JP4606754B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感太陽電池等の光電変換素子に関し、特に作用極と対極とが、電解質を挟み込んだ状態で重ね合わされてなる積層体を複数、筐体内に配列して密封封止した光電変換素子に関する。
近年、安価でかつ高い変換効率が得られる光電変換素子として、色素増感型太陽電池が着目されている。
図５は、従来の色素増感型太陽電池１０１の一例を示す平面図であり、図６は、図５中、ＢＢ線断面図である。
この色素増感型太陽電池１０１は、一対の電極と、その間に挟まれた電解質とからなる単体の色素増感太陽電池（以下、単セルと言う。）１０９を複数備え、これら単セル１０９が筐体１０３内に配置された状態で収容されたものである。
前記単セル１０９は、多孔質酸化物半導体層１２１ａが設けられたガラス等からなる作用極１２１と、この作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａに対向して設けられた対極１２２とを備えている。ここで、多孔質酸化物半導体層１２１ａは、酸化チタン等の酸化物半導体微粒子の表面に光増感色素が吸着されたものからなる。
これら作用極１２１と対極１２２との間には、電解液から構成された電解質層１２３が設けられている。
この単セル１０９においては、前記作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａに太陽光等の光が入射すると、作用極１２１と対極１２２との間に起電力が生じるようになっている。
図５は、従来の色素増感型太陽電池１０１の一例を示す平面図であり、図６は、図５中、ＢＢ線断面図である。
この色素増感型太陽電池１０１は、一対の電極と、その間に挟まれた電解質とからなる単体の色素増感太陽電池（以下、単セルと言う。）１０９を複数備え、これら単セル１０９が筐体１０３内に配置された状態で収容されたものである。
前記単セル１０９は、多孔質酸化物半導体層１２１ａが設けられたガラス等からなる作用極１２１と、この作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａに対向して設けられた対極１２２とを備えている。ここで、多孔質酸化物半導体層１２１ａは、酸化チタン等の酸化物半導体微粒子の表面に光増感色素が吸着されたものからなる。
これら作用極１２１と対極１２２との間には、電解液から構成された電解質層１２３が設けられている。
この単セル１０９においては、前記作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａに太陽光等の光が入射すると、作用極１２１と対極１２２との間に起電力が生じるようになっている。
このような構造の単セル１０９を組み立てる場合、まず作用極１２１と対極１２２との外周部にシール層１９１となるホットメルト接着剤等を設けた後、これら作用極１２１と対極１２２を重ねた状態で、加熱加圧してホットメルト接着剤を溶融し、作用極１２１と対極１２２とをシール層１９１で貼り合わせ、密閉した空間を形成する。そして、対極１２２に予め設けられた注入口１９２より作用極１２１と対極１２２間に電解液を注入して充填し電解質層１２３を形成することで単セル１０９が組み立てられる。
前記単セル１０９が収容されている筐体１０３は、箱体１３１と、ガラス等の透光性材料からなる蓋体１３２とから構成されている。
単セル１０９は、その外周部に集電配線部１０５が設けられ、単セル１０９間の集電配線部１０５が導電体で電気的に接続された状態で、２次元的に箱体１３１内に並べられて配置されている。
また、単セル１０９は、その作用極１２１を上方（蓋体１３２の面側）に向けた状態で収容されており、この作用極１２１に当接するように蓋体１３２が設けられている。この蓋体１３２の上面が太陽光等の光の受光面１１１となる。
また、この蓋体１３２によって、単セル１０９は箱体１３１の底面に向かって押圧されている。
このような色素増感型太陽電池１０１としては、例えば特許文献１等が挙げられる。
特開２００２−１８４４７８号公報
単セル１０９は、その外周部に集電配線部１０５が設けられ、単セル１０９間の集電配線部１０５が導電体で電気的に接続された状態で、２次元的に箱体１３１内に並べられて配置されている。
また、単セル１０９は、その作用極１２１を上方（蓋体１３２の面側）に向けた状態で収容されており、この作用極１２１に当接するように蓋体１３２が設けられている。この蓋体１３２の上面が太陽光等の光の受光面１１１となる。
また、この蓋体１３２によって、単セル１０９は箱体１３１の底面に向かって押圧されている。
このような色素増感型太陽電池１０１としては、例えば特許文献１等が挙げられる。
前記した色素増感型太陽電池１０１では、以下に示された問題があった。
（１）太陽光等の光は、蓋体１３２を透過して作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａに達するため、光の一部が蓋体１３２によって吸収されて光強度が低下し、この光強度が低下した分、発電効率が低下してしまう問題がある。
（１）太陽光等の光は、蓋体１３２を透過して作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａに達するため、光の一部が蓋体１３２によって吸収されて光強度が低下し、この光強度が低下した分、発電効率が低下してしまう問題がある。
（２）蓋体１３２は、平板から構成され、その外周部でのみ箱体１３１と接した状態で箱体１３１に固定されている。このため、色素増感型太陽電池１０１が大面積化すると、蓋体１３２はたわみ易くなり、図７に示されたように蓋体１３２の中央部が盛り上がるように蓋体１３２が反った状態となる場合がある。この蓋体１３２のたわみによって、蓋体１３２から単セル１０９に加えられる押圧力にばらつきが生じる。
単セル１０９の作用極１２１と対極１２２間の距離は、蓋体１３２から受ける押圧力によって左右される。このため、蓋体１３２がたわみ、単セル１０９に加わる押圧力にばらつきが生じると、単セル１０９の作用極１２１と対極１２２間の距離に差が生じることとなり、発電効率が変動してしまう場合がある。
また、図７に示されたように蓋体１３２が反った状態となると、蓋体１３２の中心近傍と対向した位置に配置された単セル１０９と、蓋体１３２の外周部近傍と対向した位置に配置された単セル１０９とでは、蓋体１３２によって押圧される押圧力に差が生じ、これにより単セル１０９の作用極１２１と対極１２２間の距離に差が生じることとなる。このため、単セル１０９の配置位置によって発電効率にばらつきが生じてしまう場合がある。
単セル１０９の作用極１２１と対極１２２間の距離は、蓋体１３２から受ける押圧力によって左右される。このため、蓋体１３２がたわみ、単セル１０９に加わる押圧力にばらつきが生じると、単セル１０９の作用極１２１と対極１２２間の距離に差が生じることとなり、発電効率が変動してしまう場合がある。
また、図７に示されたように蓋体１３２が反った状態となると、蓋体１３２の中心近傍と対向した位置に配置された単セル１０９と、蓋体１３２の外周部近傍と対向した位置に配置された単セル１０９とでは、蓋体１３２によって押圧される押圧力に差が生じ、これにより単セル１０９の作用極１２１と対極１２２間の距離に差が生じることとなる。このため、単セル１０９の配置位置によって発電効率にばらつきが生じてしまう場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた発電効率が得られ、かつ発電効率の変動が抑えられ、また光電変換素子の受光面の全面において発電効率のばらつきがほとんど無い光電変換素子を提供することを目的とする。
請求項１にかかる発明は、作用極と対極とが、これら作用極と対極間に電解質層が挟まれた状態で重ね合わされて構成されている積層体を複数、筐体内に２次元的に配列して封止した光電変換素子であって、前記筐体は、裏板と、該裏板の外周部に設けた枠体とから構成され、前記枠体は、側壁部と、前記裏板に対向して配置され前記積層体を前記裏板方向に押圧する窓枠部とから構成され、前記窓枠部は、前記積層体の外周部に設けられた集電配線部の位置に対応した領域に設けられていることを特徴とする光電変換素子である。
請求項２にかかる発明は、前記側壁部が前記裏板に対して着脱可能であるか、又は前記窓枠部が前記側壁部に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子である。
請求項３にかかる発明は、前記積層体と前記裏板との間に弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子である。
請求項２にかかる発明は、前記側壁部が前記裏板に対して着脱可能であるか、又は前記窓枠部が前記側壁部に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子である。
請求項３にかかる発明は、前記積層体と前記裏板との間に弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子である。
窓枠部が、集電配線部の位置に対応した領域に設けられたことによって、開口部を介して作用極の多孔質酸化物半導体層が外方に露出したまま、窓枠部によって各積層体を裏板方向に押圧することができる。窓枠部は、各積層体の外周部に設けられた集電配線部の位置に対応した領域に当接して積層体を裏板方向に押圧するため、押圧力は各積層体の外周部近傍を中心に加わることになる。
このため、各積層体に加わる押圧力をほぼ一定とすることができ、色素増感型太陽電池の受光面の全面に渡って作用極と対極間の距離がほぼ一定となり、発電効率のばらつきを抑制できる。
また、窓枠部には、框部に中桟部が連設されたことによって、窓枠部は、ねじれ強度に優れ、従来の同重量の平板状の蓋体に比べて反り難く、この窓枠部の変形による押圧力の変動を抑えることができ、各積層体において作用極と対極間の距離の変動が抑えられ、ほぼ一定の発電効率が得られる。
このため、各積層体に加わる押圧力をほぼ一定とすることができ、色素増感型太陽電池の受光面の全面に渡って作用極と対極間の距離がほぼ一定となり、発電効率のばらつきを抑制できる。
また、窓枠部には、框部に中桟部が連設されたことによって、窓枠部は、ねじれ強度に優れ、従来の同重量の平板状の蓋体に比べて反り難く、この窓枠部の変形による押圧力の変動を抑えることができ、各積層体において作用極と対極間の距離の変動が抑えられ、ほぼ一定の発電効率が得られる。
また、窓枠部によって積層体が裏板方向に押圧されるようになっており、作用極と対極とを、その間に電解液又はゲル状の電解質を挟み込んだ状態で重ね合わせ、窓枠部によって積層体を裏板方向に押圧した状態で、枠体と裏板の外周部とを固定することによって、積層体を筐体内に一括して密封封止できる。このため、従来のように作用極と対極とがシール層で貼り合わせられた単セルを用いる必要が無く、色素増感型太陽電池の受光面を有効に利用できる。
更に、窓枠部の開口部を介して作用極の多孔質酸化物半導体層が外方に露出されたことによって、色素増感型太陽電池の受光面に対する多孔質酸化物半導体層の面積比を大きくとることができ、色素増感型太陽電池の受光面を更に有効に利用できる。
更に、窓枠部の開口部を介して作用極の多孔質酸化物半導体層が外方に露出されたことによって、色素増感型太陽電池の受光面に対する多孔質酸化物半導体層の面積比を大きくとることができ、色素増感型太陽電池の受光面を更に有効に利用できる。
また、窓枠部の開口部を介して作用極の多孔質酸化物半導体層が外方に露出されたことによって、太陽光等の光を、直接、作用極に入射させて多孔質酸化物半導体層に吸収させることができ、従来のように光が蓋体を透過して作用極に入射する構成とは異なり、光の強度が減少することが無く、従来に比べて発電効率を向上させることができる。
以下、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光電変換素子の一例として色素増感型太陽電池を示す平面図であり、図２は、図１中、ＡＡ線断面図である。
この色素増感型太陽電池１は、複数の積層体２が筐体３内の一平面に配列した状態で封止されたものである。
前記積層体２は、一方の面に多孔質酸化物半導体層２１ａが設けられた作用極２１と、この多孔質酸化物半導体層２１ａに対向配置された対極２２とが、これら作用極２１と対極２２間に電解質層（図示省略。）が挟み込まれた状態で重ね合わされたものである。
図１は、本発明の光電変換素子の一例として色素増感型太陽電池を示す平面図であり、図２は、図１中、ＡＡ線断面図である。
この色素増感型太陽電池１は、複数の積層体２が筐体３内の一平面に配列した状態で封止されたものである。
前記積層体２は、一方の面に多孔質酸化物半導体層２１ａが設けられた作用極２１と、この多孔質酸化物半導体層２１ａに対向配置された対極２２とが、これら作用極２１と対極２２間に電解質層（図示省略。）が挟み込まれた状態で重ね合わされたものである。
前記作用極２１は、ガラス基板、透光性プラスチックフィルム等の透明基板２１ｂと、この透明基板２１ｂ上に設けられたスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明導電膜２１ｃと、透明導電膜２１ｃ上に設けられた多孔質酸化物半導体層２１ａとから構成されている。
前記多孔質酸化物半導体層２１ａは、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）等の酸化物半導体微粒子の表面にビピリジン、ターピリジン等の配位子を有するルテニウム錯体等の増感色素が吸着されたものからなる。
また、対極２２は、導電性基板であり、ガラス基板等の基板２２ａ上に、白金やカーボン等の金属等からなる薄膜の導電膜２２ｂが形成されたものである。
前記多孔質酸化物半導体層２１ａは、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）等の酸化物半導体微粒子の表面にビピリジン、ターピリジン等の配位子を有するルテニウム錯体等の増感色素が吸着されたものからなる。
また、対極２２は、導電性基板であり、ガラス基板等の基板２２ａ上に、白金やカーボン等の金属等からなる薄膜の導電膜２２ｂが形成されたものである。
前記作用極２１と対極２２との間に挟み込まれた電解質層（図示省略。）は、ヨウ素・ヨウ化物イオン、ターシャリーブチルピリジン等の電解質成分が、エチレンカーボネートやメトキシアセトニトリル等の有機溶媒に溶解されている電解液や、前記電解液に、ゲル化剤として、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキシド誘導体、アミノ酸誘導体等が添加されてゲル化しているゲル状の電解質等から構成されている。
電解質層を構成する電解液又はゲル状の電解質の大部分は、作用極２１の多孔質酸化物半導体層の空隙部に含浸されている。これにより、多孔質酸化物半導体層２１ａの表面は、電解液又はゲル状の電解質によって被覆された状態となる。
また、電解質層を構成する電解液又はゲル状の電解質は、多孔質酸化物半導体層２１ａを構成する酸化物半導体微粒子の粒子間の隙間の毛細管現象により積層体２の外周部からこぼれ出ることはない。
この積層体２においては、透明基板２１ｂ側から太陽光等の光が入射すると、作用極２１と対極２２との間に起電力が生じるようになっている。
また、電解質層を構成する電解液又はゲル状の電解質は、多孔質酸化物半導体層２１ａを構成する酸化物半導体微粒子の粒子間の隙間の毛細管現象により積層体２の外周部からこぼれ出ることはない。
この積層体２においては、透明基板２１ｂ側から太陽光等の光が入射すると、作用極２１と対極２２との間に起電力が生じるようになっている。
前記作用極２１の外周部には、集電配線部５が設けられている。この集電配線部５は、透明基板２１ｂ上に、導電性粉末を含有する導電性ペーストが塗布乾燥されて形成された導電膜、白金やカーボン等の金属等からなる薄膜、半田付けにより形成された配線等から構成され、透明導電膜２１ｃに電気的に接続されたものである。
この集電配線部５を介して、積層体２と、筐体３に設けられた外部接続用端子（図示省略。）とが電気的に接続できるようになっている。
ここで、隣接する積層体２において、隣り合う透明導電膜２１ｃや集電配線部５の間には、後述する弾性部材４１等の絶縁性材料が設けられ、隣接する積層体２間でこれらの透明導電膜２１ｃ同士、また集電配線部５同士が互いに電気的に接触しないようになっている。
この集電配線部５を介して、積層体２と、筐体３に設けられた外部接続用端子（図示省略。）とが電気的に接続できるようになっている。
ここで、隣接する積層体２において、隣り合う透明導電膜２１ｃや集電配線部５の間には、後述する弾性部材４１等の絶縁性材料が設けられ、隣接する積層体２間でこれらの透明導電膜２１ｃ同士、また集電配線部５同士が互いに電気的に接触しないようになっている。
前記積層体２が収容されている筐体３は、ステンレス等の金属板やプラスチック等の合成樹脂製の平板等から構成された裏板３１と、この裏板３１の外周部に設けられた枠体３２とから構成されている。
枠体３２は、裏板３１の外周部の全域に渡って裏板３１に対して略垂直に突設された側壁部３２ａと、裏板３１に対向するように配置された窓枠部３２ｂとから構成されている。前記窓枠部３２ｂは、側壁部３２ａの上端部から積層体２側に向けて延びて側壁部３２ａと一体に形成されており、例えばステンレス等の金属板を折り曲げ成形したものやプラスチック等の合成樹脂製のもの等が適用できる。
前記枠体３２を構成する側壁部３２ａと、裏板３１の外周部とは、エポキシ系接着剤等の剥離可能な接着剤によって着脱可能に接着、固定されている。例えば、裏板３１と側壁部３２ａとの接着部分に、硬く鋭利な先端部を備えた治具を差し込むことによって、前記接着剤は剥離し、裏板３１と側壁部３２ａとを分離させることができる。
枠体３２は、裏板３１の外周部の全域に渡って裏板３１に対して略垂直に突設された側壁部３２ａと、裏板３１に対向するように配置された窓枠部３２ｂとから構成されている。前記窓枠部３２ｂは、側壁部３２ａの上端部から積層体２側に向けて延びて側壁部３２ａと一体に形成されており、例えばステンレス等の金属板を折り曲げ成形したものやプラスチック等の合成樹脂製のもの等が適用できる。
前記枠体３２を構成する側壁部３２ａと、裏板３１の外周部とは、エポキシ系接着剤等の剥離可能な接着剤によって着脱可能に接着、固定されている。例えば、裏板３１と側壁部３２ａとの接着部分に、硬く鋭利な先端部を備えた治具を差し込むことによって、前記接着剤は剥離し、裏板３１と側壁部３２ａとを分離させることができる。
前記裏板３１上には、ポリウレタン、ポリエチレン、ゴムスポンジ等から構成されたシート状の弾性部材４１が設けられている。この弾性部材４１上には、複数の積層体２が、互いに接するように２次元的に並べられて配置されている。ここで、図１では、２点鎖線は、積層体２間の境界線を示している。
これら積層体２は、その作用極２１が上方に向くように設けられており、窓枠部３２ｂ上方から入射した太陽光等の光を多孔質酸化物半導体層２１ａが吸収して起電力が生じるようになっている。
この積層体２の作用極２１の透明基板２１ｂが、色素増感型太陽電池１の受光面１１となる。
なお、側壁部３２ａと積層体２間には、隙間ができないように前記弾性部材４１や、シリコーンオイル等の隙間充填材４２等が設けられていても構わない。
これら積層体２は、その作用極２１が上方に向くように設けられており、窓枠部３２ｂ上方から入射した太陽光等の光を多孔質酸化物半導体層２１ａが吸収して起電力が生じるようになっている。
この積層体２の作用極２１の透明基板２１ｂが、色素増感型太陽電池１の受光面１１となる。
なお、側壁部３２ａと積層体２間には、隙間ができないように前記弾性部材４１や、シリコーンオイル等の隙間充填材４２等が設けられていても構わない。
前記枠体３２を構成する窓枠部３２ｂは、側壁部３２ａの上端部から積層体２側に向けて延びた框部３２ｃと、框部３２ｃに連接された中桟部３２ｄとから構成されている。框部３２ｃは、側壁部３２ａに接する集電配線部５の位置に対応した領域に設けられている。また、中桟部３２ｄは、隣接する積層体２の境界近傍の集電配線部５の位置に対応した領域に設けられている。
一例として、図１、図２に示された色素増感型太陽電池１では、矩形状の積層体２が、その外周部に集電配線部５が設けられた状態で、矩形状の裏板３１上に隙間無く２次元的に配置されている。この積層体２の外周部に設けられた集電配線部５の位置に対応した領域に、中桟部３２ｄがマトリクス状に框部３２ｃに連設されて設けられている。
窓枠部３２ｂを構成する框部３２ｃと中桟部３２ｄによって囲まれた領域は、開口部３２ｅとなり、この開口部３２ｅは、積層体２の作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａの位置に対応した領域に設けられることになる。
このため、作用極２１の透明基板２１ｂのうち、多孔質酸化物半導体層２１ａの位置に対応する領域は、窓枠部３２ｂの開口部３２ｅを介して外方に露出した状態となる。
このため、作用極２１の透明基板２１ｂのうち、多孔質酸化物半導体層２１ａの位置に対応する領域は、窓枠部３２ｂの開口部３２ｅを介して外方に露出した状態となる。
また、前記窓枠部３２ｂは、裏板３１上に配置された複数の積層体２と当接しており、この窓枠部３２ｂによって積層体２が裏板３１に向かって押圧されるようになっている。
なお、窓枠部３２ｂと積層体２の作用極２１との接触面には、Ｏリング等のシール材が設けられていても構わない。シール材が設けられたことによって、窓枠部３２ｂと積層体２の作用極２１との密封性を高めることができる。
なお、窓枠部３２ｂと積層体２の作用極２１との接触面には、Ｏリング等のシール材が設けられていても構わない。シール材が設けられたことによって、窓枠部３２ｂと積層体２の作用極２１との密封性を高めることができる。
複数の積層体２を筐体３内に封止して色素増感型太陽電池１を形成する方法について、以下に例示する。
多孔質酸化物半導体層２１ａが設けられた作用極２１と対極２２を用意する。この作用極２１は、公知の方法で製造でき、例えば、透明基板２１ｂ上に透明導電膜２１ｃをスパッタ法等により形成した後、酸化物半導体微粒子を含有するペーストを透明導電膜２１ｃ上に塗布して加熱処理することで製造できる。
そして、作用極２１の外周部に集電配線部５を形成する。
多孔質酸化物半導体層２１ａが設けられた作用極２１と対極２２を用意する。この作用極２１は、公知の方法で製造でき、例えば、透明基板２１ｂ上に透明導電膜２１ｃをスパッタ法等により形成した後、酸化物半導体微粒子を含有するペーストを透明導電膜２１ｃ上に塗布して加熱処理することで製造できる。
そして、作用極２１の外周部に集電配線部５を形成する。
前記作用極２１の多孔質酸化物半導体２１ａの表面又は対極２２の表面に、電解液又はゲル状の電解質を、滴下、塗布することによって設ける。そして、作用極２１と対極２２とを、その間に電解液又はゲル状の電解質を挟み込んだ状態で重ね合わせて積層体２を形成する。
裏板３１上に弾性部材４１を設け、この弾性部材４１上に、複数の積層体２をその対極２２が弾性部材４１に向いた状態で配置する。導線（図示省略。）等を対極２２と電気的に接続し、この導線を筐体３に設けられた外部接続用端子（図示省略。）に電気的に接続する。
なお、集電配線部５の位置に対応する領域に隙間充填材４２を設けておいても構わない。
裏板３１上に弾性部材４１を設け、この弾性部材４１上に、複数の積層体２をその対極２２が弾性部材４１に向いた状態で配置する。導線（図示省略。）等を対極２２と電気的に接続し、この導線を筐体３に設けられた外部接続用端子（図示省略。）に電気的に接続する。
なお、集電配線部５の位置に対応する領域に隙間充填材４２を設けておいても構わない。
次に、集電配線部５の位置に対応した領域に框部３２ｃと中桟部３２ｄとが設けられた窓枠部３２ｂと、側壁部３２ａとから構成された枠体３２を用意し、枠体３２の窓枠部３２ｂを作用極２１に当接させ、窓枠部３２ｂによって積層体２を裏板３１方向に押圧した状態で、枠体３２と裏板３１の外周部とを剥離可能な接着剤によって着脱可能に接着、固定する。
この窓枠部３２ｂによる押圧力によって、電解液又はゲル状の電解質は、作用極２１と対極２２の表面全面に行き渡り、また電解液又はゲル状の電解質が、作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａの多孔質の内部の酸化物半導体表面まで行き渡る。
積層体２を筐体３内に隙間無く密封封止できるように、予め枠体３２の大きさが調整されており、積層体２は、枠体３２の窓枠部３２ｂによって裏板３１方向に押圧された状態で、枠体３２の側壁部３２ａの全周に渡って隙間無く密封封止される。
この窓枠部３２ｂによる押圧力によって、電解液又はゲル状の電解質は、作用極２１と対極２２の表面全面に行き渡り、また電解液又はゲル状の電解質が、作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａの多孔質の内部の酸化物半導体表面まで行き渡る。
積層体２を筐体３内に隙間無く密封封止できるように、予め枠体３２の大きさが調整されており、積層体２は、枠体３２の窓枠部３２ｂによって裏板３１方向に押圧された状態で、枠体３２の側壁部３２ａの全周に渡って隙間無く密封封止される。
この例によると、窓枠部３２ｂが、側壁部３２ａに接する集電配線部５の位置に対応した領域に設けられた框部３２ｃと、隣接する積層体２の境界近傍の集電配線部５の位置に対応した領域に設けられた中桟部３２ｄとから構成されたことによって、この框部３２ｃと中桟部３２ｄによって囲まれた開口部３２ｅを介して作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａが外方に露出したまま、框部３２ｃと中桟部３２ｄによって各積層体２を裏板３１方向に押圧することができる。
窓枠部３２ｂは、各積層体２の外周部に設けられた集電配線部５の位置に対応した領域に当接して積層体２を裏板３１方向に押圧するため、押圧力は各積層体２の外周部近傍を中心に加わることになる。
このため、積層体２の配置位置が、裏板３１の外周部近傍であるか又は裏板３１の中央近傍であるかに関わらず、各積層体２に加わる押圧力をほぼ一定とすることができる。これにより色素増感型太陽電池１の受光面１１の全面に渡って作用極２１と対極２２間の距離がほぼ一定となり、発電効率のばらつきを抑制できる。
また、窓枠部３２ｂには、框部３２ｃに中桟部３２ｄが連設されたことによって、窓枠部３２ｂは、ねじれ強度に優れ、従来の同重量の平板状の蓋体に比べて反り難く、この窓枠部３２ｂの変形による押圧力の変動を抑えることができ、各積層体２において作用極２１と対極２２間の距離の変動が抑えられ、ほぼ一定の発電効率が得られる。
窓枠部３２ｂは、各積層体２の外周部に設けられた集電配線部５の位置に対応した領域に当接して積層体２を裏板３１方向に押圧するため、押圧力は各積層体２の外周部近傍を中心に加わることになる。
このため、積層体２の配置位置が、裏板３１の外周部近傍であるか又は裏板３１の中央近傍であるかに関わらず、各積層体２に加わる押圧力をほぼ一定とすることができる。これにより色素増感型太陽電池１の受光面１１の全面に渡って作用極２１と対極２２間の距離がほぼ一定となり、発電効率のばらつきを抑制できる。
また、窓枠部３２ｂには、框部３２ｃに中桟部３２ｄが連設されたことによって、窓枠部３２ｂは、ねじれ強度に優れ、従来の同重量の平板状の蓋体に比べて反り難く、この窓枠部３２ｂの変形による押圧力の変動を抑えることができ、各積層体２において作用極２１と対極２２間の距離の変動が抑えられ、ほぼ一定の発電効率が得られる。
従来の色素増感型太陽電池１０１では、図６に示されたように、複数の単セル１０９が筐体１０３内に収容された構成であり、単セル１０９には、発電に寄与する作用極１２１の多孔質酸化物半導体層１２１ａの外周縁にシール層１９１を設ける必要があり、このシール層１９１の分、色素増感型太陽電池１０１の受光面１１１（蓋体１３２上面）に対する多孔質酸化物半導体層（図５中、斜線領域。）１２１ａの面積比が小さくなってしまう。
これに対して、本発明では、窓枠部３２ｂによって積層体２が裏板３１方向に押圧されるようになっており、作用極２１と対極２２とを、その間に電解液又はゲル状の電解質を挟み込んだ状態で重ね合わせ、窓枠部３２ｂによって積層体２を裏板３１方向に押圧した状態で、枠体３２と裏板３１の外周部とを固定することによって、積層体２を筐体３内に一括して密封封止できる。
このため、従来のように作用極１２１と対極１２２とがシール層１９１で貼り合わせられた単セル１０９を用いる必要が無く、色素増感型太陽電池１の受光面１１を有効に利用できる。
更に、前述したように、窓枠部３２ｂは、発電に寄与しない集電配線部５の位置に対応した領域に設けられ、かつ窓枠部３２ｂの開口部３２ｅを介して作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａが外方に露出されたことによって、色素増感型太陽電池１の受光面１１に対する多孔質酸化物半導体層（図２中、斜線領域。）２１ａの面積比を大きくとることができ、色素増感型太陽電池１の受光面１１を更に有効に利用できる。
これに対して、本発明では、窓枠部３２ｂによって積層体２が裏板３１方向に押圧されるようになっており、作用極２１と対極２２とを、その間に電解液又はゲル状の電解質を挟み込んだ状態で重ね合わせ、窓枠部３２ｂによって積層体２を裏板３１方向に押圧した状態で、枠体３２と裏板３１の外周部とを固定することによって、積層体２を筐体３内に一括して密封封止できる。
このため、従来のように作用極１２１と対極１２２とがシール層１９１で貼り合わせられた単セル１０９を用いる必要が無く、色素増感型太陽電池１の受光面１１を有効に利用できる。
更に、前述したように、窓枠部３２ｂは、発電に寄与しない集電配線部５の位置に対応した領域に設けられ、かつ窓枠部３２ｂの開口部３２ｅを介して作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａが外方に露出されたことによって、色素増感型太陽電池１の受光面１１に対する多孔質酸化物半導体層（図２中、斜線領域。）２１ａの面積比を大きくとることができ、色素増感型太陽電池１の受光面１１を更に有効に利用できる。
また、窓枠部３２ｂの開口部３２ｅを介して作用極２１の多孔質酸化物半導体層２１ａが外方に露出されたことによって、太陽光等の光を、直接、作用極２１に入射させて多孔質酸化物半導体層２１ａに吸収させることができる。
このため、従来のように光が蓋体１３２を透過して作用極１２１に入射する構成とは異なり、光が作用極２１に入射される前に光の強度が減少することが無く、従来に比べて発電効率を向上させることができる。
このため、従来のように光が蓋体１３２を透過して作用極１２１に入射する構成とは異なり、光が作用極２１に入射される前に光の強度が減少することが無く、従来に比べて発電効率を向上させることができる。
また、窓枠部３２ｂが集電配線部５の位置に対応した領域に設けられたことによって、太陽光等の光が集電配線部５に入射せず、光の照射による集電配線部５の温度上昇を抑制できる。
通常、集電配線部５は、ガラス基板等の基板上に、導電性ペーストが塗布乾燥されて形成された導電膜、白金やカーボン等の金属等からなる薄膜、半田付けにより形成された配線等が形成されたものである。このような集電配線部５は、温度が上昇すると、基板との熱膨張係数の差によって基板との界面近傍に熱応力が生じ、基板から剥離する場合がある。
このため、集電配線部５の温度上昇が抑制されたことによって、温度上昇により基板から集電配線部５が剥離することを抑制でき、優れた長期安定性が得られる。
通常、集電配線部５は、ガラス基板等の基板上に、導電性ペーストが塗布乾燥されて形成された導電膜、白金やカーボン等の金属等からなる薄膜、半田付けにより形成された配線等が形成されたものである。このような集電配線部５は、温度が上昇すると、基板との熱膨張係数の差によって基板との界面近傍に熱応力が生じ、基板から剥離する場合がある。
このため、集電配線部５の温度上昇が抑制されたことによって、温度上昇により基板から集電配線部５が剥離することを抑制でき、優れた長期安定性が得られる。
また、裏板３１と積層体２との間に弾性部材４１が設けられたことによって、積層体２を裏板３１方向に押圧する押圧力が積層体２に加わった際、積層体２が横ズレすることを抑制でき、また積層体２を上下方向に柔軟性を保ちながら強固に固定した状態で積層体２を筐体３内に封止できる。
更に、弾性部材４１や隙間充填材４２が設けられたことによって、作用極２１と対極２２との相対的な位置関係が面内方向にずれることを抑制でき、かつ外力に対して優れた形状安定性や耐震性が得られる。
更に、弾性部材４１や隙間充填材４２が設けられたことによって、作用極２１と対極２２との相対的な位置関係が面内方向にずれることを抑制でき、かつ外力に対して優れた形状安定性や耐震性が得られる。
また、枠体３２を構成する側壁部３２ａと、裏板３１の外周部とが、剥離可能な接着剤によって着脱可能に接着、固定されたことによって、接着剤を剥離して側壁部３２ａと裏板３１とを分離させることができる。このため、側壁部３２ａと裏板３１とを分離した後、各積層体２を裏板３１上から取り外すことができ、積層体２の交換や、裏板３１や枠体３２の再利用が可能となる。
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、側壁部３２ａと裏板３１とは、ねじ等によって着脱可能に固定されていても構わない。
例えば、側壁部３２ａと裏板３１とは、ねじ等によって着脱可能に固定されていても構わない。
また、側壁部３２ａと窓枠部３２ｂとが一体に形成されておらず、側壁部３２ａに対して窓枠部３２ｂが着脱可能であっても構わない。これにより、側壁部３２ａと窓枠部３２ｂとを分離した後、本実施形態と同様に、各積層体２を裏板３１上から取り外すことができ、積層体２の交換や、裏板３１や枠体３２の再利用が可能となる。
例えば、本実施形態と同様に、剥離可能な接着剤やねじ等を用いることによって側壁部３２ａと窓枠部３２ｂとは着脱可能に固定される。また、図３に示されたように弾性爪６等の係止手段や、図４に示されたように係合爪等の係合手段が設けられたフラップ７等を用いることによって、側壁部３２ａに対して窓枠部３２ｂを着脱可能に固定させることができる。
例えば、本実施形態と同様に、剥離可能な接着剤やねじ等を用いることによって側壁部３２ａと窓枠部３２ｂとは着脱可能に固定される。また、図３に示されたように弾性爪６等の係止手段や、図４に示されたように係合爪等の係合手段が設けられたフラップ７等を用いることによって、側壁部３２ａに対して窓枠部３２ｂを着脱可能に固定させることができる。
図３は、本発明に係る光電変換素子の他の一例として、係止手段として複数の弾性爪６が側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに複数設けられた色素増感型太陽電池を示す断面図である。
前記複数本の弾性爪６は、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに突設されており、これら複数本の弾性爪６によって取り囲まれた内側の空間６１に窓枠部３２ｂを押し込んでいくと、複数本の弾性爪６の間を押し広げるようにして、側壁部３２ａ内に配置された積層体２へ向かって窓枠部３２ｂを挿入できるようになっている。
前記複数本の弾性爪６は、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに突設されており、これら複数本の弾性爪６によって取り囲まれた内側の空間６１に窓枠部３２ｂを押し込んでいくと、複数本の弾性爪６の間を押し広げるようにして、側壁部３２ａ内に配置された積層体２へ向かって窓枠部３２ｂを挿入できるようになっている。
前記弾性爪６は、プラスチック等の合成樹脂製であり側壁部３２ａと一体に成形されたものであり、側壁部３２ａからの突出先端の側面に突出され、窓枠部３２ｂの框部３２ｃに係合される形状になっている。この弾性爪６の側壁部からの突出先端に形成されている傾斜面６２は、複数本の弾性爪６によって囲まれる空間６１への窓枠部３２ｂの押し込みや、この押し込みによる複数本の弾性爪６の押し開きを円滑に実現するものであり、窓枠部３２ｂの受け入れが円滑になされるように、空間６１をテーパ状に拡張するような形状になっている。
窓枠部３２ｂを空間６１を介して、積層体２へ向かって押し込んでいった窓枠部３２ｂが先端爪６３を超えて、先端爪６３よりも積層体２の側へ移動すると、弾性爪６の先端爪６３が、弾性爪６の弾性復元力によって、窓枠部３２ｂの框部３２ｃの上面に係合する。このとき、弾性爪６は、窓枠部３２ｂを積層体２に向かって押圧した状態で、窓枠部３２ｂを着脱可能に保持する機能を果たす。
窓枠部３２ｂを空間６１を介して、積層体２へ向かって押し込んでいった窓枠部３２ｂが先端爪６３を超えて、先端爪６３よりも積層体２の側へ移動すると、弾性爪６の先端爪６３が、弾性爪６の弾性復元力によって、窓枠部３２ｂの框部３２ｃの上面に係合する。このとき、弾性爪６は、窓枠部３２ｂを積層体２に向かって押圧した状態で、窓枠部３２ｂを着脱可能に保持する機能を果たす。
図４は、本発明に係る光電変換素子の更に他の一例として、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに回動自在にフラップ７が設けられた色素増感型太陽電池を示す断面図である。
前記フラップ７は、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに回動自在に設けられており、このフラップ７に設けられた係合爪７１等の係合手段と、窓枠部３２ｂの框部３２ｃに設けられた断面Ｌ字状の被係合手段８とが係合することによって、窓枠部３２ｂを積層体２に向かって押圧した状態で、窓枠部３２ｂを着脱可能に保持できるようになっている。
前記フラップ７は、プラスチック製の一体成形品であり、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆとほぼ同じ幅の板体７２と、この板体７２の先端に板体７２に対して垂直に突設された係合爪７１等の係合手段とから構成されており、その断面形状はＬ字状である。
前記板体７２は、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに沿って設けられた円柱状の軸部によって軸支されており、フラップ７は、軸部を中心として回動できるようになっている。
前記フラップ７は、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに回動自在に設けられており、このフラップ７に設けられた係合爪７１等の係合手段と、窓枠部３２ｂの框部３２ｃに設けられた断面Ｌ字状の被係合手段８とが係合することによって、窓枠部３２ｂを積層体２に向かって押圧した状態で、窓枠部３２ｂを着脱可能に保持できるようになっている。
前記フラップ７は、プラスチック製の一体成形品であり、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆとほぼ同じ幅の板体７２と、この板体７２の先端に板体７２に対して垂直に突設された係合爪７１等の係合手段とから構成されており、その断面形状はＬ字状である。
前記板体７２は、側壁部３２ａの上面側の端部３２ｆに沿って設けられた円柱状の軸部によって軸支されており、フラップ７は、軸部を中心として回動できるようになっている。
また、窓枠部３２ｂの框部３２ｃに突設された被係合手段８は、框部３２ｃの上面の外周部から突出する延出部８１と、この延出部８１の突出先端の側面に突出され、フラップ７の係合爪７１に係合される断面矩形状の先端爪８２とを有する形状になっている。この被係合手段８は、框部３２ｃの上面の外周部全域に渡って設けられている。
積層体２上に設けられた窓枠部３２ｂに向かってフラップ７を回動すると、フラップ７の係合爪７１先端は、窓枠部３２ｂの框部３２ｃに当接して窓枠部３２ｂを裏板３１方向へ押圧しながら、窓枠部３２ｂの被係合手段８に向かって移動する。
フラップ７の係合爪７１と窓枠部３２ｂの被係合手段８とが係合すると、フラップ７の係合爪７１によって、窓枠部３２ｂは、積層体２に向かって押圧された状態で着脱可能に保持される。
積層体２上に設けられた窓枠部３２ｂに向かってフラップ７を回動すると、フラップ７の係合爪７１先端は、窓枠部３２ｂの框部３２ｃに当接して窓枠部３２ｂを裏板３１方向へ押圧しながら、窓枠部３２ｂの被係合手段８に向かって移動する。
フラップ７の係合爪７１と窓枠部３２ｂの被係合手段８とが係合すると、フラップ７の係合爪７１によって、窓枠部３２ｂは、積層体２に向かって押圧された状態で着脱可能に保持される。
本発明によれば、色素増感型太陽電池等のように、電解液又はゲル状の電解質を挟み込んだ状態で、作用極と対極とが重ね合わされた積層体が筐体内に密封封止された構成の光電変換素子に適用できる。
２‥‥積層体、３‥‥筐体、５‥‥集電配線部、２１‥‥作用極、２１ａ‥‥多孔質酸化物半導体層、２２‥‥対極、３１‥‥裏板、３２‥‥枠体、３２ａ‥‥側壁部、３２ｂ‥‥窓枠部、３２ｅ‥‥開口部、４１‥‥弾性部材。
Claims (3)
- 作用極と対極とが、これら作用極と対極間に電解質層が挟まれた状態で重ね合わされて構成されている積層体を複数、筐体内に２次元的に配列して封止した光電変換素子であって、
前記筐体は、裏板と、該裏板の外周部に設けた枠体とから構成され、
前記枠体は、側壁部と、前記裏板に対向して配置され前記積層体を前記裏板方向に押圧する窓枠部とから構成され、
前記窓枠部は、前記積層体の外周部に設けられた集電配線部の位置に対応した領域に設けられていることを特徴とする光電変換素子。 - 前記側壁部が前記裏板に対して着脱可能であるか、又は前記窓枠部が前記側壁部に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
- 前記積層体と前記裏板との間に弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子。
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