JP5208974B2 - 色素増感太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、多孔質酸化物半導体層に隣接して配線部を有する色素増感太陽電池に関する。
色素増感太陽電池は、金属を腐食する電解液を使用する。このため、セルの集電抵抗を下げるための集電配線を設ける場合には、電解液から集電配線を保護する配線保護層が必要になる。しかし、配線保護層を集電配線の両側部に施すと、配線幅に配線保護層の厚みが加わって配線全体の幅が増大する傾向にある。
従来のシリコン系太陽電池であれば電解液を使用しないため配線保護層は不要である。このため、集電配線の表面は露出された金属面による金属光沢がある。このため、入射光が配線部分に入射しても配線表面で反射し、パネル内で光が散乱するため、入射光のエネルギーを有効に利用することができる。しかしながら、色素増感太陽電池においては、下記の（１）および（２）に挙げる理由から、配線部分に入射した光はセル内で吸収され、熱に変わってしまうため、エネルギーのロスによる光利用効率の低下が大きい欠点がある。
（１）色素増感太陽電池の配線は、低融点ガラスを結着剤に用いた銀ペーストで形成することが多く、低融点ガラスは濃い色のものが多い。このため、配線形成後の表面の色合いが暗くなり、配線部分に入射した光が吸収される。
（２）配線保護層に用いる材料も透明や暗い色のものが多く、暗い色の配線保護層か透明な配線保護層の裏にある濃い色の電解液によって光が吸収される。
このような配線による不発電部分のロスを無くすためには、レンズ等を用いて入射光を発電部分に導く方法が考えられる。例えば非特許文献１では、プリズマチックカバーとして紹介されている。また、特許文献１，２には集光レンズアレイを用いる方法が記載されている。
特許文献３には、太陽電池モジュールにおいて太陽電池素子間に入射した光を太陽電池モジュールの裏面に通過させて採光に利用する場合に、透過光の照度を一様にするために太陽電池素子間の透明部分にレンズを形成したものが記載されている。
特許文献４には、色素増感太陽電池の透明基板に蛍光体を配し、入射光の一部を光電変換量子効率の高い波長の光に変換し、発電効率を高めた色素増感太陽電池が記載されている。
浜川圭弘、桑野幸徳共編、アドバンストエレクトロニクスシリーズＩ−３、「太陽エネルギー工学―太陽電池」、培風館、平成６年、４−１−５高効率単結晶シリコン太陽電池、ｐ．９３−９４ 国際公開第９８／３１０５４号 特開平１０−５１０２０号公報 特開平１１−１３５８１３号公報 特開２００４−１７１８１５号公報
しかしながら、非特許文献１および特許文献１，２の方法は、レンズアレイやカバーのコストが大きく、また、専用の設計をしないとならない。このため、様々なセル形状に合わせて簡単に適用することができなかった。このような設計自由度の低下は、色や形状などを様々なデザインに変更し、少量多種製造が可能な色素増感太陽電池のメリットを損なう。
特許文献３の太陽電池モジュールは、レンズを透過した光をモジュールの裏側の採光に利用するものであって、太陽電池素子で発電に利用するものではない。
特許文献４の色素増感太陽電池は、高濃度ヨウ素電解液による光の吸収に対して発電効率を改善するものであるが、金属配線層について特別な対処を開示したものではない。
そこで、本発明は、配線部による光の吸収を抑制して発電効率の改善を図れる色素増感太陽電池を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は、色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、前記第１の電極基板が透明電極基板であり、前記配線部が、集電配線と、前記集電配線を覆うように設けられる配線保護層とを有しており、前記配線保護層が前記入射光方向変更部を有する構成を有している。
さらに本発明は、色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、前記第１の電極基板が透明電極基板であり、前記配線部が、集電配線と、前記集電配線を覆うように設けられる配線保護層とを有しており、前記入射光方向変更部が、前記集電配線と前記第１の電極基板との間に設けられた構成を有していてもよい。
さらにまた本発明は、色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、前記第２の電極基板が透明電極基板であり、前記入射光方向変更部が、前記第２の電極基板に対し、前記第１の電極基板と反対側に設けられた構成を有していてもよい。
さらに本発明は、色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、前記第２の電極基板が透明電極基板であり、前記配線部が、集電配線と、前記集電配線を覆うように設けられる配線保護層とを有しており、前記配線保護層が前記入射光方向変更部を有する構成を有していてもよい。
また本発明は、色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、上記入射光方向変更部は膜体であり、前記膜体は、隣接する多孔質酸化物半導体層に重ならない範囲に配されていることが好ましい。
前記膜体は、前記配線部の幅よりも大きいことが好ましい。
前記膜体は、拡散膜、回折格子膜、蛍光塗料膜、または反射膜のいずれかであればよい。
前記入射光方向変更部は、前記第１の電極基板、前記配線部および前記第２の電極基板を結ぶ線上であって前記第１の電極基板又は前記第２の電極基板の厚さ方向に沿った線上に設けられていることが好ましい。
膜体を有する上記色素増感太陽電池は、例えば前記第１の電極基板が透明電極基板であり、前記入射光方向変更部が前記第１の電極基板に対し前記配線部と反対側に設けられた構成を有する。
本発明によれば、非発電部分である配線部に向かって入射する光の方向が、入射光方向変更部によって、発電部分である色素が担持された多孔質酸化物半導体層に向かうように変更することができるので、発電効率の改善を図ることができる。
本発明の色素増感太陽電池の第１の例を示す断面図である。 本発明の色素増感太陽電池の第２の例を示す断面図である。 本発明の色素増感太陽電池の第３の例を示す断面図である。 本発明の色素増感太陽電池の第４の例を示す断面図である。 本発明の色素増感太陽電池の第５の例を示す断面図である。 複数のセル間における集電配線の配置を説明する平面図である。
符号の説明
Ｌ…入射光、Ｓ…膜体によって向きを変えた光、Ｒ…基板表面での再反射光、１０，２０，３０，４０…色素増感太陽電池、１１，２１，３１，４１…透明電極基板、１２，２２，３２，４２…透明導電膜、１３，２３，３３，４３…集電配線、１４，３４…配線保護層、１５，２５，３５，４５…色素が担持された多孔質酸化物半導体層、１６，２６，３６，４６…電極基板、１７，２７，３７，４７…電解質層、１８，２８，３８…入射光の方向を変える膜体（入射光方向変更部）、２４，４４…入射光の方向を変える膜体を兼ねる配線保護層。
以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の色素増感太陽電池の第１の例を示す断面図である。図２は、本発明の色素増感太陽電池の第２の例を示す断面図である。図３は、本発明の色素増感太陽電池の第３の例を示す断面図である。図４は、本発明の色素増感太陽電池の第４の例を示す断面図である。図５は、本発明の色素増感太陽電池の第５の例を示す断面図である。図６は、複数のセル間における集電配線の配置を説明する平面図である。
図１に示す色素増感太陽電池１０は、第１の電極基板１１と、第１の電極基板１１上に形成された透明導電膜１２と、透明導電膜１２上に形成された配線部１９と、透明導電膜１２上において配線部１９に隣接して設けられた多孔質酸化物半導体層１５と、第１の電極基板１１の多孔質酸化物半導体層１５と対向するように配された第２の電極基板１６と、両電極基板１１，１６間に配された電解質層１７とを少なくとも備えている。配線部１９は、透明導電膜１２上に形成された集電配線１３と、集電配線１３を覆うように形成された配線保護層１４とで構成されている。そして、透明電極基板である第１の電極基板１１は、配線部１９と対応する位置に、入射光の方向を変える膜体１８を備える。
図２に示す色素増感太陽電池２０は、第１の電極基板２１と、第１の電極基板２１上に形成された透明導電膜２２と、透明導電膜２２上に形成された配線部２９と、透明導電膜２２上において配線部２９に隣接して設けられた多孔質酸化物半導体層２５と、第１の電極基板２１の多孔質酸化物半導体層２５と対向するように配された第２の電極基板２６と、両電極基板２１，２６間に配された電解質層２７とを少なくとも備えている。配線部２９は、透明導電膜２２上に形成された集電配線２３と、集電配線２３を覆うように形成された配線保護層２４とで構成されている。そして、配線保護層２４は、配線部２９と対応する位置に配され、入射光の方向を変える機能を有する。即ち、色素増感太陽電池２０においては、配線保護層２４が、配線部２９と対応する位置に配された、入射光の方向を変える膜体を兼ねている。言い換えると、膜体２４は配線部２９に設けられている。
図３に示す色素増感太陽電池３０は、第１の電極基板３６と、第１の電極基板３６上に形成された配線部３９と、第１の電極基板３６上において配線部３９に隣接して設けられた多孔質酸化物半導体層３５と、第１の電極基板３６の多孔質酸化物半導体層３５と対向するように配された第２の電極基板３１と、第２の電極基板３１上に形成された透明導電膜３２と、両電極基板３１，３６間に配された電解質層３７とを少なくとも備えている。配線部３９は、第１の電極基板３６上に形成された集電配線３３と、集電配線３３を覆うように形成された配線保護層３４とで構成されている。そして、透明電極基板である第２の電極基板３１は、配線部３３と対応する位置に、入射光の方向を変える膜体３８を備える。
本発明において、入射光の方向を変える膜体１８，２４，３８，４４は、配線部１９，２９，３９，４９と対応する位置に設けられている。すなわち、膜体１８，２４，３８，４４が存在しなければ集電配線１３，２３，３３，４３または配線保護層１４，２４，３４，４４に入射して吸収される入射光が、膜体１８，２４，３８，４４に入射することになる。膜体１８，２４，３８，４４に入射した光は、膜体１８，２４，３８，４４によって入射光の方向を変えられ、少なくとも一部は、発電部分である多孔質酸化物半導体層１５，２５，３５，４５に入射する。これにより、入射光のエネルギーロスを抑制して、発電効率の改善を図ることができる。
図１に示す第１形態例の色素増感太陽電池１０では、多孔質酸化物半導体層１５が設けられた第１の電極基板１１が透明電極基板であり、入射光Ｌが第１の電極基板１１を通して入射される。色素増感太陽電池１０において、第１の電極基板１１の表面１１ａ上の集電配線１３と対向する位置に、即ち第１の電極基板１１に対し集電配線１３と反対側の表面１１ａに、入射光Ｌの方向を変える膜体１８が設けられている。この膜体１８としては、拡散膜、回折格子膜、または蛍光塗料膜を用いることができる。この場合、膜体１８によって入射光Ｌの方向を変えた光Ｓを、多孔質酸化物半導体層１５に入射させることができる。
図２に示す第２形態例の色素増感太陽電池２０では、多孔質酸化物半導体層２５が設けられた第１の電極基板２１が透明電極基板であり、入射光Ｌが第１の電極基板２１を通して入射される。色素増感太陽電池２０において、集電配線２３の表面に設けられた配線保護層２４が、入射光Ｌの方向を変える膜体２４を兼ねるものである。この膜体２４としては、配線表面の反射率を高める反射膜を用いることができる。この場合、反射膜を含む配線保護層２４によって反射した光Ｓは、第１の電極基板２１の表面２１ａで再び反射し、その反射光Ｒを多孔質酸化物半導体層２５に入射させることができる。また膜体２４に入射した光は、電解質層２７を経て多孔質酸化物半導体層２５にも入射しうる。なお、従来、導電ペーストによる集電配線２３は表面反射率が低いものであったため、集電配線２３から第１の電極基板２１への入射光の反射は起こりにくいものであった。従って、集電配線２３は表面反射率が低い場合、色素増感太陽電池２０において、図５に示すように、第１の電極基板２１と透明導電膜２２との間の部分に反射率を向上する膜体２８を設けることが好ましい。ここで、この膜体２８としては、拡散膜、回折格子膜、または蛍光塗料膜を用いることができる。この場合、膜体２８によって集電配線２３に向かって入射した光Ｌが反射され、その反射した光Ｓが第１の電極基板２１の表面２１ａで再反射され、再反射された光Ｒが多孔質酸化物半導体層２５に入射されうる。このため、集電配線２３に向けて入射した光の利用効率をより高めることができる。
図３に示す第３形態例の色素増感太陽電池３０では、第１の電極基板３６の多孔質酸化物半導体層３５と対向するように配された第２の電極基板３１が透明電極基板であり、入射光Ｌが第２の電極基板３１を通して入射される。色素増感太陽電池３０において、第２の電極基板３１の表面３１ａ上の集電配線３３と重なる位置に、入射光Ｌの方向を変える膜体３８が設けられている。即ち膜体３８は、第２の電極基板３１に対し集電配線３３と反対側の表面３１ａ上であって、第１の電極基板３６、第２の電極基板３１及び配線部３９とを結ぶ線上に設けられている。この膜体３８としては、拡散膜、回折格子膜、または蛍光塗料膜を用いることができる。この場合、膜体３８によって入射光Ｌの方向を変えた光Ｓを、多孔質酸化物半導体層３５に入射させることができる。
なお、第４形態例として、第１の電極基板４６の多孔質酸化物半導体層４５と対向するように配された第２の電極基板４１が透明電極基板であり、入射光Ｌが第２の電極基板４１を通して入射される色素増感太陽電池４０のように（図４参照）、集電配線４３の表面に設けられた配線保護層４４が、入射光Ｌの方向を変える膜体を兼ねるものとすることもできる。この膜体としては、配線表面の反射率を高める反射膜を用いることができる。この場合、反射膜を含む配線保護層４４によって反射した光Ｓは、第２の電極基板４１の表面で再び反射し、その再反射光Ｒを多孔質酸化物半導体層４５に入射させることができる。
また、第１および第２の電極基板が両方とも透明電極基板からなる場合は、上述の第１〜第４形態例をいずれも適用することが可能である。
また、図１から図４に示す例は、色素増感太陽電池のセル１の部分に設けられた集電配線２を含む配線部（図６参照）の位置に対応して入射光の方向を変える膜体を配した場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。入射光の方向を変える膜体は、色素が担持された多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた集電配線の位置に対応して配されるのであればよく、複数のセル１，１の間の部分に配された集電配線３の位置に対応して配されても良く、また、セル１の周囲外側の部分に配された集電配線４の位置に対応して、配されても良い。膜体の位置は、発電部分となる色素が担持された多孔質酸化物半導体層からおよそ２ｍｍ程度またはそれ以内の距離で隣接した位置であれば、膜体で方向を変えた入射光を発電部分に入射されるのに好適である。
拡散膜としては、特に限定されるものではないが、例えば、透明樹脂中に、該透明樹脂と屈折率の異なる透明ビーズや、該透明樹脂より高屈折率の散乱粒子等を添加し、入射光を散乱させるようにしたものなどが挙げられる。拡散膜は等方性のものでも、異方性のものでも良く、配線と垂直に（すなわち図１および図３の左右方向に）散乱させるものが望ましい。拡散膜は、例えばあらかじめ成形したフィルムを基板表面に貼付することによって形成される。あるいは拡散膜は、インクやペースト状のものを基板表面に塗布し、乾燥もしくは硬化によって形成することもできる。拡散膜は、光の透過率が高く、かつ散乱角度の大きいものが望ましい。
回折格子膜としては、特に限定されるものではないが、入射光のうち光電変換量子効率が高い波長５００〜６００ｎｍ（例えば波長５５０ｎｍ）の光の向きを変えて多孔質酸化物半導体層に入射するように、格子本数と回折方向を設定されたものが望ましい。回折格子膜は、あらかじめ回折格子が設けられた膜体を基板表面に貼付することによって形成される。あるいは回折格子膜は、基板表面にフィルム貼付や塗膜形成などによって膜体を設けた後で、該膜体に回折格子を設けることによって形成することもできる。
蛍光塗料膜としては、特に限定されるものではないが、光電変換量子効率が高い波長５００〜６００ｎｍ（例えば波長５５０ｎｍ）の光の効率よく発する物質を蛍光体として用いる蛍光塗料膜が好ましい。蛍光塗料膜の構成例としては、第１に、蛍光体を溶解した溶液または分散した分散液を透明基板に塗布し、乾燥してなる膜体が挙げられる。第２に、蛍光体をアクリル樹脂、ウレタン樹脂、セルロース系樹脂などの透明樹脂に添加してフィルム状に成形した蛍光体混入プラスチックフィルムを透明基板の表面に貼り合わせたものが挙げられる。第３に、ポリエチレンテレフタレートフィルム、セルロース系樹脂フィルムなどの透明プラスチックフィルムに蛍光体を溶解した蛍光塗料などの溶液を塗布、乾燥した蛍光体塗布プラスチックフィルムを透明基板の表面に貼り合わせたものが挙げられる。
蛍光塗料膜に使用される蛍光体としては、少なくとも波長５００ｎｍ以下の光を波長５００〜６００ｎｍの光に変換する機能を有するものが用いられ、具体的にはフルオレセイン（４９０ｎｍ→５２０ｎｍ）、エオシン、ローダミンＢなどの有機蛍光体、ハロリン酸カルシウム、カドミウムテルライドなどの無機蛍光体などが挙げられる。また、耐熱性の高い無機蛍光体は、透明基板をなすガラスに溶融して含有させてもよく、透明基板がプラスチックフィルムからなる場合、透明基板中に練り込んでおくこともできる。このような蛍光塗料膜中の蛍光体の濃度は、０．１〜１ｗｔ％程度で十分であり、蛍光体自体に起因する光吸収が過大にならないように、その添加量を調整することが望ましい。また、蛍光塗料膜の厚さは、特に限定されないが、厚さが薄いものが好ましい。
反射膜としては、特に限定されるものではないが、配線保護膜を形成するインクにあらかじめ酸化チタンなどの高屈折率粒子を混ぜ込んで白色化させた塗膜などが挙げられる。高屈折率粒子は、平均粒子径が２００〜６００ｎｍのものが好ましく、また、塗膜としては、粒径１μｍ以上の凝集２次粒子ができないように、インクをよく分散したものが望ましい。
上述のいずれの場合においても、入射光の方向を変える膜体１８，２４，３８，４４の幅は、配線部１９，２９，３９，４９の幅よりも大きく、かつ、隣接する多孔質酸化物半導体層１５，２５，３５，４５に重ならない範囲に配されていることが好ましい。これにより、膜体がなくても発電部分である多孔質酸化物半導体層１５，２５，３５に到達する入射光が発電部分に到達することを妨げることなく、膜体がなければ非発電部分に到達する入射光を効率良く発電部分に到達させることができる。また、基板表面に膜体を設けることは、セルの間やコネクタ部分などの非発電部分にも適用できる。
また、図１および図３に示すように、膜体１８，３８を、窓極となる透明電極基板１１，３１の表面１１ａ，３１ａに設ける場合は、膜体１８，３８と集電配線１３，３３の位置関係を光の入射方向に対応させて設定することが望ましい。通常は、透明電極基板１１，３１に対して入射光Ｌが垂直に入射する場合を想定して、膜体１８，３８と集電配線１３，３３とが基板面に対して略垂直の位置（図１および図３の上下方向）に配置すれば良い。言い換えると、膜体１８，３８は、透明電極基板１１，３１及び配線部１９，３９を結ぶ線上であって透明電極基板１１，３１の厚さ方向に沿った線上に配置されればよい。膜体１８，３８をこのような位置に配置するのは以下の理由によるものである。即ち、透明電極基板１１，３１の表面１１ａ，３１ａは通常、太陽光が最も高くなる位置に向けられる。ここで、太陽光の日射量は、太陽光の高度が最大となるときに最大となる。従って、膜体１８，３８が設けられていない場合、配線部１９，３９に入射される光の強度は、太陽光の高度が最大となるときに最大となり、発電ロスも最大となる。よって、上記位置に膜体１８，３８が配置されると、１日を通した発電ロスが最も低く抑えられることになる。このことは、天気が快晴である場合に特に顕著となる。
なお、膜体１８，３８が上記のように配置されていても、入射光Ｌが特定の方向から斜めに入射する場合に対応することも可能である。
透明電極基板１１，２１，３１，４１の基材材料としては、ガラス、樹脂、セラミクスなど、実質的に透明な基板であれば制限なく使用できる。多孔質酸化物半導体層の焼成を行う際に基板の変形や変質等が起こらないよう、耐熱性に優れる点で高歪点ガラスが特に好ましいが、ソーダライムガラス、白板ガラス、硼珪酸ガラス等も好適に使用することができる。
透明導電膜１２，２２，３２，４２の材料としては特に限定されるものではないが、例えば、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）等の導電性金属酸化物が挙げられる。透明導電膜を形成する方法としては、その材料に応じた公知の適切な方法を用いればよいが、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＳＰＤ法、ＣＶＤ法などが挙げられる。そして、透明導電膜は、光透過性と導電性を考慮して、通常０．００１μｍ〜１０μｍ程度の膜厚に形成される。
集電配線１３，２３，３３は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ニッケル、チタンなどの金属を、例えば格子状、縞状、櫛型などのパターンにより、配線として形成したものである。電極基板の光透過性を著しく損ねないためには、各配線の幅を１０００μｍ以下と細くすることが好ましい。各配線の厚さ（高さ）は、特に制限されないが、０．１〜２０μｍとすることが好ましい。
集電配線を形成する方法としては、例えば、導電粒子となる金属粉とガラス微粒子などの結合剤を配合してペースト状にし、これをスクリーン印刷法、ディスペンス、メタルマスク法、インクジェット法などの印刷法を用いて所定のパターンを形成するように塗膜し、焼成によって導電粒子を融着させる方法が挙げられる。焼成温度は、例えば、基板がガラス基板である場合には６００℃以下、より好ましくは５５０℃以下とすることが好ましい。この他の集電配線を形成する方法としては、スパッタ法、蒸着法、メッキ法などの形成方法を用いることもできる。導電性の観点から、集電配線の体積抵抗率は、１０−５Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
配線保護層１４，３４は、低融点ガラスから構成されるガラス層を１層または２層以上有するものでもよく、耐熱性樹脂から構成される絶縁樹脂層を１層または２層以上有するものでもよい。また、これらのガラス層および絶縁樹脂層の２層を少なくとも備えるものでもよい。
配線保護層として使用可能なガラス層は、低融点ガラスから構成される。硼酸鉛系などの含鉛のものが一般的であるが、環境負荷を考慮した場合、鉛を含まないものがより好ましい。例えば、硼珪酸ビスマス塩系／硼酸ビスマス亜鉛塩系、アルミノリン酸塩系／リン酸亜鉛系、硼珪酸塩系などの低融点ガラス材料を用いることができる。前記ガラス層は、これらの低融点ガラス材料を単独または複数種含む低融点ガラスを主成分とし、熱膨張率や粘度の調整などにより必要に応じて可塑剤やその他の添加剤を加えてペースト化したものを、スクリーン印刷やディスペンス等の手法により、塗布し焼成して形成することができる。ガラス層は、同一のペーストまたは異なるペーストを用いて多層としても構わない。
配線保護層として使用可能な絶縁樹脂層は、耐熱性樹脂から構成される。耐熱性樹脂は、少なくとも多孔質酸化物半導体層の焼成に耐え得る耐熱性を有するものが選ばれる。このような耐熱性樹脂としては、ポリイミド誘導体、シリコーン化合物、フッ素エラストマー、フッ素樹脂などから選択される１種を単独で、または複数種を配合・積層等により併用して、用いることができる。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のテフロン（登録商標）系化合物から選択される１種または複数種を用いることができる。また、絶縁樹脂層に柔軟性に富む樹脂材料を適用することで、配線保護層の衝撃破壊、割れなどの懸念が減少する。前記絶縁樹脂層を形成する方法としては、絶縁性樹脂を含有するワニスやペーストを塗膜する方法が挙げられる。絶縁樹脂層の緻密性を向上させる点では、複数回塗膜を繰り返して配線保護層を複層化することが望ましい。
配線保護層が、ガラス成分から構成されるガラス層を有することにより、電解液の漏洩（減量）や劣化を抑制することができる。また、ガラス層の上に耐熱性樹脂から構成される絶縁樹脂層をオーバーコートとして設けることにより、ガラス層中のガラス成分が電解液に接することがなく、ガラス中の成分と電解液中の成分とが反応することを防止することができる。
また、ガラス層がガス透過を遮断するので、この効果だけを得る目的であれば、絶縁樹脂層として、高温で焼成可能な耐熱樹脂や耐熱接着剤を用いる必要はない。この場合、耐熱性の低い接着剤の塗布や、ホットメルト接着剤のラミネートによりオーバーコートとなる絶縁樹脂層を形成しても良い。特に、ホットメルト接着剤のラミネートにより絶縁樹脂層を形成する場合は、作用極の被毒が小さいため、耐熱樹脂や耐熱接着剤に近い、良好な特性が得られる。
低融点ガラス層および耐熱樹脂層は、各々単一または複数種の材料を用いて複数回重ねて塗布しても構わない。印刷時に発生するピンホール等の欠陥を補い、保護層の緻密性を向上させる点では、複層化することがより望ましい。
ガラス層のオーバーコートとしての絶縁樹脂層の厚さは、１μｍ以上あることが望ましい。オーバーコートが薄すぎる場合には樹脂の柔軟性が活かされず、対向する対極表面を傷つける可能性があり、また、異物等の混入や素子作製時のハンドリングによって、樹脂層自身が傷つく可能性もある。
配線保護層は、過剰に厚くする必要もなく、総厚で１００μｍを超えるべきではない。
配線保護層２４，４４は既に述べたように反射膜を含む。反射膜は、上述した配線保護層１４，３４を構成するガラス層又は絶縁樹脂層中に酸化チタンなどの高屈折粒子をさらに含むものである。
多孔質酸化物半導体層１５，２５，３５，４５は、酸化物半導体のナノ粒子（平均粒径１〜１０００ｎｍの微粒子）を焼成により多孔質膜とし、色素が増感されてなるものである。
酸化物半導体としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）などの１種または２種以上が挙げられる。多孔質酸化物半導体層の厚さは、例えば０．５〜５０μｍ程度とすることができる。
多孔質酸化物半導体層を形成する方法としては、例えば、市販の酸化物半導体微粒子を所望の分散媒に分散させた分散液、あるいは、ゾル−ゲル法により調整できるコロイド溶液を、必要に応じて所望の添加剤を添加した後、スクリーンプリント法、インクジェットプリント法、ロールコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、スプレー塗布法など公知の塗布法により塗布するほか、コロイド溶液中に浸漬して電気泳動により酸化物半導体微粒子を基板上に付着させる泳動電着法などを適用することができる。
多孔質酸化物半導体層に担持される増感色素は、特に制限されるものではなく、例えば、ビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体や鉄錯体、ポルフィリン系やフタロシアニン系の金属錯体をはじめ、エオシン、ローダミン、クマリン、メロシアニンなどの誘導体である有機色素などから、用途や酸化物半導体多孔膜の材料に応じて適宜選択して用いることができる。
電極基板１６，２６，３６，４６としては、特に限定されるものではないが、具体的には金属板、金属箔、ガラス板などの基材１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａの表面に、白金、カーボン、導電性高分子等の触媒層１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂを形成したものが挙げられる。この電極基板の表面における導電性を向上するため、基材１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａと触媒層１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂとの間に別途導電層を設けても構わない。
電解質層１７，２７，３７を構成する電解質としては、酸化還元対を含む有機溶媒や室温溶融塩（イオン液体）などを用いることができる。また、電解液に適当なゲル化剤（例えば高分子ゲル化剤、低分子ゲル化剤、各種ナノ粒子、カーボンナノチューブなど）を導入することにより疑似固体化したもの、いわゆるゲル電解質を電解液の代わりに用いても構わない。
有機溶媒としては、特に限定されるものではないが、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの１種または複数種が例示される。また、室温溶融塩としては、イミダゾリウム系カチオン、ピロリジニウム系カチオン、ピリジニウム系カチオン等のカチオンと、ヨウ化物イオン、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドアニオン、ジシアノアミドアニオン、チオシアン酸アニオン等のアニオンとからなる室温溶融塩の１種または複数種が例示される。
電解質に含有される酸化還元対としては、特に限定されることないが、ヨウ素／ヨウ化物イオン、臭素／臭化物イオンなどのペアを１種または複数種添加して得ることができる。ヨウ化物イオンまたは臭化物イオンの供給源としては、これらのアニオンを含有するリチウム塩、四級化イミダゾリウム塩、テトラブチルアンモニウム塩などを単独または複合して用いることができる。電解液には、必要に応じて４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン、Ｎ−メチルベンズイミダゾール、グアニジニウム塩などの添加物を添加することができる。
本形態例の色素増感太陽電池は、例えば次の手順によって製造することができる。
図１および図２に示すように、透明電極基板１１，２１上に集電配線１３，２３および多孔質酸化物半導体層１５、２５が設けられる場合は、電極基板１１，２１上に透明導電膜１２，２２を形成した後、透明導電膜１２，２２の上に集電配線１３，２３および多孔質酸化物半導体層１５、２５を形成する。また、集電配線１３，２３の形成後に配線保護層１４，２４を形成する。なお、集電配線の上に透明導電膜を形成して、配線保護層の一部とするのでもよい。また、多孔質酸化物半導体層に色素を担持するには、多孔質酸化物半導体層を設けた基板を色素溶液に浸漬させる等の方法を用いることができる。そして、集電配線１３，２３や色素が担持された多孔質酸化物半導体層１５，２５に備える第１の電極基板１１，２１を作用極とし、対極となる第２の電極基板１６，２６との間に電解質層１７，２７を配することで、色素増感太陽電池１０，２０を得ることができる。
図３に示すように、対極となる第２の電極基板３１が透明電極基板からなる場合は、第１の電極基板３６の上に集電配線３３および多孔質酸化物半導体層３５を形成するとともに、配線保護層３４の形成と多孔質酸化物半導体層３５への色素担持を行うことで、作用極が得られる。そして、透明導電膜３２を備える第２の電極基板３１を対極とし、作用極と対極との間に電解質層３７を配することで、色素増感太陽電池３０を得ることができる。
電解質層を両電極基板間に配する方法としては、特に限定されるものではないが、電解液を用いる場合は、作用極と対極とを向かい合わせ、両極の周囲を樹脂や接着剤等により封止した後で、適宜設けた注入孔から電解液を注入する方法が用いられる。また、ゲル電解質を用いる場合は、作用極の上にゲル電解質を塗布し、その上に対極を貼り合わせる方法が用いられる。
第１および第３形態例に挙げるように、入射光の方向を変える膜体１８，３８を透明電極基板１１，３１の表面１１ａ，３１ａに設ける場合は、膜体は、作用極と対極を向かい合わせる前の基板表面に設けてもよく、作用極と対極を向かい合わせた後で設けても良い。
第２および第４形態例に挙げるように、入射光の方向を変える膜体が配線保護層を兼ねる場合は、配線保護層として入射光の方向を変える膜体を形成すれば良い。
いずれの場合においても、入射光の方向を変える膜体が、配線部と対応する位置に設けられることによって、入射光のエネルギーロスを抑制し、発電効率の改善を図ることができる。
さらに上記第１〜第４形態例では、入射光方向変更部が膜体であるが、入射光方向変更部は膜体に限定されるものではない。例えば第１の電極基板、配線部または第２の電極基板に形成される回折格子パターンなどであってもよい。
また上記第１〜第４形態例では、配線部が集電配線と配線保護層とで構成されているが、配線部は集電配線のみで構成されていてもよい。
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
（色素増感太陽電池の作製）
ガラス基板（１４０ｍｍ角で、表面に透明導電膜としてＦＴＯ膜を形成したもの）を用意し、ＦＴＯ膜の上にスクリーン印刷にて銀回路を格子状に形成した。回路形状の設計は、回路幅３００μｍ、膜厚１０μｍとした。印刷用銀ペーストとしては、焼結後の体積抵抗率が３×１０−６Ωｃｍのものを用い、印刷後１３０℃で乾燥し、さらに最高温度５１０℃で銀回路を焼結することにより回路形成した。
次に、銀回路が完全に覆われるように回路形成部分と重ねて、第１の配線保護材として低融点ガラスペーストを塗布し、ガラスの印刷塗膜を形成した。第１の配線保護層の設計幅は５００μｍとし、ＣＣＤカメラを用いて銀回路との位置合わせをしながら、スクリーン印刷により塗膜を形成した。印刷塗膜を１３０℃で乾燥後、電極基板のＦＴＯ膜上において、銀回路および配線保護層が設けられる部分とは異なる部分にＴｉＯ２ナノ粒子を含むペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥した。これらの乾燥後、第１の配線保護層（１回塗布した分のみ）および多孔質酸化物半導体層を最高温度５００℃で焼結した。さらに、第１の配線保護層の厚みを確保するため、１回塗布した分の上に、ガラスの印刷塗膜の形成と焼結を複数回繰り返して第１の配線保護層を形成した。
さらに、第１の配線保護層が完全に覆われるように、第２の配線保護材として耐熱樹脂の樹脂液（ポリイミドワニス）を塗布し、最高温度３５０℃で樹脂塗膜を処理し、これを複数回繰り返して、第２の配線保護層を形成した。第２の配線保護層の設計幅は８００μｍとし、ＣＣＤカメラを用いて銀回路との位置合わせをしながら、スクリーン印刷により塗膜形成した。
さらにルテニウムビピリジン錯体（Ｎ７１９色素）のアセトニトリル／ｔ−ブタノール溶液中に一昼夜以上浸漬して色素担持し、光電極とした。
対極としては、白金（Ｐｔ）層をスパッタ形成したチタン（Ｔｉ）箔を用いた。不活性ガスを充填した循環精製型グローブボックス内にて光電極上にヨウ素電解質を展開し、対極と向き合わせて積層した後、素子の周囲を紫外線硬化樹脂で封止した。
（比較例１）
比較例１は、上述の工程のみにより、入射光の向きを変える膜体を設けることなく作製した色素増感太陽電池である。この場合、光電変換効率は５．１８％であった。
（実施例１）
実施例１では、窓極側の基板表面の銀回路と対向する位置に、即ち窓極側の基板に対し銀回路とは反対側の表面に、等方的な拡散特性を有する拡散フィルム（透過率８５％、拡散角度６０°）を貼り合わせた。この場合、光電変換効率は５．３１％であった。比較例１に対する変換効率の向上率は、約２．５％であった。
（実施例２）
実施例２では、窓極側の基板表面の銀回路と対向する位置に、導光板用拡散インクを塗布し、拡散膜を形成した。この場合、光電変換効率は５．３０％であった。比較例１に対する変換効率の向上率は、約２．３％であった。
（実施例３）
実施例３では、窓極側の基板表面の銀回路と対向する位置に、分散角３６°、１０００本／ｍｍの回折格子を形成した。この場合、光電変換効率は５．２８％であった。比較例１に対する変換効率の向上率は、約１．９％であった。
（実施例４）
実施例４では、窓極側の基板表面の銀回路と対向する位置に、黄色蛍光塗料（ゼブラ社製、黄色蛍光ペン）で着色したメンディングテープ（住友スリーエム社製）を貼り合わせることにより、蛍光塗料膜を形成した。この場合、光電変換効率は５．２４％であった。比較例１に対する変換効率の向上率は、約１．２％であった。
（実施例５）
実施例５では、第１の配線保護材として用いる低融点ガラスペーストは比較例１と同じまま、第２の配線保護材として用いるポリイミドワニスに５ｗｔ％のチタニア粒子（平均粒子径４００ｎｍ）を加えたものを用いることで、配線保護層の表面に反射膜を形成した。この場合、光電変換効率は５．２５％であった。比較例１に対する変換効率の向上率は、約１．４％であった。
（光電変換効率の測定結果）
ここで、光電変換効率は、１Ｓｕｎ擬似太陽光（ＡＭ１．５）下での光電変換エネルギー効率の測定値である。この測定結果をまとめると、表１のとおりである。
Figure 0005208974
以上の結果のように、実施例１〜５においては、比較例１に対して、約１．２〜２．５％の変換効率向上が見られた。なお。本実施例では、開口率が９０％の太陽電池セルを用いたため、配線部分への入射光を完全に利用できたとしても変換効率向上は１１％が限界である。したがって、本実施例によれば、配線部分への入射光をおよそ１０〜２３％程度、発電に利用できたことになる。
本発明は、多孔質酸化物半導体層に隣接して配線部を有する色素増感太陽電池であれば、セル、アレイ、モジュールといった形態を限定することなく、変換効率向上のため利用することができる。

Claims (9)

  1. 色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、
    前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、
    前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、
    前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、
    前記第１の電極基板が透明電極基板であり、
    前記配線部が、集電配線と、前記集電配線を覆うように設けられる配線保護層とを有しており、
    前記配線保護層が前記入射光方向変更部を有する色素増感太陽電池。
  2. 色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、
    前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、
    前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、
    前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、
    前記第１の電極基板が透明電極基板であり、
    前記配線部が、集電配線と、前記集電配線を覆うように設けられる配線保護層とを有しており、
    前記入射光方向変更部が、前記配線部と前記第１の電極基板との間に設けられている色素増感太陽電池。
  3. 色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、
    前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、
    前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、
    前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、
    前記第２の電極基板が透明電極基板であり、
    前記入射光方向変更部が、前記第２の電極基板に対し、前記第１の電極基板と反対側に設けられている色素増感太陽電池。
  4. 色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、
    前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、
    前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、
    前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、
    前記第２の電極基板が透明電極基板であり、
    前記配線部が、集電配線と、前記集電配線を覆うように設けられる配線保護層とを有しており、
    前記配線保護層が前記入射光方向変更部を有する色素増感太陽電池。
  5. 色素が担持された多孔質酸化物半導体層および該多孔質酸化物半導体層と隣接する部分に設けられた配線部を一面側に備える第１の電極基板と、
    前記第１の電極基板の前記多孔質酸化物半導体層と対向するように配された第２の電極基板と、
    前記第１の電極基板と第２の電極基板との間の少なくとも一部に配された電解質層とを少なくとも備え、
    前記第１の電極基板、前記配線部及び前記第２の電極基板のうちの少なくとも１つには、前記配線部と対応する位置に、入射光の方向を変える入射光方向変更部が設けられており、
    前記入射光方向変更部が膜体であり、
    前記膜体は、隣接する多孔質酸化物半導体層に重ならない範囲に配されている色素増感太陽電池。
  6. 前記膜体は、前記配線部の幅よりも大きい請求項５に記載の色素増感太陽電池。
  7. 前記膜体は、拡散膜、回折格子膜、蛍光塗料膜、または反射膜のいずれかである請求項５又は６に記載の色素増感太陽電池。
  8. 前記入射光方向変更部が、前記第１の電極基板、前記配線部および前記第２の電極基板を結ぶ線上であって前記第１の電極基板又は前記第２の電極基板の厚さ方向に沿った線上に設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
  9. 前記第１の電極基板が透明電極基板であり、
    前記入射光方向変更部は、前記第１の電極基板に対し、前記配線部と反対側に設けられている請求項５〜７のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
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