JP5351553B2 - 光電変換素子モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換素子モジュールに関する。
色素増感太陽電池は、スイスのグレッツェルらにより開発されたものであり、光電変換効率が高く、製造コストが安い利点を持ち、新しいタイプの太陽電池として注目を集めている。
色素増感太陽電池の概略構成は、透明導電膜が設けられた透明基材上に、光増感色素が担持される多孔質酸化物半導体層が設けられた作用極と、この作用極に対向して設けられた対極とを備え、これら作用極と対極との間に、酸化還元対を含有する電解質が封止材により包囲されて充填されたものである。
この種の色素増感太陽電池は、太陽光などの入射光を吸収した光増感色素により発生する電子が酸化物半導体微粒子に注入され、作用極と対極の間に起電力が生じることにより、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子として機能する。
下記特許文献1には、このような色素増感太陽電池が、複数設けられ、各太陽電池同士が電気的に接続された色素増感型太陽電池モジュールが開示されている。
特開2007−220606号公報
特許文献1に記載の色素増感型太陽電池モジュールにおいて、各太陽電池の作用極及び対極は、封止材により包囲される領域の外側に延出される。そして、各太陽電池を平面状に並べて、1つの太陽電池の作用極の延出部分における対極側の表面と、他の太陽電池の対極の延出部分における作用極側の表面とを向かい合わせて、それらの間を導電部材としての導電性接着剤により接続している。
このように特許文献1に記載の色素増感型太陽電池モジュールにおいては、導電性接着剤が、作用極と対極との間に配置され作用極と対極とを接続するため、一旦導電性接着剤により1つの太陽電池の作用極と、他の太陽電池の対極とが接続されると、接続を外したり、再び接続したりすることが困難であった。このため、色素増感型太陽電池同士の接続の変更や導電部材の変更といった色素増感型太陽電池モジュールのメンテナンスを行うことが困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、メンテナンスを行うことが容易な光電変換素子モジュールを提供することを目的とする。
本発明の光電変換素子モジュールは、互いに対向する第1電極と第2電極とを有する複数の光電変換素子と、前記光電変換素子同士を電気的に接続する導電部材と、を備え、それぞれの前記光電変換素子は、互いに前記第1電極から前記第2電極へ向かう方向が同じ方向となるように平面状に配置され、前記導電部材は、少なくとも1つの光電変換素子の前記第1電極における前記第2電極側とは反対側の表面において前記第1電極と接続される共に、他の少なくとも1つの光電変換素子の前記第2電極における前記第1電極側の表面のうち、前記第2電極の表面に垂直な方向から前記第2電極を見た場合に前記第1電極と重ならない位置において前記第2電極と接続され、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、前記第1電極と前記第2電極との間に配置される電解質と、前記第1電極と前記第2電極との間において、前記電解質を包囲する封止材とを有し、前記複数の光電変換素子の前記第1電極同士が互いに離間しており、前記第2電極が、透明基板と、前記透明基板上に設けられる透明導電体とを有し、前記第2電極の前記透明基板が、前記複数の光電変換素子に共通して用いられることを特徴とするものである。
このような光電変換素子モジュールによれば、それぞれの光電変換素子は、互いに第1電極から第2電極へ向かう方向が同じ方向となるように平面状に配置されるため、それぞれの光電変換素子の第1電極における第2電極側と反対側の表面、及び、第2電極おける第1電極側の表面が同じ方向を向く。そして、導電部材は、少なくとも1つの光電変換素子の第1電極における第2電極側と反対側の表面と接続され、さらに、他の少なくとも1つの光電変換素子の第2電極における第1電極側の表面と接続される。従って、導線部材の接続を変更するとき、同じ方向から変更することができる。また、導電部材は、第2電極における第1電極側のうち、第2電極の表面に垂直な方向から第2電極を見た場合に第1電極と重ならない位置において第2電極と接続される。従って、導線部材の接続を変更するとき、第1電極が邪魔にならず、容易に作業を行うことができる。このようにして、光電変換素子同士の接続の変更や導電部材の交換といったメンテナンスを容易に行うことができる。
また、上記光電変換素子モジュールにおいて、前記導電部材は、前記第1電極上に形成される端子と前記第2電極上に形成される端子とを接続することが好ましい。
このような構成にすることで、光電変換同士の接続の変更や導電部材の交換を行う際、第2電極上の端子から導電部材を外すことができるので、第2電極に導電部材が直接接続される場合に比べて、第2電極に損傷を与えることが抑制できる。
また、上記光電変換素子モジュールにおいて、前記導電部材は、導電線により構成されても良い。
また、上記光電変換素子モジュールにおいて、前記導電部材は、導電性接着剤により構成されても良い。
また、上記光電変換素子モジュールにおいて、前記導電部材は、高融点はんだにより構成されても良い。
また、上記光電変換素子モジュールにおいて、前記第1電極において前記導電部材と接続される前記光電変換素子における前記第2電極の前記導電部材側の表面は、絶縁部材で被覆されていることが好ましい。
このような光電変換モジュールによれば、導電部材と第1電極とが接続される光電変換素子における第2電極と導電部材との間に導電性の異物等が侵入しても、第2電極と導電部材との間の短絡が、絶縁部材により防止される。このため、導電部材と第1電極とが接続される光電変換素子において、導電部材を介した第1電極と第2電極との短絡が防止され、さらに、導電部材を介して、導電部材と第1電極とが接続される光電変換素子の第2電極と、他の光電変換素子の第2電極とが短絡することが防止できる。
また、上記光電変換素子モジュールにおいて、光電変換素子は、前記第1電極と前記第2電極との間において、光増感色素が担持される多孔質酸化物半導体層と電解質とが封止材により封止される光電変換素子であって、前記絶縁部材は、前記封止材の一部から構成されることが好ましい。
このような光電変換モジュールによれば、簡易な構成で光電変換素子同士の短絡を防止することができる。
本発明によれば、メンテナンスを行うことが容易な光電変換素子モジュールが提供される。
本発明の第1実施形態に係る光電変換素子モジュールを示す断面図である。 本発明の第2実施形態に係る光電変換素子モジュールを示す断面図である。 本発明の第3実施形態に係る光電変換素子モジュールを示す断面図である。 本発明の第4実施形態に係る光電変換素子モジュールを示す断面図である。 図1に示す光電変換素子モジュールの変形例を示す断面図である。
以下、本発明に係る光電変換素子モジュールの好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる光電変換素子モジュールを示す概略断面図である。
図1に示すとおり、光電変換素子モジュール200は、一組の光電変換素子100、100と、光電変換素子100、100を接続する導電部材としての導電線9とを備える。
まず、光電変換素子100、100について説明する。なお、一組の光電変換素子100、100は互いに同じ構成であるため、一方の光電変換素子100についてのみ説明する。
光電変換素子100は、作用極11と、作用極11と対向するように配置される対極12と、作用極11と対極12との間に配置される電解質5と、電解質5を包囲する封止材14とを主な構成要素として備える。
(作用極)
作用極11は、透明基材2及び透明基材2の一方の面に設けられる透明導電体1とから成る第2電極20と、透明導電体1上に設けられ、光増感色素が担持される多孔質酸化物半導体層3とを備える。
透明基材2は、光透過性の材料からなる基板により構成される。このような材料としては、ガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)などが挙げられ、通常、光電変換素子の透明基材として用いられる材料であればいかなるものでも用いることができる。透明基材2は、これらの中から電解質への耐性などを考慮して適宜選択される。また、透明基材2は、できる限り光透過性に優れる基材が好ましく、光透過率が90%以上の基材がより好ましい。
透明導電体1は、透明導電膜であり、透明基材2の一方の面の一部、または、全面に形成される薄膜である。作用極11の透明性を著しく損なわない構造とするために、透明導電体1は、導電性金属酸化物からなる薄膜であることが好ましい。このような導電性金属酸化物としては、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO)などが挙げられる。また、透明導電体1は、単層でも、異なる導電性金属酸化物で構成される複数の層の積層体で構成されてもよい。透明導電体1が単層で構成される場合、透明導電体1は、成膜が容易かつ製造コストが安価であるという観点から、ITO、FTOが好ましく、また、高い耐熱性及び耐薬品性を有する観点から、FTOで構成されることがより好ましい。
また、透明導電体1が複数の層で構成される積層体により構成されると、各層の特性を反映させることが可能となることから好ましい。中でも、ITOからなる膜にFTOからなる膜が積層されてなる積層膜であることが好ましい。この場合、高い導電性、耐熱性及び耐薬品性を持つ透明導電体1が実現でき、可視域における光の吸収量が少なく、導電率が高い透明導電性基板を構成することができる。また、透明導電体1の厚さは例えば0.01μm〜2μmの範囲にすればよい。
多孔質酸化物半導体層3を形成する酸化物半導体としては、特に限定されず、通常、光電変換素子用の多孔質酸化物半導体を形成するのに用いられるものであれば、いかなるものでも用いることができる。このような酸化物半導体としては、例えば、酸化チタン(TiO)、酸化スズ(SnO)、酸化タングステン(WO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)酸化インジウム(In)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化タリウム(Ta)、酸化ランタン(La)、酸化イットリウム(Y)、酸化ホルミウム(Ho)、酸化ビスマス(Bi)、酸化セリウム(CeO)、酸化アルミニウム(Al)が挙げられ、これらの2種以上で構成される酸化物半導体であっても良い。
これら酸化物半導体の粒子の平均粒径は1〜1000nmであることが、色素で覆われた酸化物半導体の表面積が大きくなり、即ち光電変換を行う場が広くなり、より多くの電子を生成することができることから好ましい。また、多孔質酸化物半導体層3は、粒度分布の異なる酸化物半導体粒子を積層させて構成されることが好ましい。この場合、半導体層内で繰り返し光の反射を起こさせることが可能となり、多孔質酸化物半導体層3の外部へ逃がす入射光を少なくして、効率よく光を電子に変換することができる。多孔質酸化物半導体層3の厚さは、例えば0.5〜50μmとすればよい。なお、多孔質酸化物半導体層3は、異なる材料からなる複数の酸化物半導体の積層体で構成することもできる。
多孔質酸化物半導体層3を形成する方法としては、例えば、市販の酸化物半導体粒子を所望の分散媒に分散させた分散液、あるいは、ゾル−ゲル法により調製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、スプレー塗布法など公知の塗布方法により塗布した後、加熱処理などにて空隙を形成させ多孔質化する方法などを適用することができる。
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を配位子に含むルテニウム錯体、ポリフィリン、フタロシアニンなどの含金属錯体、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などが挙げられ、これらの中から、用途、使用半導体に適した挙動を示すものを特に限定なく選ぶことができる。具体的には、N3、N719、ブラックダイ(Black dye)などを使用することができる。
(電解質)
電解質5は、多孔質酸化物半導体層3内に電解液を含浸させてなるものか、または、多孔質酸化物半導体層3内に電解液を含浸させた後に、この電解液を適当なゲル化剤を用いてゲル化(擬固体化)して、多孔質酸化物半導体層3と一体に形成されてなるもの、あるいは、イオン性液体、酸化物半導体粒子若しくは導電性粒子を含むゲル状の電解質を用いることができる。
上記電解液としては、ヨウ素、ヨウ化物イオン、ターシャリ−ブチルピリジンなどの電解質成分が、エチレンカーボネートやメトキシアセトニトリルなどの有機溶媒に溶解されてなるものが用いられる。この電解液をゲル化する際に用いられるゲル化剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などが挙げられる。
上記イオン性液体としては、特に限定されるものではないが、室温で液体であり、四級化された窒素原子を有する化合物をカチオンまたはアニオンとした常温溶融性塩が挙げられる。常温溶融性塩のカチオンとしては、四級化イミダゾリウム誘導体、四級化ピリジニウム誘導体、四級化アンモニウム誘導体などが挙げられる。常温溶融塩のアニオンとしては、BF−、PF−、F(HF)n−、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド[N(CFSO−]、ヨウ化物イオンなどが挙げられる。イオン性液体の具体例としては、四級化イミダゾリウム系カチオンとヨウ化物イオンまたはビストリフルオロメチルスルホニルイミドイオンなどからなる塩類を挙げることができる。
上記酸化物半導体粒子としては、物質の種類や粒子サイズなどが特に限定されないが、イオン性液体を主体とする電解液との混和製に優れ、この電解液をゲル化させるようなものが用いられる。また、酸化物半導体粒子は、電解質の導電性を低下させることがなく、電解質に含まれる他の共存成分に対する化学的安定性に優れることが必要である。特に、電解質がヨウ素/ヨウ化物イオンや、臭素/臭化物イオンなどの酸化還元対を含む場合であっても、酸化物半導体粒子は、酸化反応による劣化を生じないものが好ましい。
このような酸化物半導体粒子としては、TiO、SnO、WO、ZnO、Nb、In、ZrO、Ta、La、SrTiO、Y、Ho、Bi、CeO、Alからなる群から選択される1種または2種以上の混合物が好ましく、二酸化チタン微粒子(ナノ粒子)が特に好ましい。この二酸化チタンの平均粒径は2nm〜1000nm程度が好ましい。
上記導電性粒子としては、導電体や半導体など、導電性を有する粒子が用いられる。この導電性粒子の比抵抗の範囲は、好ましくは1.0×10−2Ω・cm以下であり、より好ましくは、1.0×10−3Ω・cm以下である。また、導電性粒子の種類や粒子サイズなどは特に限定されないが、イオン性液体を主体とする電解液との混和性に優れ、この電解液をゲル化するようなものが用いられる。このような導電性粒子には、電解質中において導電性が低下しにくく、電解質に含まれる他の共存成分に対する化学的安定性に優れることが求められる。特に、電解質がヨウ素/ヨウ化物イオンや、臭素/臭化物イオンなどの酸化還元対を含む場合でも、酸化反応などによる劣化を生じないものが好ましい。
このような導電性粒子としては、カーボンを主体とする物質からなるものが挙げられ、具体例としては、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、カーボンブラックなどの粒子を例示できる。これらの物質の製造方法はいずれも公知であり、また、市販品を用いることもできる。
(対極)
対極12は、第1電極10により構成される。第1電極は、チタンまたはチタン合金からなる金属板4と触媒層6とで構成される。なお、還元反応を促進する触媒層6は、金属板4における作用極11側の表面に形成される。触媒層6は、白金や炭素などからなる。
(封止材)
封止材14は、作用極11と対極12とを連結しており、作用極11と対極12との間の電解質5は、封止材14によって包囲されることで封止される。封止材14を構成する材料としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、紫外線硬化樹脂、及び、ビニルアルコール重合体が挙げられる。なお、封止材14は樹脂のみで構成されてもよいし、樹脂と無機フィラーとで構成されていてもよい。
(端子)
対極12における作用極11側とは反対側の表面には、端子7が形成される。端子7は、高融点はんだや銅及びニッケルの少なくとも一方を含む金属部材から構成される。
高融点はんだとしては、融点が200℃以上(例えば210℃以上)であるものを用いることが好適である。このような高融点はんだとしては、Sn−Cu系、Sn−Ag系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Au系、Sn−Sb系、Sn−Pb系(Pb含有量は例えば85質量%超)などを挙げることができ、これらのうち1つを単独で使用してもよいし、2以上を併用してもよい。
また、金属部材を構成する材料としては、銅、ニッケルの単体の他、銅及びニッケルの少なくとも一方に、他の金属材料を含む金属材料等が挙げられる。
なお、本実施形態においては、端子7上に、導電線等と端子7とを接続するためのはんだ13が形成される。はんだ13としては、特に制限はされないが、端子7が高融点はんだである場合には、高融点はんだより融点が低いはんだ(以下、低融点はんだということがある)が好適である。低融点はんだとしては、例えば融点が200℃未満であるものを用いるのが好適である。この様なはんだとしては、共晶タイプ(例えばSn−Pb等)や、鉛フリータイプ(例えばSn−Ag、Sn−Cu、Sn−Ag−Cu、Sn−Zn、Sn−Zn―B等)などが挙げられる。
低融点はんだを使用することによって、導電線9と端子7とのはんだ付けの際に多孔質酸化物半導体層3に担持される光増感色素や、電解質5が高温になることが抑制でき、光増感色素や電解質5が劣化することが抑制できる。
また、作用極11の第1電極側の表面における封止材14の外周で包囲される外側の領域において、透明導電体1上に端子8が形成される。また、一方の光電変換素子100に形成される端子8は、他方の光電変換素子100のうち、作用極11の表面に垂直な方向から作用極11を見た場合に対極12と重ならない位置に形成される。端子8を構成する材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウムなどの金属が挙げられる。
なお、本実施形態においては、端子8上に、導電線等と端子8とを接続するためのはんだ13が形成される。端子8上のはんだ13は、端子7上のはんだ13と同様のものを用いれば良い。
次に光電変換素子100同士の接続について説明する。
図1に示すように光電変換素子モジュール200は、一組の光電変換素子100、100において、透明基材2が共通に用いられている。このため、光電変換素子100、100は、互いに対極12から作用極11へ向かう方向が同じ方向とされて、平面状に配置されている。
このような光電変換素子モジュール200における一方の光電変換素子100の対極12上の第1端子7には、はんだ13により導電線9の一端が接続される。さらに、他方の光電変換素子100における作用極11上において、一方の光電変換素子100の対極12と重ならない位置に形成される端子8には、はんだ13により、導電線9の他端が接続される。こうして、一組の光電変換素子100、100は、直列に接続される。
導電線9としては、銅、半田などの金属等の導電性材料からなる線材であって、リード線、半田リボン線などが使用できる。
本実施形態における光電変換素子モジュール200によれば、それぞれの光電変換素子100、100は、互いに対極12から作用極11へ向かう方向が同じ方向となるように平面状に配置される。このため、それぞれの光電変換素子100、100の対極12における作用極11側と反対側の表面、及び、作用極11における対極12側の表面が同じ方向を向く。そして、導電線9の一端は、配置される光電変換素子100、100のうち、一方の光電変換素子100の対極12における作用極11側と反対側に形成される第1端子7と接続される。さらに導電線9の他端は、他方の光電変換素子100の作用極11における対極12側に形成される端子8と接続する。こうして光電変換素子モジュール200は、一方の光電変換素子100と、他方の光電変換素子100とを同じ方向から導電線9を介して接続される。このため、光電変換素子モジュール200は、導電線9の接続を変更するとき、同じ方向から変更することができる。また、導電線9は、作用極11における対極12側のうち、作用極11の表面に垂直な方向から作用極11を見た場合に対極12と重ならない位置に形成される端子おいて作用極11と接続される。従って、導電線9の接続を変更する場合においても、対極12が邪魔にならず、容易に作業を行うことができる。このようにして、光電変換素子100、100同士の接続の変更や導電線9の交換といったメンテナンスを容易に行うことができる。
また、光電変換素子モジュール200は、光電変換同士100、100同士の接続の変更や導電部材の交換を行う際、作用極11の端子8から導電線9を外すことができるので、作用極11に導電線9が直接接続される場合に比べて、作用極11の透明導電体1に損傷を与えることが抑制できる。
次に、図1に示す光電変換素子モジュール200の製造方法について説明する。
まず、一組の光電変換素子100、100を準備する(光電変換素子準備工程)。
光電変換素子モジュール200は、一組の光電変換素子100、100が、透明基材2を共通に用いているため、それぞれの光電変換素子100、100を同時に製造する。以下、一方の光電変換素子100の製造についてのみ説明する。
まず、作用極11と、対極12とを準備する(準備工程)。
作用極11は、次の工程により得ることができる。最初に透明基材2の一方の面上に透明導電体1を形成し第2電極20とする。次に、透明導電体1上に多孔質酸化物半導体層3を形成する。次に、次に多孔質酸化物半導体層3に光増感色素を担持させる。
透明基材2上に透明導電体1を形成する方法としては、例えば、スパッタリング法、CVD(化学気相成長)法、スプレー熱分解法(SPD法)、蒸着法などの薄膜形成法が挙げられる。なかでも、スプレー熱分解法が好ましい。透明導電体1を、スプレー熱分解法により形成することで、容易にヘーズ率を制御することができる。また、スプレー熱分解法は、真空システムが不要なため、製造工程の簡素化低コスト化を図ることができるので好ましい。
透明導電体1上に多孔質酸化物半導体層3を形成する方法としては、主に塗布工程と乾燥・焼成工程からなる。塗布工程としては、例えばTiO粉末と界面活性剤および増粘剤を所定の比率で混ぜ合わせてなるTiOコロイドのペーストを、親水性化を図った透明導電体1の表面に塗布することが挙げられる。その際、塗布法としては、加圧手段(例えば、ガラス棒)を用いて前記コロイドを透明導電体1上に押し付けながら、塗布されたコロイドが均一な厚さを保つように、加圧手段を透明導電体1の上を移動させる方法が挙げられる。乾燥・焼成工程としては、例えば大気雰囲気中におよそ30分間、室温にて放置し、塗布されたコロイドを乾燥させた後、電気炉を用いおよそ60分間、450℃の温度にて焼成する方法が挙げられる。
多孔質酸化物半導体層3に光増感色素を担持させる方法としては、まず、色素担持用の色素溶液、例えば、アセトニトリルとt−ブタノールを容積比で1:1とした溶媒に対して極微量のN3色素粉末を加えて調整した溶液を予め準備しておく。
次に、シャーレ状の容器内に入れた光増感色素を溶媒として含有する溶液中に、別途電気炉にて120〜150℃程度に加熱処理をし、多孔質酸化物半導体層3が形成された第2電極20を浸した状態とし、暗所にて一昼夜(およそ20時間)浸漬する。その後、光増感色素を含有する溶液から多孔質酸化物半導体層3が形成された第2電極20を取り出し、アセトニトリルとt−ブタノールからなる混合溶液を用い洗浄する。これによって、光増感色素を担持したTiO薄膜からなる多孔質酸化物半導体層3を有する作用極11を得る。
なお、作用極11の第2電極20上に形成される端子8は、例えば、銀ペーストを印刷等により塗布し、加熱・焼成させて形成される。この端子8の形成は、光増感色素を多孔質酸化物半導体層3に担持させる工程の前に行うことが好ましい。
一方、対極12を準備するには、まず、チタンまたはチタン合金からなる金属板4を準備する。そして、準備した金属板4の表面上に白金などからなる触媒層6を形成する。触媒層6の形成は、スパッタリング法などにより形成する。これにより金属板4と触媒層6とを有する第1電極10を得ることができ、第1電極10がそのまま対極12となる。
次に、作用極11と対極12との間に電解質5を封止材14により包囲して封止する(封止工程)。
封止を行うには、まず、作用極11の上に、封止材14となるための樹脂またはその前駆体を形成する。このとき樹脂またはその前駆体は、作用極11の多孔質酸化物半導体層3を包囲する様に形成する。樹脂が熱可塑性樹脂である場合は、溶融させた樹脂を作用極11上に塗布した後に室温で自然冷却するか、フィルム状の樹脂を作用極11に接触させ、外部の熱源によって樹脂を加熱溶融させた後に室温で自然冷却することにより樹脂を得ることができる。熱可塑性の樹脂としては、例えばアイオノマーやエチレン−メタクリル酸共重合体が用いられる。樹脂が紫外線硬化樹脂である場合は、樹脂の前駆体である紫外線硬化性樹脂を作用極11上に塗布する。樹脂が水溶性樹脂である場合は、樹脂を含む水溶液を作用極11上に塗布する。水溶性の樹脂として、例えばビニルアルコール重合体が用いられる。
次に、対極12の上に封止材14となるための樹脂またはその前駆体を形成する。対極12上の樹脂またはその前駆体は、作用極11と対極12とを対向させる際に、作用極11上の樹脂またはその前駆体と重なる位置に形成する。また、対極12上の樹脂またはその前駆体の形成は、作用極11の上に形成される樹脂またはその前駆体と同様にして行えば良い。
次に、作用極11上の樹脂またはその前駆体で包囲された領域に電解質を充填する。
そして、作用極11と対極12とを対向させ、対極12上の樹脂と作用極11とを重ね合わせる。その後、減圧環境下において、樹脂が熱可塑性樹脂である場合は、樹脂を加熱溶融させ、作用極11と対極12とを接着させる。こうして封止材14が得られる。樹脂が紫外線硬化樹脂である場合は、対極12上の樹脂の紫外線硬化性樹脂と作用極11とを重ね合わせた後に紫外線により、紫外線硬化性樹脂を硬化させ、封止材14が得られる。樹脂が水溶性樹脂である場合は、積層体を形成した後に室温にて触指乾燥させた後、低湿環境下で乾燥させ、封止材14が得られる。
次に、対極12における作用極11側とは反対側の表面上、すなわち第1電極10における第2電極20とは反対側の表面上に端子7を形成する(端子形成工程)。
端子7が、高融点はんだにより構成される場合には、対極12における作用極11側とは反対側の表面上において、対極12と、高融点はんだと、はんだこての先端部とを接するように配置する。
このとき、はんだこての先端部は、高融点はんだが溶融可能に加熱されると共に、超音波を発生する。こうして、高融点はんだは、はんだこて先端部から伝送する熱により溶融し、はんだこて先端部からの超音波により振動する。従って、高融点はんだは、金属板4との濡れ性が向上されて、金属板4の表面上に固定する。こうして、端子7が対極12の表面上に形成される。
なお、はんだこて先端部の温度は、高融点はんだを溶融可能であれば、特に制限されないが、例えば、200〜450℃であることが、はんだを十分に溶かす観点から好ましく、250〜350℃であることが、はんだの酸化防止、及び、光増感色素の熱による劣化を防止する観点からより好ましい。また、はんだこての先端部から発生する超音波の振動周波数は、10kHz〜200kHzであることが好ましく、20kHz〜100kHzであることが金属板4に傷をつけることを防止する観点からより好ましい。
次に、溶融した高融点はんだからはんだこてを離し、高融点はんだを冷却することで端子7が形成される。
一方、端子7が銅及びニッケルの少なくとも一方を含む金属部材から構成される場合には、まず、対極12における作用極11側とは反対側の表面上に金属部材が配置され、金属部材が対極12に押し付けられるように加圧される。この加圧は、金属部材の自重により対極12との間に圧力が生じる場合を含む。そして、金属部材が加圧される状態で、金属部材に超音波振動を印加する。こうして、対極12と金属部材との間において、対極12と金属部材とは、超音波振動によって互いに擦れ合い、不要な酸化皮膜のすくなくとも一部が取り除かれて、加圧による塑性変形により固相状態で接合される。こうして、端子7が対極12の表面上に接合されて形成される。
このとき、対極12と金属部材との間の圧力が0N/mより大きく300N/m以下であることが対極12と金属部材とを密着させる観点から好ましく、1〜100N・mであることが対極12の変形を防止する観点からより好ましい。
また、金属部材に与える超音波は、対極12と金属部材とが接合される面に平行な方向に与えることが好ましい。さらに超音波の振動周波数は、1kHz〜200kHzであることが対極12と金属部材とを良好に接合する観点から好ましく、10kHz〜100kHzであることが対極12に傷をつけることを抑制する観点からより好ましい。また、超音波の振動振幅は、0.01〜50μmであることが、接合の観点から好ましく、0.1〜10μmであることが、金属部材及び金属板4に傷を与えることを抑制する観点からより好ましい。
なお、金属部材を接合する際に、金属部材に対して加熱を行えば、より接合の強度が向上するため好ましい。このときの金属部材の温度は、例えば、10〜500℃であることが、対極12と金属部材とを容易に接合させる観点から好ましく、20〜200℃であることが、色素及び電解液を良好な状態に保つ観点からより好ましい。
なお、端子7上及び端子8上のはんだ13は、はんだを端子7上及び端子8上で溶融させて、その後、凝固させることにより形成される。
こうして、図1に示す光電変換素子100を得る。
次に、一組の光電変換素子100、100を導電線9により接続する(接続工程)。一組の光電変換素子100、100の接続は、まず、上記において得られる一方の光電変換素子100における対極12上の端子7と、導電線9の一端を端子7上のはんだ13により接続する。そして、他方の光電変換素子100の作用極11上の端子8と、導電線9の他端を端子8上のはんだ13により接続する。
こうして、光電変換素子モジュール200を得ることができる。
本実施形態における、光電変換素子モジュール200の製造方法によれば、それぞれの光電変換素子100、100は、互いに対極12から作用極11へ向かう方向が同じ方向となるように平面状に配置される。このため、それぞれの光電変換素子100、100の対極12における作用極11側と反対側の表面、及び、作用極11における対極12側の表面が同じ方向を向く。そして、導電線9の一端は、配置される光電変換素子100、100のうち、一方の光電変換素子100の対極12における作用極11側と反対側に形成される第1端子7と接続される。さらに導電線9の他端は、他方の光電変換素子100の作用極11における対極12側に形成される端子8と接続する。こうして光電変換素子モジュール200は、一方の光電変換素子100と、他方の光電変換素子100とを同じ方向から導電線9を介して接続される。このため、光電変換素子モジュール200の製造において、導電線9を接続するとき、同じ方向から接続することができる。また、導電線9は、作用極11における対極12側のうち、作用極11の表面に垂直な方向から作用極11を見た場合に対極12と重ならない位置に形成される端子おいて作用極11と接続される。従って、導電線9を接続する場合においても、対極12が邪魔にならず、容易に導電線9の接続を行うことができる。このようにして、光電変換素子モジュール200は容易に製造することができる
(第2実施形態)
次に、本発明の光電変換装置の第2実施形態について図2を用いて説明する。なお、図2において、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図2は、本実施形態の光電変換装置モジュールを示す概略断面図である。
図2に示すように、光電変換素子モジュール210は、一組の光電変換素子110、110と、導電部材としての導電性接着剤9aとを備えている。また、光電変換素子110、110は、1つの透明基材2を共有している。
また、光電変換素子110は、対極12が、対極12の表面に対して垂直な方向から対極12を見た場合に、封止材14の外周により包囲される領域18よりも外側に延設される延設部18aを有する。そして、光電変換素子110は、端子7がこの延設部18a上に形成される点で第1実施形態の光電変換素子100と異なる。
また、光電変換素子モジュール210は、一方の光電変換素子110の対極12上の端子7と、他方の光電変換素子100の作用極11上の端子8とが、導電性接着剤9aにより接続される点で第1実施形態における光電変換素子モジュール200と異なる。
導電性接着剤9aとしては、銀ペーストなどの各種金属ペーストやカーボンペーストなどが使用できる。
本実施形態による光電変換素子モジュールよれば、対極12と導電性接着剤9aとが延設部18a上で接続されるため、熱をかけて接続する場合であっても、対極14で包囲される領域の内側に、熱が伝わりづらい。従って、熱により多孔性酸化物半導体層3に担持される光増感色素や電解質5が劣化することを防止することができる。
このような光電変換素子モジュール210は、次のようにして製造することができる。
まず、一組の光電変換素子110、110を製造する。
一組の光電変換素子110、110の製造は、第1実施形態の準備工程において、封止材14の外周により包囲される領域が予定される領域よりも外側の領域を有する対極12を準備する。すなわち、延設部18aとなる領域を有する対極12を準備する。準備工程におけるその他の工程は、第1実施形態と同様である。
そして、封止工程において、延設部18aが確保されるように封止材14により封止を行う。封止の方法は、第1実施形態における封止工程と同様にして行えば良い。
次に、端子形成工程において、端子7を、延設部18aに形成する。端子の形成は、第1実施形態における端子形成工程と同様にして行えば良い。
次に、一方の光電変換素子110の対極12上の端子7と、他方の光電変換素子110の作用極11上の端子8とを導電性接着剤9aにより接続する(接続工程)。導電性接着剤9aを対極12上の端子7や作用極11上の端子8と接続する際、熱をかけても良い。
こうして、光電変換素子モジュール210を得ることができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の光電変換装置の第3実施形態について図3を用いて説明する。なお、図3において、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図3は、本実施形態の光電変換装置モジュールを示す概略断面図である。
図3に示すように、光電変換素子モジュール220は、一組の光電変換素子120、120と、導電部材としての導電性接着剤9aとを備えている。また、光電変換素子120、120は、1つの透明基材2を共有している。
また、光電変換素子120は、第1実施形態の光電変換素子100における対極12上の端子7が形成されておらず、導電性接着剤9aと、対極12における作用極11側と反対側の表面とが直接接続されている。そして、導電性接着剤9aは、対極12と作用極11上の端子8とを接続している。
このため、対極12の金属板4は、導電性接着剤9aとの接着性が良好な材料から成る。例えば、金属板4の材料としては、白金、ニッケル等が挙げられる。
本実施形態における光電変換素子モジュール220によれば、端子7が形成されない分だけ簡易な構成とすることができ、安価に光電変換素子モジュール220を構成とすることができる。
このような光電変換素子モジュール220は、次のようにして製造することができる。
まず、一組の光電変換素子120、120を準備する(光電変換素子準備工程)。
一組の光電変換素子120、120の製造は、対極12上に端子7を形成しないこと以外は、第1実施形態における一組の光電変換素子100、100の製造と同様に行えば良い。
次に、一方の光電変換素子120の対極12の作用極11側と反対側の表面と、他方の光電変換素子120の作用極11上の端子8とを導電性接着剤9aにより接続する(接続工程)。
こうして、光電変換素子モジュール220を得ることができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の光電変換装置の第4実施形態について図4を用いて説明する。なお、図4において、第3実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図4は、本実施形態の光電変換装置モジュールを示す概略断面図である。
図4に示すように、光電変換素子モジュール230は、一組の光電変換素子130、130と、導電部材としての導電性接着剤9aとを備えている。本実施形態における光電変換素子130は、導電性接着剤9aと対極12とが接続される光電変換素子130における透明導電体1における導電性接着剤9a側の表面が封止材14の一部から構成される絶縁部材15により被覆されている点で第3実施形態と異なる。具体的には、一方の光電変換素子130の透明導電体1における他方の光電変換素子130側の端部1aは、封止材14の一部から構成される絶縁部材15により被覆されている。
本実施形態における光電変換素子モジュール230によれば、導電性接着剤9aと対極12とが接続される光電変換素子130における作用極11と導電性接着剤9aとの間に導電性の異物や水分等が侵入しても、作用極11と導電性接着剤9aとの間の短絡が、絶縁部材15により防止される。このため、導電性接着剤9aと対極12とが接続される光電変換素子130において、導電性接着剤9aを介した対極12と作用極11との短絡が防止される。さらに、導電性接着剤9aを介して、導電性接着剤9aと対極12とが接続される光電変換素子130の作用極11と、他の光電変換素子130の作用極11との短絡を防止することができる。
このような光電変換素子モジュール230は次のように製造することができる。
まず、一組の光電変換素子130、130を準備する(光電変換素子準備工程)。
一組の光電変換素子130、130の製造において、第3実施形態の準備工程と同様の方法で作用極11と対極12とを準備すれば良い。
次に、封止工程において、対極12が導電性接着剤9aと接続されることが予定される一方の光電変換素子130の透明導電体1における他方の光電変換素子130側の表面を被覆するように封止材を形成する。その他の封止工程は第1実施形態の封止工程と同様に行えばよい。
次に、一方の光電変換素子130の対極12の作用極11側と反対側の表面と、他方の光電変換素子130の作用極11上の端子8とを導電性接着剤9aにより接続する(接続工程)。
こうして、光電変換素子モジュール230を得ることができる。
以上、本発明について、第1〜第4実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、第1、第2実施形態において、端子形成工程は、封止工程の後に行うとしたが、本発明はこれに限らない。例えば、封止工程の前に端子形成工程を行っても良い。
この場合、封止を行う前の対極12の一方の表面に端子7を形成する。端子の形成は、第1実施形態における端子形成工程と同様に行えば良い。
次に、端子7が封止材により封止されないために、対極12における端子7が形成されていない側の表面が作用極11側を向くように、作用極11と対極12とを対面させて封止を行えば良い。封止の方法は、第1実施形態における封止工程を同様に行えば良い。
このように、端子形成工程を封止工程の前に行うことにより、端子形成工程において、熱が加えられる場合においても、多孔質酸化物半導体層3と電解質5とが封止される前であるため、端子形成工程における熱が光増感色素や電解質5に伝達して、光増感色素や電解質5を劣化されることが防止できる。
また、第3実施形態において、対極12の金属板4は、白金、ニッケル等により構成され、導電部材は、導電性接着剤9aにより構成されたが、本発明はこれに限らない。例えば、対極12の金属板4を第1実施形態と同様にチタン或いはチタン合金により構成し、導電部材を高融点はんだにより構成しても良い。
このような構成によっても、端子7が形成されない分だけ簡易な構成とすることができ、安価に光電変換素子モジュールを構成とすることができる。
このような光電変換素子モジュールは、次のようにして製造することができる。
まず、一組の光電変換素子を準備する(光電変換素子準備工程)。
一組の光電変換素子の製造は、対極12上に端子7を形成しないこと以外は、第1実施形態における一組の光電変換素子100、100の製造と同様に行えば良い。
次に、一方の光電変換素子の対極の作用極側と反対側の表面と、他方の光電変換素子の作用極上の端子とを高融点はんだにより接続する(接続工程)。
高融点はんだを接続する方法としては、まず、高融点はんだと、一方の光電変換素子における対極の金属板、及び、他方の光電変換素子における作用極上の端子とが接し、さらに高融点はんだと、はんだこての先端部とが接するように配置する。そして、第1実施形態における高融点はんだを対極12上に接続する方法と同様の方法で、高融点はんだを加熱溶融させながら超音波を印加して接続すれば良い。
こうして、対極の金属板をチタン或いはチタン合金により構成し、導電部材を高融点はんだにより構成した光電変換素子モジュールを得る。
また、例えば、第1〜第4実施形態において、多孔質酸化物半導体層3は、第2電極の透明導電体1上に形成されるものとした。そして、作用極11は、第2電極と、光増感色素が担持される多孔質酸化物半導体層3とで構成され、対極12は、第1電極により構成されるものとした。しかし、本発明は、これらに限らない。図5は、図1に示す光電変換素子モジュール200の変形例を示す断面図である。図5に示す光電変換素子モジュール240における光電変換素子140のように、第1電極10が金属板4から構成され、第1電極10上に多孔質酸化物半導体層3が形成されるものとしても良い。この場合、透明導電体1上に触媒層6が形成され、第2電極20は、透明基材2と透明導電体1と触媒層6とから構成される。そして、作用極11は、第1電極10と、光増感色素が担持される多孔質酸化物半導体層3とで構成され、対極12は、第2電極により構成される。なお、触媒層6は、例えば、光が透過する程度に薄く製膜された白金等からなる。
光電変換素子モジュール240は、一組の光電変換素子140、140を準備して、導電線9の一端を一方の光電変換素子140の作用極11上の第1電極10上に設けられる端子7と接続し、導電線9の他端を他方の光電変換素子140の対極12(第2電極20)上に設けられる端子8と接続することにより得ることができる。
光電変換素子140の製造は、次のように行われる。まず、金属板4から構成される第1電極10を準備する。次に第1電極10の触媒層6上に多孔質酸化物半導体層3を形成する。第1電極10上に多孔質酸化物半導体層3を形成する方法は、第1実施形態において多孔質酸化物半導体層3を形成する工程と同様にして行えば良い。次に多孔質酸化物半導体層3に光増感色素を担持させる。光増感色素の担持は、第1実施形態において光増感色素を多孔質酸化物半導体層3に担持させる工程と同様にして行えば良い。こうして、第1電極10上に多孔質酸化物半導体層3が形成された作用極11を得る。
次に対極12を準備する。対極12の準備は、透明基材2上に透明導電体1を形成した後、透明導電体1上に触媒層6を形成して、第2電極とする。透明導電体1を形成する方法は、第1実施形態において、透明基材2上に透明導電体1を形成する方法と同様にして行えば良い。透明導電体1上に触媒層を形成するには、第1実施形態において、金属板4上に触媒層を形成した方法と同様の方法で行えばよい。こうして得られる第2電極が対極12となる。
次に作用極11と対極12との間において、多孔質酸化物半導体層3と電解質5とを封止材14で封止する。封止の方法は、第1実施形態における封止工程と同様にして行えば良い。次に端子7を形成する。端子7の形成は、第1実施形態における端子形成工程と同様にして行えば良い。また、その他の工程は、第1実施形態と同様である。
こうして、光電変換素子140を得る。
また、光電変換素子140の製造において、上記では端子7を封止工程の後に形成したが、端子7の形成を封止工程の前に行っても良い。こうすることで端子形成工程における熱が電解質5に伝導することがなく、端子形成工程において熱による電解質5の劣化を防止することができる。
さらに、光電変換素子140の製造において、端子7の形成は、光増感色素を多孔質酸化物半導体層3に担持させる工程の前に行っても良い。こうすることで、端子形成工程における熱が光増感色素に伝導することがなく、端子形成工程による熱による光増感色素の劣化を防止することができる。
また、例えば、第1〜第4実施形態において、光電変換素子モジュールは、一組の光電変換素子を備えるが、本発明の光電変換素子モジュールは、3つ以上の光電変換素子を備えていてもよい。3以上の光電変換素子を有する光電変換素子モジュールにおいて、導電部材は、少なくとも一つの光電変換素子の第1電極の第2電極側とは反対側と、他の少なくとも1つの光電変換素子の第2電極の第1電極側とを接続すれば良い。導電部材と第1電極及び第2電極との接続は、第1実施形態或いは第2実施形態と同様に行えばよい。
また、第2電極20は、透明基板2を共通に用いる構成としたが、それぞれ第2電極を分離しても良い。この場合、透明基材2及び透明基材2上に設けられる透明導電体1から構成されるとしたが、透明導電体としての導電性ガラスにより構成されても良い。
また、第5実施形態において、絶縁部材15は、封止材14の一部により構成されるものとしたが、絶縁部材15は、封止材14と別の部材により構成されても良い。
また、第1〜第4実施形態において、導電部材と第2電極との接続は端子8を介して接続しているが、第2端子8は必ずしも必要ではなく、導電部材と透明導電体1とを直接接続しても良い。このような光電変換素子モジュールによれば、端子8が形成されない分だけ簡易な構成とすることができ、安価に光電変換素子モジュールを構成とすることができる。
また、第1〜第4実施形態において、金属板4と触媒層6との代わりに白金板を用いても良い。この場合、触媒層6を形成する必要がなくなる。
本発明によれば、メンテナンスを行うことが容易な光電変換素子モジュールが提供される。
1・・・透明導電体
2・・・透明基材
3・・・多孔質酸化物半導体層
4・・・金属板
5・・・電解質
6・・・触媒層
7・・・端子
8・・・端子
9・・・導電線
9a・・・導電性接着剤
10・・・第1電極
11・・・作用極
12・・・対極
14・・・封止材
20・・・第2電極
35・・・集電配線
100、110、120、130、140・・・光電変換素子
200、210、220、230、240・・・光電変換素子モジュール

Claims (7)

  1. 互いに対向する第1電極と第2電極とを有する複数の光電変換素子と、
    前記光電変換素子同士を電気的に接続する導電部材と、
    を備え、
    それぞれの前記光電変換素子は、互いに前記第1電極から前記第2電極へ向かう方向が同じ方向となるように平面状に配置され、
    前記導電部材は、少なくとも1つの光電変換素子の前記第1電極における前記第2電極側とは反対側の表面において前記第1電極と接続される共に、他の少なくとも1つの光電変換素子の前記第2電極における前記第1電極側の表面のうち、前記第2電極の表面に垂直な方向から前記第2電極を見た場合に前記第1電極と重ならない位置において前記第2電極と接続され、
    前記複数の光電変換素子のそれぞれは、前記第1電極と前記第2電極との間に配置される電解質と、前記第1電極と前記第2電極との間において、前記電解質を包囲する封止材とを有し、
    前記複数の光電変換素子の前記第1電極同士が互いに離間しており、
    前記第2電極が、透明基板と、前記透明基板上に設けられる透明導電体とを有し、
    前記第2電極の前記透明基板が、前記複数の光電変換素子に共通して用いられる
    ことを特徴とする光電変換素子モジュール。
  2. 前記導電部材は、少なくとも1つの光電変換素子の前記第1電極における前記第2電極側とは反対側の表面のうち前記第2電極の表面に垂直な方向から前記第2電極を見た場合に前記封止材と重なる位置において前記第1電極と接続される、請求項1に記載の光電変換素子モジュール。
  3. 前記導電部材は、導電線により構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子モジュール。
  4. 前記導電部材は、導電性接着剤により構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子モジュール。
  5. 前記導電部材は、高融点はんだにより構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子モジュール。
  6. 前記第1電極において前記導電部材と接続される前記光電変換素子における前記第2電極の前記導電部材側の表面は、絶縁部材で被覆されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光電変換素子モジュール。
  7. 前記光電変換素子が、前記第1電極と前記第2電極との間において、光増感色素が担持される多孔質酸化物半導体層と前記電解質とが前記封止材により封止される光電変換素子であって、前記絶縁部材は、前記封止材の一部から構成されることを特徴とする請求項6に記載の光電変換素子モジュール。
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