JP4813819B2 - Dye-sensitized solar cell with capacitor - Google Patents
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Description
本発明は、光エネルギを電気エネルギに直接変換し、更に蓄積可能なキャパシタ付色素増感型太陽電池に関する。更に詳しくは、本発明は、光を受けていない場合でも出力を行うことができるキャパシタ付色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell with a capacitor that can directly convert light energy into electric energy and store it. More specifically, the present invention relates to a dye-sensitized solar cell with a capacitor that can output even when light is not received.
現在、太陽光発電では、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びこれらを組み合わせたHIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)等を用いた太陽電池が実用化され、主力技術となっている。これらの太陽電池では光電変換の効率も20%近くあり優れている。しかし、シリコン系太陽電池は素材製造にかかるエネルギーコストが高く、環境負荷などの面でも課題が多く、価格及び材料供給等における制限もある。一方、Gratzel等により提案された色素増感型太陽電池が安価な太陽電池として注目されている(例えば、非特許文献1及び特許文献1参照。)。この太陽電池は、増感色素を担持させたチタニア多孔質電極と対極との間に電解質を介在させた構造を有し、現行のシリコン系太陽電池に比べて光電変換効率は低いものの、材料、製法等の面で大幅なコストダウンが可能である。
また、光の有無にもかかわらず出力が行えるよう色素増感型太陽電池と電気二重層キャパシタを一体化し、電解質及び電極を共通にしたものが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
At present, in solar power generation, solar cells using single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, a combination of these with HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer), etc. have been put into practical use and have become the main technology. These solar cells are excellent with photoelectric conversion efficiency of nearly 20%. However, silicon-based solar cells are expensive in terms of energy production, have many problems in terms of environmental impact, and have limitations in price and material supply. On the other hand, a dye-sensitized solar cell proposed by Gratzel et al. Has attracted attention as an inexpensive solar cell (see, for example, Non-Patent
In addition, a dye-sensitized solar cell and an electric double layer capacitor are integrated so that output can be performed regardless of the presence or absence of light, and a common electrolyte and electrode have been proposed (for example, see Patent Document 2). .
しかし、色素増感型太陽電池と電気二重層キャパシタを一体化した場合、双方に必要な性質を備えた電解質及び電極を備えることは容易でない。また、電気二重層キャパシタは大容量であるため、満充電でない場合は太陽電池で発電した電力が充電に全て費やされてしまい、出力されない問題がある。
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、光を受けていない場合でも出力を行うことができるキャパシタ付色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。
However, when the dye-sensitized solar cell and the electric double layer capacitor are integrated, it is not easy to provide an electrolyte and electrodes having properties necessary for both. In addition, since the electric double layer capacitor has a large capacity, when it is not fully charged, there is a problem that all the electric power generated by the solar cell is consumed for charging and is not output.
The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell with a capacitor that can output even when light is not received.
本発明のキャパシタ付色素増感型太陽電池は、以下の通りである。
1.中間基板11と、該中間基板11の一面側に対向して配置された透光性基板12と、該中間基板11の該一面側に配設された触媒電極21と、該透光性基板12の該中間基板11に対向する一面側に配設された増感色素を有する半導体電極22と、該半導体電極22の少なくとも一部に含有され、且つ該触媒電極21及び該半導体電極22の間に充填された第1電解質23と、該中間基板11の他面側に対向して配設されたキャパシタ基板13と、該中間基板11の該他面側に配設された第1多孔質電極31と、該キャパシタ基板13の該中間基板11に対向する一面側に配設された第2多孔質電極32と、該第1多孔質電極31及び該第2多孔質電極32に含有され、且つ含浸される該第1多孔質電極31及び該第2多孔質電極32との間に充填された第2電解質33と、を備え、上記触媒電極21及び該第1多孔質電極31は互いに電気的に接続されていることを特徴とするキャパシタ付色素増感型太陽電池。
2.上記中間基板11及び上記キャパシタ基板13はセラミック製である上記1.記載のキャパシタ付色素増感型太陽電池。
3.上記電気的接続は、上記中間基板11に設けられたビア導電部4によって行われる上記1.又は2.記載のキャパシタ付色素増感型太陽電池。
4.上記第1多孔質電極31及び上記第2多孔質電極32は、活性炭を含有する上記1.乃至3.のいずれか1に記載のキャパシタ付色素増感型太陽電池。
5.上記電気的接続は途中に電流制限回路を更に具備する上記1.乃至4.のいずれか1に記載のキャパシタ付色素増感型太陽電池。
The dye-sensitized solar cell with a capacitor of the present invention is as follows.
1. Intermediate substrate 11,
2. The intermediate substrate 11 and the
3. The electrical connection is performed by the above-described 1. .., which is performed by the via
4). The said 1st
5). The electrical connection further includes a current limiting circuit on the way. To 4. The dye-sensitized solar cell with a capacitor according to any one of the above.
本各発明のキャパシタ付色素増感型太陽電池によれば、光発電した電力を蓄え、それを出力することができるため、受光していない場合でも出力したり、光を受けて補充充電したりすることができる。また、色素増感型太陽電池及び電気二重層キャパシタを構成する電解質及び電極が独立しているため、それぞれの機能に適したものを選択することができる。更に、色素増感型太陽電池部及び電気二重層キャパシタ部を、その基板を一部共用して積層した構造であるため、厚みを薄くすることができる。且つ、電気二重層キャパシタ部の電極面積を色素増感型太陽電池部と同じ広さにすることができ、より大容量にすることができる。 According to the dye-sensitized solar cell with a capacitor of each invention of the present invention, it is possible to store and output photovoltaic power, so that it can be output even when it is not receiving light, or it can be replenished by receiving light. can do. Moreover, since the electrolyte and electrode which comprise a dye-sensitized solar cell and an electric double layer capacitor are independent, what was suitable for each function can be selected. Further, since the dye-sensitized solar cell portion and the electric double layer capacitor portion are stacked by sharing a part of the substrate, the thickness can be reduced. And the electrode area of an electric double layer capacitor part can be made the same area as a dye-sensitized solar cell part, and it can be made larger capacity | capacitance.
また、中間基板11及びキャパシタ基板13をセラミック製とする場合は、積層構造であっても形態を安定にすることができ、製造及び取付けを容易にすることができる。
更に、色素増感型太陽電池部と電気二重層キャパシタ部を中間基板11に設けられたビアによって電気的接続することによって、接続のための場所を別に確保する必要がなく、小型化することができる。
また、第1多孔質電極31及び第2多孔質電極32を活性炭にする場合は、多孔質電極の表面積を容易に広くすることができ、大容量にすることができる。
更に、電流制限回路を更に具備する場合は、光発電した電力を全て充電に費やすことを抑制し、満充電でない場合でも受光中は出力することができる。
Further, when the intermediate substrate 11 and the
Furthermore, by electrically connecting the dye-sensitized solar cell portion and the electric double layer capacitor portion with vias provided in the intermediate substrate 11, it is not necessary to secure a separate place for connection, and the size can be reduced. it can.
Moreover, when the 1st
Furthermore, when the current limiting circuit is further provided, it is possible to suppress the consumption of all the photovoltaic power generated for charging, and to output during light reception even when it is not fully charged.
以下、図1を例にして本発明のキャパシタ付色素増感型太陽電池を詳細に説明する。
本キャパシタ付色素増感型太陽電池は図1に例示するように、中間基板11及び透光性基板12並びにその間に構成される色素増感型太陽電池部101と、中間基板11及びキャパシタ基板13並びにその間に構成される電気二重層キャパシタ部102とからなる。
色素増感型太陽電池部101は、中間基板11と、中間基板11の一面側に対向して配置された透光性基板12と、中間基板11の一面側に配設された触媒電極21と、透光性基板12の中間基板11に対向する一面側に配設された増感色素を有する半導体電極22と、半導体電極22の少なくとも一部に含有され、且つ触媒電極21及び半導体電極22の間に充填された第1電解質23と、を備える。
また、電気二重層キャパシタ部102は、中間基板11と、中間基板11の他面側に対向して配設されたキャパシタ基板13と、中間基板11の他面側に配設された第1多孔質電極31と、キャパシタ基板13の中間基板11に対向する一面側に配設された第2多孔質電極32と、第1多孔質電極31及び第2多孔質電極32に含有され、且つ第1多孔質電極31及び第2多孔質電極の間に充填された第2電解質33と、を備える。
Hereinafter, the dye-sensitized solar cell with a capacitor of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
As illustrated in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell with a capacitor includes an intermediate substrate 11 and a
The dye-sensitized
In addition, the electric double layer capacitor unit 102 includes an intermediate substrate 11, a
上記「中間基板11」及び上記「キャパシタ基板13」は、透光性を有していてもよいし、透光性を有していなくてもよい。透光性を有していない中間基板11及びキャパシタ基板13は、例えばセラミックスにより形成することができる。セラミック基板は強度が大きく、この基板が支持基板となって優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池とすることができる。また、触媒電極及び集電電極を焼成することができる。
セラミック基板の形成に用いられるセラミックは特に限定されず、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック及び炭化物系セラミック等の各種セラミックスを用いることができる。酸化物系セラミックとしては、アルミナ、ムライト、ジルコニア等が挙げられる。また、窒化物系セラミックとしては、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウム等が挙げられる。更に、炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化アルミニウム等が挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等が好ましく、アルミナが特に好ましい。
The “intermediate substrate 11” and the “
The ceramic used for forming the ceramic substrate is not particularly limited, and various ceramics such as oxide ceramics, nitride ceramics, and carbide ceramics can be used. Examples of the oxide ceramic include alumina, mullite, zirconia and the like. Examples of the nitride ceramic include silicon nitride, sialon, titanium nitride, and aluminum nitride. Further, examples of the carbide-based ceramic include silicon carbide, titanium carbide, and aluminum carbide. As the ceramic, alumina, silicon nitride, zirconia and the like are preferable, and alumina is particularly preferable.
中間基板11及びキャパシタ基板13がセラミックスからなる場合、その厚さは特に限定されないが、100μm〜5mmとすることができ、300μm〜4mm、特に500μm〜2mm、更に700μm〜1.5mmとすることができる。セラミック基板の厚さが100μm〜5mm、特に500μm以上であれば、この強度の大きい基板が支持基板となり、優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池とすることができる。
When the intermediate substrate 11 and the
透光性を有する中間基板11及びキャパシタ基板13は、ガラス及び樹脂シート等を用いて形成することができる。この中間基板11及びキャパシタ基板13が樹脂シートからなるとき、この樹脂シートの形成に用いる樹脂としては、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等のポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリエチリデンノルボルネン等の各種の熱可塑性樹脂が挙げられる。中間基板11及びキャパシタ基板13の厚さは材質によっても異なり、特に限定されないが、透光性の指標である下記の透過率が60〜99%、特に85〜99%となる厚さであることが好ましい。
ここでいう透光性とは、波長400〜900nmの可視光の透過率が10%以上であることを意味する。この透過率は60%以上、特に85%以上であることが好ましい。以下、透光性の意味及び好ましい透過率はすべて同様である。
透過率(%)=(透過した光量/入射した光量)×100
The intermediate substrate 11 and the
The translucency here means that the transmittance of visible light having a wavelength of 400 to 900 nm is 10% or more. This transmittance is preferably 60% or more, particularly 85% or more. Hereinafter, the meaning of translucency and preferable transmittance are all the same.
Transmittance (%) = (transmitted light amount / incident light amount) × 100
中間基板11に対向して配置される上記「透光性基板12」としては、上記中間基板11及びキャパシタ基板13が透光性を有する場合と同様にガラス、樹脂シート等からなる基板が挙げられる。樹脂シートは特に限定されず、上記の各種の樹脂からなるシートが挙げられる。
中間基板11及びキャパシタ基板13側からの入射光が望めない場合、基板11、13はセラミック基板であり、透光性基板12はガラス基板であることが好ましい。また、基板11、13はアルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等からなるセラミック基板であり、透光性基板12はガラス基板であることがより好ましく、基板11、13はアルミナ基板であり、透光性基板12はガラス基板であることが特に好ましい。
透光性基板12の厚さは材質によっても異なり、特に限定されないが、上記の透過率が60〜99%、特に85〜99%となる厚さであることが好ましい。
Examples of the “
When incident light from the intermediate substrate 11 and
The thickness of the
上記「触媒電極21」は、中間基板11の一面側に配設される(図1参照)。この触媒電極21は、触媒活性を有する物質、又は触媒活性を有する物質を含有する、金属、透光性導電膜等の形成に用いられる導電性酸化物及び導電性プラスティックのうちの少なくとも1種により形成することができる。触媒活性を有する物質としては、白金、ロジウム等の貴金属(但し、金及び銀は電解質等に対する耐腐食性が低いため好ましくない。以下、電解質等が接触し得る部分には同様に銀は好ましくない。)、カーボンブラック等が挙げられ、これらは併せて導電性を有する。触媒電極21は、触媒活性を有し、且つ電気化学的に安定な貴金属により形成することが好ましく、触媒活性が高く、電解質に対する耐腐食性が高い白金を用いることが特に好ましい。
The “
触媒活性を有さない、金属、導電性酸化物及び導電性高分子等を用いる場合、触媒電極21に混合されて用いられる金属としては、アルミニウム、銅、クロム、ニッケル及びタングステン等が挙げられる。更に、触媒電極21に混合されて用いられる導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン等が挙げられる。更に、この導電性高分子としては、導電性を有さない樹脂に各種の導電性物質を配合して調製したものが挙げられる。この導電性を有さない樹脂は特に限定されず、熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。熱可塑性樹脂としては、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリアミド、ポリオレフィン及びポリ塩化ビニル等が挙げられる。更に、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリエステル樹脂及びフェノール樹脂等が挙げられる。また、導電性物質も特に限定されず、カーボンブラック、アルミニウム、ニッケル、クロム及びタングステン等の金属、ポリアニリン、ポリピロール及びポリアセチレン等の導電性プラスティックなどが挙げられる。導電性物質としては、導電性と触媒活性とを併せて有する貴金属及びカーボンブラックが特に好ましい。導電性物質は1種のみを用いてもよく、2種以上を用いてもよい。
触媒活性を有さない、金属、導電性酸化物及び導電性高分子等を用いる場合、上記の触媒活性を有する物質の含有量は、金属、導電性酸化物、導電性高分子等を100質量部とした場合に、1〜99質量部、特に50〜99質量部であることが好ましい。
In the case of using a metal, a conductive oxide, a conductive polymer, or the like that does not have catalytic activity, examples of the metal used by being mixed with the
When metals, conductive oxides, conductive polymers, etc. that do not have catalytic activity are used, the content of the above-mentioned substances having catalytic activity is 100 masses of metals, conductive oxides, conductive polymers, etc. Parts, preferably 1 to 99 parts by mass, particularly 50 to 99 parts by mass.
このように、触媒電極21は、導電性及び触媒活性を有する物質により形成することができる。また、触媒活性を有する物質を含有する、金属、導電性酸化物及び導電性高分子のうちの少なくとも1種により形成することもできる。更に、触媒電極21は、1種の材料のみからなる層でもよく、2種以上の材料からなる混合層でもよい。また、触媒電極21は、単層でもよく、金属層、導電性酸化物層、導電性高分子層、並びに金属、導電性酸化物及び導電性高分子のうちの2種以上からなる混合層のうちの2層以上からなる多層の触媒電極でもよい。この触媒電極21の厚さは特に限定されないが、単層及び多層のいずれの場合も、3nm〜10μm、特に3nm〜2μmとすることができる。触媒電極21の厚さが3nm〜10μmであれば、十分に抵抗の低い触媒電極21とすることができる。
Thus, the
触媒活性を有する物質からなる触媒電極21は、触媒活性を有する物質の微粒子を含有するペーストを、中間基板11等の表面に塗布して形成することができる。また、触媒活性を有する物質を含有する金属、導電性酸化物からなる触媒電極21も、触媒活性を有する物質の場合と同様の方法により形成することができる。この塗布方法としては、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。更に、これらの触媒電極21は、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法等により、中間基板11等の表面に金属等を堆積させて形成することもできる。
The
また、触媒活性を有する物質を含有する導電性高分子からなる触媒電極21は、導電性高分子と、粉末状又は繊維状等の触媒活性を有する物質とを、バンバリーミキサ、インターナルミキサー、オープンロール等の装置により混練して調製した樹脂組成物をフィルムに成形し、このフィルムを中間基板11等の表面に接合して形成することもできる。更に、樹脂組成物を溶媒に溶解又は分散させて調製した溶液又は分散液を中間基板11等の表面に塗布し、乾燥して、溶媒を除去し、必要に応じて加熱して形成することもできる。尚、触媒電極21が混合層であるときは、含有される材料の種類に応じて、上記の各種の方法等のうちの適宜の方法により形成することができる。
Further, the
上記「半導体電極22」は、透光性基板12の一面側に配設される(図1参照)。この半導体電極22を構成する半導体電極基体は、金属酸化物、金属硫化物等により形成することができる。金属酸化物としては、チタニア、酸化スズ、酸化亜鉛、五酸化二ニオブ等の酸化ニオブ、酸化タンタル及びジルコニア等が挙げられる。また、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム及びチタン酸バリウム等の複酸化物を用いることもできる。更に、金属硫化物としては、硫化亜鉛、硫化鉛及び硫化ビスマス等が挙げられる。
The “
半導体電極基体の作製方法は特に限定されず、例えば、金属酸化物、金属硫化物等の半導体微粒子を含有するペーストを、透光性基板12等の表面に塗布して未焼成半導体電極基体を形成し、その後、焼成することにより作製することができる。ペーストの塗布方法も特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等が挙げられる。このようにして作製された半導体電極基体は半導体微粒子が集合してなる集合体の形態で形成される。
The method for producing the semiconductor electrode substrate is not particularly limited. For example, a paste containing semiconductor fine particles such as a metal oxide or metal sulfide is applied to the surface of the light-transmitting
また、半導体電極基体は、透光性基板12等の表面に、金属酸化物、金属硫化物等の半導体微粒子及び少量の有機高分子等が分散されたコロイド溶液を塗布して未焼成半導体電極基体を形成し、その後、乾燥し、次いで、加熱して有機高分子を分解させて除去する等の工程により作製することもできる。このコロイド溶液も、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法により塗布することができる。この方法により作製した半導体電極基体も半導体微粒子が集合してなる集合体の形態で形成される。
In addition, the semiconductor electrode substrate is formed by applying a colloidal solution in which semiconductor fine particles such as metal oxides and metal sulfides and a small amount of organic polymer are dispersed on the surface of the
半導体電極22の厚さは特に限定されないが、0.1〜100μmとすることができ、1〜50μm、特に2〜40μm、更に5〜30μmとすることが好ましい。この半導体電極22の厚さが0.1〜100μmであれば、光電変換が十分になされ、発電効率が向上する。また、半導体電極22は、その強度並びに透光性基板12等との密着性を向上させるため熱処理することが好ましい。熱処理の温度及び時間は特に限定されないが、熱処理温度は40〜700℃、特に100〜500℃、熱処理時間は10分〜10時間、特に20分〜5時間とすることが好ましい。尚、透光性基板12として樹脂シートを用いるときは、樹脂が熱劣化しないように適温で熱処理することが好ましい。
The thickness of the
半導体電極22が有する上記「増感色素」としては、光電変換の作用を向上させる錯体色素及び有機色素を用いることができる。錯体色素としては金属錯体色素が挙げられ、有機色素としてはポリメチン色素、メロシアニン色素等が挙げられる。金属錯体色素としてはルテニウム錯体色素及びオスミウム錯体色素等が挙げられ、ルテニウム錯体色素が特に好ましい。更に、光電変換がなされる波長域を拡大し、光電変換効率を向上させるため、増感作用が発現される波長域の異なる2種以上の増感色素を併用することもできる。この場合、照射される光の波長域と強度分布とによって併用する増感色素の種類及びそれらの量比を設定することが好ましい。また、増感色素は半導体電極22に結合するための官能基を有することが好ましい。この官能基としては、カルボキシル基、スルホン酸基、シアノ基等が挙げられる。
As the “sensitizing dye” of the
半導体電極基体に増感色素を付着させる方法は特に限定されず、例えば、増感色素を有機溶媒に溶解させた溶液に半導体電極基体を浸漬し、溶液を含侵させ、その後、有機溶媒を除去することにより付着させることができる。また、この溶液を、半導体電極基体に塗布し、その後、有機溶媒を除去することにより付着させることもできる。この塗布方法としては、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテンコート法、スピンコート法、スプレーコート法等が挙げられる。更に、この溶液は、オフセット印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷等の印刷法により塗布することもできる。 The method for attaching the sensitizing dye to the semiconductor electrode substrate is not particularly limited. For example, the semiconductor electrode substrate is immersed in a solution in which the sensitizing dye is dissolved in an organic solvent, the solution is impregnated, and then the organic solvent is removed. It can be made to adhere. Alternatively, this solution can be applied to a semiconductor electrode substrate and then adhered by removing the organic solvent. Examples of the coating method include a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain coating method, a spin coating method, and a spray coating method. Furthermore, this solution can also be applied by a printing method such as offset printing, gravure printing or screen printing.
増感色素の付着量は半導体電極1gに対して0.01〜1ミリモル、特に0.5〜1ミリモルであることが好ましい。付着量が0.01〜1ミリモルであれば、半導体電極における光電変換が効率よくなされる。また、半導体電極に付着しなかった増感色素が電極周辺に遊離していると、変換効率が低下することがある。そのため、増感色素を付着させる処理の後、半導体電極を洗浄して余剰の増感色素を除去することが好ましい。この除去は、洗浄槽を用いてアセトニトリル等の極性溶媒及びアルコール系溶媒などの有機溶媒で洗浄することにより行うことができる。また、電極基体に多くの増感色素を付着させるためには、半導体電極を加熱して、浸漬、塗布等の処理を行うことが好ましい。この場合、半導体電極の表面に水が吸着するのを避けるため、加熱後、常温に降温させることなく40〜80℃で速やかに処理することが好ましい。 The adhesion amount of the sensitizing dye is preferably 0.01 to 1 mmol, particularly 0.5 to 1 mmol with respect to 1 g of the semiconductor electrode. When the adhesion amount is 0.01 to 1 mmol, photoelectric conversion in the semiconductor electrode is efficiently performed. Moreover, if the sensitizing dye that has not adhered to the semiconductor electrode is liberated around the electrode, the conversion efficiency may be lowered. For this reason, it is preferable to remove the excess sensitizing dye by washing the semiconductor electrode after the treatment for attaching the sensitizing dye. This removal can be performed by washing with a polar solvent such as acetonitrile and an organic solvent such as an alcohol solvent using a washing tank. In order to attach a large amount of sensitizing dye to the electrode substrate, it is preferable to heat the semiconductor electrode and perform a treatment such as dipping or coating. In this case, in order to avoid water adsorbing on the surface of the semiconductor electrode, it is preferable to perform the treatment promptly at 40 to 80 ° C. without heating to room temperature after heating.
尚、色素増感型太陽電池は、色素増感型太陽電池部101に含まれる第1電解質23を電池内に封止する壁部6を設けることができる。壁部6の材質は任意に選択することができ、材質として樹脂及びガラス等を例示することができる。壁部6に用いる樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、熱硬化性ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。
In addition, the dye-sensitized solar cell can be provided with the
また、触媒電極21及び/又は半導体電極22に隣接して設けられる集電電極を設けることができる(例えば図1に示す集電電極51、52を参照。)。集電電極を設けることで、触媒電極21及び半導体電極22の導電性の低さを補い、電池の内部抵抗を低くすることができる。この集電電極は、格子状等の任意のパターンからなる金属及び炭素等の導電体、透光性導電膜、並びに導電体及び透光性導電膜を用いたもの等を例示することができる。
このうち、金属においてはタングステン、チタン及びニッケル等の耐食性に優れたものが好ましい。また、透光性導電膜の材質は特に限定されず、導電性酸化物からなる薄膜、金属薄膜、炭素薄膜等が挙げられる。導電性酸化物としては、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、酸化インジウム、スズドープ酸化インジウム及び酸化亜鉛等が挙げられる。また、金属としては、白金、金、銅、アルミニウム、ロジウム及びインジウム等が挙げられる。この透光性導電膜の厚さは材質によっても異なり、特に限定されないが、表面抵抗が100Ω/cm2以下、特に1〜10Ω/cm2となる厚さであることが好ましい。
Further, a collector electrode provided adjacent to the
Among these, metals having excellent corrosion resistance such as tungsten, titanium and nickel are preferable. Moreover, the material of the translucent conductive film is not particularly limited, and examples thereof include a thin film made of a conductive oxide, a metal thin film, and a carbon thin film. Examples of the conductive oxide include tin oxide, fluorine-doped tin oxide, indium oxide, tin-doped indium oxide, and zinc oxide. Examples of the metal include platinum, gold, copper, aluminum, rhodium and indium. The thickness of the translucent conductive film is also different depending on the material, but are not limited to, surface resistance 100 [Omega / cm 2 or less, particularly preferably 1~10Ω / cm 2 become thick.
上記「第1電解質23」は、半導体電極22の少なくとも一部に含有され、且つ半導体電極22と触媒電極21との間に充填される。第1電解質23は、通常、半導体電極22の全体に含有され、また、半導体電極22と触媒電極21との間の全体に充填される。
電解質としては、(1)I2とヨウ化物、(2)Br2と臭化物、(3)フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩、フェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、(4)ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、(5)ビオロゲン色素、(6)ヒドロキノン−キノン、などを含有する電解質が挙げられる。(1)におけるヨウ化物としては、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2等の金属ヨウ化物、及びテトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物のヨウ素塩などが挙げられる。また、(2)における臭化物としては、LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2等の金属臭化物、及びテトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の4級アンモニウム化合物の臭素塩などが挙げられる。これらの電解質のうちでは、I2と、LiI及びピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物のヨウ素塩と、を組み合わせてなる電解質が特に好ましい。これらの電解質は1種のみを用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
The “first electrolyte 23” is contained in at least a part of the
Examples of the electrolyte include (1) I 2 and iodide, (2) Br 2 and bromide, (3) metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate, ferrocene-ferricinium ion, and (4) sodium polysulfide. And electrolytes containing sulfur compounds such as alkylthiol-alkyldisulfides, (5) viologen dyes, (6) hydroquinone-quinones, and the like. As iodide in (1) is, LiI, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2, and tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide iodine salt of quaternary ammonium compounds such as id, etc. Is mentioned. As the bromide in (2), LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr 2 , etc. of the metal bromide, and tetra-alkyl ammonium bromide, bromine salts of quaternary ammonium compounds such as pyridinium bromide and the like. Among these electrolytes, an electrolyte obtained by combining I 2 and an iodine salt of a quaternary ammonium compound such as LiI, pyridinium iodide, and imidazolium iodide is particularly preferable. These electrolytes may use only 1 type and may use 2 or more types.
第1電解質23は、各種の添加剤等とともに溶媒に配合し、電解質溶液として用いることができる。この溶媒は、粘度が低く、イオン易動度が高く、十分なイオン伝導性を有するものであることが好ましい。このような溶媒としては、(1)エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート類、(2)3−メチル−2−オキサゾリジノン等の複素環化合物、(3)ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル類、(4)エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等の鎖状エーテル類、(5)メタノール、エタノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のモノアルコール類、(6)エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類、(7)アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類、(8)ジメチルスルフォキシド、スルフォラン等の非プロトン極性物質などが挙げられる。これらの溶媒は1種のみを用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。 The first electrolyte 23 can be blended in a solvent together with various additives and used as an electrolyte solution. This solvent preferably has a low viscosity, a high ion mobility, and sufficient ion conductivity. Examples of such solvents include (1) carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, (2) heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, (3) ethers such as dioxane and diethyl ether, (4 ) Chain ethers such as ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, (5) methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl Monoalcohols such as ether and polypropylene glycol monoalkyl ether, (6) ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene Polyhydric alcohols such as ethylene glycol, polypropylene glycol and glycerin, (7) nitriles such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, and (8) aprotic such as dimethyl sulfoxide and sulfolane. Examples include polar substances. These solvent may use only 1 type and may use 2 or more types.
更に、第1電解質23として常温溶融塩を用いることができる。この場合は、溶媒を用いて電解質溶液とすることができる。また、電解質を単独で用いることもできる。この常温溶融塩としては、ヨウ化物の常温溶融塩を用いることができる。このヨウ化物の常温溶融塩としては、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、ピロリジニウム塩、ピラゾリジウム塩、イソチアゾリジニウム塩及びイソオキサゾリジニウム塩等の各種の常温溶融塩が挙げられる。ヨウ化物の常温溶融塩のうちではイミダゾリウム塩が好ましい。これらの常温溶融塩は種類の異なる2種以上を併用することもできる。 Furthermore, a normal temperature molten salt can be used as the first electrolyte 23. In this case, it can be set as an electrolyte solution using a solvent. Also, the electrolyte can be used alone. As this room temperature molten salt, a room temperature molten salt of iodide can be used. Examples of room temperature molten salts of iodide include various room temperature molten salts such as imidazolium salts, pyridinium salts, pyrrolidinium salts, pyrazolidium salts, isothiazolidinium salts, and isoxazolidinium salts. Of the room temperature molten salts of iodide, imidazolium salts are preferred. These room temperature molten salts may be used in combination of two or more different types.
電解質溶液を用いる場合、この溶液は、中間基板11、透光性基板12及び壁部6によって形成される空間に電解質溶液を注入し、含有させ、充填させることができる。この空間への電解質溶液の注入は、中間基板11の側からでも、透光性基板12の側からでもよく、穿孔し易い側に注入口を設け、この注入口から注入することが好ましい。尚、注入口は1個でよいが、空気抜きのため更に他の孔を設けることもできる。このように空気抜きのための孔を設けることで、電解質溶液をより容易に注入することができる。
When an electrolyte solution is used, the electrolyte solution can be injected, contained, and filled in the space formed by the intermediate substrate 11, the
尚、色素増感型太陽電池部101を構成する要素は上記に限られず、例えば、光散乱粒子からなる光散乱層を設けることができる。光散乱層を設けることによって発電に利用されなかった光を散乱させて再度半導体電極22に向かわせて発電することができる。
光散乱層を設ける位置は任意に選択することができ、半導体電極22と中間基板11の間の任意の位置に設けることができる。また、触媒電極21及び/又は半導体電極22に光散乱粒子を含有させて光散乱層とすることができる。この光散乱粒子としては、光発電に用いることができる波長の光を散乱させることができる任意の粒子を用いることができる。この粒子としては、金属酸化物等からなるものが挙げられる。金属酸化物としては、チタニア、酸化スズ、酸化亜鉛、五酸化二ニオブ等の酸化ニオブ、酸化タンタル及びジルコニア等が挙げられる。また、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム及びチタン酸バリウム等の複酸化物を用いることもできる。
In addition, the element which comprises the dye-sensitized
The position at which the light scattering layer is provided can be arbitrarily selected, and can be provided at any position between the
上記「第1多孔質電極31」及び上記「第2多孔質電極32」は、外部に通じる空隙を備えた表面積が広いものであればよく特に材質及び孔の形状等を限定しない。また、導電性の織布及び不織布等を多孔質電極31、32としてもよい。
多孔質電極31、32に用いる材質は、炭素及び金属を挙げることができ、このうち活性炭が広い表面積であり、安価のため好ましい。また、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ及びカーボンナノホーン等が含まれていてもよい。これら炭素を電極として用いる場合は、例えばフッ素樹脂及びポリビニルアルコール等の樹脂を用いて基板に配設される。
The “first
Examples of the material used for the
上記「第2電解質33」は、電気二重層キャパシタとして必要な特性を備えていればよく、通常の電気二重層キャパシタに使われる電解質及びそれを含む電解液を例示することができる。この例として、硫酸等の鉱酸、アルカリ金属塩又はアルカリを含む水系電解質、及び非水系電解質を挙げることができる。また、非水系電解質は種々選択することができるが、一例としてプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、スルホラン及びその誘導体等を挙げることができる。 The “second electrolyte 33” only needs to have characteristics necessary for an electric double layer capacitor, and examples thereof include an electrolyte used for a normal electric double layer capacitor and an electrolyte containing the electrolyte. Examples thereof include a mineral acid such as sulfuric acid, an aqueous electrolyte containing an alkali metal salt or an alkali, and a non-aqueous electrolyte. Various non-aqueous electrolytes can be selected, and examples include propylene carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, dimethylformamide, sulfolane, and derivatives thereof.
尚、第1多孔質電極31及び第2多孔質電極32の間にセパレータ34を設けることができる。このセパレータは、イオン透過性且つ絶縁性のものであればよく、任意に選択することができるこの例としてガラス繊維性の不織布の他、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド及びポリイミド等の樹脂フィルムを挙げることができる。
A
上記「電気的に接続」とは、触媒電極21及び第1多孔質電極31が何らかの手段で導通していることをいう。この例として、導電性の中間基板11による接続、及び中間基板11に接続用の配線を設けてこれによって接続する等の手段を挙げることができる。導電性の中間基板11としては、導通性の材質を用いる、及び導電性材料を含むこと等を挙げることができる。また、中間基板11に接続用の配線を設ける方法として、中間基板11の表面上に導電性のパターンを形成して表裏を導通させる方法を挙げることができる。また、中間基板11を貫通するビアホール内に導電性材料を充填した「ビア導電部4」を設け、このビア導電部4と触媒電極21及び第1多孔質電極31とを接続する方法を挙げることができる。このうちビア導電部4を用いる方法が複雑な配線を必要としないため好ましい。
また、触媒電極21及び第1多孔質電極31は、集電電極等、複数の導電性部材を介して接続することもできる。
The above “electrically connected” means that the
Moreover, the
上記「電流制限回路」は、色素増感型太陽電池部から電気二重層キャパシタ部へ流れる電流を一定値以下に制限して、電気二重層キャパシタ部が満充電になっていなくても受光した場合に一定の出力を得られるようにするための回路である。この電流制限回路は任意に選択することができ、例えば電流制限抵抗による制限を行ってもよいし、トランジスタ等を組み合わせた回路を構成してもよい。更に、ビア導電部4を電流制限抵抗として用いることができる。ビアホールの直径、及びビアホールに充填する導電性材料を適宜選択することによってビア導電部4の電気抵抗値を選択できる。
The above “current limiting circuit” limits the current flowing from the dye-sensitized solar cell to the electric double layer capacitor to a certain value or less, and receives light even if the electric double layer capacitor is not fully charged. This is a circuit for obtaining a constant output. This current limiting circuit can be arbitrarily selected. For example, the current limiting circuit may be limited by a current limiting resistor, or a circuit combining transistors and the like may be configured. Furthermore, the via
以下、実施例により本発明のキャパシタ付色素増感型太陽電池を具体的に説明する。
本実施例は図1に示すように、このキャパシタ付色素増感型太陽電池は、以下の手順に従って作製した。
(1)中間基板11側の作製
平板でアルミナ製の中間基板11上に、貫通孔を空けてビアホールとした後、タングステン粉体を含む導電性ペーストを充填した。続いて、中間基板11の表面及び裏面にそれぞれ集電電極51、53となるタングステンペーストをスクリーン印刷法によって塗布した。その後、焼成してビア導電部4及び集電電極51を形成した。次いで、集電電極51上に触媒電極21となる白金薄膜をスパッタリングで形成した。次いで、集電電極51の形成面に厚さ50μmの熱硬化性樹脂シートを積層して所定の高さの未硬化壁部を形成した。
Hereinafter, the dye-sensitized solar cell with a capacitor of the present invention will be specifically described by way of examples.
In this example, as shown in FIG. 1, this dye-sensitized solar cell with a capacitor was produced according to the following procedure.
(1) Production on the side of the intermediate substrate 11 After a through hole was formed on the intermediate substrate 11 made of alumina as a flat plate to form a via hole, a conductive paste containing tungsten powder was filled. Subsequently, tungsten paste to be the collecting
(2)半導体電極22を設けた透光性基板12の作製
ガラス板製基板の一面に集電電極51の一部となるFTO製透明導電膜を、半導体電極22を接続できるパターンで形成した。次いで、粒径が5〜300nmのチタニア粒子を含有するペースト(Ti-Nanoxide D/SP 13um/300um)をスクリーン印刷法によって塗布し、120℃、30分乾燥して未焼成半導体電極基体を形成した。次いで、未焼成半導体電極基体を焼成した。
その後、ルテニウム有機錯体([Ru2,2bipyridil-4,4-dicarboxylate(TBA)2(NCS)2])をアセトニトリル・t-ブタノール混合溶媒に溶解させ、5×10−4Mアセトニトリル・t-ブタノール溶液を調製した。この溶液に、半導体電極基体を18時間浸漬し、電極表面に増感色素となるルテニウム錯体を担持させ、半導体電極22を積層した透光性基板12を作製した。
(2) Production of
Then, ruthenium organic complex ([Ru2,2bipyridil-4,4-dicarboxylate (TBA) 2 (NCS) 2 ]) is dissolved in a mixed solvent of acetonitrile and t-butanol, and 5 × 10 −4 M acetonitrile / t-butanol solution. Was prepared. A semiconductor electrode substrate was immersed in this solution for 18 hours, and a ruthenium complex serving as a sensitizing dye was supported on the electrode surface, whereby a light-transmitting
(3)中間基板11及び透光性基板12の接合
その後、中間基板11及び透光性基板12を対向させ、加熱することによって未硬化壁部を硬化させて壁部6を形成した。次いで、これらによって形成される空間にヨウ素電解液を別途設けた注入口から注入した後、接着剤を充填して注入口を封止した。
尚、ヨウ素電解液は、ブチロニトリルに、0.1モルのヨウ化リチウム、0.05モルのヨウ素、0.5モルの4−tert−ブチルピリジン及び0.6モルの1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨーダイドを溶解させたものを用いた。
(3) Joining of Intermediate Substrate 11 and
The iodine electrolyte was butyronitrile, 0.1 mol of lithium iodide, 0.05 mol of iodine, 0.5 mol of 4-tert-butylpyridine, and 0.6 mol of 1,2-dimethyl-3. A solution in which propylimidazolium iodide was dissolved was used.
(4)キャパシタ基板13側の作製
平板でアルミナ製のキャパシタ基板13上に、集電電極54となるタングステンペーストをスクリーン印刷法によって塗布した。その後、マッフル炉で500℃30分間焼成して集電電極54を形成した。次いで、集電電極51上に、活性炭80質量%、導電材のカーボンブラック10質量%及び四フッ化エチレン10質量%から成る活性炭ペーストを塗布形成し、硬化させて第2多孔質電極32とした。
(4) Production on the
(3)中間基板11及びキャパシタ基板13の接合
中間基板11の集電電極53上に上記活性炭ペーストを塗布形成し、硬化させて第1多孔質電極31とした。その後、キャパシタ基板13の第2多孔質電極32上に、ポリフェニレンサルファイド製の不織布を載置した後、中間基板11及びキャパシタ基板13を対向させ、加熱することによって未硬化壁部を硬化させて壁部6を形成した。次いで、これらによって形成される空間に電解液を別途設けた注入口から注入した後、接着剤を充填して注入口を封止し、図1に示す本キャパシタ付色素増感型太陽電池1を作製した。
尚、電解液は、30質量%の硫酸水溶液を用いた。
(3) Bonding of Intermediate Substrate 11 and
In addition, 30 mass% sulfuric acid aqueous solution was used for electrolyte solution.
このように作成したキャパシタ付色素増感型太陽電池1は、図1に示すように、中間基板11及び透光性基板12並びにその間に構成される色素増感型太陽電池部101と、中間基板11及びキャパシタ基板13並びにその間に構成される電気二重層キャパシタ部102とからなる。
色素増感型太陽電池部101は、中間基板11と、中間基板11の一面側に対向して配置された透光性基板12と、中間基板11の一面側に配設された集電電極52及び触媒電極21と、透光性基板12の中間基板11に対向する一面側に配設された集電電極51及び増感色素を有する半導体電極22と、半導体電極22の少なくとも一部に含有され、且つ触媒電極21及び半導体電極22の間に充填された第1電解質23と、を備える。
電気二重層キャパシタ部102は、中間基板11と、中間基板11の他面側に対向して配設されたキャパシタ基板13と、中間基板11の他面側に配設された集電電極53及び第1多孔質電極31と、キャパシタ基板13の中間基板11に対向する一面側に配設された集電電極54及び第2多孔質電極32と、第1多孔質電極31及び第2多孔質電極32に含有され、且つ第1多孔質電極31及び第2多孔質電極の間に充填された第2電解質33と、を備える。
また、第1電解質23及び第2電解質33は、周囲に形成された壁部6によってキャパシタ付色素増感型太陽電池内に保持される。更に、触媒電極21及び第1多孔質電極31は、集電電極52、ビア導電部4及び集電電極53によって接続されている。
As shown in FIG. 1, the dye-sensitized
The dye-sensitized
The electric double layer capacitor unit 102 includes an intermediate substrate 11, a
Moreover, the 1st electrolyte 23 and the 2nd electrolyte 33 are hold | maintained in the dye-sensitized solar cell with a capacitor by the
キャパシタ付色素増感型太陽電池1は、集電電極51、52、54を壁部6から延出して形成された接続端子71、72、73によって外部回路に接続することができる。また、接続端子71、72を用いることで色素増感型太陽電池部101を利用することができ、接続端子72、73を用いることで電気二重層キャパシタ部102を利用することができる。更に、接続端子71及び接続端子73を接続することで、色素増感型太陽電池部101で光発電した電気を電気二重層キャパシタ部102に蓄えるとともに外部回路に出力することができ、光発電できない場合は、電気二重層キャパシタ部102に蓄えた電気を外部回路に出力することができる。
また、触媒電極21及び第1多孔質電極31を接続するビア導電部4は、タングステンを用いた電流制限回路でもあるため電気二重層キャパシタ部102へ流れる電流を制限することができ、充電が完了していない場合でも外部回路へ光発電した電気を出力することができる。
The dye-sensitized
In addition, since the via
尚、本発明では、上記の実施例の記載に限られず、目的、用途等によって、本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。例えば、第1電解質23としては、不揮発性のイミダゾリウム塩等のイオン性液体及びこのイオン性液体をゲル化させたもの、並びにヨウ化銅、チオシアン化銅等の固体を用いることもできる。また、第2電解質33は、実施例に挙げた硫酸水溶液に限られず、アルカリ金属塩又はアルカリを含む水系電解質、及び非水系電解質を用いることができる。 The present invention is not limited to the description of the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose, application, and the like. For example, as the first electrolyte 23, an ionic liquid such as a non-volatile imidazolium salt, a gel obtained by gelling this ionic liquid, and a solid such as copper iodide or copper thiocyanide can be used. Moreover, the 2nd electrolyte 33 is not restricted to the sulfuric acid aqueous solution quoted in the Example, The aqueous electrolyte containing an alkali metal salt or an alkali and a non-aqueous electrolyte can be used.
1;キャパシタ付色素増感型太陽電池、101;色素増感型太陽電池部、102;電気二重層キャパシタ部、11;中間基板、12;透光性基板、13;キャパシタ基板、21;触媒電極、22;半導体電極、23;第1電解質、31;第1多孔質電極、32;第2多孔質電極、33;第2電解質、34;セパレータ、4;ビア導電部(電流制限回路)、5;集電電極、6;壁部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該中間基板11の他面側に対向して配設されたキャパシタ基板13と、該中間基板11の該他面側に配設された第1多孔質電極31と、該キャパシタ基板13の該中間基板11に対向する一面側に配設された第2多孔質電極32と、該第1多孔質電極31及び該第2多孔質電極32に含有され、且つ該第1多孔質電極31及び該第2多孔質電極32の間に充填された第2電解質部33と、を備え、
上記触媒電極21及び該第1多孔質電極31は互いに電気的に接続されていることを特徴とするキャパシタ付色素増感型太陽電池。 Intermediate substrate 11, translucent substrate 12 arranged to face one surface of intermediate substrate 11, catalyst electrode 21 disposed on the one surface side of intermediate substrate 11, and translucent substrate 12 A semiconductor electrode 22 having a sensitizing dye disposed on one side facing the intermediate substrate 11, and contained in at least a part of the semiconductor electrode 22, and between the catalyst electrode 21 and the semiconductor electrode 22. Filled first electrolyte part 23;
The capacitor substrate 13 disposed opposite to the other surface side of the intermediate substrate 11, the first porous electrode 31 disposed on the other surface side of the intermediate substrate 11, and the intermediate portion of the capacitor substrate 13 A second porous electrode 32 disposed on one side facing the substrate 11, the first porous electrode 31 and the second porous electrode 32, and the first porous electrode 31 and the second porous electrode 32; A second electrolyte part 33 filled between the two porous electrodes 32,
The dye-sensitized solar cell with a capacitor, wherein the catalyst electrode 21 and the first porous electrode 31 are electrically connected to each other.
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