JP5202431B2

JP5202431B2 - 低反射型透明導電基板およびこれを使用した色素増感型太陽電池

Info

Publication number: JP5202431B2
Application number: JP2009116187A
Authority: JP
Inventors: 信也竹内
Original assignee: Nissha Printing Co Ltd
Current assignee: Nissha Printing Co Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: JP2010267426A

Description

本発明は、太陽電池などに使用される透明導電基板に関し、その光線透過率を向上させたものである。

従来の透明導電基板１３１として、ガラスなどの透明基板１０１上にインジウム・スズ・オキサイドといった透明電極材料をスプレー熱分解法等により噴霧することによって、透明基板１０１の表面に透明導電膜１０２を形成したものがある（図５参照）。

特開２００３−３２３８１８号公報

しかし、従来の透明導電基板１３１は透明導電膜１０２の表面で入射光の反射が生じるため、従来の透明導電基板１３１を使用した太陽電池は発電効率がよくなかった。

本発明は太陽電池の発電効率の向上に使用できる、入射光の反射を抑えて光線透過率を向上させた透明導電基板を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するため、以下のような特徴を備える。

本発明の透明導電基板は、透明基板上に透明導電膜が形成され、透明導電膜表面がナノ構造をとることを特徴とする。

また、上記の発明において、透明導電膜が2層以上の異なる層で形成されてもよい。

本発明の色素増感型太陽電池は、上記の発明の透明導電基板を用い、透明導電基板の透明導電膜上に光電変換膜、電荷輸送材、対向電極膜、対向板が順次形成されたことを特徴とする。

また、上記の発明において、光電変換膜の電荷輸送材側の表面がナノ構造をとってもよい。

本発明の透明導電基板は、透明基板上に透明導電膜が形成され、透明導電膜表面がナノ構造をとる。したがって、本発明の透明導電基板を使用して太陽電池を形成すると、透明導電膜表面での入射光の反射率が低減して透過率が向上するため、発電効率のよい太陽電池を得ることができる。

本発明の色素増感型太陽電池は、光電変換膜の電荷輸送材側の表面がナノ構造をとる。したがって、光電変換膜と電荷輸送材との接触面積が増大するため、発電効率がよい。

本発明の透明導電基板を示す断面図である。本発明の透明導電基板の製造方法を示す断面図である。本発明の透明導電基板上に光電変換膜が形成された様子を示す断面図である。本発明の色素増感型太陽電池の製造方法を示す断面図である。従来の透明導電基板を示す断面図である。

図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳しく説明する。

まず、本発明の透明導電基板３１について説明する。

透明導電基板３１は、透明基板１上に透明導電膜２が形成されたものであり、透明導電膜表面がナノ構造５をとるものである（図１参照）。

透明基材１は、例えば、ソーダガラス、耐熱ガラス、石英ガラスなどのガラスからなる厚さが０．３〜５ｍｍ程度のガラス板を使用できる。

透明基材１の一方の表面には、スプレー熱分解堆積法（ＳＰＤ法）、スパッタ法、ＣＶＤ法などを用い、インジウム・スズ・オキサイド（以下、ＩＴＯと言う）などを薄膜形成することにより、薄膜透明電極として機能する透明導電膜２を形成する。ＳＰＤ法とは、原料化合物溶液を加熱された基材上に噴霧し、基材上で熱分解反応を生起せしめて酸化物微粒子を生成し、この酸化物微粒子を基材表面に堆積してゆく薄膜形成手段の１種である。透明導電膜２は、導電性、光透過性が良好であり、膜厚が厚くなれば透明導電膜としての導電性が高くなり好ましいが、光透過性が低下してくるので、その膜厚は１００〜１０００ｎｍとする。そして、この透明導電膜２の表面にはナノ構造５を形成する（図１（ａ）参照）。透明導電膜２の表面にナノ構造５を形成した透明導電基板３１を使用して太陽電池を形成すると、透明導電膜２の表面での入射光の反射率が低減して透過率が向上するため、発電効率のよい太陽電池を得ることができる。

透明導電膜２の表面にナノ構造５を形成するには、ナノ構造５３が形成されたナノ構造付与金型５１を使用してこのナノ構造５３を透明導電膜２の表面に転写する方法を用いることができる（図２参照）。ナノ構造付与金型５１を使用して透明導電膜２の表面にナノ構造５を形成するには、まず、透明基板１上の透明導電膜２に対向する位置にナノ構造５３が配置されるように、透明基板１の端部に設置したスペーサー５２を介してナノ構造付与金型５１を透明基板１上に設置する（図２（ａ）参照）。ここでスペーサー５２としては透明導電膜２の焼成工程で溶解するような低温溶解材料（例えば鉛）を使用する。焼成工程でスペーサー５２が溶解し、ナノ構造付与金型５１のナノ構造５３が透明導電膜２の表面に転写されることにより（図２（ｂ）参照）、透明導電膜２の表面がナノ構造５をとる透明導電基板３１が形成される（図２（ｃ）参照）。

ナノ構造付与金型５１のナノ構造５３としては、直径１０〜２００ｎｍ、アスペクト比０．１〜１．０の円錐形状を保有する金型を使用するとよい。アスペクト比が１．０を超える場合、構造物の耐久性が低下する。

透明導電膜２として、例えば第１の透明導電膜３としてＩＴＯ膜を形成した上にナノ構造５を形成し、その上に、第２の透明導電膜４であるフッ素ドープ酸化スズ膜（以下、ＦＴＯ膜と言う）を形成するなど複数の層で形成することにより、透明導電膜２が2層以上の異なる層で形成された透明導電基板３１としてもよい（図１（ｂ）参照）。ＦＴＯ膜は、フッ素を数ｐｐｍ程度ドープした酸化スズからなり、耐熱性、耐薬品性の優れた薄膜である。ＦＴＯ膜は、ＳＰＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの薄膜形成手段により形成されたものであるが、なかでもＳＰＤ法を用いて形成することが好ましい。ＳＰＤ法によって、ＦＴＯ膜を形成するには、塩化第２スズなどの塩化スズとフッ化アンモニウムなどのフッ素化合物との溶液を原料化合物溶液として用いることができる。第２の透明導電膜４として、ＦＴＯ膜以外にこれと同様の特性を有するアンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、酸化スズ（ＴＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛（ＦＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、ホウ素ドープ酸化亜鉛（ＢＺＯ）、酸化亜鉛（ＺＯ）などからなる厚さ５０〜５００ｎｍの透明導電膜を用いることができる。これらの透明導電膜もＦＴＯ膜と同様に耐熱性の高い膜である。

また、透明基材１の形状は、板状に限られるものではない。さらに、本発明の透明導電基板３１は、その用途として色素増感型太陽電池の透明電極板以外に、製造段階あるいは使用時に、３００℃以上の高温に曝されるような光電変換素子などのデバイスにも使用できることは言うまでもない。

上記の透明導電基板３１を使用して、色素増感型太陽電池３２を形成する方法について説明する。

まず、透明導電基板３１の透明導電膜２上に光電変換膜６を形成する（図３（ａ）参照）。光電変換膜６は、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオジムなどの半導性を示す金属酸化物微粒子が結合されて構成され、内部に無数の微細な空孔を有し、表面に微細な凹凸を有する多孔質膜であり、その内部の微細な空孔に光増感色素が担持された厚さが１〜５０μｍのものである。光電変換膜６の形成は、上記金属酸化物の平均粒径５〜５００ｎｍの微粒子を分散したコロイド液、ペースト、分散液などを透明導電基板３１の透明導電膜２上に、スクリーンプリント、インクジェットプリント、ロールコート、ドクターコート、スピンコート、スプレーコート、バーコートなどの塗布手段により塗布し、温度４００〜６００℃で焼成するとよい。光増感色素としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造などの配位子を含むルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニンなどの金属錯体、エオシン、ローダミン、メラシアニンなどの有機色素などが用いられ、これら色素の水溶液、アルコール溶液などの溶液を金属酸化物微粒子の微細孔に含浸し、乾燥することにより担持される。

ここで光電変換膜６の表面にさらにナノ構造７を形成すると（図３（ｂ）参照）、この透明導電基板３１を使用する色素増感型太陽電池３２は光電変換膜６と後述の電荷輸送材２２との接触面積が増大して発電効率が向上するので、好適である。ここでナノ構造７は、先述のナノ構造６の形成と同様の方法により形成できる。

透明導電基板３１の透明導電膜２上に光電変換膜６を形成するのとは別に、透明プラスチックや透明ガラス等の対向板１１上に、白金、金、炭素などの蒸着やスパッタリング、あるいは、塩化白金酸液を塗布、加熱するなどにより、導電膜である対向電極膜１２を形成する（図４（ａ）参照）。

光電変換膜６が形成された透明導電基板３１と、対向電極膜１２が形成された対向板１１とを、光電変換膜６と対向電極膜１２が一定の間隔を保ちながら対向するように配置する。両者の間を一定の間隔を保つため封止材２１を周囲に形成するとよい（図４（ｂ）参照）。

最後に、光電変換膜６と対向電極膜１２と封止材２１との間に形成された空間に、ヨウ素／ヨウ素イオンなどのレドックス対を含む非水溶液からなる電解液である電荷輸送材２２を注入すると、色素増感型太陽電池３２が形成される（図４（ｃ）参照）。このように透明導電基板３１の透明導電膜２上に光電変換膜６、電荷輸送材２２、対向電極膜１２、対向板１１が順次形成された色素増感型太陽電池では、太陽光などの光が透明導電膜２側から入射されると、透明導電膜２と対向電極膜１２との間に起電力が生じ、透明導電膜２から対向電極膜１２に電子が流れ、発電が行われる。ここで封止材２１は電荷輸送材２２の漏洩を防止するシール材の役目も成している。

１透明基板
２透明導電膜
３第１の透明導電膜
４第２の透明導電膜
５ナノ構造
６光電変換膜
７ナノ構造
１１対向板
１２対向電極膜
２１封止材
２２電荷輸送材
３１透明導電基板
３２色素増感型太陽電池
５１ナノ構造付与金型
５２スペーサー
５３ナノ構造
１０１透明基板
１０２透明導電膜
１３１透明導電基板

Claims

透明導電膜と光電変換膜とが順次形成された透明基板と、
対向電極膜が形成され、その対向電極膜と前記光電変換膜とが一定の間隔を保ちながら対向するように配置された対向板と、
前記光電変換膜と前記対向電極膜との間の空間に形成された電荷輸送材とを備え、
前記透明導電膜表面が、直径１０〜２００ｎｍかつアスペクト比０．１〜１．０の円錐形状の凹部で構成されるナノ構造を有する、色素増感太陽電池。
前記光電変換膜の前記電荷輸送材側の表面が、直径１０〜２００ｎｍかつアスペクト比０．１〜１．０の円錐形状の凹部で構成されるナノ構造を有する、請求項１に記載の色素増感太陽電池。
前記透明導電膜が２層以上の異なる層で形成され、それぞれの層の表面が直径１０〜２００ｎｍかつアスペクト比０．１〜１．０の円錐形状の凹部で構成されるナノ構造を有する、請求項１または２に記載の色素増感太陽電池。