールを形成する。

図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックのモジュールの一例を説明するために概略的に図示した断面図である。

図３Ａを参照すると、図１Ａに提示されたような形態の本発明の実施の形態に係る単位セルブロックは、同種のものが図３Ａに提示されたように連続的に締結されて組み立てられることによって一つのモジュールを形成する。いずれか一つの第１セルブロック１３１０の凸部８１０に他の一つの第２セルブロック１３２０の凹部８５０が挿入されて、相互に電気的に連結される形態で相互締結されることによって、一つの太陽電池モジュールが形成される。

ここで、第１及び第２ラッチ突起８１１、８５１の相互ラッチ作用によってセルブロック１３１０、１３２０は相互に締結される。また、第１及び第２ラッチ突起８１１、８５１を通じて、第１セルブロック１３１０の第１伝導性フィルム２１０は、第２セルブロック１３２０の第２伝導性フィルム２３０に電気的に連結される。このような電気的な連結形態は、セルブロックが相互に（＋）、（−）極性が直列連結される形態でもあり、並列連結される形態でもある。

図３Ｂを参照すると、同様に、図１Ｂに提示されたような形態の本発明の実施の形態に係る単位セルブロックは、同種のものが図３Ｂに提示されたように連続的に締結されて組み立てられることによって一つのモジュールを形成する。

また、図１Ａに提示されたような第１セルブロックに、図１Ｂに提示されたような第２セルブロックが順次に組み立てられるモジュールもまた考慮することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池モジュールの一例を説明するために概略的に図示した平面図である。

図４Ａを参照すると、図２Ａに提示されたような鎖状の本発明の実施の形態に係る単位セルブロックは、同種のものが図４Ａに提示されたように連続的に締結されて組み立てられることによって一つの鎖状に組み立て締結されたモジュールを形成する。いずれか一つの第２セルブロック１４２０は、第１セルブロック１４１０が一辺に組み立てられる方式で、セルブロックが連続的に鎖状に組み立てられ得る。

図４Ｂを参照すると、図２Ｂに提示されたようなタイル状の本発明の実施の形態に係る単位セルブロックは、同種のものが図４Ｂに提示されたように連続的に締結されて組み立てられることによって、一つのタイル状に組み立て締結されたモジュールを形成する。いずれか一つの第２セルブロック１４４０は、第２セルブロック１４３０の二辺のうちのいずれか１辺に組み立てられる方式で、セルブロックが２次元的に組み立てられ続けてタイル状のモジュールが形成され得る。

以上、本発明を具体的な実施の形態を通じて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において当業者によりその変形や改良が可能である。

前述した本発明は、太陽電池モジュールに関する技術分野に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックの一例を説明するために概略的に図示した断面図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックの一例を説明するために概略的に図示した断面図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックの一例を説明するために概略的に図示した斜視図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックの一例を説明するために概略的に図示した斜視図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックのモジュールの一例を説明するために概略的に図示した断面図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池セルブロックのモジュールの一例を説明するために概略的に図示した断面図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池モジュールの一例を説明するために概略的に図示した平面図である。 本発明の実施の形態に係る染料感応太陽電池モジュールの一例を説明するために概略的に図示した平面図である。

符号の説明

１１０ 第２基板
１３０ 第１基板
２１０，２３０ 伝導性フィルム
３００ 染料感応フィルム
４００ 電解質
５００ 電極
６００ 密閉部
８１０ 凸部
８１１ 第１ラッチ突起
８５０ 凹部
８５１ 第２ラッチ突起
１３１０ 第１セルブロック
１３２０ 第２セルブロック

Claims (4)

1. 相互対向に整列導入された透明な二つの第１基板と、
   少なくとも所定の一辺が前記第１基板間に位置し、前記所定の一辺とは反対側の他辺が前記第１基板間外部に位置するように前記第１基板に対して導入され、前記他辺が前記第１基板に対して相対的に突出した凸部をなし、前記凸部に対応する反対側では前記所定の一辺が前記第１基板に対して相対的に陥没されることにより前記第１基板部分が相対的に突出して凹部をなす透明な第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に空間を提供して導入された密閉部と、
   前記密閉部の内側に対向する前記第１基板又は前記第２基板の表面上にそれぞれ導入された透明な両電極と、
   前記両電極にそれぞれ対向して導入された透明な両染料感応フィルムと、
   前記染料感応フィルムと前記電極との間に導入された電解質と、
   前記基板と前記染料感応フィルムとの間及び前記基板と前記電極との間に導入され、前記密閉部外側に延在する透明な伝導性フィルムと、
   をそれぞれ備えている複数の太陽電池セルブロックが、
   いずれか一つのセルブロックの凹部に他の一つのセルブロックの凸部が挿入されて、相互に電気的に連結される形態で相互連結されたことを特徴とする染料感応太陽電池モジュール。
2. 前記第１基板及び前記第２基板は、等しい大きさの四角板形をなし、
   前記第２基板の一辺のみが、前記他辺として前記凸部をなすように前記第１基板に対して相対的に突出して導入されることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池モジュール。
3. 前記第１基板及び前記第２基板は、等しい大きさの四角板形をなし、
   前記第２基板の隣り合う二辺が、それぞれ前記他辺として前記凸部をなすように前記第１基板に対して相対的に突出して導入されることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池モジュール。
4. 前記伝導性フィルムのうちのいずれか一つである第１伝導性フィルムは、前記凸部をなす前記第２基板部分上に延在し、他の一つである第２伝導性フィルムは、前記凹部をなす前記第１基板部分上に延在し、
   前記太陽電池セルブロックのうちのいずれか一つである第１セルブロックの前記第１伝導性フィルムは、他の一つである第２セルブロックの前記第２伝導性フィルムに電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池モジュール。

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