JP4868782B2 - 色素増感太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
特開2001−35789号公報(特許文献2)には、2枚の支持体間に封止材で絶縁された複数のセルを設け、この封止剤中に設けた金属ペースト層による隣接するセル間の導通方法と、絶縁ポリマー材料中に金属微粒子を混ぜた導電材料による導通方法、さらに金属ファイバー表面にポリマーをコーティングした異方性導電性部材での導通方法が記載されている。
導電層、他方の基板上に前記第2導電層を有してなり、隣接する各色素増感太陽電池セルの間に設置した前記基板の間隔を保持する帯状のスペーサーの表面に形成した第3導電層により、隣接する各色素増感太陽電池セルの第1導電層と第2導電層を電気的に接続する
色素増感太陽電池モジュールの製造方法であって、前記対向する基板のうち、何れかの一方の基板に基板の間隔を保持し、かつ断面が台形状のスペーサーを設置する工程と、前記スペーサー表面に、光反射性を持つ材料からなる第3導電層を形成する工程と、前記スペーサー間に形成された空間に、前記各色素増感太陽電池セルの光電変換層の構成部材である多孔質半導体を充填形成する工程と、を備えることを特徴とする色素増感太陽電池モジュールの製造方法が提供される。
< 実施形態1>
本発明における実施形態1を、図1を用いて説明する。
1;第3導電層108の形状を比較的自由に形成できるので、第3導電層108と、第1導電層102または/および第2導電層105との接触面積を比較的自由に調整でき、これらの接触抵抗を低減できる。接触面積の調整法としては、第3導電層108自体の膜厚の変更を挙げることができる。また、本実施形態のように第3導電層108がスペーサー103の一方の側面および上面に形成されている場合には、上面における第3導電層108の面積の増減によって調整できる。これにより電流の損耗を抑え、モジュール効率の低下を抑制できる。
2:所定の厚みで形成された帯状のスペーサー103によって基板間隔を規定するので、従来の微粒子散布またはポリマーマトリックス中の微粒子による基板間隔規定方法に比べて位置によるバラつきが少なく、基板が大型化しても比較的均一な基板間隔を得ることができる。よって、例えば基板間隔が予定外に増加した領域が存在することによるモジュール効率の低下を抑制できる。
3:スペーサー形状を比較的自由に形成できるので、デッドスペースを従来よりも小さくすることが可能であり、モジュール効率の低下を抑制できる。特に従来法では困難であった、スペーサー幅を導電層間距離以下にする(すなわちスペーサーのアスペクト比を1以上にする)ことも可能である。
4:隣接する各色素増感太陽電池セルの間に配置するスペーサー103により、各セル中の電荷輸送層107および/または光電変換層106に含侵している電解液が、隣接するセル間で漏れることを確実に阻止することができる。これによっても、モジュール効率の低下を抑制できる。
< 実施形態2>
本発明における実施形態2を、図2を用いて説明する。
< 実施形態3>
本発明における実施形態3を、図3を用いて説明する。
< 第1基板101について>
第1基板101は、一般的に色素増感太陽電池の支持体として用いられている材料からなれば特に限定されないが、通常ガラス基板が用いられている。なお、本実施形態における第1基板101は可視光領域に対して実質的に透明(例えば最低限平均10%以上、通常は平均50%以上、好ましくは平均80%以上の透過率を持つ)である必要がある。
< 第2基板104について>
第2基板104は、第1基板101同様にガラス基板を用いてもよいが、多孔質半導体の焼成などの高温工程を経る必要がない場合、プラスチック等の有機材料を用いることができる。
< 第1導電層102について>
第1導電層101は、透明導電層である必要がある。
< 第2導電層105について>
第2導電層105は必ずしも透明である必要はないため、導体であれば特に限定されないが、導電率の観点から通常、金属が(単体もしくは合金として)用いられる。好ましく用いられる金属として、Al、Cu、Zn、Au、Ag、Ti、W、Ni、Ptなどが挙げられる。なお、耐腐食性の観点から、Pt,Ti,W等の金属、ITO、SnO2などの導電性の金属酸化物がより好ましく用いられる。
< 光電変換層106について>
光電変換層106は、多孔質半導体からなる層(多孔質半導体層)に各種の色素が吸着されてなる。
多孔質半導体の構成材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステンなどが挙げられ、これらの中でも、安定性、安全性の点から、酸化チタンが特に好ましく用いられる。
多孔質半導体層を形成する方法としては、特に限定は無く公知の方法が用いられるが、主な方法として以下の1〜4を挙げることができる。
1:導電層上に半導体微粒子を含有する懸濁液を塗布し、乾燥および/ または焼成する方法。
2:所定の原料ガスを用いたCVD法またはMOCVD 法。
3:固体原料を用いたPVD法、真空蒸着法またはスパッタリング法。
4:ゾル−ゲル法。
乾燥および焼成においては、使用する基板、電極や半導体微粒子の種類により、温度、時間、雰囲気などの条件を適宜設定する必要がある。焼成は、例えば大気雰囲気下または不活性ガス雰囲気下、50℃〜 800℃ 程度の範囲内で、10秒〜12時間程度で行なうことができる。
半導体微粒子としては、1nm〜 2000nmの範囲の平均粒径を有する単体または化合物の半導体材料を用いることができる。この半導体微粒子を懸濁させる適当な溶媒としては、例えば、イソプロピルアルコールのようなアルコール類、イソプロピルアルコール/ トルエンのような混合溶媒、水などが挙げられる。
色素としては、可視光領域および/ または赤外光領域に吸収スペクトルを有する化合物であって、分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基などのインターロック基を有するものが好ましい。なお、インターロック基は、励起状態の色素と多孔質半導体の導電帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供するものである。
上記の溶液に使用される溶媒としては、色素を溶解するものであればよく、例えば、アルコール、トルエン、アセトニトリル、クロロホルム、ジメチルホルムアミドなどの有機溶剤が挙げられる。
< 電荷輸送層107について>
電荷輸送層107は、光電変換層106と接して形成され、色素の酸化体を迅速に還元するために、電子を色素に輸送する機能を担う。
電解質としては、LiI 、NaI 、KI 、CsI 、CaI2 などの金属ヨウ化物、およびテトラアルキルアンモニウムアイオダイド、ピリジニウムアイオダイド、イミダゾリウムアイオダイドなど4級アンモニウム化合物のヨウ素塩などのヨウ化物と、ヨウ素との混合物、金属臭化物(LiBr 、NaBr 、KBr 、CsBr 、CaBr2 など)、およ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など4 級アンモニウム化合物の臭素塩などの臭化物と、臭素との混合物、金属錯体(コバルト錯体、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオンなど)、イオウ化合物(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など)、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノンなどが挙げられる。
電解質溶液(電解液)を構成する溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物; 3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物; ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル化合物; 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、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などのエーテル類; メタノール、エタノール、などのアルコール類; 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、グリセリンなどの多価アルコール類; 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、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物; ジメチルスルフォキシド、スルフォランなど非プロトン極性物質、水などが挙げられる。
< スペーサー103について >
スペーサー103は所定厚を持つ帯状の構造体であり、その断面形状は一般に図1中103に示すような矩形であるか、図2中103Aに示すような台形である。ただしこれに限定されるものではなく、一方にのみ斜面を持つ台形でもよい。また、他の多角形状、逆テーパーを持つ台形状など、各種形状を使用目的に応じて使い分ければよい。
スペーサー103を構成する材料としては、有機材料と無機材料共に使用することができるが、実施形態1または2のようにスペーサー103の形成後に高温処理が必要な場合には、耐熱性が高い無機材料のみが使用可能となる。
フォトレジストを使用する場合には、以下1、2の方法が主に用いられる。
1:第1基板101上にフォトレジストをスピンコーター、ダイコーター、ワイヤーバーコーターなどの各種方法により所定厚に塗布し、フォトマスクなどを用いた選択的露光と、それに続く現像により、スペーサー103を形成する方法。
2:所定厚のドライフィルムレジストを準備し、これを第1基板101上に貼り付けた後、フォトマスクなどを用いた選択的露光と、それに続く現像により、スペーサー103を形成する方法。
1:無機ペーストをドクターブレードなどにより第1基板101の略全面に塗布し、これを鋳型や工具(刃物)を用いて所定形状に加工し、これを焼成する方法。
2:無機ペーストをスクリーン印刷やディスペンサなどにより第1基板101上に所定形状に塗布し、これを焼成する方法。
3:無機ペーストを用いて鋳型に塗布膜を形成したのち、第1基板101上に鋳型を接合押圧することで塗布膜を鋳型の凹凸パターンを有する膜体とし、その後鋳型を離型し、焼成する方法。
4:第1基板101上にドライフィルムレジストを貼り付け、これを選択的露光・現像することにより所定形状の溝を形成して、この溝に無機ペーストを充填した後にドライフィルムレジストの除去ならびに無機ペーストの焼成を行なう方法。
5:セラミックフィラー、低融点ガラスなどからなる無機粉末を感光性樹脂などと共にフィルム状に形成した感光性ドライフィルムを用いて、これを第1基板101上に貼り付け、選択的露光・現像・焼成を行なう方法。
1:所定形状に加工したガラスを第1基板101上に適宜配置し、固定する方法。
2:ガラスからなる第1基板101を、その軟化点以上の加熱下で鋳型などにより加工する方法。
3:ガラスからなる第1基板101の表面をエッチング、サンドブラスト等で加工する方法。
< 第3導電層108について>
第3導電層108は基本的に、第1導電層102、第2導電層105と同様の材料と形成法を用いて形成することができるが、好ましい形成法として、
工程1:スペーサー103が形成されている第1基板101の、略全面にフォトレジストまたはドライフィルムレジストからなる感光性被膜を形成する工程。
工程4:残り(第3導電層108を形成する領域以外)の感光性被膜と、その上の導電性薄膜を同時に除去するリフトオフ法により、所定形状の第3導電層108を第1基板101上に残置する工程。
を含む形成法を挙げることができる。
< 保護層109について>
保護層109の材料と形成方法としては、以下1〜5が主に用いられる。
1:上記スペーサー103の材料とその形成方法と同様に、有機物または無機物からなる薄膜を第3導電層108に接して形成する方法。
2:アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂などの有機高分子をスクリーン印刷、ディスペンサなどで塗布する方法。
3:無機物からなる保護層109の場合、加水分解・縮合重合しうる金属有機化合物を含む溶液をスクリーン印刷、ディスペンサなどで塗布して加熱する方法。金属有機化合物として、(CH3O)3SiCH3、(C2H5O)3SiCH3、(CH3O)3SiC6H5、(C2H5O)3SiC2H5、(C2H5O)3SiC6H5、Cl3SiCH3、Cl3SiC6H5などのRsiX3の一般式で表れる有機シリコン化合物、(C3H7O)4Ti、(C4H9O)4Ti、Cl4Ti、Cl4Snなどのチタンまたはスズ有機化合物が挙げられる。
4:第3導電層としてSn,Ti,Alなどを用い、この表面を陽極酸化、プラズマ酸化、熱酸化、高圧水蒸気処理、沸騰水処理などの方法により酸化して酸化物被膜とする方法。
5:ITO、SnO2などの金属酸化物を蒸着、またはゾル−ゲル法で形成する方法。
< 導電性接着剤110について>
導電性接着剤110を第3導電層108上に配置することで、第3導電層108と第2導電層105の接着と導通を同時に行なっている。
導電性接着剤110としては、以下1または2が主に用いられる。
1:低温焼成(180〜220℃程度)可能な金属微粒子ペースト。ただしこれだけでは強固な接着性が得にくいので、ガラスフリットやガラスペースト等で接着領域の周辺を固定する等の追加処置をすることが好ましい。
2:C,Ni,Ag,Au,Tiなどの導電性フィラー(球状もしくは薄片状微粒子であることが多い)をアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、オレフィン樹脂などのバインダー中に分散したもの。
< 色素増感太陽電池モジュールの製造方法について>
以下、本実施形態1〜3における色素増感太陽電池モジュールの製造方法についてさらに詳細に説明する。
なお、以下の色素増感太陽電池モジュールの製造方法においては、第1基板101上に光電変換層106を形成する例を好ましい様態として挙げるが、光電変換層106を第2基板104上に形成する形態も可能であることは言うまでも無い。
工程1:日本板硝子株式会社製の透明導電膜(フッ素ドープSnO2)付ガラス基板を第1基板101として用い、このSnO2膜をレーザーによりストライプ状にパターン化し、第1導電層102とする。
スペーサー103と第3導電層108を以下のように作製する。
上記モジュール100の製造方法2における、断面が正方形のガラス棒の代わりに、断面が台形のガラス棒をスペーサー103として用い、実施形態2の色素増感太陽電池モジュール200を製造する(図示せず)。
工程1:オルガノアルコキシシラン(フェニルトリアルコキシシランとメチルトリアルコキシシランの共加水分解・重縮合物)溶液を市販のガラス基板(第1基板101)に塗布し、鋳型601を押し付けつつ加熱、さらに鋳型601を取り外した後に焼成することで断面が台形の酸化ケイ素製スペーサー103とする(図6(a))。
工程1:上記モジュール100の製造方法1と同様の第1基板101に対し、多孔質半導体層を形成する。形成方法としては市販の酸化チタンペーストをスクリーン印刷によりストライプ状に形成し、焼成する方法による(図7(a))。
本実施例1は、実施の形態1、すなわちスペーサー103の断面が矩形である色素増感太陽電池モジュール100(図1参照)に対応し、第1基板101として、日本板硝子製ガラス(100mm×100mm×2mm)を使用したものである。
< 実施例2 >
本実施例2は、実施の形態2、すなわちスペーサー103の断面が台形である色素増感太陽電池モジュール200(図2参照)に対応するものである。
・スペーサー103の側面が斜面となったことにより、この斜面部に入射した光が光電変換層106に再入射され、発電に利用できるようになった。
・スペーサー103の側面が斜面となったことにより、第3導電層の蒸着形成面がより均一化され、電気抵抗値が減少した。
の2点が考えられる。また、このモジュールを1ヶ月間暗所に放置して、その後同様にIV特性測定を行っても有意な劣化は見られず、本実施例における良好な太陽電池性能と、その安定性が確認できた。
< 実施例3 >
本実施例3は、実施の形態2(スペーサー103の断面が台形である色素増感太陽電池モジュール200(図2参照))において、第1基板101として大型(300mm×300mm×2mm 商品名コーニング7059)ガラス基板を使用したものである。
101.第1基板
102.第1導電層
103.スペーサー
104.第2基板
105.第2導電層
106.光電変換層
107.電荷輸送層
108.第3導電層
109.腐食防止用保護層
110.導電性接着剤
200.実施形態2の色素増感太陽電池モジュール
300.実施形態3の色素増感太陽電池モジュール
Claims (12)
- 対向する基板間に、直列接続された複数の色素増感太陽電池セルを平面的に配置してなる色素増感太陽電池モジュールであって、隣接する各色素増感太陽電池セルの間に、前記対向する基板の間隔を保持する帯状のスペーサーを設置し、該スペーサーの表面に導電層を設け、該導電層を介して隣接する各色素増感太陽電池セルを電気的に直列接続し、前記スペーサーは断面が台形状であり、前記導電層は光反射性を持つ材料からなることを特徴とする色素増感太陽電池モジュール。
- 前記導電層は前記スペーサーの一方の側面および上面に形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 前記導電層上に、該導電層の保護層を形成してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 前記スペーサー表面に設けた導電層と、前記隣接する各色素増感太陽電池セルの一方の電極を構成する導電層とを、カーボン微粒子を含有する導電性接着剤により接続してなることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 前記各色素増感太陽電池セルは、第1導電層、多孔質半導体に色素が吸着されてなる光電変換層、電荷輸送層、第2導電層からなり、対向する一方の基板に前記各色素増感太陽電池セルの一方の電極を構成する第1導電層、他方の基板に前記各色素増感太陽電池セルの他方の電極を構成する第2導電層を形成し、前記対向する基板の間隔を保持する帯状のスペーサー表面に設けた導電層により、前記隣接する各色素増感太陽電池セルの第1導電層及び第2導電層を電気的に接続することを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 前記スペーサーは前記隣接する色素増感太陽電池セルの各光電変換層及び電荷輸送層を分割する隔壁を形成してなることを特徴とする請求項5に記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 前記スペーサーは酸化ケイ素を主成分とするガラス材料からなることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 前記導電層は金属を含むことを特徴とする、請求項1から7の何れかに記載の色素増感太陽電池モジュール。
- 対向する基板間に、直列接続された複数の色素増感太陽電池セルを平面的に配置し、前記各色素増感太陽電池セルは、第1導電層、多孔質半導体に色素が吸着されてなる光電変換層、電荷輸送層、第2導電層からなり、一方の基板上に前記第1導電層、他方の基板上に前記第2導電層を有してなり、隣接する各色素増感太陽電池セルの間に設置した前記基板の間隔を保持する帯状のスペーサーの表面に形成した第3導電層により、隣接する各色素増感太陽電池セルの第1導電層と第2導電層を電気的に接続する色素増感太陽電池モジュールの製造方法であって、
前記対向する基板のうち、何れかの一方の基板に基板の間隔を保持し、かつ断面が台形状のスペーサーを設置する工程と、前記スペーサー表面に、光反射性を持つ材料からなる第3導電層を形成する工程と、前記スペーサー間に形成された空間に、前記各色素増感太陽電池セルの光電変換層の構成部材である多孔質半導体を充填形成する工程と、を備えることを特徴とする色素増感太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記多孔質半導体を充填形成する工程の前に、前記第1導電層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項9に記載の色素増感太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記多孔質半導体を充填形成する工程の前に、前記第3導電層上に該第3導電層の保護層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項9又は10に記載の色素増感太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記第3導電層を形成する工程において、前記第1導電層と前記スペーサー表面の前記第3導電層とを一体形成することを特徴とする請求項9に記載の色素増感太陽電池モジュールの製造方法。
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