JP4606764B2

JP4606764B2 - 光電変換素子

Info

Publication number: JP4606764B2
Application number: JP2004106617A
Authority: JP
Inventors: 哲也江連; 信夫田辺; 浩志松井; 顕一岡田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005294002A

Description

本発明は、色素増感型太陽電池などの光電変換素子に関する。

環境問題、資源問題などを背景に、クリーンエネルギーとしての太陽電池が注目を集めている。太陽電池としては単結晶、多結晶あるいはアモルファスのシリコンを用いたものがある。しかしながら、従来のシリコン系太陽電池は、製造コストが高い上に、原料供給が不充分であるなどの課題が残されているため、普及していない。
また、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ系（ＣＩＳ系とも呼ぶ）などの化合物系太陽電池も開発されており、この化合物系太陽電池は極めて高い光電変換効率を示すなど優れた特徴を有している。しかしながら、この化合物系太陽電池も、コストや環境負荷などの問題から普及していない。

これらの太陽電池に対して、スイスのグレッツェルらのグループなどから提案された色素増感型太陽電池は、安価で、かつ、高い光電変換効率が得られる光電変換素子として注目されている。

図３は、従来の色素増感型太陽電池の一例を示す概略断面図である。
この色素増感型太陽電池１００は、増感色素を担持させた多孔質半導体電極（以下、「色素増感半導体電極」と言うこともある。）１０３が一方の面に形成された第一基板１０１と、導電膜１０４が形成された第二基板１０５と、これらの間に封入されたゲル状電解質などからなる電解質層１０６とから概略構成されている。

第一基板１０１としては光透過性の板材が用いられ、第一基板１０１の色素増感半導体電極１０３と接する面には導電性を付与するために透明導電膜１０２が設けられている。また、第一基板１０１、透明導電膜１０２および色素増感半導体電極１０３から作用極１０８が構成されている。

一方、第二基板１０５としては、電解質層１０６と接する側の面には導電性を付与するために炭素や白金などからなる導電膜１０４が設けられている。また、第二基板１０５および導電膜１０４から対極１０９が構成されている。

色素増感型太陽電池１００では、色素増感半導体電極１０３と導電膜１０４が対向するように、第一基板１０１と第二基板１０５が所定の間隔をおいて配置されており、両基板間の周縁部に熱可塑性樹脂からなる封止材１０７が設けられている。この封止材１０７は、電解質層１０６に含まれる電解液が漏出したり、揮発性成分が揮発したりすることを防ぐ役目を果たしている。

次に、色素増感型太陽電池１００の製造方法の概略を説明する。
まず、熱可塑性樹脂からなる封止材１０７を介して作用極１０８と対極１０９を積層した後、作用極１０８および対極１０９、または、作用極１０８あるいは対極１０９のいずれか一方を介して封止材１０７を加熱して、溶融することにより、作用極１０８と対極１０９を接着して、一対の電極（作用極１０８と対極１０９）からなる積層体を組み立てる。
次いで、対極１０９を貫通するように設けられた注入口１１０を通して、作用極１０８と対極１０９の間にヨウ素・ヨウ化物イオンなどの酸化・還元種を含む電解液を充填した後、注入口１１０を蓋１１１で塞ぎ、電荷移送用の電解質層１０６を形成し、一対の電極（作用極１０８と対極１０９）と、これらの間に挟まれた電解質層１０６からなる色素増感型太陽電池１００を得る（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。

上述のような色素増感型太陽電池１００の製造では、積層体を組み立てる際に封止材１０７を溶融する熱によって、色素増感半導体電極１０３に担持させた増感色素が劣化するおそれがある。また、積層体を組み立てた後に、作用極１０８と対極１０９の間に電解液を充填しなければならなかった。その結果、電解液の粘度が高いと、電解液の充填には多大な時間と手間を要するという問題があった。

また、封止材１０７は熱可塑性樹脂からなるので、耐候性に劣るため、長期使用には適さないという問題があった。
さらに、作用極１０８と対極１０９の間に電解液を充填するためには、これらの電極間には所定の距離が必要である。その結果、最終的に得られる色素増感型太陽電池１００の発電効率が低下するという問題があった。
特開２００２−１８４４７８号公報Ｎ．Ｐａｐａｇｅｏｒｇｉｏｕｅｔａｌ．，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１４３（１０），３０９９，１９９６

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、安価に製造することが可能で、長期信頼性および発電効率に優れ、不具合発生時に修理や交換が容易な光電変換素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、作用極、対極およびこれらの間に形成された電解質層とからなる積層体と、これらを収容する筐体とを備えた光電変換素子であって、前記筐体は、前記積層体を覆う本体と、前記積層体を前記本体に固定する蓋体とからなり、前記蓋体は前記本体に取り外し可能に固定され、前記対極と前記筐体との間に弾性部材が介在している光電変換素子を提供する。

本発明は、作用極、対極およびこれらの間に形成された電解質層とからなる積層体と、これらを収容する筐体とを備えた光電変換素子であって、前記筐体は、前記積層体を覆う本体からなり、前記作用極が前記本体に取り外し可能に固定され、前記対極と前記筐体との間に弾性部材が介在している光電変換素子を提供する。

本発明の光電変換素子は、積層体を組み立てた後に、作用極と対極の間に電解液を充填する必要がないので、工程を簡略化することができる。また、本発明の光電変換素子は、熱可塑性樹脂などからなる封止材を必要としないので、耐候性すなわち長期信頼性に優れている。さらに、本発明の光電変換素子は、作用極と対極の間に距離をおく必要がないので、発電効率に優れている。

また、本発明の光電変換素子は、作用極が本体の蓋を兼ねており、作用極における発電に関与する部分が蓋に覆われていないから、作用極における発電に関与する部分に入射する光量が減少することを抑制できるため、色素増感型太陽電池はより発電効率に優れたものとなる。さらに、作用極が筐体の本体に取り外し可能に固定され、作用極が本体に直接接して、積層体が本体によって封止されているから、積層体に不具合が生じた場合、これを本体から取り外して修理したり、良品に交換したりすることができる。また、本体を繰り返し使用することができるので、製造コストを削減することもできる。

さらに、本発明の光電変換素子において、対極と筐体との間に弾性部材を介在させれば、積層体の積層方向に外力が加えられても、作用極と対極との間で横ズレが発生するのを抑制することができる。また、弾性部材によって、積層体を、その積層方向に柔軟性を保ちながら強固に筐体に固定することができる。

以下、本発明を実施した光電変換素子について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る光電変換素子の第一の実施形態として、色素増感型太陽電池を示す概略断面図である。
図１中、符号１０は色素増感型太陽電池、１１は第一の基板、１２は透明導電膜、１３は多孔質酸化物半導体層、１４は作用極、１５は電解質層、１６は第二の基板、１７は導電膜、１８は対極、１９は弾性部材、２０は積層体、３０は筐体、３１は本体、３２は蓋体、４１は封止部材、４２は螺子をそれぞれ示している。

この色素増感型太陽電池１０は、増感色素が表面に担持された多孔質酸化物半導体層１３が一方の面１４ａに設けられた作用極１４と、一方の面１４ａと対向して配置された対極１８と、一方の面１４ａと対極１８における一方の面１４ａと対向する面１８ａ（以下、「対極１８の一方の面１８ａ」と称する。）との間に形成された電解質層１５と、これらを収容する筐体３０とから概略構成されている。

なお、この色素増感型太陽電池１０では、電解質層１５をなす電解質の大部分が、多孔質酸化物半導体層１３の空隙部分に含浸された状態となっている。

作用極１４は、第一の基板１１と、この一方の面１１ａ上に順に形成された透明導電膜１２および多孔質酸化物半導体層１３とから構成されている。

対極１８は、第二の基板１６と、この一方の面１６ａ上に形成された導電膜１７とから構成されている。

色素増感型太陽電池１０において、電解質層１５を作用極１４と対極１８で挟んでなる積層体２０が光電変換素子として機能する。

色素増感型太陽電池１０において、積層体２０は、積層体２０の側面２０ａおよび対極１８における他方の面１８ｂを覆う断面凹状の本体３１と、作用極１４の他方の面１４ｂに接して積層体２０を本体３１に固定する蓋体３２とからなる筐体３０内に収容されている。さらに、本体３１は、弾性部材１９を介して対極１８の他方の面１８ｂに接している。
また、蓋体３２は、封止部材４１を介して本体３１に接している。さらに、蓋体３２は、螺子４２によって本体３１に固定されている。

なお、筐体３０による積層体２０の封止を十分なものとするためには、封止部材４１を嵌合するための溝などからなる嵌合部（図示略）を、本体３１の蓋体３２と接する面３１ａおよび蓋体３２の一方の面３２ａに設けることが好ましい。

このような構成とすることにより、積層体２０は、その上下面が本体３１と蓋体３２で挟み込まれて、その積層方向に押圧された状態で、筐体３０内に収容される。また、この状態で、積層体２０の側面２０ａの全域が本体３１に覆われて、積層体２０は筐体３０によって一括して封止されている。

第一の基板１１としては、光透過性の素材からなる基板が用いられ、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホンなど、通常、太陽電池の透明基板として用いられるものであればいかなるものもでも用いることができる。第一の基板１１は、これらの中から電解液への耐性などを考慮して適宜選択されるが、用途上、できる限り光透過性に優れる基板が好ましい。

透明導電膜１２は、第一の基板１１に導電性を付与するために、その一方の面１１ａに形成された金属、炭素、導電性金属酸化物などからなる薄膜である。
透明導電膜１２として金属薄膜や炭素薄膜を形成する場合、第一の基板１１の透明性を著しく損なわない構造とする。透明導電膜１２を形成する導電性金属酸化物としては、例えば、インジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−ＴｉｎＯｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、フッ素ドープの酸化スズなどが用いられる。

多孔質酸化物半導体層１３は、透明導電膜１２の上に設けられており、その表面には増感色素が担持されている。多孔質酸化物半導体層１３を形成する半導体としては特に限定されず、通常、太陽電池用の多孔質半導体を形成するのに用いられるものであればいかなるものでも用いることができる。このような半導体としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）などを用いることができる。
多孔質酸化物半導体層１３を形成する方法としては、例えば、ゾルゲル法からの膜形成、微粒子の泳動電着、発泡剤による多孔質化、ポリマービーズなどとの混合物塗布後における余剰成分の除去などの方法が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

増感色素としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造などを配位子に含むルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニンなどの含金属錯体、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などを適用することができ、これらの中から、用途、使用半導体に適した励起挙動を示すものを特に限定無く選ぶことができる。

電解質層１５は、多孔質酸化物半導体層１３内に電解液を含浸させてなるものか、または、多孔質酸化物半導体層１３内に電解液を含浸させた後に、この電解液を適当なゲル化剤を用いてゲル化（擬固体化）して、多孔質酸化物半導体層１３と一体に形成されてなるものが用いられる。

電解液としては、ヨウ素、ヨウ化物イオン、ターシャリーブチルピリジンなどの電解質成分が、エチレンカーボネートやメトキシアセトニトリルなどの有機溶媒に溶解されてなるものが用いられる。

電解液をゲル化する際に用いられるゲル化剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキシド誘導体、アミノ酸誘導体などが挙げられる。

第二の基板１６としては、第一の基板１１と同様のものや、特に光透過性をもつ必要がないことから金属板、合成樹脂板などが用いられる。

導電膜１７は、第二の基板１６に導電性を付与するために、その一方の面１６ａに形成された白金などの金属、炭素などからなる薄膜である。導電膜１７としては、例えば炭素や白金などの層を、蒸着、スパッタ、塩化白金酸塗布後に熱処理を行ったものが好適に用いられるが、電極として機能するものであれば特に限定されるものではない。

弾性部材１９としては、発泡ポリエチレン、発泡ポリウレタン、ゴムスポンジなどが用いられる。
色素増感型太陽電池１０では、積層体２０を筐体３０によって封止することにより、積層体２０にはその積層方向に外力が加えられる。弾性部材１９を対極１８と本体３１との間に介在させることにより、この外力によって、作用極１４と対極１８との間で横ズレが発生するのを抑制することができる。また、弾性部材１９によって、積層体２０を、その積層方向に柔軟性を保ちながら強固に筐体３０に固定することができる。

本体３１を形成する素材としては特に限定されないが、各種金属、セラミックス、各種合成樹脂などが用いられる。

蓋体３２としては、太陽光を透過する光学特性を有する部材が用いられる。太陽光を透過する光学特性を有する部材としては特に限定されないが、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ソーダガラスなど透明で剛性のある材質からなる部材が挙げられる。

封止部材４１としては、ニトリルゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴムなどの弾性材料や、ポリ四フッ化エチレンなどからなるＯリング、ガスケットなどが用いられる。

螺子４２としては、蓋体３２を本体３１に接合、固定することができるものであればいかなるものでも用いることができる。

なお、この実施形態では、蓋体３２を本体３１に接合、固定する手段として、螺子４２を例示したが、本発明の光電変換素子はこれに限定されない。本発明の光電変換素子にあっては、蓋体を枠体に接合、固定する手段としては、例えば、枠体に設けられた被係止部に、蓋体に回転可能に設けられたフラップ状の係止部を係止する手段や、枠体の枠部、押圧部および蓋体の表面に接するように筐体の外側に装着される、断面コ字形スリーブ状のバネのクランプ力によって挟み込む手段などを用いることもできる。また、前記被係止部に係止部を係止する手段は、被嵌合部に嵌合部を嵌合する手段であってもよい。

以上説明したように、色素増感型太陽電池１０では、積層体２０を組み立てた後に、作用極１４と対極１８の間に電解液を充填する必要がないので、工程を簡略化することができる。また、色素増感型太陽電池１０は、熱可塑性樹脂などからなる封止材を必要としないので、耐候性すなわち長期信頼性に優れている。さらに、色素増感型太陽電池１０は、作用極１４と対極１８の間に距離をおく必要がないので、発電効率に優れている。
また、色素増感型太陽電池１０では、蓋体３２が封止部材４１を介して本体３１に取り外し可能に固定されて、積層体２０が筐体３０によって封止されているから、積層体２０に不具合が生じた場合、これを筐体３０から取り外して修理したり、良品に交換したりすることができる。また、筐体３０を繰り返し使用することができるので、製造コストを削減することもできる。

次に、本発明に係る光電変換素子の製造方法の一実施形態を、図１を参照して説明する。
この実施形態では、まず、第一の基板１１における一方の面１１ａ上に透明導電膜１２および多孔質酸化物半導体層１３が所定の方法により順に形成されてなる作用極１４を用意する。

次いで、多孔質酸化物半導体層１３に、予めゲル化剤が添加された電解液を滴下して含浸させた後、この電解液をゲル化させて、多孔質酸化物半導体層１３と一体をなす電解質層１５を形成する。

次いで、対極１８の他方の面１８ｂが、弾性部材１９を介して本体３１の内側の底面３１ａに接するように、本体３１内に作用極１４を配置する。

次いで、導電膜１７が電解質層１５に重なるように、対極１８を作用極１３に重ねて、電解質層１５を作用極１４と対極１８で挟んでなる積層体２０を、本体３１内に形成する。

次いで、作用極１４の他方の面１４ｂを覆うように蓋体３２を配する。

次いで、蓋体３２の外側から積層体２０の積層方向に荷重を加えながら、蓋体３２を、封止部材４１を介して本体３１に螺子４２で固定し、筐体３０で積層体２０を封止することにより、色素増感型太陽電池１０を得る。

図２は、本発明に係る光電変換素子の第二の実施形態として、色素増感型太陽電池を示す概略断面図である。
図２中、符号５０は色素増感型太陽電池、５１は第一の基板、５２は透明導電膜、５３は多孔質酸化物半導体層、５４は作用極、５５は電解質層、５６は第二の基板、５７は導電膜、５８は対極、５９は弾性部材、６０は積層体、７０は筐体（「本体」と言うこともある。）、８１は封止部材、８２は螺子をそれぞれ示している。

この色素増感型太陽電池５０は、増感色素が表面に担持された多孔質酸化物半導体層５３が一方の面５４ａに設けられた作用極５４と、一方の面５４ａと対向して配置された対極５８と、一方の面５４ａと対極５８におけるこの面と対向する面（以下、「一方の面」と称する。）５８ａとの間に形成された電解質層５５と、これらを収容する筐体７０とから概略構成されている。

なお、この色素増感型太陽電池５０では、電解質層５５は多孔質酸化物半導体層５３と一体に形成されている。

作用極５４は、第一の基板５１と、この一方の面５１ａ上に順に形成された透明導電膜５２および多孔質酸化物半導体層５３とから構成されている。また、作用極５４の周縁部５４ｃには、多孔質酸化物半導体層５３が設けられておらず、第一の基板５１と透明導電膜５２で構成されている。

対極５８は、第二の基板５６と、この一方の面５６ａ上に形成された導電膜５７とから構成されている。

色素増感型太陽電池５０において、電解質層５５を作用極５４と対極５８で挟んでなる積層体６０が光電変換素子として機能する。

色素増感型太陽電池５０において、積層体６０は、積層体６０の側面６０ａおよび対極５８における他方の面５８ｂを覆う断面凹状の本体７０内に収容されている。さらに、本体７０は、弾性部材５９を介して対極５８の他方の面５８ｂに接している。

また、作用極５４の周縁部５４ｃは、封止部材８１を介して本体７０に直接、接している。さらに、作用極５４の周縁部５４ｃは、螺子８２によって本体７０に固定されている。
なお、本体７０による積層体６０の封止を十分なものとするためには、封止部材８１を嵌合するための溝などからなる嵌合部（図示略）を、本体７０の周縁部５４ｃと接する面７０ａおよび周縁部５４ｃの本体７０と接する面５４ｄに設けることが好ましい。

このような構成とすることにより、積層体６０の側面６０ａの全域が筐体７０に覆われて、その積層方向に押圧された状態で、積層体６０は筐体７０によって一括して封止される。

第一の基板５１としては、上記第一の基板１１と同様のものが用いられる。
透明導電膜５２としては、上記透明導電膜１２と同様のものが設けられる。
多孔質酸化物半導体層５３を形成する半導体としては、上記多孔質酸化物半導体層１３を形成する半導体と同様のものが用いられる。

増感色素としては、上述の第一の実施形態と同様のものが用いられる。
電解質層５５としては、上記電解質層１５と同様のものが設けられる。
電解液としては、上述の第一の実施形態と同様のものが用いられる。
ゲル化剤としては、上述の第一の実施形態と同様のものが用いられる。

第二の基板５６としては、上記第二の基板１６と同様のものが用いられる。
導電膜５７としては、上記導電膜１７と同様のものが設けられる。
弾性部材５９としては、上記弾性部材１９と同様のものが用いられる。

筐体７０を形成する素材としては特に限定されないが、上記本体３１を形成する素材と同様のものが用いられる。
封止部材８１としては、上記封止部材４１と同様のものが用いられる。
螺子８２としては、上記螺子４２と同様のものが用いられる。

なお、この実施形態では、作用極５４を筐体７０に接合、固定する手段として、螺子８２を例示したが、本発明の光電変換素子はこれに限定されない。本発明の光電変換素子にあっては、蓋体を枠体に接合、固定する手段としては、例えば、筐体に設けられた被係止部に、作用極に回転可能に設けられたフラップ状の係止部を係止する手段や、作用極および筐体の表面に接するようにこれらの外側に装着される、断面コ字形スリーブ状のバネのクランプ力によって挟み込む手段などを用いることもできる。また、前記被係止部に係止部を係止する手段は、被嵌合部に嵌合部を嵌合する手段であってもよい。

以上説明したように、色素増感型太陽電池５０では、積層体６０を組み立てた後に、作用極５４と対極５８の間に電解液を充填する必要がないので、工程を簡略化することができる。また、色素増感型太陽電池５０は、熱可塑性樹脂などからなる封止材を必要としないので、耐候性すなわち長期信頼性に優れている。さらに、色素増感型太陽電池５０は、作用極５４と対極５８の間に距離をおく必要がないので、発電効率に優れている。
また、作用極５４が筐体７０の蓋を兼ねており、作用極５４における発電に関与する部分が蓋に覆われていないから、作用極５４における発電に関与する部分に入射する光量が減少することを抑制できるため、色素増感型太陽電池５０はより発電効率に優れたものとなる。
また、色素増感型太陽電池５０では、作用極５４が封止部材８１を介して筐体７０に取り外し可能に固定され、作用極５４が筐体７０に直接、接して、積層体６０が筐体７０によって封止されているから、積層体６０に不具合が生じた場合、これを筐体７０から取り外して修理したり、良品に交換したりすることができる。また、筐体７０を繰り返し使用することができるので、製造コストを削減することもできる。

本発明によれば、高粘度もしくはゲル状の電解質を容易に充填できる利点を保ちながら、発生した電子を効率良く収集することができる色素増感型太陽電池を実現することができる。また、セルに入射する光量を減少することなく、筐体との分離性も高いことから、保守性やリサイクル性も高く、環境負荷の低い太陽電池を実現することができる。

本発明に係る光電変換素子の第一の実施形態として、色素増感型太陽電池を示す概略断面図である。本発明に係る光電変換素子の第二の実施形態として、色素増感型太陽電池を示す概略断面図である。従来の色素増感型太陽電池の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０，５０・・・色素増感型太陽電池、１１，５１・・・第一の基板、１２，５２・・・透明導電膜、１３，５３・・・多孔質酸化物半導体層、１４，５４・・・作用極、１５，５５・・・電解質層、１６，５６・・・第二の基板、１７，５７・・・透明導電膜、１８，５８・・・対極、１９，５９・・・弾性部材、２０，６０・・・積層体、３０，７０・・・筐体、３１・・・本体、３２・・・蓋体、４１，８１・・・封止部材、４２，８２・・・螺子。

Claims

作用極、対極およびこれらの間に形成された電解質層とからなる積層体と、これらを収容する筐体とを備えた光電変換素子であって、
前記筐体は、前記積層体を覆う本体と、前記積層体を前記本体に固定する蓋体とからなり、前記蓋体は前記本体に取り外し可能に固定され、前記対極と前記筐体との間に弾性部材が介在していることを特徴とする光電変換素子。
作用極、対極およびこれらの間に形成された電解質層とからなる積層体と、これらを収容する筐体とを備えた光電変換素子であって、
前記筐体は、前記積層体を覆う本体からなり、前記作用極が前記本体に取り外し可能に固定され、前記対極と前記筐体との間に弾性部材が介在していることを特徴とする光電変換素子。