JP5196271B2 - 光電変換エレクトロクロミック装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エレクトロクロミック装置(electrochromic device, ECD)に関するものであり、特に、光電変換エレクトロクロミック装置に関するものである。
いわゆるエレクトロクロミック装置とは、導電材料で構成され、電場または電流を印加して可逆的に酸化還元(redox)反応が起きた時に色変化を行う装置である。エレクトロクロミック装置の製作は、以下の条件を満たさなければならない:異なる電圧の下で、エレクトロクロミック装置の色を容易に認識することができる;色の変化が迅速かつ均一である;装置の色の可逆変化は、少なくとも1万回繰り返し可能である;装置の安定性が高い。従来のエレクトロクロミック装置は表面制限薄膜型(surface confined thin-film)のエレクトロクロミック装置および溶液型のエレクトロクロミック装置であった。
表面制限薄膜型のエレクトロクロミック装置は、上部透明基板、底部透明基板、およびその間に設けられたエレクトロクロミック多層膜から形成される。特に、エレクトロクロミック多層膜は電池と類似した構造を有し、少なくとも5つの異なる機能の塗/堆積層を有する。上述した5つの塗/堆積層は、透明導電層、エレクトロクロミック層、電解質層、イオンストレージ層および別の透明導電層である。溶液型のエレクトロクロミック装置はより簡単な構造を有し、電極層に向き合う方向でエポキシ樹脂系接着剤によって接合された上部透明導電層および底部透明導電層で形成され、上部と底部の透明導電層の間にエレクトロクロミック有機溶液が配置されている。溶液には、酸化型または還元型のエレクトロクロミック有機分子、ポリマー電解質および溶剤が含まれる。
長年の研究を経た後も、エレクトロクロミックバックミラーしか商品化されていない。他の大型のエレクトロクロミック装置100は、図1に示したように、依然として均一に色が変化しない光彩効果(iris effect)と呼ばれる問題に直面している。光彩効果について、図2に基づいて説明する。図2は、一般のエレクトロクロミック装置200を図示したもので、2つの透明導電基板210およびその間に配置されたエレクトロクロミック溶液220から構成される。2つの透明導電基板210の周辺に配置された電極230から電気が供給される時、平面エレクトロクロミック装置200の中心と周辺において電場の経路の長さが異なることにより、インピーダンスにおいて変化が生じる。図1に、インピーダンスの差異を示す。同心楕円形状の色の濃度がエレクトロクロミック装置200の周辺から中心へ徐々に変化して、色変化の均一性に影響する。
エレクトロクロミック技術の応用範囲を広げるため、光電技術と統合された研究が発展に向けて様々な方向に提供されている。例えば、建材一体型太陽電池(building integrated photovoltaic, BIPV)は、エレクトロクロミック技術と協同して、室外と室内の照度の違いに基づいてエレクトロクロミック窓の色を自動的に調整し、室内の熱を下げることができ、追加の電力供給を必要としない。省エネルギーがますます重要な課題になってきているため、このような応用が新しい傾向となっている。
例えば、米国特願US 5,377,037は、シリコン薄膜太陽電池とエレクトロクロミック材料を統合したエレクトロクロミック装置を開示している。その構造を見ると、2つの透明導電ガラス基板の間に、タンデム(tandem)構造のシリコン薄膜太陽電池、エレクトロクロミック装置および電解質層が順番に配置されている。最後に、タンデム構造の2つの透明導電ガラス基板の外側にブリーダ抵抗が直列に接続され、シリコン薄膜太陽電池が発電した時に、エレクトロクロミック装置を駆動する電圧を活性化または不活性化する。両面電極構造はエレクトロクロミック装置と太陽電池を統合することができるが、無機材料は色変化を行うために大きな電荷密度(charge density)と大きな電圧を必要とする。必然的に、光電変換率を高めるため、真性層(intrinsic layer)をより厚くする必要がある。シリコン薄膜太陽電池の開放電圧(open circuit voltage, Voc)を上げるため、多接合タンデム(tandem)電池も適用される。その結果として、シリコン薄膜太陽電池の透過率が減少する。
本発明は、均一に色変化を行い、高い透過率を有する光電変換エレクトロクロミック装置を提供することを目的とする。
本発明は、半透明の薄膜太陽電池基板と、エレクトロクロミック溶液と、透明非導電基板とを含み、透明非導電基板と半透明の薄膜太陽電池基板の間にエレクトロクロミック溶液が配置された光電変換エレクトロクロミック装置を提供する。半透明の薄膜太陽電池基板は、透明基板と、複数の薄膜太陽電池とを含み、薄膜太陽電池の陽極および陰極は、光電変換エレクトロクロミック装置の陽極および陰極としても用いられる。
本発明は、さらに、半透明の薄膜太陽電池基板と、エレクトロクロミック溶液と、透明非導電基板と、出力スイッチ配置とを含み、透明非導電基板と半透明の薄膜太陽電池基板の間にエレクトロクロミック溶液が配置された光電変換エレクトロクロミック装置を提供する。半透明の薄膜太陽電池基板は、透明基板と、複数の薄膜太陽電池とを含み、薄膜太陽電池の陽極および陰極は、光電変換エレクトロクロミック装置の陽極および陰極としても用いられる。出力スイッチ配置は、薄膜太陽電池に接続され、薄膜太陽電池からの電流出力を制御する。
本発明によると、薄膜太陽電池は、例えば、1つの基板上にアレイ状またはストライプ状に配列され、均一な色変化を達成する。さらに、本発明において、エレクトロクロミック溶液は比較的低いレドックス電圧を必要とし、これによって薄膜太陽電池で発生する電力の需要が下がる。その結果として、太陽電池材料の厚さが小さくなり、装置全体の透過率が上がる。
本発明の上記特徴および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に詳しく説明する。
本発明をさらに理解できるよう、本明細書の一部として図面を提供する。図面は、本発明の実施形態を図示したもので、説明と合わせて、本発明の原理を説明するために提供する。
従来の光彩効果を示す概略平面図である。 従来の溶液型エレクトロクロミック装置を示す概略斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置の概略平面図である。 図3Aにおける線B−Bに沿った概略断面図である。 図3Bにおける光電変換エレクトロクロミック装置の別の形の概略断面図である。 図3Bにおける光電変換エレクトロクロミック装置の概略斜視図である。 エレクトロクロミック溶液のエレクトロクロミックサイクリックボルタモグラムを示す曲線図である。 実施形態の1つに使用された半透明の薄膜太陽電池基板の概略断面図である。 本発明の第2実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置の概略断面図である。 図7Aにおける光電変換エレクトロクロミック装置の別の形の概略断面図である。 本発明の第3実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置の概略断面図である。 図8Aにおける光電変換エレクトロクロミック装置の別の形の概略断面図である。 本発明の第4実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置のブロック図である。 図9における光電変換エレクトロクロミック装置の別の形のブロック図である。 図9における光電変換エレクトロクロミック装置と出力スイッチ配置の間の回路を示す図である。 図9における光電変換エレクトロクロミック装置と別の出力スイッチ配置の間の回路を示す図である。 図9における光電変換エレクトロクロミック装置の回路および薄膜トランジスタを示す図である。
図3Aは、本発明の第1実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置の概略平面図であり、図3Bは、図3Aにおける線B−Bに沿った概略断面図を示したものである。
図3Aおよび図3Bを参照すると、本実施形態の光電変換エレクトロクロミック装置は、半透明の薄膜太陽電池基板400と、透明非導電基板410と、エレクトロクロミック溶液420とから構成される。エレクトロクロミック溶液420は、半透明の薄膜太陽電池基板400と透明非導電基板410の間に配置され、片面導電基板を有する光電変換エレクトロクロミック装置を形成する。図3Bに示したように、半透明の薄膜太陽電池基板400は表板1枚(superstrate)構造を有し、透明基板402と、複数のシリコン薄膜太陽電池404とを含み、透明基板402の材料は、例えば、ガラスまたはその他の適合する透明可撓性基板である。透明非導電基板410を形成するための材料は、例えば、ガラス、プラスチックまたは可撓性基板である。シリコン薄膜太陽電池404は、例えば、陽極300、P型層422、真性層424、N型層426および陰極310から形成される。特に、陽極300の陽極材料は、例えば、透明導電性酸化物(transparent conductive oxide, TCO)である。陰極310は、透明導電性酸化物層428と、金属層430とを含み、陰極310の透明導電性酸化物層428は、N型層426に直接接触する。
図3Cは、図3Bにおける光電変換エレクトロクロミック装置の別の形の概略断面図である。図3Cに示したように、P型層422、真性層424およびN型層426は一般的に半導体材料で作られ、これらは半導体積層432から構成される。図3Cにおいて、半透明の薄膜太陽電池基板400は、各半導体積層432の側壁にそれぞれ形成された不活性化層434をさらに含み、例えば、半導体積層432において腐食する可能性のあるエレクトロクロミック溶液の影響を受けないよう半導体積層432を保護する。製造の便宜上、不活性化層434は各シリコン薄膜太陽電池404の陰極310および半導体積層432の側壁に形成される。
第1実施形態において、エレクトロクロミック溶液420は、例えば、少なくとも1つの酸化還元型有機分子エレクトロクロミック材料と、少なくとも1つの溶剤とを含み、溶液を形成する。ここで、酸化還元型有機分子エレクトロクロミック材料は、例えば、陰極エレクトロクロミック材料および陽極エレクトロクロミック材料の1つ、またはその組合せから選ばれる。例えば、上述した陰極エレクトロクロミック材料は、メチルビオロゲン(methyl viologen)、エチルビオロゲン(ethyl viologen)、ベンジルビオロゲン(benzyl viologen)、ヘプチルビオロゲン(heptyl viologen)、プロピルビオロゲン(propyl viologen)、その誘導体およびその混合物を含む群から選ばれた1つである。陽極エレクトロクロミック材料は、例えば、ジメチルフェナジン(dimethylphenazine)、N,N',N,N'‐テトラメチル‐p‐フェニレンジアミン(N,N′,N,N′-tetramethyl-p- phenylenediamine, TMPD)、フェニレンジアミン(phenylene diamine)、その誘導体およびその混合物を含む群から選ばれた1つである。さらに、その酸化還元電圧は、いずれも3V未満である。しかも、エレクトロクロミック溶液420は、リチウムトリフレート(lithium triflate)、リチウム過塩素酸塩(lithium perchlorate)、テトラアルキルアンモニウム塩(tetra alkyl ammonium salt)等のようなアルカリ金属塩(alkali metal salt)をさらに含む。その上、ポリエチレンオキシド(polyethylene oxide)、ポリプロピレンオキシド(polypropylene oxide)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)およびその混合物で構成される基から選ばれた1つであるポリマーは、その粘性を上げるため、適切な量がエレクトロクロミック溶液420に追加される。エレクトロクロミック溶液420中の溶剤は、例えば、炭酸プロピレン(propylene carbonate)、炭酸エチレン(ethylene carbonate)、γ‐ブチロラクトン(γ-butyrolactone)、アセトニトリル(acetonitrile)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran, THF)またはN‐メチル‐2‐ピロリドン(N-methyl-2-pyrrolidone , NMP)である。
本実施形態において、陽極300および陰極310は、シリコン薄膜太陽電池404の陽極および陰極として使用されるだけでなく、光電変換エレクトロクロミック装置の陽極および陰極としても使用される。図4は、図3Bにおける光電変換エレクトロクロミック装置の概略斜視図である。太陽光500が半透明の薄膜太陽電池基板400を通って光電変換エレクトロクロミック装置に入る時、薄膜太陽電池(図3Bの404を参照)は同時に電子正孔対を生成する。発電している間、薄膜太陽電池から出力した電流は、陽極300および陰極310を通ってエレクトロクロミック溶液420に伝送され、透明無色のエレクトロクロミック溶液420内で酸化還元反応を起こす。同時に、陽極300、陰極310およびエレクトロクロミック溶液420の構造がすぐにエレクトロクロミック装置として機能する。陰極310が薄膜太陽電池から放出された電子を受け取ると、還元が起こり、陰極エレクトロクロミック材料の色が変化する。陽極300が薄膜太陽電池から放出された正孔を受け取ると、酸化が起こり、陽極エレクトロクロミック材料の色が変化する。さらに、反射層510aまたは510bが透明非導電基板410に配置され、鏡面を形成する。例えば、反射層510aまたは510bの材料には、銀およびアルミニウムの薄膜コーティングの1つが含まれる。
太陽光の強度が低下すると、薄膜太陽電池によって生成された電子および正孔が減り、光電変換エレクトロクロミック装置により生成された電流が徐々に減少する。陰極310の表面の陰極エレクトロクロミック材料の色が徐々に消えて行き、透明無色の酸化状態に戻る。陽極300の表面の陽極エレクトロクロミック材料の色も徐々に消えて行き、透明無色の還元状態に戻る。薄膜太陽電池により生成された電子電流は、エレクトロクロミック溶液420においてイオン電流に変わる。このように、通電時には、陽極300および陰極310の両方がエレクトロクロミック溶液420に接触するが、短絡回路の問題が発生することはない。色が変化している間に陽極および陰極の酸化還元反応において荷電平衡を保つため、陽極300および陰極310の面積比は同程度であることが好ましい。
本実施形態において、エレクトロクロミック溶液420は、単に低電圧および低電流であれば、色を変化させることができる。例えば、0.01Mのメチルビオロゲン二塩化物(methyl viologen dichloride)および0.1Mの過塩素酸リチウム(lithium perchlorate)を加えて、5mlの脱イオン化水に溶かす。かき混ぜると、完全に混合された無色のエレクトロクロミック溶液が得られる。上述したメチルビオロゲン二塩化物は、以下の方程式で表される1,1'‐ジメチル‐4,4'‐ビピリジニウム=ジクロリド(1,1'-dimethyl-4,4'-bipyridinium dichloride)である:
Figure 0005196271
次に、エレクトロクロミック溶液を、面積が2cm×2cmのインジウムスズ酸化物(indium-tin-oxide, ITO)導電ガラス基板に適用する。さらに、別のインジウムスズ酸化物導電ガラス基板をそこへ加えて、エレクトロクロミック装置を形成する。エレクトロクロミック装置の陽極および陰極を電気化学分析装置に接続して、−1Vから3Vまでサイクリックボルタモグラム(cyclic voltammogram, CV)走査を行う。図5に、走査結果を示す。一般の有機分子はかなり低い酸化還元電圧を必要とする。ビオロゲン基で形成される陰極エレクトロクロミック材料を例とすると、電荷密度が2mC/cmに達した時に、はっきりとした色のコントラストが達成される。
図3Bを参照すると、エレクトロクロミック溶液420の酸化還元電圧は低く、色変化に必要とされる電荷密度が高くないため、シリコン薄膜太陽電池404が色変化に十分な電力を発生させる時、透明導電性酸化物層428は陰極として用いるのに十分である。しかも、真性層424の厚さを減らし、光電変換エレクトロクロミック装置全体の透過率を上げることができる。
本実施形態における光電変換エレクトロクロミック装置の適用性をサポートするため、以下の実験例を提供する。
第1実験例
まず、透明ガラス基板を準備する。そして、0.1Mの過塩素酸リチウムおよび0.01Mのメチルビオロゲン(1,1'‐ジメチル‐4,4'‐ビピリジニウム=ジクロリド)を5mlの脱イオン化水に溶かし、かき混ぜて、完全に混合された透明無色のエレクトロクロミック溶液を得る。エレクトロクロミック溶液を上述した透明ガラス基板に適用し、面積が15cm×15cmの半透明の薄膜太陽電池基板をエポキシ樹脂接着剤で透明ガラス基板に取り付ける。本例では、シリコン薄膜太陽電池を使用する。シリコン薄膜太陽電池はアレイ状に配列され、1つの列は面積が0.25cmである。エポキシ樹脂接着剤は厚さが約0.15cmで、2つの基板間の距離を保つスペーサーとして用いるガラス玉を混入する。
更に詳しく説明すると、半透明の薄膜太陽電池基板はスパッタリング法により形成され、15cm×15cmのガラス基板上の透明導電層を大きくして、プラズマ化学気相成長法によって透明導電ガラス層上のシリコン薄膜を継続的に堆積し、最後に透明導電層および金属層がシリコン薄膜上にスパッタリングされる。その後、532nmのパルスレーザーを使用して上記のシリコン薄膜の一部を取り除き、アレイ状に配列されたシリコン薄膜太陽電池を形成する。ここで、陰極ブロックはそれぞれ面積が0.5cm×0.5cmのシリコン薄膜であり、陰極ブロックの外側の領域は陽極である。それぞれの陰極ブロックは0.2cmの隙間によって分離されており、陰極ブロックの合計数は196である。図6に示したように、この構造は、面積が15×15cmのガラス基板600と、陽極として用い、厚さが10nmのZnO:Al層602と、厚さが30nmのP型層604と、真性層として用い、厚さが450nmのa−SiH層606と、厚さが30nmのN型層608と、合わせて陰極を構成する厚さが80nmのZnO:Al層610および厚さが300nmのAg層612とを含む。
半透明の薄膜太陽電池の開放電圧(Voc)は0.6Vである。電流密度Jscは5mA/cmであり、Pmaxは0.5mWである。太陽光が光電変換エレクトロクロミック装置に照射した時、陰極のすぐ下にあるエレクトロクロミック溶液が透明無色から淡い青色に変化し始め、それから30秒以内に深い青色に変化する。太陽光が止まった時、光電変換エレクトロクロミック装置は15秒以内に透明度を復元する。
第2実験例
まず、透明ガラス基板を準備する。そして、0.1Mの過塩素酸リチウム、および0.01Mの5,10‐ジヒドロ‐5,10‐ジメチルフェナジンを5mlの炭酸プロピレン(propylene carbonate)溶剤の中に溶かし、かき混ぜて、完全に混合された透明無色のエレクトロクロミック溶液を得る。エレクトロクロミック溶液を上述した透明ガラス基板に適用し、面積が15cm×15cmの半透明の薄膜太陽電池基板をエポキシ樹脂接着剤で透明ガラス基板に取り付ける。本実験例では、アレイ状に配列されたシリコン薄膜太陽電池を使用する。各列の面積は0.25cmであり、実験例1で述べた構造と同じ構造を有する。エポキシ樹脂接着剤は厚さが約0.15cmで、スペーサーとして用いるガラス玉をそこに混入して、2つの基板間の距離を保つ。
半透明の薄膜太陽電池の開放電圧(Voc)は0.62Vである。電流密度Jscは5.2mA/cmであり、Pmaxは0.55mWである。したがって、太陽光が光電変換エレクトロクロミック装置に照射した時、陽極のすぐ下にあるエレクトロクロミック溶液が透明な淡い黄色から黄色に変化し始め、それから40秒以内に緑色に変化する。太陽光が止まった時、光電変換エレクトロクロミック装置は20秒以内に透明な淡い黄色になる。
第3実験例
まず、面積が7.5cm×7.5cmの透明ガラス基板を準備し、そして、透明ガラス基板の端をスペーサーとして用いる耐溶剤性テープで貼り付ける。その後、0.01Mのヘプチルビオロゲンおよび0.01MのTMPDを炭酸プロピレンに溶かし、それから、0.1MのTBABFの電解質塩を加える。その後、上記の混合物をかき混ぜて、完全に混合された透明無色のエレクトロクロミック溶液を得る。エレクトロクロミック溶液を上述した透明ガラス基板に適用し、面積が7.5cm×7.5cmの半透明の薄膜太陽電池基板を透明ガラス基板に取り付け、光電変換エレクトロクロミック装置を構成する。本実験例では、ストライプ状に配列されたシリコン薄膜太陽電池を使用し、陰極ブロックはそれぞれ面積が5cm×1cmのシリコン薄膜で、陰極ブロックの外側の領域は陽極である。それぞれの陰極ブロックは1cmの隙間によって分離されており、陰極ブロックの合計数は3である。
半透明の薄膜太陽電池の開放電圧(Voc)は0.64Vである。電流密度Jscは5.7mA/cmである。したがって、太陽光が光電変換エレクトロクロミック装置に照射した時、陽極および陰極のすぐ下にあるエレクトロクロミック溶液が30秒以内に透明から深い青色に変化し始める。
図7Aは、本発明の第2実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置の概略断面図であり、同じ構成要素は第1実施形態と同じ符号で示す。図7Aを参照すると、第2実施形態の光電変換エレクトロクロミック装置は、半透明の薄膜太陽電池基板700と、エレクトロクロミック溶液420と、透明非導電基板410とから構成される。上述した半透明の薄膜太陽電池基板700は基板(substrate)構造を有し(すなわち、太陽光500が透明非導電基板410を通って入る)、シリコン薄膜太陽電池404と、透明基板402とを含む。さらに、シリコン薄膜太陽電池404は陰極310と、N型層426と、真性層424と、P型層422と陽極300とから形成される。ここで、陽極300を形成するための材料は、例えば、透明導電酸化物(TCO)である。陰極310は、透明導電性酸化物層428と、N型層426と透明導電性酸化物層428の間に配置された金属層430とを含む。半透明の薄膜太陽電池基板700は基板構造を有するため、エレクトロクロミック溶液420の色変化がシリコン薄膜太陽電池404の発電の条件に影響する可能性がある。このため、第2実施形態の光電変換エレクトロクロミック装置は、循環型の色変化を必要とする装置に適用可能である。
図7Bは、図7Aにおける光電変換エレクトロクロミック装置の別の形の概略断面図である。図7Bに示したように、P型層422、真性層424およびN型層426は、例えば、半導体積層432から成る。しかも、半透明の薄膜太陽電池基板700は、各半導体積層432の側壁にそれぞれ形成された不活性化層434をさらに含み、半導体積層432がエレクトロクロミック溶液に影響されるのを防ぐ。その上、不活性化層434は、製造の便宜上、各シリコン薄膜太陽電池404の陽極300、金属層430および半導体積層432の側壁に形成される。
図8Aは、本発明の第3実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置の概略断面図であり、同じ構成要素を第2実施形態の符号と同じ符号で示す。図8Aを参照すると、第2実施形態と第3実施形態の光電変換エレクトロクロミック装置の間の主な差異は、第3実施形態の半透明の薄膜太陽電池基板800が透明基板402と、複数のCIGS(Copper Indium Galium Selenide)薄膜太陽電池802とを含み、このCIGS薄膜太陽電池802が陽極300、CIGS吸収層804、バッファ層806および陰極310で形成されることにある。陽極300および陰極310の材料は、例えば、透明導電酸化物(TCO)である。さらに、第3実施形態では、テルル化カドミウム(CdTe)薄膜太陽電池も使用する。
図8Bは、図8Aにおける光電変換エレクトロクロミック装置の別の形の概略断面図である。図8Bに示したように、半透明の薄膜太陽電池基板800は、CIGS吸収層804と、バッファ層806と、陰極310の側壁にそれぞれ形成された不活性化層434とをさらに含む。この不活性化層434は、少なくともCIGS吸収層804およびバッファ層806に対して保護機能を有する。
図9は、本発明の第4実施形態に係る光電変換エレクトロクロミック装置のブロック図である。図9を参照すると、上記実施形態における半透明の薄膜太陽電池基板(例えば、図4の400、図7A−7Bの700、および図8A−8Bの800)、エレクトロクロミック溶液(例えば、図4の420)および透明非導電基板(例えば、図4の410)に加えて、本実施形態の光電変換エレクトロクロミック装置は、薄膜太陽電池(例えば、図3Bの404および図8Aの802)に接続された出力スイッチ配置900をさらに含み、陽極300と陰極310を接続して、シリコン薄膜太陽電池404からの電流出力を制御する。本実施形態における光電変換エレクトロクロミック装置の構成要素の説明は、上記の実施形態において触れているため、ここでは繰り返し説明しない。
図9は並列回路を図示しており、薄膜太陽電池の陽極300は出力スイッチ配置900に接続された連続被膜である。さらに、ストライプ状に配列された陽極300および陰極310a、310b、310c、310dが、それぞれ出力スイッチ配置900に接続される。
図9の並列回路の他に、図10に示したように、出力スイッチ配置900は直列に接続することもでき、非連続の陽極300b、300cおよび300dが別の薄膜太陽電池の陰極310a、310bおよび310cに接続し、陽極300aおよび陰極310dが出力スイッチ配置900に接続する。
上述した出力スイッチ配置900は、現有の技術に基づいて作ることができる。例えば、図11および図12は、それぞれ図9の光学エレクトロクロミック装置と異なる出力スイッチ配置との間の回路を図示したものである。
図11を参照すると、符号1100は図9(または図10)における光学エレクトロクロミック装置のエレクトロクロミック装置を示す。エレクトロクロミック装置1100および薄膜太陽電池1102は、DC/ACインバータ1104に接続される。スイッチ1106が接続された時、薄膜太陽電池1102により出力された電流は、AC電気器具用に商用電気1108(すなわち、交流)に変換される。
さらに、図12を参照すると、エレクトロクロミック装置1100および薄膜太陽電池1102はDC電荷蓄積装置1200(蓄電装置)に接続され、DC電気器具用に薄膜太陽電池1102によって発生した直流電流を蓄積する。スイッチ1106が接続された時、エレクトロクロミック装置1100は無色の状態に戻る。
その上、図9(または図10)における光電変換エレクトロクロミック装置は、薄膜トランジスタ(thin-film transistor , TFT)技術と結合して、図13の回路図に示したように、薄膜トランジスタ1300を半透明の薄膜太陽電池基板上に配置して、薄膜太陽電池1102を能動的に制御し、エレクトロクロミック装置1100の色変化を操作する。
上記のように、本発明は少なくとも以下の利点を有する:
本発明において、光電変換エレクトロクロミック装置により発生した電流は、エレクトロクロミック溶液中でイオン電流に変わる。接続時に陽極と陰極が同時に接触しても、短絡回路は発生しない。
本発明の光電変換エレクトロクロミック装置における電極は、従来のエレクトロクロミック装置と異なり、電気は電極の周辺によって供給される。本発明によると、電極は半透明の薄膜太陽電池基板全体に均一に散布され、均一な電場を形成する。したがって、異なる領域のエレクトロクロミック溶液が今まで通り同じ色変化を行い、光彩効果を防ぐことができる。
本発明において、酸化還元電圧が3V未満の酸化還元型の有機分子エレクトロクロミック材料を採用して、光電変換エレクトロクロミック装置を形成する。したがって、光電変換エレクトロクロミック装置は、低電圧および低電流で駆動することができる。さらに、薄膜太陽電池の真性層の厚さが減り、透明導電酸化層だけを電極として使用する。結果として、装置の光透過率が上がり、装置の適用を拡大して、装置の製造コストをさらに減らすことができる。
本発明の光電変換エレクトロクロミック装置は、出力スイッチ配置をさらに含み、DC/ACインバータおよびDC電荷蓄積装置を接続して、装置によって発生した電流をACおよびDC電気器具に供給する。これは、エネルギー不足の問題を解決する方法の1つである。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
100、200、1100 エレクトロクロミック装置
210 透明導電基板
220、420 エレクトロクロミック溶液
230 電極
300、300a、300b、300c、300d 陽極
310、310a、310b、310c、310d 陰極
400、700、800 半透明の薄膜太陽電池基板
402 透明基板
404 シリコン薄膜太陽電池
410 透明非導電基板
422、604 P型層
424 真性層
426、608 N型層
428 透明導電性酸化物層
430 金属層
432 半導体積層
434 不活性化層
500 太陽光
510a、510b 反射層
600 ガラス基板
602 ZnO:Al層
606 a−SiH層
610 ZnO:Al層
612 Ag層
802 CIGS薄膜太陽電池
804 CIGS吸収層
806 バッファ層
900 出力スイッチ配置
1102 薄膜太陽電池
1104 DC/ACインバータ
1106 スイッチ
1108 商用電気
1200 DC電荷蓄積装置
1300 薄膜トランジスタ

Claims (25)

  1. 光電変換エレクトロクロミック装置であって、前記光電変換エレクトロクロミック装置が、
    透明非導電基板と、
    透明基板および複数の薄膜太陽電池を備え、前記複数の薄膜太陽電池の各々の陽極および陰極が前記光電変換エレクトロクロミック装置の陽極および陰極としても用いられる半透明の薄膜太陽電池基板と、
    前記透明非導電基板と前記半透明の薄膜太陽電池基板の間に配置されたエレクトロクロミック溶液と
    を含む光電変換エレクトロクロミック装置。
  2. 前記薄膜太陽電池が、アレイ状またはストライプ状、あるいはその組合せで配列された請求項1記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  3. 前記薄膜太陽電池に接続され、前記薄膜太陽電池からの電流出力を制御する出力スイッチ配置と、
    をさらに含む請求項1に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  4. 前記薄膜太陽電池が、前記出力スイッチ配置と並列に接続された請求項3に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  5. 前記薄膜太陽電池が、前記出力スイッチ配置と直列に接続された請求項3記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  6. 前記出力スイッチ配置が、さらにDC/ACインバータに接続され、前記薄膜太陽電池により提供された電流を商用電気に変換する請求項3から5の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  7. 前記出力スイッチ配置が、さらにDC電荷蓄積装置に接続され、前記薄膜太陽電池により提供された直流電流を蓄積する請求項3から6の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  8. 前記エレクトロクロミック溶液が、少なくとも1つの酸化還元型有機分子エレクトロクロミック材料および少なくとも1つの溶剤を含む請求項1から7の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  9. 前記酸化還元型有機分子エレクトロクロミック材料が、陰極エレクトロクロミック材料および陽極エレクトロクロミック材料、またはその組合せから成る物質群から選ばれた材料である請求項8に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  10. 前記陰極エレクトロクロミック材料が、メチルビオロゲン、エチルビオロゲン、ベンジルビオロゲン、ヘプチルビオロゲン、プロピルビオロゲン、その誘導体およびその混合物を含む群から選ばれた1つである請求項9に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  11. 前記陽極エレクトロクロミック材料が、ジメチルフェナジン、N,N',N,N'‐テトラメチル‐p‐フェニレンジアミン、フェニレンジアミン、その誘導体およびその混合物を含む群から選ばれた1つである請求項9に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  12. 前記溶剤が、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、γ‐ブチロラクトン、アセトニトリル、テトラヒドロフランまたはN‐メチル‐2‐ピロリドンを含む請求項8に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  13. 前記エレクトロクロミック溶液が、アルカリ金属塩をさらに含む請求項8に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  14. 前記アルカリ金属塩が、リチウムトリフレート、リチウム過塩素酸塩またはテトラアルキルアンモニウム塩を含む請求項13に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  15. 前記エレクトロクロミック溶液が、ポリマーをさらに含む請求項8に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  16. 前記ポリマーが、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメチルメタクリレートおよびその混合物を含む群から選ばれた1つである請求項15に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  17. 前記エレクトロクロミック溶液の酸化還元電圧が、3V未満である請求項1から16の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  18. 前記透明非導電基板が、ガラス、プラスチックまたは可撓性基板を含む請求項1から17の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  19. 前記半透明の薄膜太陽電池基板の前記透明基板が、ガラス、プラスチックまたは可撓性基板を含む請求項1から18の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  20. 前記半透明の薄膜太陽電池基板が、表板1枚(superstrate)構造または基板(substrate)構造を有する薄膜太陽電池基板を含む請求項1から19の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  21. 前記薄膜太陽電池が、シリコン薄膜太陽電池、CIGS薄膜太陽電池またはCdTe薄膜太陽電池を含む請求項1から20の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  22. 前記複数の薄膜太陽電池の各々が、前記陽極と前記陰極との間に半導体積層を含み、前記半導体積層の複数の側壁に形成された複数の不活性化層をさらに含む請求項1から21の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  23. 前記透明非導電基板に配置され、鏡面を形成する反射層をさらに含む請求項1から22の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  24. 前記反射層の材料が、銀およびアルミニウムの薄膜コーティングの1つを含む請求項23に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
  25. 前記薄膜太陽電池を能動的に制御する複数の薄膜トランジスタをさらに含む請求項1から24の何れか1項に記載の光電変換エレクトロクロミック装置。
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