JP4761327B2 - 湿式太陽電池および湿式太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施形態における湿式太陽電池(以下、「太陽電池」または「色素増感太陽電池」ともいう)の層構成の一例を示す概略断面図である。また、図2は図1の湿式太陽電池の要部の構成を示す概略上面図である。
支持体1は、太陽電池の受光面となる部分では光透過性が必要となるため、少なくとも光透過性を有する材料からなり、厚さ0.2〜5mm程度のものが好ましい。
導電層2は、太陽電池の受光面となり、光透過性が必要となるため、光透過性の材料からなる。但し、少なくとも後述する増感色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過させる材料であればよく、必ずしもすべての波長領域の光に対して透過性を有する必要はない。
スクライブライン3は、導電層2を公知のレーザースクライブにより切断して形成する。スクライブライン3により、導電層2は、その表面に後述の光電変換層4が形成される部分を含む第1の領域2aと、光電変換層が形成されない第2の領域2bとに分割される。
光電変換層4は、多孔性半導体により構成される層に色素や量子ドットを吸着させかつキャリア輸送材料を充填させてなる。以下において光電変換層を多孔性半導体層ということがある。
多孔性半導体に吸着させる、光増感剤として機能する色素としては、種々の可視光領域および/または赤外光領域に吸収をもつ有機色素、金属錯体色素などが挙げられ、これらの色素を1種または2種以上を選択的に用いることができる。
湿式太陽電池において、光電変換層4と対極導電層6との間に多孔性絶縁層5を設けるのが一般的である。多孔性絶縁層5の材料としてはガラスや、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウムなどの伝導帯準位の高い材料が用いられる。また、多孔性絶縁層5としては、粒子状の多孔質により構成されるものが例示され、この場合平均粒径は5〜500nmであることが好ましく、10〜300nmであることがより好ましい。
導電層2の上記光電変換層4が形成される部分を含む第1の領域2a表面における上記光電変換層4の周囲の少なくとも一部に形成する保護膜9は、内部短絡防止用に設けられる。特に、第1の領域2aと第2の領域2bとの間に存在するスクライブライン3の近傍、かつ第1の領域2a表面の光電変換層4が形成されない部分に形成されることが好ましい。これにより、導電層が形成されたガラス上に多孔性絶縁層のみが形成された従来の構造に比べて、第1の領域2a上の光電変換層4が形成されない部分の膜厚、すなわち保護膜9が形成された第1の領域2aの表面からその直上にある対極導電層6との距離D1が増加し、対極導電層材料が多孔性絶縁層へと染み込んで導電層2へ達することによる内部短絡を防止することができる。
本発明において、対極導電層6とは、触媒能を有しキャリア輸送層中の正孔を還元する働きを有する触媒層と、電子収集を行ない隣接する太陽電池と直列接続する働きを有する導電層とを合わせて対極導電層と呼ぶ。また、これらの働きを併せて有する層、すなわち、触媒層が高い導電性を有する場合、あるいは導電層が触媒能を有する場合は、それぞれ単独で対極導電層6とすることができる。また、対極導電層とは別に触媒層を更に設ける態様も本発明に含まれる。
対極導電層6の導電層を構成する材料は、一般に太陽電池に使用可能で、かつ本発明の効果を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。このような材料としては、インジウム錫複合酸化物(ITO)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等の金属酸化物、チタン、タングステン、金、銀、銅、ニッケルなどの金属材料が挙げられる。膜強度を考慮するとチタンが最も好ましい。
触媒層を構成する材料は、一般に太陽電池に使用可能で、かつ本発明の効果を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。このような材料としては、例えば、白金、カーボンが好ましい。カーボンの形態としては、カーボンブラック、グラファイト、ガラス炭素、アモルファス炭素、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンホイスカー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が好ましい。
カバー層7は、電解液の揮発と電池内への水などの浸入を防止するために設けられる。
封止材8は、電解液の揮発と電池内への水などの浸入を防止するために設けられる。
本発明において、「キャリア輸送層」とは、キャリア輸送材料が注入された、封止材8の内側の導電層2とカバー層7との間に挟持され、封止材8により担持される領域(図1中、太枠A1内)を意味する。したがって、少なくとも光電変換層4および多孔性絶縁層5にはキャリア輸送材料が充填される。
ゲル化剤としては、例えば、架橋ポリアクリル樹脂誘導体や架橋ポリアクリロニトリル誘導体、ポリアルキレンオキシド誘導体、シリコーン樹脂類、側鎖に含窒素複素環式四級化合物塩構造を有するポリマーなどの高分子ゲル化剤などが挙げられる。
常温型溶融塩としては、例えば、ピリジニウム塩類、イミダゾリウム塩類などの含窒素複素環式四級アンモニウム塩化合物類などが挙げられる。
このような添加剤としては、t-ブチルピリジン(TBP)などの含窒素芳香族化合物、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(DMPII)、メチルプロピルイミダゾールアイオダイド(MPII)、エチルメチルイミダゾールアイオダイド(EMII)、エチルイミダゾールアイオダイド(EII)、ヘキシルメチルイミダゾールアイオダイド(HMII)などのイミダゾール塩が挙げられる。
対極導電層6には、必要に応じて、取り出し電極(図示せず)が設けられる。取り出し電極により、太陽電池から外部へと電流を取り出す。
図1に記載の湿式太陽電池の製造方法について説明する。
<湿式太陽電池モジュール>
図5は、本発明の湿式太陽電池モジュールの層構成を示す要部の概略断面図である。
(実施例1〜6)
図1、及び図2に示すように、ガラスからなる支持体1上にSnO2膜からなる導電層2が成膜された、30mm×30mm×厚さ1.0mmの透明電極基板11(日本板硝子株式会社製、SnO2膜付ガラス)を用意した。透明電極基板11の導電層2をレーザースクライブにより切断し、スクライブライン3を形成して、導電層2を第1領域2aおよび第2領域2bに分割した。次いで、多孔性半導体により構成される層のパターンを有するスクリーン板とスクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型番:LS−150)を用いて、市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:D/SP)を第1領域2aに塗布し、室温で1時間レベリングを行なった。その後、得られた塗膜を80℃に設定したオーブンで20分間乾燥し、さらに500℃に設定した焼成炉(株式会社デンケン製、型番:KDF P−100)を用いて空気中で60分間焼成した。この塗布および焼成工程を3回繰り返して、膜厚10μmの多孔性半導体により構成される層を得た。すなわち、本実施例において、光電変換層4の膜厚は10μmとなる。
比較例1において保護膜9を形成しなかった以外は実施例1と同様の工程により湿式太陽電池を作成した。また、比較例2および3において、膜厚が11μm(比較例2)、15μm(比較例3)の保護膜9を形成した以外は、実施例1と同様の工程により湿式太陽電池を作成した。
実施例1〜6および比較例1〜3の湿式太陽電池の受光面に、開口部の面積が1.0cm2である黒色のマスクを設置して、この太陽電池に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率(%)を測定した。その結果を表1に示す。また、D1(保護膜9の膜厚と該保護膜9上に積層された多孔質絶縁層の膜厚とを足した距離)についても表1に示した。
図3、及び図4に示すように、ガラスからなる支持体1上にSnO2膜からなる導電層2が成膜された、30mm×30mm×厚さ1.0mmの透明電極基板11(日本板硝子株式会社製、SnO2膜付ガラス)を用意した。透明電極基板11の導電層2をレーザースクライブにより切断し、スクライブライン3を形成して、導電層2を第1領域2aおよび第2領域2bに分割した。次いで、多孔性半導体により構成される層のパターンを有するスクリーン板とスクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型番:LS−150)を用いて、市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:D/SP)を第1領域2aに塗布し、室温で1時間レベリングを行なった。その後、得られた塗膜を80℃に設定したオーブンで20分間乾燥し、さらに500℃に設定した焼成炉(株式会社デンケン製、型番:KDF P−100)を用いて空気中で60分間焼成した。この塗布および焼成工程を3回繰り返して、膜厚10μmの多孔性半導体により構成される層を得た。
実施例7〜12の湿式太陽電池の受光面に、開口部の面積が1.0cm2である黒色のマスクを設置して、この太陽電池に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。その結果を表2に示す。
(実施例13)
図5に示す湿式太陽電池モジュールの作製を行なった。
次に、上記スクライブライン3と多孔性半導体により構成される層の間に、実施例7と同様にして、膜厚が7μmの保護膜9を形成した。
実施例13の湿式太陽電池モジュールの受光面に、開口部の面積が13cm2である黒色のマスクを設置して、この太陽電池に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。その結果を表2に示す。
Claims (7)
- 光透過性の材料からなる支持体と、
導電層、多孔性半導体を含む光電変換層、多孔性絶縁層、および対極導電層がこの順に積層された積層体とを備えた湿式太陽電池であって、
前記導電層は、その表面に光電変換層が形成される部分を含む第1の領域と、光電変換層が形成されない第2の領域とに分割され、
前記第1の領域の表面における光電変換層の周囲の少なくとも一部に、膜厚が前記光電変換層の膜厚以下である内部短絡防止用の保護膜が形成されており、
前記保護膜は、前記第1の領域の表面であって、前記第1の領域および前記第2の領域の間に存在するスクライブラインと前記光電変換層との間に形成される、湿式太陽電池。 - 前記保護膜は多孔質である請求項1に記載の湿式太陽電池。
- 前記保護膜の孔径は前記多孔性絶縁層を構成する粒子の粒径以下である請求項2に記載の湿式太陽電池。
- 前記保護膜と前記保護膜の上に積層された前記多孔性絶縁層とを合わせた膜厚が10μm以上である請求項1から3のいずれかに記載の湿式太陽電池。
- 前記保護膜の材料が、少なくとも、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素のいずれかを含む請求項1から4のいずれかに記載の湿式太陽電池。
- 前記保護膜の材料と前記多孔性絶縁層の材料とが同一である請求項1から5のいずれかに記載の湿式太陽電池。
- 2つ以上の湿式太陽電池が直列に接続されている湿式太陽電池モジュールであって、湿式太陽電池の少なくとも1つが、請求項1から6のいずれかに記載の前記湿式太陽電池であり、隣接する湿式太陽電池の一方の湿式太陽電池の対極導電層と、他方の湿式太陽電池の導電層とが電気的に接続されている、湿式太陽電池モジュール。
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