JP4613468B2 - 太陽電池および太陽電池ユニット - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体、これを用いた太陽電池及びその製造方法、太陽電池ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、環境にやさしい電源として、シリコンを用いた太陽電池が注目を集めている。シリコンを用いた太陽電池の中には、人工衛星等に用いられる単結晶シリコン型の太陽電池もあるが、実用的なものとしては、特に多結晶シリコンを用いた太陽電池や、アモルファスシリコンを用いた太陽電池が、産業用や家庭用として実用化が始まっている。
【０００３】
しかしながら、これらのシリコンを用いた太陽電池は、いずれもＣＶＤ（化学的気相成長）法等の真空プロセスを用いるため、製造コストが高く、また、これらのプロセスにおいて、多大な熱量や電気を使うため、製造に必要なエネルギーと太陽電池が生み出すエネルギーとのバランスが非常に悪く、必ずしも省エネルギーな電源とは言えなかった。
【０００４】
これに対し、いわゆる“湿式太陽電池”とか“第４世代の光電池”などと呼ばれる新型の太陽電池が１９９１年にグレッツェルらにより、提案されている。この湿式太陽電池は、図９に示されるように、半導体であるチタニア９０１（二酸化チタン）を一方の電極とし、他の電極９０２には、例えば、白金電極やＩＴＯなどを用い、これらの電極間にヨウ素等の電解質溶液９０３を用いるものである。
【０００５】
反応原理としては、太陽光等の光を受けた半導体のチタニア（ＴｉＯ２）がその電子を受けて電極へと引き渡し、その後チタニア電極に残ったホール（ｈ＋）はヨウ素イオンを酸化し、Ｉ−をＩ３ −へと変える。この酸化されたヨウ素イオンは対極で再び電子を受けて還元され、両極間をサイクルすることによって電池となるというものである。
【０００６】
この湿式太陽電池においては、チタニアを電極に用いただけでは、太陽光のうち主として紫外線のみしか効率的に用いることができない。したがって、チタニアに有機色素等を混ぜることにより、可視光領域まで光の吸収を増感させている。このため、一般的には、色素増感型太陽電池ともいわれる。この湿式太陽電池は、材料が安価であることと作製に真空プロセス等の大掛かりな設備を必要としないことから低コストの太陽電池として多くの期待を集めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この色素増感型太陽電池は、ヨウ素溶液等の電解質を用いる湿式の太陽電池であるため、太陽電池セルの中に電解質であるヨウ素溶液等をシール材等により封止しなければならないが、封止が破れると液洩れが発生するなどの問題点が多かった。
【０００８】
従って、色素増感型太陽電池は、太陽電池としての実用的な寿命を有することができなかった。
【０００９】
また、ただ単に平板のチタニア電極を用いたのでは、太陽光の吸収面積が小さいため、実用的な電流や、電圧を確保することができなかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽電池は、一対の電極と、該一対の電極間に挟持された二酸化チタン（ＴｉＯ ２ ）半導体と、を有する太陽電池であって、
該二酸化チタン半導体は、ＣｒおよびＶの少なくとも一方の不純物、および、融点が９００℃以下のモリブデン酸化物からなる焼結助剤を含み、かつ酸素欠陥を有するものであり、
該二酸化チタン半導体表面および該二酸化チタン半導体中には空孔が形成されており、該二酸化チタン半導体と該一対の電極の少なくとも一方の電極とは、整流障壁をなしており、該整流障壁をなしている電極は前記空孔内に浸透した固体材料により形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、実用的な電流や電圧を確保することができる太陽電池、すなわち、発電効率（光電変換効率）に優れる太陽電池を提供することができる。
【００１２】
前記整流障壁は、二酸化チタン半導体と前記一対の電極の少なくとも一方の電極とを接触させることによって形成された整流障壁であり、該整流障壁はダイオード特性を有することを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００１３】
前記整流障壁は、二酸化チタン半導体と前記一対の電極の少なくとも一方の電極とを接触させることによって形成されたショットキー障壁であることを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００１４】
前記整流障壁は、二酸化チタン半導体と前記一対の電極の少なくとも一方の電極とを接触させることによって形成されたＰＮ接合であることを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００１５】
前記不純物は、チタニアに対して０．１〜２．５μｍｏｌ／ｇの割合で含まれていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、二酸化チタン半導体が太陽光を実用レベルで吸収することができるので、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００１７】
前記二酸化チタン半導体は、空孔率が５〜９０％であることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体の光との接触面積（光の照射面積）がより増大して、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００１８】
前記二酸化チタン半導体は、空孔率が１５〜５０％であることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体の光との接触面積（光の照射面積）がより増大して、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００１９】
前記二酸化チタン半導体は、空孔率が２０〜４０％であることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体の光との接触面積（光の照射面積）がより増大して、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２０】
前記二酸化チタン半導体は、多孔質状態であり、フラクタル構造であることを特徴とする。
【００２１】
これにより、二酸化チタン半導体の光との接触面積（光の照射面積）がより増大して、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２２】
前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ＩＴＯ等からなる透明電極、またはＡｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む金属化合物であることを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２３】
前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、固体のヨウ化物であることを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２４】
前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ＣｕＩ（ヨウ化銅）であることを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２５】
前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ＡｇＩ（ヨウ化銀）であることを特徴とする。
これにより、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２６】
前記電極は、蒸着法によって形成されていることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体と電極とをより確実に接触させることができ、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２７】
前記電極は、スパッタ法によって形成されていることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体と電極とをより確実に接触させることができ、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２８】
前記電極は、印刷法によって形成されていることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体と電極とをより確実に接触させることができ、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００２９】
前記二酸化チタン半導体は可視光を吸収するための可視光化処理がされていることを特徴とする。
【００３０】
これにより、二酸化チタン半導体は、可視光領域の波長の光を利用することができるようになり、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００３１】
前記二酸化チタン半導体には、有機色素が吸着されてなることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体は、好適に可視光化処理が施され、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００３２】
前記二酸化チタン半導体には、無機色素が吸着されてなることを特徴とする。
これにより、二酸化チタン半導体は、好適に可視光化処理が施され、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００３３】
前記二酸化チタン半導体に吸着されてなる無機色素は、無機物炭素からなることを特徴とする。
【００３４】
これにより、二酸化チタン半導体は、可視光領域のより広い範囲の波長の光を利用することができるようになり、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００３５】
前記二酸化チタン半導体に吸着されてなる無機色素は、炭素に着色した無機物からなることを特徴とする。
【００３６】
これにより、二酸化チタン半導体は、可視光領域のより広い範囲の波長の光を利用することができるようになり、太陽電池は、発電効率がより向上する。
【００４０】
本発明の太陽電池を第１の基板と第２の基板との間に挟持してなることを特徴とする太陽電池ユニット。
【００４１】
これにより、実用的な電流や電圧を確保することができる太陽電池ユニット、すなわち、発電効率（光電変換効率）に優れる太陽電池ユニットを提供することができる。
【００４２】
該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側とは反対側の基板上には、該太陽光等の光を反射する反射膜が塗布または配置されてなることを特徴とする。
【００４３】
これにより、太陽電池ユニットは、光の透過を好適に防止または抑制することができ、二酸化チタン半導体は、光の利用効率がより向上する。その結果、太陽電池ユニットは、発電効率がより向上する。
【００４４】
該第１の基板と第２の基板間には、アルゴンガス等からなる不活性ガスが封入されてなることを特徴とする。
これにより、太陽電池ユニットは、耐久性がより向上する。
【００４５】
該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側の基板は、ガラス、プラスチック、樹脂等からなる透明基板または半透明基板であることを特徴とする。
【００４６】
これにより、二酸化チタン半導体の受光面へ光をより確実に到達させることができ、太陽電池ユニットは、発電効率がより向上する。
【００４７】
該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側の基板の表面または裏面には、反射防止膜が塗布または配置されてなることを特徴とする。
【００４８】
これにより、太陽電池ユニットは、光の反射を好適に防止または抑制することができ、二酸化チタン半導体は、光の利用効率が向上する。その結果、太陽電池ユニットは、発電効率がより向上する。
【００４９】
該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側の基板の表面には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）等からなる光触媒膜が塗布または配置されてなることを特徴とする。
【００５０】
これにより、太陽電池ユニットを、例えば野外等に設置して使用する場合でも、光触媒膜が大気汚染物質（例えば、二酸化炭素、有機汚染物質等）を分解することができるので、第１の基板および／または第の基板の表面が汚れるのを好適に防止または抑制することができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１から図８は本発明に係る太陽電池の構造、回路等を模式的に示す図面である。
【００５２】
なお、図１〜図４および図６〜図８に使用する符号１０１、２０１、３０１、４０１、６０１、７０１および８０１は、それぞれ、二酸化チタン半導体（チタニア半導体）を示すが、便宜上、各図において、異なる符号を付して説明する。また、二酸化チタン半導体以外のものも、同様に、各図において異なる符号を付して説明する。
【００５３】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る半導体を用いた太陽電池の実施形態である太陽電池セル（太陽電池ユニット）１００の構造を模式的に示す概略図である。
【００５４】
太陽電池セル１００は、ガラス基板、金属基板等からなる第１の基板１０４上にＩＴＯ等からなる透明電極または金属電極（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む合金、前記金属を含む化合物等）等からなる第１の電極１０３が形成されている。
【００５５】
この第１の電極１０３上には、アナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体１０１が形成されている。二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体は、ｎ型の半導体である。
【００５６】
このアナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体１０１上には、串歯状（ストライプ状）の第２の電極１０２が形成されている。図１では、電極本数は、３本のみ記載されているが、実際には、さらに複数のストライプ状の串歯電極を有する。
【００５７】
また、図２に示すようにアナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体２０１上の第２の電極２０２は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体２０１の一部または全面を覆うようなベタの全面電極でもかまわない。
【００５８】
第２の電極２０２上には、この電極を支持するための第３の電極２０５が形成されていてもかまわない。この第３の電極はガラス基板、金属基板等からなる基板上にＩＴＯ等からなる透明電極または金属電極（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む合金等）等からなる。
【００５９】
本発明においては、図１および図２に示されるように、第２の電極１０２、２０２は、それぞれ、金属電極（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む合金、あるいは、例えばＣｕＩ、ＣｕＳＣＮ、ＡｇＩ、ＣｕＢｒ、Ａｇ２Ｓ、ＲｂＡｇ４Ｉ５、ＡｇＢｒ、β−Ａｌ２Ｏ３（ＮａＯ・ｎＡｌ２Ｏ３）等の前記金属を含む化合物等）等からなる。
【００６０】
この場合、図１および図２に示されるように、チタニア半導体１０１，２０１と、前記第１の電極または前記第２の電極は接触しているので、前記チタニア半導体１０１、２０１と、前記第１の電極または前記第２の電極の界面には、両者の仕事関数の差に相当する高さの整流障壁（ショットキー障壁またはＰＮ接合）が形成されており、整流作用が生じる。
【００６１】
たとえば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体と第２の電極１０２、２０２を接触させ、この二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体よりも第２の電極１０２、２０２の仕事関数を大きくすれば、ショットキー障壁またはＰＮ接合等により、整流作用が生じる。
【００６２】
この場合、第２の電極１０２、２０２の構成材料としては、それぞれ、前述した材料の中でも、特に、イオン伝導特性を有する物質が好ましく用いられる。
【００６３】
このイオン伝導特性を有する物質としては、例えば、ＣｕＩ、ＡｇＩのようなヨウ化金属化合物、ＡｇＢｒのような臭化金属化合物等のハロゲン化金属化合物の１種または２種以上を組み合わせて用いることができるが、この中でも、特に、ＣｕＩ、ＡｇＩのようなヨウ化金属化合物のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いるのがより好ましい。
【００６４】
この様子を等価回路で表すと、図５に記載されたように、ダイオード５１０を有する電流の循環回路が形成されている。
【００６５】
このとき、チタニア半導体１０１、２０１と第２の電極１０２、２０２の界面周辺に太陽光等の光線が当たることによってチタニア半導体と第２の電極の界面周辺で、電子が励起され、電子とホール（正孔）が発生する。発生した電子とホール（正孔）は、等価回路である図５で示したように、電流を発生し、太陽電池の電流のループができる。
【００６６】
図３および図４は、本発明に係わる実施形態である太陽電池の構造を示す。
図３は、図１、図２に示す太陽電池の金属、金属合金、金属化合物等からなる電極（第２の電極）１０２、２０２を表す３０２と、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体３０１とが接合している様子を示している。
【００６７】
すなわち、図３では、二酸化チタン半導体３０１の空孔中に、第２の電極３０２が浸透しており、二酸化チタン半導体３０１と第２の電極３０２とは、ショットキー障壁またはＰＮ接合を成している。これによって、金属（金属電極３０２）と半導体（二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体３０１）の間に形成されるショットキー障壁またはＰＮ接合の表面積が増加する。
【００６８】
例えば、ｎ型半導体である二酸化チタン半導体３０１と、ｐ型の半導体であるＣｕＩ（第２の電極３０２）とは、ＰＮ接合をしているので、これらの接合部には、ＰＮ接合によりダイオードが形成されている。
【００６９】
図４は、図１に示す太陽電池の金属電極１０２および金属電極１０２が形成されていない二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体の部分に太陽光が当たっている様子を示している。
【００７０】
図３または図４の矢印のそれぞれは、光の進行方向を示しており、光が二酸化チタン半導体の表面もしくは空孔中に入射している様子を示している。
【００７１】
図４に示されるように、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体と金属電極（第２の電極）４０２とは、接触しており、ショットキー障壁またはＰＮ接合を作っている。
【００７２】
このとき、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体の表面に形成された金属電極４０２は、図４に示すように、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体４０１の空孔中に浸透して形成される。これによって、金属（金属電極４０２）−半導体（二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体４０１）間に形成されるショットキー障壁またはＰＮ接合の表面積が増加する。
【００７３】
例えば、ｎ型半導体である二酸化チタン半導体４０１と、ｐ型の半導体であるＣｕＩ（金属電極４０２）とは、ＰＮ接合をしているので、これらの接合部には、ＰＮ接合によりダイオードが形成されている。
【００７４】
二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体表面に形成された金属電極４０２は、ＩＴＯ等からなる透明電極または金属電極（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む合金、あるいは、例えばＣｕＩ、ＣｕＳＣＮ、ＡｇＩ、Ａｇ２Ｓ、ＲｂＡｇ４Ｉ５、ＣｕＢｒ、ＡｇＢｒ、β−Ａｌ２Ｏ３（ＮａＯ・ｎＡｌ２Ｏ３）等の前記金属を含む化合物等）等で構成され、蒸着法、スパッタ法、印刷法等によって、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体表面に形成される。この中でも、金属電極４０２の構成材料としては、特に、イオン伝導特性を有する物質が好ましく用いられる。
【００７５】
このイオン伝導特性を有する物質としては、例えば、ＣｕＩ、ＡｇＩのようなヨウ化金属化合物、ＡｇＢｒのような臭化金属化合物等のハロゲン化金属化合物の１種または２種以上を組み合わせて用いることができるが、この中でも、特に、ＣｕＩ、ＡｇＩのようなヨウ化金属化合物のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いるのがより好ましい。
【００７６】
例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体表面に形成された金属電極４０２をＣｕＩ（ヨウ化銅）とする場合には、ＣｕＩをアセトニトリル等の溶媒に溶かして飽和溶液にし、二酸化チタン半導体の表面または図２に示す第３の電極２０５上に、滴下して１００〜１８０℃に加熱して形成することによって金属電極４０２が得られる。
【００７７】
上述したように、本発明の二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体は、空孔率が非常に大きいので、太陽光は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体の表面以外にも、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体の空孔部にも入射し、図３および図４の矢印が示すように、空孔内で何度も多重反射して、二酸化チタン（ＴｉＯ２）半導体に光起電力効果を起こさせる。
【００７８】
すなわち、整流作用を有する金属と半導体の接触部（ショットキー障壁部またはＰＮ接合部）には、界面電位があって、障壁の電場が存在するので、界面付近に価電子帯と伝導帯の間隔よりも大きいエネルギーをもつ光（光子）を入射させると、作られた電子と正孔が界面の電場のために引き分けられ、電位差（光起電力）が生じる。
【００７９】
したがって、この接触部（ショットキー障壁部またはＰＮ接合部）に図５のような外部回路をつなげば、光励起電流が得られ、太陽電池となる。
【００８０】
なお、二酸化チタン半導体の空孔中に入射した光は、図３または図４に示されるように、空孔中を何度も反射し、一部の光は、下方向に抜けるが、図１に示される平面上の下部電極（第１の電極）１０３または、図７に示される後述の反射板７１４、図８に示される後述の反射板８１６により、反射され、再び二酸化チタン半導体の表面もしくは空孔中に入射し、光起電力を起こす。
【００８１】
このチタニア半導体３０１、４０１の詳しい製造方法については、別途詳述するが、このチタニア半導体３０１、４０１は、１０ｎｍ〜１００μｍ程度の粒径からなるチタン（Ｔｉ）の微粉末を焼結することにより、酸化して形成したアナターゼ型の二酸化チタンからなる酸化物半導体、もしくは、５〜２０００ｎｍ程度の粒径からなるアナターゼ型のチタニア（ＴｉＯ２）の微粉末を焼成することにより形成した酸化物半導体である。
【００８２】
これらの二酸化チタン半導体３０１または４０１は、空孔率（または気孔率）が極めて高く多孔質状態（ポーラス状態）で、いわゆるフラクタル構造をしている。
【００８３】
図３および図４に示すように、二酸化チタン半導体３０１または４０１の多孔質状態（ポーラス状態）は、より具体的には空孔率（または気孔率）が５〜９０％であるアナターゼ型のチタニア半導体からなる。これらの二酸化チタン半導体３０１または４０１は、好ましくは空孔率（または気孔率）が１５〜５０％であり、さらに好ましくは、２０〜４０％アナターゼ型のチタニア半導体である。
【００８４】
このように、空孔率（または気孔率）を極めて高くすることにより、平板でチタニア電極を形成した場合に比べて、チタニアの表面積が極端に増大する。たとえば、１ｃｍ２のところに存在するチタニアの表面積を１０００〜１００００ｃｍ２にすることができる。これによって、チタニアと太陽光との接触面積も増大するので、計算上は、１０００〜１００００倍の電流が発生することになる。
【００８５】
（第２実施形態）
通常のチタニア半導体は、太陽光のうち紫外光にしか反応しないが、本発明のチタニア半導体は、太陽光等の光の吸収波長を増感し、可視光領域の光まで反応するための処理がされている。
【００８６】
具体的には、（１）色素をチタニア半導体の多孔質体表面に吸着させる方法（色素吸着法）、（２）チタニアに酸素欠陥を作り、バンドギャップを低減させ、可視光対応させる方法（酸素欠陥法）、（３）チタニア中に微量の不純物をドープする方法（不純物ドープ法）などが考えられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００８７】
まず、（１）の方法（色素吸着法）について、詳述する。
第３図および第４図に示すように、チタニア半導体３０１、４０１は、１０ｎｍ〜１００μｍ程度の粒径からなるチタン（Ｔｉ）の微粉末を焼結することにより、酸化して形成したアナターゼ型の二酸化チタンからなる酸化物半導体、もしくは、５〜２０００ｎｍ程度の粒径からなるアナターゼ型のチタニア（ＴｉＯ２）の微粉末を焼成することにより形成した酸化物半導体である。
【００８８】
これらの二酸化チタン半導体３０１または４０１は、空孔率（または気孔率）が極めて高く多孔質状態（ポーラス状態）で、いわゆるフラクタル構造をしている。
【００８９】
図３および図４に示すように、二酸化チタン半導体３０１または４０１の多孔質状態（ポーラス状態）は、より具体的には空孔率（または気孔率）が５〜９０％であるアナターゼ型のチタニア半導体からなる。これらの二酸化チタン半導体３０１または４０１は、好ましくは空孔率（または気孔率）が１５〜５０％であり、さらに好ましくは、２０〜４０％アナターゼ型のチタニア半導体である。
【００９０】
このように、フラクタル構造で、多孔質な二酸化チタン半導体３０１または４０１の表面および多孔質部分には、あらかじめ、色素が吸着されている。
【００９１】
色素は、有機色素（ルテニウム錯体等の金属有機色素）、無機色素（無機物炭素等からなるカーボンブラック）等の色素が用いられる。
【００９２】
この色素をあらかじめアルコール等の溶媒に溶かしておき、この溶液に二酸化チタン半導体３０１または４０１を浸すこと等により、二酸化チタン半導体３０１または４０１の表面および多孔質部分に、色素を吸着させる。この後、溶液から引き上げた二酸化チタン半導体３０１または４０１を自然乾燥することにより、色素は二酸化チタン半導体３０１または４０１の表面および多孔質部分に吸着される。さらに、色素をより強固に吸着させるためには、６０〜１００度程度の温度で、クリーンオーブン等で、乾燥することも有効である。
【００９３】
次に、（２）の方法（酸素欠陥法）について詳述する。
まず、アナターゼ型またはルチル型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末を用意する。二酸化チタン粉の平均粒径は、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ〜１０μｍ程度であるのが好ましく、５〜１００ｎｍ程度であるのがより好ましい。
【００９４】
これらの二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末を６００〜１０００度の温度で還元処理することにより、二酸化チタン（ＴｉＯ２）中の酸素が還元され、酸素欠陥を有する二酸化チタン半導体が形成される。このときの二酸化チタン半導体の特性はｎ型の半導体となる。
【００９５】
還元処理の温度が８００度を超えはじめるとアナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）の結晶構造がルチル型に変化し始める。したがって、酸素欠陥を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、アナターゼ型の状態、アナターゼ型とルチル型の混在状態、ルチル型の状態の３つの状態が考えられる。
【００９６】
このとき用いられる還元処理は、水素雰囲気中で行われることが有効である。水素雰囲気中で還元処理した場合には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）中の酸素の還元が水素により促進されるので、還元処理の温度をより低くすることが出来るので、アナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）のまま処理することも可能である。
【００９７】
次に、（３）の方法（不純物ドープ法）について詳述する。
図６は本発明に係わる実施形態であるチタニア半導体の構造を示す。第６図に示すように、チタニア中には、０．１〜２．５μｍｏｌ／ｇの微量のＣｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）などの不純物を含んでおり、さらに理想的には１．５〜２．０μｍｏｌ／ｇのＣｒ、Ｖなどの不純物を含んでいることが好ましい。
【００９８】
このように、本発明のチタニア半導体は、太陽光等の光の吸収波長を増感し、可視光領域の光まで反応するための処理がされているので、通常のチタニア半導体では効率的に吸収できない４００ｎｍ以上の可視光（通常、４００〜７５０ｎｍの波長の光をいう）を吸収することができるので、太陽光を実用レベルで吸収することができる。太陽電池の効率を大幅に向上させる。
【００９９】
（第３実施形態）
つぎに、本発明のチタニア半導体膜１０１、２０１の形成方法について詳述する。
【０１００】
（１）粉末成型法
本願発明に用いられるチタニア半導体は、いわゆる粉末射出成形法（Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ：一般的にＰＩＭ法と呼ばれる）または、金属射出成形法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ：一般的にＭＩＭ法と呼ばれる）技術により形成される。
【０１０１】
すなわち、２０〜２０００ｎｍ程度の粒径のチタン微粉末に、体積比で９９〜５０％の樹脂バインダーを添加・混練し、射出成形可能な低粘度（１０００〜３０００Ｐ）の原料コンパウンドを形成する。
【０１０２】
このとき、光の吸収波長域を広げるために添加されるＣｒまたはＶは、Ｃｒの酸化物（ＣｒＯ３）またはＶの酸化物の状態で添加されるか、または純Ｃｒまたは純Ｖの状態で前記原料コンパウンドに添加される。
【０１０３】
この後、樹脂バインダーを除去するための脱バインダー工程（脱脂工程）を経て、脱バインダーされたチタン微粉末は上述した添加物と共に焼結される。この焼結工程で、チタン微粉末は酸化され、アナターゼ型のチタニア（二酸化チタン）となる。
【０１０４】
このとき、チタニアは熱的にはルチルが安定であり、アナターゼの結晶構造は９００℃以上の加熱でルチルに変化してしまうため、前記脱バインダー工程及び前記焼結工程の温度はチタンがアナターゼ型の酸化物としての結晶構造を保てるように９００℃以下で焼結され、酸化が行われなければならない。
【０１０５】
さらに、焼結工程においては、アナターゼ型の結晶構造を壊さずに、チタニアを合金化するため、焼結助剤として融点が７９５℃であるＭｏＯ３（モリブデン酸化物）をあらかじめ原料コンパウンドに添加し、チタニアを焼結合金とする。
【０１０６】
この焼結助剤は、融点が、９００℃以下のものなら、ＭｏＯ３（モリブデン酸化物）に限らず利用が可能である。
【０１０７】
また、焼結助剤を用いることなくアナターゼ型の二酸化チタン半導体を得る方法としては、チタン微粉末を１２００℃程度の真空雰囲気中で一度焼結した後、９００℃以下の酸素雰囲気中で再焼結することによってチタンを酸化し、二酸化チタン半導体を形成してもよい。
【０１０８】
（２）塗布法
また、チタニア半導体は、半導体材料を、例えば、ディッピング、ドクターブレード、スピンコート、刷毛塗り、スプレー塗装、ロールコーター等の各種塗布法、溶射法等の方法により膜状（厚膜および薄膜）に形成することができる。
【０１０９】
例えば、塗布法によれば、その操作は、極めて簡単であり、かつ、大掛かりな装置も必要としないので、チタニア半導体および太陽電池の製造コストの削減、製造時間の短縮に有利である。また、塗布法によれば、例えばマスキング等を用いることにより、所望のパターン形状のチタニア半導体を容易に得ることができる。
【０１１０】
以下に、チタニア半導体の塗布法による成形方法について説明する。
酸化チタン粉末全体としての平均粒径は、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ〜１０μｍ程度であるのが好ましく、５〜１００ｎｍ程度であるのがより好ましい。酸化チタン粉末の平均粒径を前記の範囲内とすることにより、酸化チタン粉末の後述する塗布液（半導体材料）中での均一性が向上する。
【０１１１】
また、このように酸化チタン粉末の平均粒径を小さくすることにより、得られるチタニア半導体を超多孔質に出来るので、チタニア半導体の受光面は、光との接触面積をより大きくすることができる。さらに、色素等によって、可視光増感した場合のチタニア半導体への色素の吸着量を大幅に向上することが出来る。
【０１１２】
塗布液（半導体材料）の調整は、まず、５〜１００ｎｍ程度の微粒子の酸化チタン粉末を適当量の水（例えば、蒸留水、超純水、イオン交換水、ＲＯ水等）に懸濁する。
【０１１３】
次に、かかる懸濁液に、例えば硝酸等の安定化剤を添加し、メノウ製（またはアルミナ製）の乳鉢内で十分に混練する。
【０１１４】
次いで、かかる懸濁液に、前記の水を加えてさらに混練する。このとき、前記安定化剤と水との配合比は、体積比で好ましくは１０：９０〜４０：６０程度、より好ましくは１５：８５〜３０：７０程度とし、かかる懸濁液の粘度を、例えば０．２〜３０ｃｐｓ程度とする。
【０１１５】
その後、かかる懸濁液に、例えば、最終濃度が０．０１〜５ｗｔ％程度となるように界面活性剤を添加して混練する。これにより、塗布液（半導体材料）を調整する。
【０１１６】
なお、界面活性剤としては、カチオン性、アニオン性、両イオン性、非イオン性のいずれであってもよいが、好ましくは非イオン性のものが用いられる。
【０１１７】
また、安定化剤としては、硝酸に代わり、酢酸やアセチルアセトンのような酸化チタンの表面修飾試薬を用いることもできる。
【０１１８】
また、塗布液（半導体材料）中には、必要に応じて、例えばポリエチレングリコール（ＰＥＧ）のようなバインダー、可塑剤、酸化防止剤等の各種添加物を添加してもよい。
【０１１９】
ポリエチレングリコールのようなバインダー、可塑剤、酸化防止剤等の各種添加物の添加は、懸濁液の粘度を上げて、塗布液（半導体材料）をペースト状にするための効果がある。また、ＰＥＧは、チタニアペーストの粘度を上昇させるとともに、チタニア半導体の焼成時には、微粒子のチタニアのバインダーとしての働きをする。
【０１２０】
さらに、ＰＥＧは、焼成時にバインダーとしては不要なＰＥＧの成分が揮発することにより、チタニア半導体の多孔質化に貢献する。
【０１２１】
このような、塗布液を図１または図２に示される第１の電極１０３、２０３の上面に、塗布法（例えば、ディッピング等）により、塗布液を塗布・乾燥して半導体材料の膜状体（塗膜）を形成する。また、本発明では、塗布・乾燥の操作を複数回行って積層してもよい。
【０１２２】
次いで、この半導体材料の膜状体に対して、必要に応じて、例えば、温度２５０〜５００℃程度で０．５〜３時間程度、熱処理（例えば、焼成等）してチタニア半導体１０１、２０１を得る。これにより、単に接触するのに止まっていた酸化チタン粉末同士は、その接触部位に拡散が生じ、酸化チタン粉末同士がある程度固着（固定）するようになる。
【０１２３】
（第４実施形態）
図７には、本発明の太陽電池をモジュール化（ユニット化）した太陽電池ユニットの具体的な構成例を示す。
【０１２４】
二酸化チタンからなる半導体（二酸化チタン半導体：チタニア半導体）７０１は、上部電極（第２の電極）７０２および下部電極（第１の電極）７０３からなる一対の電極で挟持されている。これらの電極７０２、７０３は、それぞれ、ＩＴＯ等からなる透明電極または金属電極（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む合金、あるいは、例えばＣｕＩ、ＣｕＳＣＮ、ＡｇＩ、Ａｇ２Ｓ、ＲｂＡｇ４Ｉ５、ＡｇＢｒ、β−Ａｌ２Ｏ３（ＮａＯ・ｎＡｌ２Ｏ３）等の前記金属を含む化合物等）等からなる。
【０１２５】
上部電極７０２は、図１に示すような複数の電極からなるストライプ状の串歯形状の電極であってもかまわないし、図２に示すような全面電極でもかまわない。
【０１２６】
下部電極７０３は、図１に示すように、二酸化チタン半導体７０１に接する平面状の電極でも良いし、ストライプ状の串歯電極等の平面でない電極にしても良い。
【０１２７】
この太陽電池セル（太陽電池ユニット）７００に入る太陽光の方向は、電極の形状、膜質によって任意に決定されるものであり、二酸化チタン半導体７０１の部分に太陽光等の光が当たる。なお、本構成例の太陽電池ユニット７００では、図７中上側から光を入射させて使用される。
【０１２８】
一対の電極７０２、７０３により挟持された二酸化チタン半導体７０１からなる太陽電池は、それぞれ、透明なガラス、プラスチック（ＰＥＴ，ＰＩ，ＰＰＳ等）、樹脂等からなる上基板７１１と下基板７１５の間に納められ、封止材７１３により封止されている。２枚の基板７１１、７１５の間には、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを入れても良い。
【０１２９】
下基板７１５上（上面）には、反射膜（反射板）７１４が形成されている。これにより、二酸化チタン半導体７０１の中を通り抜けてきた光を反射して再び二酸化チタン半導体７０１の方向へ反射することができる。
【０１３０】
なお、この反射膜７１４は、必要に応じて、省略することもできる。
また、上基板７１１の下面には、二酸化チタン半導体７０１に入射する光量を多くするために、反射防止膜７１２が塗られている（設けられている）。
【０１３１】
また、上基板７１１の最上面には、光触媒機能を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）の薄膜７１６がコート（設置）されている。本発明の太陽電池ユニット７００は、発電の用途のために、野外に置かれることが多いが、本願発明の太陽電池ユニット７００の上基板（カバーガラス）７１１に二酸化チタン（ＴｉＯ２）の薄膜７１６をコートすることにより、自動車等から排出される二酸化炭素や、有機汚染物質から、太陽電池ユニット７００のカバーガラス７１１の汚れや、汚染を防ぐことができる。
【０１３２】
図８には、本発明の太陽電池をモジュール化（ユニット化）した太陽電池ユニットの他の構成例を示す。
【０１３３】
以下、図８に示す太陽電池ユニット８００について、前記太陽電池ユニット７００との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１３４】
図８に示す太陽電池ユニット８００は、下基板８１５と、下部電極（第１の電極）８０３と、二酸化チタン半導体８０１と、上部電極（第２の電極）８０２と、第３の電極８１２と、上基板８１１とを有し、この順序で積層されている。
【０１３５】
これらの下基板８１５、下部電極８０３、二酸化チタン半導体８０１、上部電極８０２、第３の電極８１２および上基板８１１は、それぞれ、平板状または層状をなしている。
【０１３６】
また、この太陽電池ユニット８００では、下部電極８０３と第３の電極８１２との間に、封止材８１３が設けられ、その側面が気密的に封止されている。
【０１３７】
すなわち、封止材８１３、下部電極８０３および第３の電極８１２で画成される空間内に、二酸化チタン半導体８０１および上部電極８０２が収納されている。なお、この空間内には、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを充填することもできる。
【０１３８】
二酸化チタン半導体８０１は、前述した二酸化チタン半導体１０１、２０１、３０１、４０１、６０１、７０１と同様の構成とすることができる。
【０１３９】
上基板８１１および下基板８１５は、それぞれ、前述した上基板７１１および下基板７１５と同様の構成とすることができる。
【０１４０】
上部電極８０２および下部電極８０３は、それぞれ、前述した上部電極７０２および下部電極７０３と同様の構成とすることができる。
【０１４１】
第３の電極８１２は、例えば、ＩＴＯ等からなる透明電極または金属電極（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む合金等）等で構成されている。
【０１４２】
また、封止材８１３は、前述した封止材７１３と同様の構成とすることができる。
なお、本構成例の太陽電池ユニット８００では、図８中下側から光を入射させて使用される。
【０１４３】
この太陽電池ユニット８００では、二酸化チタン半導体８０１の中を通り抜けてきた光を反射して再び二酸化チタン半導体８０１の方向へ反射することができるように、上基板８１１の上面に反射膜（反射板）８１６が設けられている。
【０１４４】
また、下基板８１５の下面には、二酸化チタン半導体８０１に入射する光量を多くするために、前述した反射防止膜７１２と同様の構成の反射防止膜や、下基板８１５の下面の汚れを防止するために、前述した薄膜７１６と同様の構成の薄膜が設けられていてもよい。
【０１４５】
なお、以上説明したような二酸化チタン半導体（チタニア半導体）１０１、２０１、３０１、４０１、６０１、７０１、８０１を用いた太陽電池および太陽電池ユニット１００、２００、６００、７００、８００では、二酸化チタン半導体１０１等への光の入射角が９０°での光電変換効率をＲ９０とし、光の入射角が５２°での光電変換効率をＲ５２としたとき、Ｒ５２／Ｒ９０が０．８以上程度となるような特性を有しているのが好ましく、０．８５以上程度であるのがより好ましい。このような条件を満たすということは、二酸化チタン半導体１０１等が光に対する指向性が低い、すなわち、等方性を有するということである。したがって、このような二酸化チタン半導体１０１等を有する太陽電池および太陽電池ユニット１００等は、太陽の日照時間のほぼ全域に渡って、より効率良く発電することができる。
【０１４６】
以上、本発明の太陽電池および太陽電池ユニットを図１〜図８に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。太陽電池および太陽電池ユニットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。
【０１４７】
また、本発明の太陽電池および太陽電池ユニットは、図１〜図８のうちの、任意の２以上の構成を組み合わせたものであってもよい。
【０１４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）電極（二酸化チタン半導体：チタニア半導体）を用いた太陽電池において、該二酸化チタン電極は空孔率が５〜９０％であるので、空孔率を極めて高くすることができ、平板でチタニア電極を形成した従来の湿式太陽電池に比べて、チタニアの表面積が極端に増大する。すなわち、１ｃｍ２のところに存在するチタニア微粒子の表面積を１０００〜１００００ｃｍ２にすることができる。これによって、チタニアの微粒子と太陽光等の光との接触面積も増大するので、計算上は、１０００〜１００００倍の電流が発生することになる。
【０１４９】
また、前記二酸化チタン半導体は０．１〜２．０μｍｏｌ／ｇのＣｒまたはＶの不純物を含んでいるので、通常のチタニア電極では効率的に吸収できない４００ｎｍ以上の可視光（通常、４００〜７５０ｎｍの波長の光をいう）を吸収することができるようになり、太陽電池の効率を大幅に向上させる。
【０１５０】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態としての太陽電池の構造を示す模式的な概略図である。
【図２】 本発明に係る実施形態としての太陽電池の構造を示す模式的な概略図である。
【図３】 本発明に係る実施形態としての太陽電池の構造を示す模式的な概略断面図である。
【図４】 本発明に係る実施形態としての太陽電池の構造を示す模式的な概略断面図である。
【図５】 本発明に係る実施形態としての太陽電池の等価回路を示す図である。
【図６】 本発明に係る実施形態としての太陽電池の構造を示す模式的な概略断面図である。
【図７】 本発明に係る実施形態としての太陽電池のモジュール（ユニット）構造を示す模式的な概略断面図である。
【図８】 本発明に係る実施形態としての太陽電池のモジュール（ユニット）構造を示す模式的な概略断面図である。
【図９】 従来の湿式太陽電池の構造を模式的に示す概略構成図である。

Claims (27)

  1. 一対の電極と、該一対の電極間に挟持された二酸化チタン（ＴｉＯ ２ ）半導体と、を有する太陽電池であって、
    該二酸化チタン半導体は、ＣｒおよびＶの少なくとも一方の不純物、および、融点が９００℃以下のモリブデン酸化物からなる焼結助剤を含み、かつ酸素欠陥を有するものであり、
    該二酸化チタン半導体表面および該二酸化チタン半導体中には空孔が形成されており、該二酸化チタン半導体と該一対の電極の少なくとも一方の電極とは、整流障壁をなしており、該整流障壁をなしている電極は前記空孔内に浸透した固体材料により形成されていることを特徴とする太陽電池。
  2. 前記整流障壁は、二酸化チタン半導体と前記一対の電極の少なくとも一方の電極とを接触させることによって形成された整流障壁であり、該整流障壁はダイオード特性を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の太陽電池。
  3. 前記整流障壁は、二酸化チタン半導体と前記一対の電極の少なくとも一方の電極とを接触させることによって形成されたショットキー障壁であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の太陽電池。
  4. 前記整流障壁は、二酸化チタン半導体と前記一対の電極の少なくとも一方の電極とを接触させることによって形成されたＰＮ接合であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の太陽電池。
  5. 前記不純物は、チタニアに対して０．１〜２．５μｍｏｌ／ｇの割合で含まれていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の太陽電池。
  6. 前記二酸化チタン半導体は、空孔率が５〜９０％であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の太陽電池。
  7. 前記二酸化チタン半導体は、空孔率が１５〜５０％であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の太陽電池。
  8. 前記二酸化チタン半導体は、空孔率が２０〜４０％であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の太陽電池。
  9. 前記二酸化チタン半導体は、多孔質状態であり、フラクタル構造であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の太陽電池。
  10. 前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ＩＴＯ等からなる透明電極、またはＡｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ等からなる金属またはこれらを含む金属化合物であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の太陽電池。
  11. 前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ヨウ化物であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の太陽電池。
  12. 前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ＣｕＩ（ヨウ化銅）であることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の太陽電池。
  13. 前記二酸化チタン半導体と整流障壁をなす電極は、ＡｇＩ（ヨウ化銀）であることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の太陽電池。
  14. 前記電極は、蒸着法によって形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１３項のいずれかに記載の太陽電池。
  15. 前記電極は、スパッタ法によって形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１３項のいずれかに記載の太陽電池。
  16. 前記電極は、印刷法によって形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１３項のいずれかに記載の太陽電池。
  17. 前記二酸化チタン半導体は可視光を吸収するための可視光化処理がされていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１６項のいずれかに記載の太陽電池。
  18. 前記二酸化チタン半導体には、有機色素が吸着されてなることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の太陽電池。
  19. 前記二酸化チタン半導体には、無機色素が吸着されてなることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の太陽電池。
  20. 前記二酸化チタン半導体に吸着されてなる無機色素は、無機物炭素からなることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の太陽電池。
  21. 前記二酸化チタン半導体に吸着されてなる無機色素は、炭素に着色した無機物からなることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の太陽電池。
  22. 請求の範囲第１項ないし第２１項のいずれかに記載の太陽電池を第１の基板と第２の基板との間に挟持してなることを特徴とする太陽電池ユニット。
  23. 該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側とは反対側の基板上には、該太陽光等の光を反射する反射膜が塗布または配置されてなることを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の太陽電池ユニット。
  24. 該第１の基板と第２の基板間には、アルゴンガス等からなる不活性ガスが封入されてなることを特徴とする請求の範囲第２２項または第２３項に記載の太陽電池ユニット。
  25. 該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側の基板は、ガラス、プラスチック、樹脂等からなる透明基板または半透明基板であることを特徴とする請求の範囲第２２項ないし第２４項のいずれかに記載の太陽電池ユニット。
  26. 該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側の基板の表面または裏面には、反射防止膜が塗布または配置されてなることを特徴とする請求の範囲第２２項ないし第２５項のいずれかに記載の太陽電池ユニット。
  27. 該第１の基板または第２の基板のうち、少なくとも太陽光等の光が入射する側の基板の表面には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）等からなる光触媒膜が塗布または配置されてなることを特徴とする請求の範囲第２２項ないし第２６項のいずれかに記載の太陽電池ユニット。
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