JP5192769B2

JP5192769B2 - 色素増感型太陽電池

Info

Publication number: JP5192769B2
Application number: JP2007266042A
Authority: JP
Inventors: 浩志倉世古; 伸昭折田; 久小相澤
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP2009094019A

Description

本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する色素増感型太陽電池に関する。

色素増感型太陽電池は、電池に光が当たると、電池中の色素が電子を放出する。色素が放出する電子は酸化チタン（TiO₂）を経由して透明電極に達し、外部に流れる。一方、電子を放出して陽イオンになった色素は、対向電極から供給される電子を、電解液中のヨウ素（Ｉ）を経由して受け取り、元の状態に戻る。

このような色素増感型太陽電池の特徴は、次のような点にある。
・プロセス温度が400〜500℃程度とシリコン系よりも低い。
・真空プロセスを必要としない。
・材料に安価な酸化チタンを用いる。
このような特徴から、色素増感型太陽電池は、低価格の太陽電池である。そのため、色素増感型太陽電池は、住宅用太陽電池だけでなく、携帯端末用の電池としても非常に有望である。

携帯端末等への応用を考えた場合、色素増感型太陽電池には、フレキシブル性を実現することと、軽量化を図ることが要求される。

そのため、従来の色素増感型太陽電池では、フレキシブル性の実現と軽量化を図るために様々な工夫がなされている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

特許文献１に開示された光電変換素子は、透明導電基板上に形成した酸化物半導体電極と、この電極上に吸着された色素と、電荷移動層と、対電極と、を備え、酸化物半導体電極は、金属有機化合物と有機高分子材料の混合物を溶媒に溶解させて溶液とし、この溶液を、透明導電膜を積層した高分子フィルム基板上に塗布して乾燥し、紫外線を照射して形成されたことを特徴とする。この光電変換素子によれば、紫外線照射法により低温で酸化物半導体電極を形成することによって、高分子フィルム基板上にフレキシブルで軽量な光電変換素子を作製することができ、フレキシブルな太陽電池として携帯端末等への応用が可能となる。

また、特許文献２に開示された色素増感型太陽電池は、半導体層の焼結を高耐熱性の犠牲基板表面で行い、その後、半導体層表面に導電層および支持基板を形成し、得られた積層体と対向電極を形成した対向基板とを電荷輸送層を介して積層することで、支持基板に耐熱性の低いプラスチックなどを使用でき、軽量化を図ることができる。

また、特許文献３に開示された色素増感型太陽電池は、厚さが５μｍ〜０．５ｍｍの導電性の箔状基板の一方の面に形成された増感色素を担持させた半導体電極と、厚さ５μｍ〜０．５ｍｍのガラス板又はプラスチックフィルムの一方の面に形成された透明導電膜とを内側にして、その四辺を接合することにより閉じた領域を形成してなり、その閉じた領域には電解液を有することを特徴とする。
特開２００２−２３１３２６号公報特開２００１−１６０４２６号公報特開平１１−２８８７４５号公報

ところで、上記特許文献１に開示された従来技術では、耐候性が高くない高分子フィルム基板を用いているため、耐用年数に課題がある。

また、上記特許文献２に開示された従来技術では、支持基板に耐候性が高くないプラスチックなどを使用できるようにしているため、耐用年数に課題がある。

また、上記特許文献３に開示された従来技術では、増感色素を担持させた半導体電極が形成された導電性の箔状基板側からは光を入射させることができないため、透明導電膜が形成された厚さ５μｍ〜０．５ｍｍのガラス板又はプラスチックフィルム側から光を入射させるようになっている。この構成では、ガラス板又はプラスチックフィルム側から入射した光は、増感色素を担持させた半導体電極に到達して電子を発生させる前に、電解液で散乱されたり吸収されたりする可能性があり、光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率が落ちてしまう虞がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、フレキシブル性の実現と軽量化を図りつつ、長寿命化と変換効率の向上を図った色素増感型太陽電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、第１の薄板ガラスと、該第１の薄板ガラス上に形成された透明電極と、該透明電極上に形成された多孔質膜と、第２の薄板ガラスと、該第２の薄板ガラス上に形成された対向電極と、該対向電極と前記多孔質膜の間に封止して設けられた電解液と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１の薄板ガラスを用いているので、第１の薄板ガラス上に形成された透明電極上に、抵抗の低い多孔質膜を形成することができる。また、透明電極側の基板として第１の薄板ガラスを用いると共に、対向電極側の基板として第２の薄板ガラスを用いている。これにより、フレキシブル性の実現と軽量化を図った色素増感型太陽電池を得ることができる。

また、第１の薄板ガラスと第２の薄板ガラスは、耐候性に優れているので、耐用年数の向上を図ることができ、寿命の長い色素増感型太陽電池を得ることができる。さらに、透明電極上に多孔質膜が形成されているので、透明電極から入射した光が、色素に到達して電子を効率良く発生させることができる。

上記課題を解決するため、請求項２に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、フレキシブル性を有する第１の薄板ガラスと、該第１の薄板ガラス上に形成された透明電極と、該透明電極上に金属酸化物の微粒子を含むペーストを塗布し、加熱焼成して形成され、吸着した色素に光が当たって放出される電子を前記透明電極へ伝える多孔質膜と、フレキシブル性を有する第２の薄板ガラスと、該第２の薄板ガラス上に形成された対向電極と、該対向電極と前記多孔質膜の間に封止して設けられ、前記対向電極から前記色素へ電子を受け渡す電解液と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、フレキシブル性を有しかつ耐熱性に優れた第１の薄板ガラスを用いているので、第１の薄板ガラス上に形成された透明電極上に酸化チタン（TiO₂）などの金属酸化物の微粒子を含むペーストを塗布し、400〜500℃程度の温度で加熱焼成することができ、抵抗の低い多孔質膜、例えば、酸化チタン多孔質膜を形成することができる。また、透明電極側の基板として第１の薄板ガラスを用いると共に、対向電極側の基板としてフレキシブル性を有する第２の薄板ガラスを用いている。これにより、フレキシブル性の実現と軽量化を図った色素増感型太陽電池を得ることができる。

また、第１の薄板ガラスと第２の薄板ガラスは、耐候性に優れているので、耐用年数の向上を図ることができ、寿命の長い色素増感型太陽電池を得ることができる。さらに、透明電極上に、色素に光が当たって放出される電子を透明電極へ伝える多孔質膜が形成されているので、透明電極から入射した光が、色素に到達して電子を効率良く発生させることができる。このため、上記特許文献３に開示された従来技術のように、透明電極から入射した光が色素に到達して電子を発生させる前に電解液で散乱されたり吸収されたりするのを抑制することができ、光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率を向上させることができる。なお、ここにいう「フレキシブル性を有する薄板ガラス」とは、可撓性を有する程度の厚さの薄いガラスを意味する。

請求項３に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、第１の薄板ガラスおよび／または第２の薄板ガラスの厚さは、５μｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

この構成によれば、十分なフレキシブル性を有し、可撓性のある色素増感型太陽電池を作製することができる。

請求項４に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、第１の薄板ガラスの表面および第２の薄板ガラスの表面は、樹脂でそれぞれ被覆されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１の薄板ガラスの表面および第２の薄板ガラスの表面をそれぞれ被覆する樹脂は、薄板ガラスに傷ができ、薄板ガラスが破損するのを防ぐための保護膜として機能するので、色素増感型太陽電池をフレキシブル性が必要な用途に用いる場合には、寿命の長い色素増感型太陽電池を得ることができる。

請求項５に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、前記透明電極と前記対向電極の間で、前記多孔質膜の周囲および前記電解液の周囲を封止する封止部を備え、該封止部内に、前記透明電極と電気的に接触する配線材が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、電解液を封止するのに必要となる封止部のスペースを有効に利用し、透明電極の導電性を補うための配線材を封止部内に設けているので、透明電極と配線材を介して色素から発生した電子を効率的に取り出すことができ、変換効率の向上を図ることができる。

請求項６に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、前記透明電極と前記対向電極の間で、前記多孔質膜の両側および前記電解液の両側を封止する左右の封止部を備え、該左右の封止部の少なくとも一方の内部に、前記透明電極と電気的に接触する配線材が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、電解液を封止するのに必要となる封止部のスペースを有効に利用し、透明電極の導電性を補うための配線材を左右の封止部の内部に設けているので、透明電極と配線材を介して色素から発生した電子を効率的に取り出すことができ、変換効率の向上を図ることができる。また、透明電極に、この導電性を補うためのグリッド電極を設ける従来の構成では、グリッド電極に銀等を用いることが多いので、入射した光がグリッド電極で反射され、グリッド電極下部において色素に光が到達しない領域ができ、その領域にリーク電流が流れ、変換効率が低下してしまう。請求項６に記載の発明によれば、そのような変換効率の低下は発生しない。これは、多孔質膜の両側および電解液の両側を封止する左右の封止部の少なくとも一方の内部に、透明電極と電気的に接触する配線材が設けられているので、多孔質膜に吸着された全ての色素に光が到達するからである。

請求項７に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、対向電極は金属電極であることを特徴とする。

この構成によれば、透明電極側から入射した太陽光は、多孔質膜に吸着された色素に当たると共に、対抗電極で反射された光も色素に当たるので、光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率をさらに向上させることができる。

請求項８に記載の発明に係る色素増感型太陽電池は、対向電極は透明電極であることを特徴とする。

この構成によれば、第１の薄板ガラス上に形成された透明電極側から入射した太陽光が多孔質膜に吸着された色素に当たると共に、第２の薄板ガラス上に形成された対向電極（透明電極）から入射した太陽光も多孔質膜に吸着された色素に当たるので、光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率をさらに向上させることができるとともに、両面受光型太陽電池として使うことができるため用途が広がる。

本発明によれば、フレキシブル性の実現と軽量化を図りつつ、長寿命化と変換効率の向上を図った色素増感型太陽電池を実現することができる。

以下、本発明に係る色素増感型太陽電池の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は一実施形態に係る色素増感型太陽電池の概略構成を示す断面図、図２は色素増感型太陽電池の動作を説明するための模式図である。

この色素増感型太陽電池は、図１に示すように、フレキシブル性を有する第１の薄板ガラス１と、第１の薄板ガラス１上に形成された透明電極２と、透明電極２上に形成され、吸着した色素３（図２参照）に光が当たって放出される電子を透明電極２へ伝える酸化チタン多孔質膜（酸化物多孔質膜）４と、を備える。また、色素増感型太陽電池は、フレキシブル性を有する第２の薄板ガラス５と、第２の薄板ガラス５上に形成された対向電極６と、対向電極６と酸化物多孔質膜４の間に封止して設けられ、対向電極６から色素３へ電子を受け渡す電解液７と、を備える。

透明電極２は、ITO（Indium Tin Oxide）膜などの透明導電膜で形成されている。対向電極６は、金属電極である。なお、対向電極６を、ITO膜などの透明導電膜で形成した透明電極としてもよい。電解液７には、ヨウ素（Ｉ）などが含まれている。

酸化チタン多孔質膜４は、酸化チタン（TiO₂）のナノ粒子（金属酸化物の微粒子）を含むペーストを透明電極２上に塗布し、400〜500℃程度の温度で加熱焼成して形成される。この後、酸化チタン多孔質膜４に、色素３を吸着（染色）させる。

第１の薄板ガラス１と第２の薄板ガラス５の厚さは、それぞれ５μｍ以上０．５ｍｍ以下である。薄板ガラス１，５の厚さ５μｍは製造上或いは取扱い上の限界である。薄板ガラス１，５の厚さが５μｍ未満であると、薄板ガラス１，５の製造或いは取扱いが難しくなり、好ましくない。また、薄板ガラス１，５の厚さ０．５ｍｍはフレキシブル性の限界であり、薄板ガラス１，２の厚さが０．５ｍｍを越えると、薄板ガラス１，５のフレキシブル性が不十分になり、好ましくない。なお、第１の薄板ガラス１および／または第２の薄板ガラス５の厚さ、つまり、両薄板ガラス１，５の少なくとも一方の厚さが、５μｍ以上０．５ｍｍ以下であっても良い。

第１の薄板ガラス１の表面および第２の薄板ガラス５の表面は、樹脂８，９でそれぞれ被覆されている。樹脂８，９は、薄板ガラス１，５に傷ができ、薄板ガラス１，５が破損するのを防ぐための保護膜として機能する。特に、本実施形態に係る色素増感型太陽電池をフレキシブル性が必要な用途に用いる場合には、保護膜として機能する樹脂８，９が重要になる。従って、その色素増感型太陽電池を、フレキシブル性が必要な用途に用いない場合、つまり、色素増感型太陽電池を曲げたりしない場合には、樹脂８，９は無くても良い。

さらに、色素増感型太陽電池は、図１に示すように、透明電極２と対向電極６の間で、酸化物多孔質膜４の両側および電解液７の両側を封止する左右の封止部１０，１１を備えている。左右の封止部１０，１１の内部に、透明電極２と電気的に接触する配線材１２，１３がそれぞれ設けられている。配線材１２，１３は、導電性接着剤１４，１５によって透明電極２に固定されている。このように、本実施形態に係る色素増感型太陽電池は、電解液７を封止するのに必要となる封止部１０，１１のスペースを有効に利用し、ITO膜などからなる透明電極２の導電性を補うための配線材１２，１３を左右の封止部１０，１１の内部に設けて、変換効率の向上を図れるようにしている。

以上の構成を有する色素増感型太陽電池の動作を図２に基づいて説明する。なお、図２では、図１に示す構成の一部を省略して示してある。

色素増感型太陽電池は、樹脂８（図１参照）および透明電極２を通って入射した太陽光が色素３に当たると、色素３が電子を放出する。色素３が放出する電子は酸化チタン多孔質膜４を経由して透明電極２に達し、外部に流れる。一方、電子を放出して陽イオンになった色素３は、対向電極６から供給される電子を、電解液７中のヨウ素（Ｉ）を経由して受け取り、元の状態に戻る。

以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○フレキシブル性を有しかつ耐熱性に優れた第１の薄板ガラス１を用いているので、第１の薄板ガラス１上に形成された透明電極２上に酸化チタン（TiO₂）などの金属酸化物の微粒子を含むペーストを塗布し、400〜500℃程度の温度で加熱焼成することができ、抵抗の低い酸化チタン多孔質膜４を形成することができる。また、透明電極２側の基板として第１の薄板ガラス１を用いると共に、対向電極６側の基板としてフレキシブル性を有する第２の薄板ガラス５を用いている。これにより、フレキシブル性の実現と軽量化を図った色素増感型太陽電池を得ることができる。

○第１の薄板ガラス１と第２の薄板ガラス５は、耐候性に優れているので、耐用年数の向上を図ることができ、寿命の長い色素増感型太陽電池を得ることができる。

○透明電極２上に、色素３に光が当たって放出される電子を透明電極２へ伝える酸化チタン多孔質膜４が形成されているので、透明電極２から入射した光が、色素３に到達して電子を効率良く発生させることができる。このため光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率を向上させることができる。

○フレキシブル性の実現と軽量化を図りつつ、長寿命化と変換効率の向上を図った色素増感型太陽電池を実現することができる。

○第１の薄板ガラス１および第２の薄板ガラス５の厚さは、それぞれ５μｍ以上０．５ｍｍ以下としているので、十分なフレキシブル性を有し、可撓性のある色素増感型太陽電池を作製することができる。

○第１の薄板ガラス１の表面および第２の薄板ガラス５の表面をそれぞれ被覆する樹脂８，９は、薄板ガラスに傷ができ、薄板ガラスが破損するのを防ぐための保護膜として機能するので、色素増感型太陽電池をフレキシブル性が必要な用途に用いる場合には、寿命の長い色素増感型太陽電池を得ることができる。

○樹脂８，９の材料を適宜選択することにより、樹脂８，９に波長選択特性を持たせることができる。これにより、色素３により吸収され易い特定の波長の光を色素３に入射させることができ、これによっても変換効率の向上を図れる。

○電解液７を封止するのに必要となる封止部のスペースを有効に利用し、ITO膜などからなる透明電極２の導電性を補うための配線材１２，１３を左右の封止部１０，１１の内部に設けているので、透明電極２と配線材１２，１３を介して色素３から発生した電子を効率的に取り出すことができ、変換効率の向上を図れる。

○透明電極にこの導電性を補うためのグリッド電極を設ける構成では、上述したように変換効率の低下が発生するが、このような変換効率の低下は発生しない。これは、酸化チタン多孔質膜４の両側および電解液７の両側を封止する左右の封止部１０，１１の内部に、透明電極２と電気的に接触する配線材１２，１３が設けられているので、酸化チタン多孔質膜４に吸着された全ての色素３に光が到達するからである。

○対向電極６を金属電極としている構成により、透明電極２側から入射した太陽光は、酸化チタン多孔質膜４に吸着された色素３に当たると共に、対抗電極６で反射された光も色素３に当たるので、光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率をさらに向上させることができる。

○フレキシブル性の実現と軽量化を図りつつ、長寿命化と変換効率の向上を図った色素増感型太陽電池を実現できるので、住宅用太陽電池だけでなく、携帯端末用の電池にも有効に利用できる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記一実施形態において、色素増感型太陽電池を、フレキシブル性が必要な用途に用いない場合、つまり、色素増感型太陽電池を曲げたりしない場合には、樹脂８，９は無くても良い。このような樹脂８,９の無い色素増感型太陽電池にも本発明は適用可能である。

・上記一実施形態において、対向電極６を、透明電極２と同様の透明電極とした構成の色素増感型太陽電池にも本発明は適用可能である。この構成によれば、第１の薄板ガラス１上に形成された透明電極２側から入射した太陽光が酸化チタン多孔質膜４に吸着された色素３に当たると共に、第２の薄板ガラス５上に形成された対向電極（透明電極）６から入射した太陽光も酸化チタン多孔質膜４に吸着された色素３に当たるので、光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率をさらに向上させることができる。

一実施形態に係る色素増感型太陽電池の概略構成を示す断面図。一実施形態に係る色素増感型太陽電池の動作を説明するための模式図。

符号の説明

１：第１の薄板ガラス
２：透明電極
３：色素
４：酸化チタン多孔質膜（多孔質膜）
５：第２の薄板ガラス
６：対向電極
７：電解液
８，９：樹脂
１０，１１：封止部
１２，１３：配線材
１４，１５：導電性接着剤

Claims

第１の薄板ガラスと、該第１の薄板ガラス上に形成された透明電極と、該透明電極上に形成された多孔質膜と、第２の薄板ガラスと、該第２の薄板ガラス上に形成された対向電極と、該対向電極と前記多孔質膜の間に封止して設けられた電解液と、前記透明電極と前記対向電極の間で、前記多孔質膜の周囲および前記電解液の周囲を封止する封止部とからなり、
前記第１の薄板ガラスおよび前記第２の薄板ガラスの厚さは、５μｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
前記第１の薄板ガラスおよび前記第２の薄板ガラスのみが樹脂でそれぞれ被覆されていることを特徴とする色素増感型太陽電池。
前記多孔質膜は、前記透明電極上に金属酸化物の微粒子を含むペーストを塗布し、加熱焼成して形成され、吸着した色素に光が当たって放出される電子を前記透明電極へ伝え、前記電解液は、前記対向電極から前記色素へ電子を受け渡すことを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
前記封止部内に、前記透明電極と電気的に接触する配線材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の色素増感型太陽電池。
前記透明電極と前記対向電極の間で、前記多孔質膜の両側および前記電解液の両側を封止する左右の封止部を備え、該左右の封止部の少なくとも一方の内部に、前記透明電極と電気的に接触する配線材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の色素増感型太陽電池。
前記対向電極は金属電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の色素増感型太陽電池。
前記対向電極は透明電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の色素増感型太陽電池。