JP4636890B2

JP4636890B2 - 色素増感型太陽電池

Info

Publication number: JP4636890B2
Application number: JP2005015472A
Authority: JP
Inventors: 義也藤下; 雅也湯浅
Original assignee: Sekisui Jushi Corp
Current assignee: Sekisui Jushi Corp
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-01-24
Also published as: JP2006202681A

Description

本発明は、形成の容易性及び耐久性に優れる色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池の製造方法に関するものである。

色素増感型太陽電池において、電子のキャリアとなる電解質層には、一般に電極層への接触が十分に行われるよう、液状又は擬液状の電解質溶液が用いられる。かかる電解質溶液が漏洩したり電解質層に空気が侵入したりすると、発電効率の低下のみならず光電極層の劣化が起こる恐れがある。そこで電解質層は表裏の基板間を端部周辺で封止材を用いて封止し、電解質層からの電解質溶液の漏洩や電解質層への空気の侵入を防止するようになされてる。

電解質層を封止する技術として、例えばイソブチレン系重合体、オルガノハイドロジェンポリシロキサン、ヒドロキシル化触媒及びシランカップリング剤を主成分とする封止材が開示されている（例えば特許文献１）。またいずれか一方もしくは両方の基板の周縁部にガラスフリット層を配し、いずれかの基板を透過して該ガラスフリット層にレーザ光を照射し、ガラスフリット層を溶融して基板を接合、封止する方法が開示されている（例えば特許文献２）。更にまた、封止剤組成物として少なくとも１つ以上のアクリレート基を有するイソプレン重合体を主成分として用いる方法が開示されている（例えば特許文献３）。

特開２００４−９５２４８号公報特開２００４−１７２０４８号公報特開２００４−３１１０３６号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の従来技術による電解質層の封止では、封止材又は封止剤を基材間に固定するにおいて、レーザ光や硬化剤等を用いて硬化させることにより封止を行うものであり、封止材又は封止剤を基材間に配置し且つ硬化させる必要があり、形成に係わる工程が繁雑となるものであった。また封止材又は封止剤の線膨張率が基板と異なる場合、温度変化に伴い膨張収縮が起こると封止材又は封止剤と基板との間の接合部分が破損したり、また封止材又は封止剤と基板との間に隙間が生じたりして、封止が行われなくなる恐れがある。また硬化する材料により封止を行うと、硬化の度合いによって線膨張率が異なってくる場合があり、封止の品質の不安定さに繋がる恐れもあった。

本発明は上記の如き課題に鑑みてなされたものであり、電解質層の封止が容易であり、また電解質層の封止に係わる耐久性に優れる色素増感型太陽電池を提供せんとするものである。

上記目的を達成するため、本発明は以下のような構成としている。すなわち、本発明に係わる色素増感型太陽電池は、透明な電極基材と、該電極基材の上に設けられた第一の導電性被膜と、該第一の導電性被膜上に半導体材料を用いて形成された多孔質の半導体層に増感色素を吸着させてなる光電極層と、液体状又は擬液体状の電解質を含む電解質層と、対向基材と該対向基材の上に第二の導電性被膜を設けて形成され、前記電解質層を介して前記第二の導電性被膜が前記光電極層と対向して設けられ、前記電極基材と前記対向基材との間に前記電解質層を封止する封止材が設けられた色素増感型太陽電池であって、前記封止材が弾性を備えた合成樹脂を用いて形成され、該封止材が前記電極基材及び前記対向基材との間に挟まれて圧縮されることで前記電解質層の封止がなされていることを特徴とするものである。

また本発明の参考例として示す色素増感型太陽電池は、透明な合成樹脂製の電極基材と、該電極基材の上に設けられた第一の導電性被膜と、該第一の導電性被膜上に半導体材料を用いて形成された多孔質の半導体層に増感色素を吸着させてなる光電極層と、液体状又は擬液体状の電解質を含む電解質層と、合成樹脂製の対向基材と該対向基材の上に第二の導電性被膜を設けて形成され、前記電解質層を介して前記第二の導電性被膜が前記光電極層と対向して設けられ、前記電極基材と前記対向基材との間に前記電解質層を封止する封止材が設けられた色素増感型太陽電池であって、前記封止材が前記電極基材及び前記対向基材と相溶性を有する合成樹脂を用いて形成され、前記封止材と前記電極基材及び前記対向基材とが相互に溶融されて溶着部が形成されることで前記電解質層が封止されている。

請求項１に記載の本発明に係わる色素増感型太陽電池によれば、封止材を電極基材及び対向基材との間に挟んで圧縮することのみで電解質層の封止が行えることで電解質層の封止は容易となり、また封止材が弾性を備えていることで、温度変化に伴う電極基材及び対向基材の膨張収縮に追随して伸縮することで長期に亘って封止材や電極基材及び対向基材の破損が起こる恐れを少なくでき、形成の容易性及び耐久性に優れるものとなり得る。

また前記色素増感型太陽電池の参考例によれば、封止材と電極基材及び対向基材とを相互に溶融させて溶着部を形成するのみで電解質層の封止を行うことができ、また溶着部が形成されることで封止材と電極基材及び対向基材とが強固に一体化され、長期に亘って封止材と電極基材及び対向基材との接合部分の破損が起こる恐れが小さくでき、形成の容易性及び耐久性に優れるものとなり得る。

本発明に係わる最良の実施の形態について、図面に基づき以下に具体的に説明する。

図１は、本発明に係わる色素増感型太陽電池の、第一の実施形態を示す断面図である。色素増感型太陽電池１０は、ポリカーボネート樹脂板である透明な電極基材１上にＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が蒸着されて形成された第一の導電性被膜５と、酸化チタンである半導体材料を用いて形成された多孔質の半導体層にルテニウム錯体を含む増感色素を吸着させてなる光電極層６と、ヨウ素である電解質を含む液体状の電解質層４と、ポリカーボネート樹脂板である対向基材２上にカーボンを蒸着させて電解質層４を介して光電極層６と対向して設けられた第二の導電性被膜７とを備えられて形成されている。色素増感型太陽電池１０は、主に太陽Ｓからの光が電極基材１を透過して光電極層６に照射されることで光電極層６が励起されて電子の移動が起こることで電力が生起されるものである。

ここで電極基材１と対向基材２との間には、クロロプレンゴムである弾性を備えた合成樹脂からなる封止材３が挟み込まれている。封止材３は電極基材１及び対向基材２の端部付近に挟み込まれ、更に封止材３が配置された外側の電極基材１及び対向基材２にボルトＢが挿通され、ナットＮが締め込まれることで、電極基材１及び対向基材２により封止材３が圧縮され、封止材３と電極基材１及び対向基材２とが密着することで電解質層４が電極基材１、対向基材２及び封止材３により封止される。

図２は、図１に示した色素増感型太陽電池１０の形成方法を示す説明図である。まず（ａ）において、電極基材１と対向基材２との間に封止材３が配置される。封止材３は電解質層４を包囲できる形状及び長さであればよく、複数の棒状の封止材３を隙間なく配置して電解質層４を包囲してもよいが、本実施形態の如く、弾性を備えた合成樹脂が環状に連続して形成された所謂Ｏリング状のものを用いれば、電解質層４を更に確実に封止することができ好ましい。次に（ｂ）に示す如く、電極基材１及び対向基材２に各々穿設されたボルト孔１１及び２１にボルトＢが挿通され、ナットＮがボルトＢに螺着される。最後に（ｃ）に示す如く、表裏面を反転させた後、対向基材２に穿設された導入孔２２から電解液を電極基材１、対向基材２及び封止材３によって形成された空間に注入し電解質層４を設け、導入孔２２をシール材にて閉塞する。導入孔２２は、略矩形となされた封止材３の内側角部付近に各々穿設されていることで、一箇所の導入孔２２から電解液を注入した場合に他の導入孔２２から空気が速やかに放出されると共に、封止材３の内側角部の空気が放出されやすくなって電解質層４での気泡の残留を防止できるようになされている。

また電解質層４に気泡が生じないように、電解質の流動性がある程度高い場合であれば電極基材１、対向基材２及び封止材３を電解質層４を形成する電解質溶液中に浸漬し、電解質溶液中で電極基材１と対向基材２との間に封止材３を挟持して色素増感型太陽電池１０の組立を行うこともできる。

封止材３を形成する弾性を備えた合成樹脂は特に限定されるものではなく、ブタジエンスチレンゴム、ネオプレン、ブタジエンアクリロニトリルゴム、クロロプレン重合体、ブチルゴム、エチレンプロピレンターポリマー、ウレタン樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、エチレン酢酸ビニル共重合体、シリコン樹脂、軟質及び硬質塩化ビニル樹脂、スチレン−ブタジエン系やポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリアミド系等のエラストマーなどの各種合成ゴムや合成樹脂等を用いることができ、これらの内から電解質層４に含まれる電解質や溶媒に対して高い耐久性を備えたものを選択して形成したものが好適に用いられる。

電極基材１に用いられる材料は、透明であれば特に限定されるものではないが、ガラスや強化ガラス等のガラス類、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル等、若しくは環状ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系のもので、透明若しくは光透過性の高いもので、且つ封止材を挟み込む程度の強度を有するものを用いることができ、それらを単独で用いるか、又は複数を用いて混合物、積層物を形成して適用してもよい。

また対向基材２については、第二の導電性被膜５を形成できる程度の平滑性を備えた表面を形成でき、且つ封止材を挟み込む程度の強度を有するものであれば特に限定されるものではなく、無機系材料、有機系材料、金属材料等の材質を問わず用いることができる。

電解質層４は、液体又は擬液体状で電解質を含むものであれば特に限定されず用いることができるが、アセトニトリルとエチレンカーボネートの混合溶液や、メトキシプロピオニトリル等の溶媒に、ヨウ化リチウム、金属ヨウ素等の電解質を加えたもの等の液体電解質や、高分子ゲル電解液等の擬固体化電解質等の液体電解質系を好適に用いることができる。

光電極層６を形成する多孔質の半導体層の形成に用いられる半導体材料としては、上述の如くコストや作業性等から酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適であるが、それに限定されるものではなくＦｅ_２Ｏ_３、Ｃｕ_２Ｏ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、Ｆｅ_２ＴｉＯ_３、ＰｂＯ、Ｖ_２Ｏ_５、ＦｅＴｉＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＳｎＯ_２、ＺｒＯ_２などを用いることができる。

また光電極層６を形成する増感色素は、上述のルテニウム錯体色素としては、Ｎ３、ブラックダイ、ビピリジン−カルボン酸基、ビピリジン系、フェナントロリン、キノリン、β−ジケトナート錯体等種類を問わず用いることができ、他にＯｓ金属錯体、Ｆｅ金属錯体、Ｃｕ金属錯体、Ｐｔ金属錯体、Ｒｅ金属錯体等の金属錯体色素や、シアニン色素やメロシアニン色素等のメチン色素、マーキュロクロム色素、キサンテン系色素、ポルフィリン色素、フタロシアニン色素、アゾ系色素、クマリン系色素等の有機系色素などを用いることができる。

第一の導電性被膜５の形成に用いられる材料としては、透明性に優れると共に高い導電性を備えるスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、金、白金等やそれらを複数組み合わせたものを真空蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、泳動電着法等の適宜の方法により形成したり、またはそれらの薄膜が形成されたフィルムを電極基材１に貼着したりする等して形成することができる。

また第二の導電性被膜７については、第一の導電性被膜５と電位差が生じるものであればよく、白金、カーボン、導電性ポリマーや、ＩＴＯ、ＦＴＯ等の金属酸化物と前記物質との複合材料等を用いて、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、泳動電着法等の適宜の方法により形成したり、またそれらの薄膜が形成されたフィルムを対向基材２に貼着したりする等して形成することができる。

また封止材３を、電極基材１と対向基材２との間に挟み込むにおいて、電極基材１及び／又は対向基材２に封止材３の一部が嵌入可能な溝部を設けてもよい。図３は第一の実施形態の変形の一例を示す断面図であるが、（ａ）に示す如く対向基材２に封止材３の延長と同程度の延長を有する溝部２３を設けておき、封止材３は弾性を有するから溝部２３の形状に追随することが可能であり、溝部２３に封止材３を嵌入した状態で電極基材１を封止材３上に重ね合わせて、ボルトＢ及びナットＮにより固定を行う。かかる溝部２３を設けておくことで、封止材３の電解質層４を封止する能力を損なうことなく封止材３の取り付け及び位置決めといった作業に係わる便宜を図ることができる。また（ｂ）に示す如く、電極基材１と対向基材２との両方に溝部１２及び２３を設けておくことで、封止材３の取り付け及び位置決めが容易になされると共に、電極基材１と対向基材２との位置決めも容易に行うことができるようになされる。

更にまた、封止材３の形状を図４に示すようなものとして、色素増感型太陽電池によって発電される電力の電圧又は電流値の向上を図れるようにしてもよい。図４の（ａ）は封止材３を示す斜視図、（ｂ）は形成後の色素増感型太陽電池の平面図であるが、まず（ａ）において、封止材３は外枠部３１と、外枠部３１の内側を五体の区画３３に分割する四本の横断部３２とを備えたもので、外枠部３１と横断部３２とが同程度の厚みとなされることで、外枠部３１により電解質層４全体の封止がなされると共に、五体の区画３３間においても電解質層４が封止されるようになされている。かかる封止材３を用いて（ｂ）に示す如く色素増感型太陽電池１０を形成すると、区画３３間での電子の移動が横断部３２により妨げられることで、五体の色素増感型太陽電池が併存する状態となり、これらの五体を直列に接続することで、電圧値を五倍とすることができ、例えば通常の色素増感型太陽電池は発電電圧が約０．７Ｖであるが、それを約３．５Ｖにすることができる。また並列に接続すれば、電流値を単独の場合の約五倍に高めることができる。かかる電圧及び電流値の向上を図るのに、各々一体の電極基材１、対向基材２及び封止材３を用いるのみで可能となり、他の太陽電池と接続する必要なくなる等、構造が簡便なものとなり得る。

図５は、本発明の参考例として示す色素増感型太陽電池の断面図である。第一の実施形態のものと同様に、ポリカーボネート樹脂からなる電極基材１と、同じくポリカーボネート樹脂からなる対向基材２との間に封止材３が挟み込まれ、電極基材１、対向基材２及び封止材３によって電解質層４が封止されているが、封止材３と電極基材１及び対向基材２とは超音波溶着により相互が溶融されて溶着部Ｙが形成されており、かかる溶着部Ｙにより強固に一体化されることで、電解質層４の封止が確実に行われると共に、長期に亘って温度変化等に曝された場合でも封止材３と電極基材１及び対向基材２との接合部が破損する起こる恐れを小さくして耐久性に優れるものとなり、また超音波溶着は工程が簡便で且つ短時間で溶着が可能であるから形成は容易なものとなり得る。

ここで封止材３は、電極基材１及び対向基材２と同じ材質であるポリカーボネート樹脂を用いて形成され、ポリカーボネート樹脂板を矩形に枠組みしたものが用いられている。封止材３は電極基材１及び対向基材２と同じ材質を用いることで、言うまでもなく相互に相溶性を有し、溶着により強固に一体化することが可能となり得る。

電極基材１及び対向基材２は、第一の実施形態において挙げたものの内、溶着が可能な熱可塑性の合成樹脂を選択して用いることができる。封止材３については、電極基材１及び対向基材２と相溶性を有する合成樹脂であれば特に限定されるものではないが、電極基材１及び対向基材２と同種の合成樹脂、例えばポリオレフィン系同士、ポリエステル系同士等の合成樹脂を用いれば、溶着がより強固なものとなされ好ましい。

溶着は、超音波、高周波、電磁誘導、振動、レーザー、インパルス等適宜の方法により溶着を行うことができるが、工程が簡便で、作業に係わる時間が短い超音波溶着又は高周波溶着を用いれば、電解質層４の封止に係わる構造の形成がより一層容易となり好ましい。

本発明に係わる色素増感型太陽電池の、第一の実施形態を示す断面図である。本発明に係わる色素増感型太陽電池の、第一の実施形態の形成を説明する説明図である。上記第一の実施形態の、変形の一例を示す断面図である。封止材の変形の一例を示す説明図である。本発明の参考例として示す色素増感型太陽電池の断面図である。

符号の説明

１電極基材
２対向基材
３封止材
４電解質層
５第一の導電性被膜
６光電極層
７第二の導電性被膜
１０色素増感型太陽電池
Ｙ溶着部

Claims

透明な電極基材と、該電極基材の上に設けられた第一の導電性被膜と、該第一の導電性被膜上に半導体材料を用いて形成された多孔質の半導体層に増感色素を吸着させてなる光電極層と、液体状又は擬液体状の電解質を含む電解質層と、対向基材と該対向基材の上に第二の導電性被膜を設けて形成され、前記電解質層を介して前記第二の導電性被膜が前記光電極層と対向して設けられ、前記電極基材と前記対向基材との間に前記電解質層を封止する封止材が設けられた色素増感型太陽電池であって、前記封止材が弾性を備えた合成樹脂を用いて形成され、該封止材が前記電極基材及び前記対向基材との間に挟まれて圧縮されることで前記電解質層の封止がなされていることを特徴とする色素増感型太陽電池。