JP5118233B2 - 光電変換素子および光電変換素子モジュール - Google Patents
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Description
図1は、本発明の光電変換素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。本発明の光電変換素子10は、図1に示されるように、透光性基板1と、該透光性基板1上に形成された透明導電層2と、該透明導電層2上に形成された光電変換層3と、該光電変換層3に接して形成された多孔性絶縁層4と、該多孔性絶縁層4に接して形成された反射層5と、該反射層5上に形成された触媒層6とを有し、光電変換層3は、多孔性半導体とキャリア輸送材料と光増感剤とを含み、透光性基板1に向けて垂直に多孔性絶縁層4を投影したときの投影面積、および透光性基板1に向けて垂直に反射層5を投影したときの投影面積は、透光性基板1に向けて垂直に光電変換層3を投影したときの投影面積よりも大きいことを特徴とする。このような構造とすることにより、反射層5の光散乱効果を向上させることができ、光電変換素子の光電変換効率を高めることができる。
本発明において、透光性基板1は、少なくとも受光面が光透過性を有する必要があるため、光透過性の材料からなる必要がある。ただし、透光性基板1は、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く、後述する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い。かかる透光性基板1は、その厚みが0.2〜5mm程度であることが好ましい。
本発明において、透明導電層2は、後述する光増感剤に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過す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。このような材料としては、たとえばインジウム錫複合酸化物(ITO)、酸化錫(SnO2)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)、タンタルあるいはニオブをドープした酸化チタンなどを挙げることができる。
本発明において、光電変換層3は、多孔性半導体とキャリア輸送材料と光増感剤とを含むものであり、光増感剤を吸着した多孔性半導体からなるものである。このような構成の光電変換層3は、キャリア輸送材料が層内外を移動することができる。
光電変換層3を構成する多孔性半導体は、一般に光電変換材料に使用されるものであればその種類は特に限定されず、たとえば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム、硫化鉛、硫化亜鉛、リン化インジウム、銅−インジウム硫化物(CuInS2)、CuAlO2、SrCu2O2などの半導体およびこれらの組み合わせを用いることができる。これらの中でも、安定性および安全性の点から、酸化チタンを用いることが特に好ましい。
上記の多孔性半導体に吸着される光増感剤は、光電変換素子に入射した光エネルギを電気エネルギに変換するために設けられるものである。このような光増感剤を多孔性半導体に強固に吸着させるためには、光増感剤を構成する分子中にインターロック基を有するものが好ましい。ここで、インターロック基とは、一般に、多孔性半導体に色素が固定される際に介在し、励起状態の色素と半導体の伝導帯との間の電子の移動を容易にする電気的結合を提供するものであり、具体的にはカルボキシル基、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官能基を挙げることができる。
本発明において、図1に示される光電変換素子10内の空間や空隙の全域にキャリア輸送材料が充填されている。すなわち、キャリア輸送材料11は、図1に示されるように、透明導電層2、支持基板8、および封止材9によって囲まれた領域に含まれている。さらに、キャリア輸送材料は、光電変換層3、多孔性絶縁層4、反射層5、および触媒層6の空隙にも充填されている。なお、本明細書において、キャリア輸送材料11は、便宜的に他の構成要素が介在せず、キャリア輸送材料のみで満たされている領域を意味する。
本発明において、多孔性絶縁層4は、光電変換層3に接して設けられるものであり、該多孔性絶縁層4により光電変換層3から対極導電層7へのリーク電流を低減することができる。多孔性絶縁層は、光電変換層3の上部および側面に接して形成されていることが好ましい。このように光電変換層3の上部および側面を覆うように形成することにより、光電変換層3からのリーク電流を低減することができるからである。
本発明において、反射層5は、多孔性絶縁層4上に形成されるものであり、該反射層5により光電変換層3を透過した光を反射して、再度光電変換層3に入射させることができる。このようにして光電変換層3に反射した光が入射されることにより、光電変換効率を高めることができる。このような反射層5は、多孔性絶縁層4の上部に接して光電変換層をカバーするより大きな面積で形成されていることが好ましく、多孔性絶縁層4の上面に同じ形状で形成されることがより好ましい。このようにして反射層5が多孔性絶縁層の表面全面を覆うように形成されることにより、光電変換層3を通過した光を反射して、再度光電変換層に光を入射させることができる。
本発明において、触媒層6は、対極導電層7に接して設けられるものであり、該触媒層6により対極導電層7との電子の受け渡しを効率的に行なうことができる。このような触媒層6は、その表面で電子の受け渡しができる材料であれば特に限定されずいかなるものをも用いることができ、たとえば白金、パラジウムなどの貴金属材料、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンなどのカーボン系材料などを挙げることができる。
本発明において、対極導電層7は、導電性を有するものであれば特に限定されず、光透過性を必ずしも有していなくてもよい。ただし、支持基板8を受光面にする場合は、透明導電層と同様に光透過性を有する必要がある。
本発明において、支持基板8は、キャリア輸送材料11を内部に保持し、かつ外部からの水などの浸入を防ぐことができるものを用いる必要がある。このような支持基板8が受光面となる場合は、透光性基板1と同様の光透過性が必要となるため、透光性基板1と同様の材料を用いる必要がある。光電変換素子を屋外に設置する場合を考慮すると、支持基板8は、強化ガラスなどを用いることが好ましい。
本発明において、封止材9は、透光性基板1と支持基板8とを結合させるために設けられるものである。このような封止材9は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ホットメルト樹脂、ガラス系材料などからなることが好ましく、これらの2種類以上を用いて積層構造にしてもよい。
透明導電層2上に光電変換層3を構成する多孔性半導体を形成する方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。すなわちたとえば、半導体微粒子を適当な溶剤に懸濁した懸濁液を、公知の方法を用いて所定の場所に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことによって多孔性半導体を形成する。
次に、光電変換層3上に多孔性絶縁層4を形成する。かかる多孔性絶縁層4は、上述の多孔性半導体と同様の方法を用いて形成することができる。すなわち、上記微粒子状の絶縁物を適当な溶剤に分散し、さらにエチルセルロース、ポリエチレングリコール(PEG)などの高分子化合物を混合してペーストを作製する。このようにして得られたペーストを光電変換層3上に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なう。これにより、光電変換層3上に多孔性絶縁層4を形成することができる。
次に、多孔性半導体に光増感剤を吸着させることにより、光電変換層3を作製する。光増感剤を吸着させる方法としては特に限定されず、たとえば、多孔性半導体を上述の色素吸着用溶液に浸漬する方法を用いることができる。この際、色素吸着用溶液を多孔性半導体内の微細孔奥部まで浸透させるために、色素吸着用溶液を加熱してもよい。
上記で形成した多孔性絶縁層4上に反射層5を形成する。反射層5を形成する方法としては、上述の光電変換層を形成する方法と同様の方法を用いることができる。
本発明は、2以上の光電変換素子を電気的に直列に接続されてなる光電変換素子モジュールでもあり、2以上の光電変換素子のうちの少なくとも1つは、本発明の光電変換素子であることを特徴とするものである。図2は、本発明の光電変換素子モジュールの構造の一例を模式的に示す断面図である。図2の光電変換素子モジュール20は、本発明の光電変換素子を4つ接続したものであり、各光電変換素子が、図1に示されるように、透光性基板21と、該透光性基板21上に形成された透明導電層22と、該透明導電層22上に形成された光電変換層23と、該光電変換層23に接して形成された多孔性絶縁層24と、該多孔性絶縁層24に接して形成された反射層25と、該反射層25上に形成された触媒層26とを有し、透光性基板21に向けて垂直に多孔性絶縁層24を投影したときの投影面積、および透光性基板21に向けて垂直に反射層25を投影したときの投影面積は、透光性基板21に向けて垂直に光電変換層23を投影したときの投影面積よりも大きいことを特徴とする。
本実施例では、図1に示される光電変換素子10を作製した。まず、15mm×40mm×厚さ1.5mmの透明電極基板(日本板硝子株式会社製、SnO2膜付ガラス)を用意した。該透明電極基板は、ガラスからなる透光性基板1上に、フッ素ドープSnO2からなる透明導電層2が成膜されたものである。
実施例1に対し、多孔性絶縁層の層厚が表1に示すように異なる他は実施例1と同様の方法により実施例2〜4の光電変換素子を作製した。
実施例1に対し、多孔性絶縁層の材料を酸化ケイ素に代えたことが異なる他は、実施例1と同様にして実施例5の光電変換素子を作製した。
実施例1に対し、反射層の材料を酸化アルミニウムに代えたことが異なる他は、実施例1と同様にして実施例6の光電変換素子を作製した。
実施例1に対し、多孔質半導体と同一の大きさの反射層を形成したことが異なる他は、実施例1と同様にして比較例1の光電変換素子を作製した。
本実施例では、図2に示される構造の光電変換素子モジュールを作製した。まず、縦50mm×横37mmの透明電極基板(日本板硝子株式会社製、SnO2膜付ガラス)を用意した。該透明電極基板は、ガラスからなる透光性基板21上に、SnO2からなる透明導電層22が成膜されたものである。
実施例1で作製した光電変換素子の積層体を直列方向にレーザースクライブにより切断することにより光電変換素子を2つに分割した。このように2つに分割した光電変換素子を並列に接続することにより本実施例の光電変換素子モジュールを作製した。
実施例7に対し、反射層の形状を多孔性半導体と同一の形状とし、多孔性絶縁層および反射層の膜厚を比較例1と同一としたことが異なる他は実施例7と同様の方法により比較例2の光電変換素子モジュールを作製した。
実施例1〜6および比較例1の光電変換素子の受光面に対し、開口部の面積が1.5cm2である黒色のマスクを設置した。そして、各光電変換素子の受光面に対し、AM1.5ソーラーシミュレータを用いて1kW/m2の強度の光を照射することにより、短絡電流値Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、フィルファクタ(FF)、および光電変換効率(%)を測定した。その結果を表1に示す。
実施例7〜8の色素増感太陽電池モジュールの受光面に対し、開口部の面積が7.8cm2である黒色のマスクを設置した。そして、各光電変換素子の受光面に対し、AM1.5ソーラーシミュレータを用いて1kW/m2の強度の光を照射することにより、短絡電流値Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、フィルファクタ(FF)、および光電変換効率(%)を測定した。その結果を表1に示す。
Claims (11)
- 透光性基板と、
前記透光性基板上に形成された透明導電層と、
前記透明導電層上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層に接して形成された多孔性絶縁層と、
前記多孔性絶縁層に接して形成された反射層と、
前記反射層上に形成された触媒層および対極導電層とを有し、
前記光電変換層は、多孔性半導体とキャリア輸送材料と光増感剤とを含み、
前記透光性基板に向けて垂直に前記多孔性絶縁層を投影したときの投影面積、および前記透光性基板に向けて垂直に前記反射層を投影したときの投影面積は、前記透光性基板に向けて垂直に前記光電変換層を投影したときの投影面積よりも大きく、
前記多孔性絶縁層は、前記光電変換層の上部および側面に接して形成されており、
前記反射層は、前記多孔性絶縁層の上部および側面に接して形成されており、
前記多孔性絶縁層は、0.2μm以上5μm以下の膜厚である、光電変換素子。 - 前記多孔性絶縁層および前記反射層の合計膜厚は、10μm以上である、請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記多孔性絶縁層は、1×1012Ω・cm以下の導電率の材料からなる、請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 前記多孔性絶縁層は、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素化合物、酸化アルミニウム、およびチタン酸バリウムからなる群より選択される1種以上の化合物からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記反射層は、酸化アルミニウムまたは酸化チタンを含む、請求項1〜4のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記反射層は、前記多孔性半導体を構成する材料と同一の材料からなる、請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記反射層および前記多孔性半導体は、酸化チタンからなる、請求項1〜6のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記反射層は、前記多孔性半導体を構成する微粒子の平均粒径よりも平均粒径が大きい微粒子からなる、請求項1〜7のいずれかに記載の光電変換素子。
- 2以上の光電変換素子を電気的に直列に接続されてなる光電変換素子モジュールであって、
前記光電変換素子の少なくとも1つは、請求項1〜8のいずれかに記載の光電変換素子である、光電変換素子モジュール。 - 3以上の光電変換素子を電気的に直列および/または並列に接続されてなる光電変換素子モジュールであって、
前記光電変換素子の少なくとも1つは、請求項1〜8のいずれかに記載の光電変換素子である、光電変換素子モジュール。 - 2以上の光電変換素子を電気的に直列および/または並列に接続されてなる光電変換素子モジュールであって、
前記光電変換素子の全てが請求項1〜8のいずれかに記載の光電変換素子である、光電変換素子モジュール。
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