JP4376707B2 - 透明太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池モジュール及びその製造方法に関し、より詳細には色素増感太陽電池基板の透明太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
色素増感太陽電池は、1991年スイスのグレッチェル(Gratzel)などによって発表された光電気化学太陽電池であって、値段が安くて10%程度のエネルギー変換効率を持つために、既存のシリコン太陽電池にとって代わる次世代太陽電池として脚光を浴びている。
色素増感太陽電池は色素分子が吸着され、ナノ結晶酸化物フィルムがコーティングされた透明の導電性電極、ナノ粒子金属プラチナフィルムがコーティングされた電極、及びヨード系酸化-還元電解質で構成される。
上記のように構成された色素増感太陽電池は、10ないし20nm大きさのナノ粒子酸化物を用いるために、透明なフィルムを製造できる特徴を持っている。色素増感太陽電池の出力を高めるためには、いくつかの単位セルを直列または並列で接続しなければならないが、単位セルが直列または並列で接続して、モジュールを構成する。今までモジュールは、内部で直列または並列で接続する方法を使用しているが、製造方法が容易でない。
ナノ結晶酸化物電極と光感応性色素を用いた色素増感太陽電池が知られている(特許文献1)。
ナノ粒子酸化物太陽電池等を導線で接続することなく直列または並列で結合した太陽電池モジュールが知られている(特許文献2)。
多結晶金属酸化物半導体層を含む光感応性色素電池が、記載されている(特許文献3)。
ガラス板または透明ポリマーシート上に蒸着された光伝達導電層を含む光ボルタ (Photovoltaic)電池が、記載されている(特許文献4)。
入射光が拡散することなく、可視領域の波長を持つ光の吸収が生じない光感応性色素電池が、記載されている(特許文献5)。
cis-X2Bis(2、2'-bipyridyl-4、4'-dicarboxylate)ruthenium(II)電荷転送感光剤による光電変換に対して記載されている(非特許文献1)。
ナノ結晶光ボルタ電池のために多重の厚いフィルム構造を用いたレポートがあった(非特許文献2)。
低電力消耗色素増感太陽電池のレポートがあった(非特許文献3)。
色素増感ナノ結晶チタニウム酸化物とカーボンパウダーを基板とする光ボルタ モジュールが、記載されている(非特許文献4)。
米国特許第5、084、365号
韓国特許第10-0384893号
米国特許第4、927、721号
米国特許第5、350、644号
米国特許第5、441、827号
M. K. Nazeeruddin et al., "Conversion of Light to Electricity by cis-X2Bis(2, 2'-bipyridyl-4, 4'-dicarboxylate)ruthenium(II) Charge-Transfer Sensitizers(X=Cl-, Br-, I-, CN-, and SCN-) on Nanocrystalline TiO2 Electrodes", J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, pp6382-6390
S.Burnside et al., "Deposition and Characterization of screen-printed porous multi-layer thick film structures from semiconducting and conducting nanomaterials for use in photovoltaic devices", Journal of Materials Science:Materials in Electronics 11, 2000, pp355-362
Henrik Pettersson et al., "Long-term stability of low-power dye-sensitised solar cells prepared by industrial methods", Solar Energy Materials & Solar Cells 70, 2001, pp203-212
Andreas Kay et al., "Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder"、Solar Energy Materials & Solar Cells 44, 1996, pp99-117
したがって、本発明は、透明基板に多数の導電性フィルムパターンをコーティングした後、導電性フィルムパターンに色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子プラチナ金属薄膜フィルムを交互にコーティングして下部及び上部電極板を各々形成することによって、前記の短所を解消できる透明太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することにその目的がある。
前記目的を達成するため、本発明に係る透明太陽電池モジュールは、
導電性基板にナノ粒子金属フィルムと色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムが交互にコーティングされてなる第１電極板と、
導電性基板に色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムが交互にコーティングされてなる第２電極板であって、前記第１電極板の前記ナノ粒子金属フィルムに対向するようにナノ結晶酸化物フィルムが配置され、前記第１電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルムに対向するようにナノ粒子金属フィルムが配置された第２電極板と、
前記第１及び第２電極板の接合により互いに対向する前記色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムとの間に各々注入された電解液と、
前記第１電極板または第２電極板の前記ナノ粒子金属フィルムと前記色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムの周囲にコーティングされた接着剤と、
前記対向する色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムからなる単位セルの陰極と陽極を、前記単位セルの周囲にコーティングされた前記接着剤で囲われた領域の外側で、直列接続する配線と、
を備えることを特徴とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る透明太陽電池モジュールの製造方法は、
透明基板にコーティングされた多数の導電性フィルムパターンにナノ結晶酸化物フィルム及びナノ粒子金属フィルムを交互にコーティングして第1電極板を製造するステップと、
前記第1電極板を熱処理した後、前記ナノ結晶酸化物フィルムに色素を吸着させるステップと、
透明基板にコーティングされた多数の導電性フィルムパターンにナノ粒子金属フィルム及びナノ結晶酸化物フィルムを交互にコーティングして第２電極板を製造するステップであって、前記第２電極板に前記第１電極板を接合した場合に、前記第１電極板の前記ナノ粒子金属フィルムに対向するように前記第２電極板にナノ結晶酸化物フィルムを配置し、前記第１電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルムに対向するように前記第２電極板にナノ粒子金属フィルムを配置する、ステップと、
前記第２電極板を熱処理した後、前記ナノ結晶酸化物フィルムに色素を吸着させるステップと、
前記第２電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルム周囲の前記導電性フィルムパターンに接着剤をコーティングするステップと、
前記第２電極板上に前記第１電極板を整列させて接合するステップと、
前記第２電極板と第１電極板の接合により互いに対向する前記ナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムとの間に電解液を注入するステップと、
前記対向するナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムからなる単位セルの陰極と陽極を、前記単位セルの周囲にコーティングされた前記接着剤で囲われた領域の外側で、配線で接続するステップと、
を備えることを特徴とする。
前記導電性基板は、ガラスまたはプラスチック基板であり、前記導電性フィルムは、SnO2:FまたはITOであることを特徴とする。
前記ナノ粒子金属は、プラチナであり、前記ナノ結晶酸化物は、10ないし15nmの粒子の大きさを持つチタニウム酸化物(TiO2)であることを特徴とする。
前記色素は、10ないし24時間の間に吸着させ、この際、前記ナノ粒子金属フィルムの表面に保護膜をコーティングして前記色素が吸着出来ないようにすることを特徴とする。
本発明は、単位セルを容易で、且つ簡単に直列または並列に接続できる透明色素増感太陽電池モジュールの製造方法を提供する。透明基板の導電性フィルムパターンに色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子プラチナ金属薄膜フィルムを交互にコーティングして下部及び上部電極板を各々製造する。前記下部及び上部電極板を接合し、色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子プラチナ金属薄膜フィルムとの間に電解質を注入した後、陰極と陽極を導電性物質(ペースト状、テープ状、ワイヤー状)で接続して透明太陽電池モジュールを製造する。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図1aないし図1dは、本発明に係る透明太陽電池モジュールの上部電極板製造過程を説明するための平面図である。
図1aを参照すれば、透明基板(10)上に導電性フィルム(11)をコーティングする。前記導電性フィルム(11)に一定の間隔でエッチング線を形成し、エッチング線に沿って導電性フィルム(11)を除去すれば、同じ幅の独立された導電性フィルムパターン(11)が残る。前記透明基板(10)は、ガラスまたはプラスチック基板を使用することができ、前記導電性フィルム(11)は、SnO2:F、ITOなどの導電性物質がコーティングされたフィルムを使用することができる。
図1bを参照すれば、前記導電性フィルムパターン(11)にナノ結晶酸化物フィルム(13)をコーティングする。この際、前記ナノ結晶酸化物フィルム(13)は、例えば、奇数番目の導電性フィルムパターン(11)にだけコーティングする。前記ナノ結晶酸化物(13)は、粒子の大きさが10ないし15nm程度であるチタニウム酸化物(TiO2)を用いる。
図1cを参照すれば、前記ナノ結晶酸化物フィルム(13)間の露出された前記導電性フィルムパターン(11)にナノ粒子金属フィルム(14)をコーティングする。この際、前記ナノ粒子金属フィルム(14)は、例えば、偶数番目の導電性フィルムパターン(11)にのみコーティングする。前記ナノ粒子金属(14)は、プラチナ(Pt)を用いる。
図1dを参照すれば、上記のように導電性フィルムパターン(11)にナノ結晶酸化物フィルム(13)とナノ粒子金属フィルム(14)が交互にコーティングされた上部電極板を450℃の温度で1時間程度熱処理し、前記ナノ結晶酸化物フィルム(13)に色素(15)を吸着させる。前記色素吸着は、10ないし24時間の間に実施し、この際、前記ナノ粒子金属フィルム(14)の表面には疏水性物質(真空、グリースなど)で保護膜をコーティングして色素が吸着出来ないようにする。
前記ナノ結晶酸化物フィルム(13)とナノ粒子金属フィルム(14)をコーティングする時、前記導電性フィルムパターン(11)の一部、例えば、上部面に電極接続のための空間部(A部分)が形成されるように前記ナノ結晶酸化物フィルム(13)とナノ粒子金属フィルム(14)を導電性フィルムパターン(11)の下部面に整列させてコーティングする。
図2aないし図2dは、本発明に係る太陽電池モジュールの下部電極板製造過程を説明するための平面図である。
図2aを参照すれば、透明基板(20)上に導電性フィルム(21)をコーティングする。前記導電性フィルム(21)に一定の間隔でエッチング線を形成し、エッチング線に沿って導電性フィルム(21)を除去すれば、同じ幅の独立された導電性フィルムパターン(21)が残る。前記透明基板(20)は、ガラスまたはプラスチック基板を使用することができ、前記導電性フィルム(21)は、SnO2:F、ITOなどの導電性物質がコーティングされたフィルムを使用することができる。前記透明基板(20)の大きさと前記導電性フィルムパターン(21)の幅と間隔は、前記上部電極板と同一にする。
図2bを参照すれば、前記導電性フィルムパターン(21)にナノ結晶酸化物フィルム(23)をコーティングする。この際、前記ナノ結晶酸化物フィルム(23)は、例えば、偶数番目の前記導電性フィルムパターン(21)にだけコーティングし、前記上部電極板にコーティングされた前記ナノ結晶酸化物フィルム(13)と重畳しないようにする。前記ナノ結晶酸化物(23)は粒子の大きさが10ないし15nm程度であるチタニウム酸化物(TiO2)を用いる。
図2cを参照すれば、前記ナノ結晶酸化物フィルム(23)間の露出された前記導電性フィルムパターン(21)にナノ粒子金属フィルム(24)をコーティングする。この際、前記ナノ粒子金属フィルム(24)は、例えば、奇数番目の導電性フィルムパターン(21)にだけコーティングして前記上部電極板にコーティングされた前記ナノ粒子金属フィルム(14)と重畳しないようにする。前記ナノ粒子金属(24)は、プラチナ(Pt)を用いる。
図2dを参照すれば、上記のように導電性フィルムパターン(21)にナノ結晶酸化物フィルム(23)とナノ粒子金属フィルム(24)が交互にコーティングされた下部電極板を450℃の温度で1時間程度熱処理し、前記ナノ結晶酸化物フィルム(23)に色素(25)を吸着させる。前記色素吸着は、10ないし24時間の間に実施し、この際、前記ナノ粒子金属フィルム(24)の表面には疏水性物質(真空、グリース など)で保護膜をコーティングして色素が吸着出来ないようにする。
前記ナノ結晶酸化物フィルム(23)とナノ粒子金属フィルム(24)をコーティングする時、前記導電性フィルムパターン(21)の一部、例えば、下部面に電極接続のための空間部(B部分)が形成されるように前記ナノ結晶酸化物フィルム(23)とナノ粒子金属フィルム(24)を下部面に整列させてコーティングする。すなわち、前記上部電極板と下部電極板には互いに非対称に電極連結のための空間部(A及びB)が形成されなければならない。
図3aないし図3eは、上記のように製作された上部電極板と下部電極板を結合して透明太陽電池モジュールを完成する過程を説明するための平面図である。
図3aを参照すれば、図2dのように製造された下部電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルム(23)とナノ粒子金属フィルム(24)の周囲の前記導電性フィルムパターン(21)に接着剤(31)をコーティングする。前記接着剤(31)は、熱融着高分子フィルムまたはペーストを使用する。
図3bを参照すれば、上記のように接着剤(31)がコーティングされた下部電極板上に図1dのように製造された上部電極板を整列させて接合する。前記下部電極板と上部電極板の接合により互いに対向するナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムとからなるいくつかの単位セル(32)等が形成される。
図3cを参照すれば、前記下部電極板と上部電極板との間に電解液を注入する。前記単位セル(32)のナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムとの間に電解液(33)を注入する。
図3dを参照すれば、前記単位セル(32)の陰極と陽極を金属(Ag、Pt、炭素、Au、Vu、半田づけ用鉛等)ペースト、テープまたはワイヤーなどのような導電性材質の配線(34)で直列接続する。
図4は、図3dのように製造された透明太陽電池モジュールの断面を示す。
色素が表面に吸着されたナノ結晶酸化物フィルム(13)とナノ粒子金属フィルム(14)が透明基板(10)の導電性フィルムパターン(11)に交互にコーティングされた上部電極板と、色素が表面に吸着されたナノ結晶酸化物フィルム(23)とナノ粒子金属フィルム(24)が透明基板(20)の導電性フィルムパターン(21)に交互にコーティングされた下部電極板が互いに接合される。前記下部電極板と上部電極板とは、前記ナノ粒子金属フィルム(14、24)と色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルム(13、23)の周囲にコーティングされた接着剤(31)により接合される。
前記下部電極板と上部電極板の接合により互いに対向する前記色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルム(13、23)とナノ粒子金属フィルム(14、24)との間の前記接着剤(31)により囲まれた空間には、電解液(33)が各々注入される。前記対向する色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルム(13、23)とナノ粒子金属フィルム(14、24)とからなる単位セル(32)等の陰極と陽極は、導電性材質の配線(34)で直列接続される。
上述した通り、本発明は、透明基板の導電性フィルムパターンに色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子プラチナ金属薄膜フィルムを交互にコーティングして下部及び上部電極板を各々製造する。前記下部電極板と上部電極板を接合した後、互いに対向する色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子プラチナ金属薄膜フィルムとの間に電解質を注入して単位セルを構成させる。前記複数の単位セルの陰極と陽極を導電性物質で接続して透明太陽電池モジュールを製造する。したがって、本発明によれば、直列または並列接続が容易で、且つ簡単な透明太陽電池モジュールを製造できる。
本発明に係る透明太陽電池モジュールの上部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの上部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの上部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの上部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの下部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの下部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの下部電極板製造過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールの下部電極板製造過程を説明するための平面図である。 図1dのように製造された上部電極板と、図2dのように製造された下部電極板を接合して透明太陽電池モジュールを完成する過程を説明するための平面図である。 図1dのように製造された上部電極板と、図2dのように製造された下部電極板を接合して透明太陽電池モジュールを完成する過程を説明するための平面図である。 図1dのように製造された上部電極板と、図2dのように製造された下部電極板を接合して透明太陽電池モジュールを完成する過程を説明するための平面図である。 図1dのように製造された上部電極板と、図2dのように製造された下部電極板を接合して透明太陽電池モジュールを完成する過程を説明するための平面図である。 本発明に係る透明太陽電池モジュールを説明するための断面図である。
符号の説明
１０、２０ 透明基板
１１、２１ 導電性フィルム
１３、２３ ナノ結晶酸化物フィルム
１４、２４ ナノ粒子金属フィルム
１５、２５ 色素
３１ 接着剤
３２ 単位セル
３３ 電解液
３４ 配線

Claims (13)

  1. 導電性基板にナノ粒子金属フィルムと色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムが交互にコーティングされてなる第１電極板と、
    導電性基板に色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムが交互にコーティングされてなる第２電極板であって、前記第１電極板の前記ナノ粒子金属フィルムに対向するようにナノ結晶酸化物フィルムが配置され、前記第１電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルムに対向するようにナノ粒子金属フィルムが配置された第２電極板と、
    前記第１及び第２電極板の接合により互いに対向する前記色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムとの間に各々注入された電解液と、
    前記第１電極板または第２電極板の前記ナノ粒子金属フィルムと前記色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムの周囲にコーティングされた接着剤と、
    前記対向する色素が吸着されたナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムからなる単位セルの陰極と陽極を、前記単位セルの周囲にコーティングされた前記接着剤で囲われた領域の外側で、直列接続する配線と、
    を備えることを特徴とする、透明太陽電池モジュール。
  2. 前記接着剤は、熱融着高分子フィルムまたはペーストであることを特徴とする、請求項１記載の透明太陽電池モジュール。
  3. 前記導電性基板は、ガラスまたはプラスチックからなる透明基板に導電性フィルムがコーティングされたことを特徴とする、請求項１記載の透明太陽電池モジュール。
  4. 前記ナノ粒子金属は、プラチナであり、前記ナノ結晶酸化物は、10ないし15nmの粒子の大きさを持つチタニウム酸化物(TiO2)であることを特徴とする、 請求項１記載の透明太陽電池モジュール。
  5. 前記配線は、前記導電性基板に形成されたことを特徴とする、 請求項１記載の透明太陽電池モジュール。
  6. 隣接する前記単位セルの前記接着剤は、互いに離間している、ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の透明太陽電池モジュール。
  7. 透明基板にコーティングされた多数の導電性フィルムパターンにナノ結晶酸化物フィルム及びナノ粒子金属フィルムを交互にコーティングして第1電極板を製造するステップと、
    前記第1電極板を熱処理した後、前記ナノ結晶酸化物フィルムに色素を吸着させるステップと、
    透明基板にコーティングされた多数の導電性フィルムパターンにナノ粒子金属フィルム及びナノ結晶酸化物フィルムを交互にコーティングして第２電極板を製造するステップであって、前記第２電極板に前記第１電極板を接合した場合に、前記第１電極板の前記ナノ粒子金属フィルムに対向するように前記第２電極板にナノ結晶酸化物フィルムを配置し、前記第１電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルムに対向するように前記第２電極板にナノ粒子金属フィルムを配置する、ステップと、
    前記第２電極板を熱処理した後、前記ナノ結晶酸化物フィルムに色素を吸着させるステップと、
    前記第２電極板の前記ナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルム周囲の前記導電性フィルムパターンに接着剤をコーティングするステップと、
    前記第２電極板上に前記第１電極板を整列させて接合するステップと、
    前記第２電極板と第１電極板の接合により互いに対向する前記ナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムとの間に電解液を注入するステップと、
    前記対向するナノ結晶酸化物フィルムとナノ粒子金属フィルムからなる単位セルの陰極と陽極を、前記単位セルの周囲にコーティングされた前記接着剤で囲われた領域の外側で、配線で接続するステップと、
    を備えることを特徴とする、透明太陽電池モジュールの製造方法。
  8. 前記導電性基板はガラスまたはプラスチック基板であり、前記導電性フィルムはSnO2:FまたはITOであることを特徴とする、請求項７記載の透明太陽電池モジュールの製造方法。
  9. 前記ナノ粒子金属はプラチナであり、前記ナノ結晶酸化物は10ないし15nmの粒子の大きさを持つチタニウム酸化物(TiO2)であることを特徴とする、請求項７記載の透明太陽電池モジュールの製造方法。
  10. 前記色素は、10ないし24時間の間に吸着させ、この際、前記ナノ粒子金属フィルムの表面に保護膜をコーティングして前記色素が吸着されないようにすることを特徴とする、請求項７記載の透明太陽電池モジュールの製造方法。
  11. 前記接着剤は、熱融着高分子フィルムまたはペーストであることを特徴とする、請求項７記載の透明太陽電池モジュールの製造方法。
  12. 前記配線は、導電性の金属ペースト、テープまたはワイヤーであることを特徴とする、請求項７記載の透明太陽電池モジュールの製造方法。
  13. 隣接する前記単位セルの前記接着剤が、互いに離間するように、前記接着剤はコーティングされる、ことを特徴とする請求項７乃至請求項１２のいずれかに記載の透明太陽電池モジュール。
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