JP5367817B2 - 湿式太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
光電変換部は、セル間絶縁部と接することが好ましい。
第2電極は、Ti、Ni、およびAuからなる群より選択された少なくとも1種の金属または該金属を少なくとも1種含む化合物、フッ素ドープ酸化錫、もしくはITOのうちのいずれかからなることが好ましい。
セル間絶縁部は、セル間絶縁体およびセル間封止部からなることが好ましい。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1の湿式太陽電池モジュールを示す概略断面図である。本実施の形態の湿式太陽電池モジュールは、図1に示されるように、Z型の湿式太陽電池モジュール1であり、第1絶縁性基板10と第2絶縁性基板20との間に2個以上の光電変換素子30が離間して挟持されており、その外周には外周封止層19が形成された構造のものである。当該光電変換素子30は、第1絶縁性基板10上に、第1電極11、光電変換部40、および第2電極21がこの順に積層して構成される。
<第1絶縁性基板、第2絶縁性基板>
本実施の形態において、第1絶縁性基板10および第2絶縁性基板20は、2個以上の光電変換素子30を支持するために設けられるものであり、湿式太陽電池モジュールの受光面および非受光面に形成されるものである。
本実施の形態において、第1電極11は、光電変換層41で発生した電子を外部回路に輸送するために設けられるものである。第1電極11に用いられる材料としては、透明導電性金属酸化物、金属、カーボン等を用いることが好ましく、これらの材料の中でも透明性を有するという観点から、透明導電性金属酸化物を用いることがより好ましい。なお、上記の金属およびカーボンのように透明性を有しない材料を用いる場合、これらの材料が光透過性を有するように薄膜化して用いることが好ましい。
本実施の形態において、第2電極21は、隣接する2個の光電変換素子30のうちの一方の光電変換素子30の触媒層43と、他方の光電変換素子30の第1電極11とを電気的に接続するために設けられるものである。
本実施の形態において、セル間絶縁部15は、(a)隣接する光電変換素子30の間をキャリア輸送部中の酸化還元種が移動することを阻止するため、(b)同一の光電変換素子30内の第1電極11と第2電極21とが接触することにより、内部短絡が生ずることを防止するため、および(c)隣接する光電変換素子30の各第1電極11が相互に接触することにより内部短絡が発生することを防止するために設けられるものである。
セル間絶縁体16は、高抵抗材料を用いることが好ましく、無機酸化物を用いることがより好ましい。このような無機酸化物としては、たとえば酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ビスマス、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等を挙げることができる。
セル間封止部17は、隣接する光電変換素子30の間のキャリア輸送部に含まれる酸化還元種の移動を阻止するために設けられるものであり、セル間絶縁体16上に第2絶縁性基板20と接するように設けられるものである。よって、セル間封止部17は、キャリア輸送部中の酸化還元種がセル間封止部17内を通過できない程度に緻密な膜であることが好ましい。
本実施の形態において、外周封止層19は、(a)湿式太陽電池モジュールに作用する落下物や応力(衝撃)を吸収するため、(b)長期にわたる使用時において湿式太陽電池モジュールに作用するたわみ等の変形を吸収するため、(c)キャリア輸送部の電解液の揮発を抑制するため、および(d)湿式太陽電池モジュール内に水等の浸入を防止するために設けられることが好ましい。
本実施の形態において、光電変換層41は、一般には光電変換層41に含まれる色素が光を吸収して電子を発生させる層であり、たとえば多孔性半導体層に色素が担持されることにより形成される。以下に、光電変換層を構成する多孔性半導体層、および色素を説明する。
本実施の形態において、多孔性半導体層は、従来公知の半導体を1種または2種以上を組み合わせて構成されるものであり、従来公知のいかなる形態で形成していてもよく、たとえば粒子状、または膜状に形成することができる。ただし、光を効率よく光電変換層に取り込むという観点から、多孔性半導体層は膜状に形成することが好ましい。
本実施の形態において、多孔性半導体層に吸着される色素は、光増感剤として機能するものであり、種々の可視光領域および/または赤外光領域に吸収を持つものを用いることができる。また、多孔性半導体層に色素を強固に吸着させるという観点から、色素の分子にはインターロック基を有するものを用いることが好ましい。
本実施の形態において、多孔性絶縁層42は、光電変換層41と触媒層43との電気的な接続を阻止するために設けることができる。このような多孔性絶縁層42は、光電変換層41と触媒層43とが接触しないように光電変換層41上に隙間なく多孔性絶縁層42を形成することが好ましい。
本実施の形態において、触媒層43は、多孔性絶縁層42中に含有されるキャリア輸送部(酸化還元種)の反応を促進するために設けることができる。このような触媒層43の形成方法は特に限定されないが、たとえば電子ビーム蒸着、スパッタ等を用いることが好ましい。
本実施の形態において、貫通部50は、第1絶縁性基板10と第2絶縁性基板20とがセル間絶縁部15を介して接触するように第2電極21に設けることができる。本実施の形態において、貫通部50は、第2電極21を部分的に除去することにより形成される。なお、本実施の形態の湿式太陽電池モジュールでは、第2電極21に貫通部50が設けられているが、本発明の湿式太陽電池モジュールは、光電変換素子30に含まれる、第1電極11または第2電極21のうちのいずれか一方もしくは両方に貫通部50を設けることを特徴とする。
本実施の形態において、キャリア輸送部8は、イオンを輸送することができる導電性材料により構成され、第1絶縁性基板10および第2絶縁性基板20の間に充填することにより設けられる他、多孔性絶縁層42にも含まれるものである。このような導電性材料としては、たとえば電解液、高分子電解質等のイオン導電体を挙げることができるが、酸化還元性電解質を含むイオン導電体を用いることが好ましい。このような酸化還元性電解質としては、たとえば鉄系、コバルト系など金属類、塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン化合物を挙げることができ、中でもヨウ素が一般的によく用いられる。なお、電解液の揮発が問題となる場合は、溶媒の代わりに溶融塩を用いてもよい。
図1のZ型の湿式太陽電池モジュールの製造方法は、第1絶縁性基板10上に、複数の第1電極11を離間して形成する工程と、離間して設けられた複数の第1電極11の相互の間にセル間絶縁体16を形成する工程と、上記の各第1電極11上に、色素を担持した多孔性半導体層からなる光電変換層41と、キャリア輸送部を含有する多孔性絶縁層42と、触媒層43とからなる光電変換部40を形成する工程と、光電変換部40からセル間絶縁体16を越えて、隣接する第1電極11上に第2電極21を形成する工程と、第2電極21に貫通部50を形成する工程と、セル間絶縁体16上に形成される貫通部50を介して未硬化樹脂材料を備え、第2絶縁性基板20を未硬化樹脂材料の上に載置した後、未硬化樹脂材料を硬化させてセル間封止部17を形成すると同時に第2絶縁性基板20を固定する工程と、第1絶縁性基板10および第2絶縁性基板20の間の外周に外周封止層19を形成する工程とを備える。
図8は、実施の形態2の湿式太陽電池モジュールを示す概略断面図である。本実施の形態の湿式太陽電池モジュールは、図8に示されるように、Z型の湿式太陽電池モジュールであり、外周封止層19の直下の第1電極11に貫通部50を形成すること以外は、実施の形態1の湿式太陽電池モジュールと同様のものである。
図9は、実施の形態3の湿式太陽電池モジュールを示す概略断面図である。本実施の形態の湿式太陽電池モジュール2は、図9に示されるように、W型の湿式太陽電池モジュールであり、第1光電変換素子30aと第2光電変換素子30bとが交互に離間して配置され、3個の第1光電変換素子30aおよび2個の第2光電変換素子30bを備える。本実施の形態の湿式太陽電池モジュールは、第1絶縁性基板10および第2絶縁性基板20ともに透光性を有している場合、受光面は、第1絶縁性基板10または第2絶縁性基板のいずれであってもよく、両面とも受光面となることができる。また、第1絶縁性基板10のみが透光性を有している場合には、第1絶縁性基板10側が受光面となり、第2絶縁性基板20側が非受光面となる。
本実施の形態のようなW型の湿式太陽電池モジュールでは、光電変換素子30の第1電極11または第2電極21のいずれか一方もしくは両方に貫通部50を設けることを特徴とする。
第2電極21は、隣接する光電変換素子を電気的に接続するために第2絶縁性基板20上に設けられるものである。本実施の形態のW型の湿式太陽電池モジュールは、Z型の湿式太陽電池モジュールのように第1電極11と第2電極21とを接触させることにより、電気的に接続するわけではなく、隣接する光電変換素子30の第2電極21を共有することにより電気的に接続するものである。
本実施の形態において、セル間絶縁部15は、第1光電変換素子30aと第2光電変換素子30bとの絶縁性が確保され、かつ酸化還元種の通過を妨げることができる膜であれば必ずしも無機酸化物のみに限られるものではなく、感光性樹脂または熱硬化性樹脂であってもよい。
W型の湿式太陽電池モジュールにおいては、Z型の湿式太陽電池モジュールで用いられていた多孔性絶縁層は必ずしも設けてなくてもよく、キャリア輸送部8が設けられればよい。光電変換層41上に多孔性絶縁層を設けた場合でも、多孔性絶縁層にはキャリア輸送部が含有されており、かつ光電変換層41と触媒層43との接触を抑制することができるのでより好ましい。
本実施の形態の湿式太陽電池モジュールの製造方法は、透光性である第1絶縁性基板10上に、離間して複数形成された第1電極11、光電変換層41、キャリア輸送部8、触媒層43、第2電極21が順次積層されてなる第1光電変換素子30aと、透光性である第1絶縁性基板10上に第1電極11、触媒層43、キャリア輸送部8、光電変換層41、第2電極21がこの順に積層されてなる第2光電変換素子30bと、第1光電変換素子30aの第2電極21および第2光電変換素子30bの第2電極21上に第2絶縁性基板20とを備え、透光性である第1絶縁性基板10と、第2絶縁性基板20との間に、1つ以上の第1光電変換素子30aと1つ以上の第2光電変換素子30bとが交互に並列にし、隣接する第1光電変換素子30aと第2光電変換素子30bとを電気的に直列接続する工程を備えることを特徴とする。
図10は、実施の形態4の湿式太陽電池モジュールを示す概略断面図である。本実施の形態の湿式太陽電池モジュールは、図10に示されるように、実施の形態3の湿式太陽電池モジュールの(図10中の左側の)外周封止層19の直下の第1電極11および(図10中の右側の)外周封止層19の直上の第2電極21に貫通部50を形成する以外は、実施の形態3の湿式太陽電池モジュールと同様のものである。
図11は、実施の形態5の湿式太陽電池モジュールを示す概略断面図である。本実施の形態の湿式太陽電池モジュールは、図11に示されるように、実施の形態3の湿式太陽電池モジュールの最外に位置する外周封止層19と接する第1電極11および第2電極21に貫通部50を形成する以外は、実施の形態3の湿式太陽電池モジュールと同様のものである。
(実施例1)
実施例1では、図1に示されるZ型の湿式太陽電池モジュールを作製した。まず、縦60mm×横36mmのSnO2膜付きガラス基板(商品名:SnO2膜付ガラス(日本板硝子社製))を用意した。ここで、ガラス基板は、第1絶縁性基板10に対応するものである。
比較例1では、実施例1の湿式太陽電池モジュールのように、第2電極に貫通部50を形成しなかった。このこと以外は、実施例1と同様の工程により比較例1の湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例2では、実施例1の湿式太陽電池モジュールの製造工程に加えて、外周封止層19の直下の第1電極11に貫通部50を形成する工程をさらに含むこと以外は、実施例1と同様の方法により、図8に示される、湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例3では、実施例1の湿式太陽電池モジュールの製造工程の第2電極21に貫通部を形成する工程において、図6に示される形状の貫通部50(幅0.4mm×長さ10mm)を0.125mm間隔で4つ形成したこと以外は、実施例1と同様の方法により、実施例3の湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例4では、実施例1の湿式太陽電池モジュールの製造工程の第2電極21に貫通部を形成する工程において、図7に示される形状の貫通部50(直径0.4mmの円形状)を0.1mm間隔で8つ形成したこと以外は、実施例1と同様の方法により、実施例4の湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例5では、W型の湿式太陽電池モジュールの作製した。実施例5の湿式太陽電池モジュールは、図9に示されるように、第1光電変換素子30aと第2光電変換素子30bとを交互に形成したものである。以下に、この湿式太陽電池モジュールの製造方法を示す。
比較例2では、実施例5の湿式太陽電池モジュールのように、第1電極および第2電極に貫通部50を形成しなかった。このこと以外は、実施例5と同様の工程により比較例2の湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例6では、実施例5の湿式太陽電池モジュールの製造工程に加えて、図10中の左側の外周封止層19の直下の第1電極11、および図10中の右側の外周封止層19の直上の第2電極21に貫通部50を形成する工程を含むこと以外は、実施例5と同様の方法により、図10に示される、湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例7では、実施例5の湿式太陽電池モジュールの製造工程に加えて、図11中の左側の外周封止層19の両端の第1電極11および第2電極21に貫通部50を形成する工程を含むこと以外は、実施例5と同様の方法により、図11に示される、湿式太陽電池モジュールを作製した。
実施例8では、実施例1の湿式太陽電池モジュールの製造工程の第2電極の作製工程において、あらかじめ図5に示される貫通部が形成されるように設計したパターンのスクリーンを用いて、スクリーン印刷機(装置名:LS−34TVA(ニューロング社製))により、第1電極11上にITOペーストを塗布した。この塗布したITOペーストを焼成することにより、膜厚1μmのITO多孔質層からなる第2電極21を形成した。このITOペーストは、以下の方法により作製したものを用いた。
実施例1〜8および比較例1〜2で作製した色素増感型太陽電池モジュールを、第1絶縁性基板が受光面となるように、第2絶縁性基板側を25℃に制御された黒色のステージに設置した。そして、第1絶縁性基板に対し、AM1.5の擬似太陽光(ソーラーシュミレータ)を照射した直後の湿式太陽電池モジュールの変換効率(Eff(%))と、AM1.5の擬似太陽光を100時間照射し続けた後の湿式太陽電池モジュールの変換効率(Eff(%))とを測定し、これにより得られた値を表1にまとめた。
Claims (12)
- 2個以上の光電変換素子が離間して配置され、第1絶縁性基板と第2絶縁性基板との間に挟持される湿式太陽電池モジュールであって、
前記各光電変換素子は、第1電極と光電変換部と第2電極とで構成され、
離間して挟持配置している前記光電変換素子の間にはセル間絶縁部が設けられ、
前記第1電極または前記第2電極のうちの少なくとも一方には、貫通部が設けられ、
前記貫通部には前記セル間絶縁部の部材が充填され、
前記第1絶縁性基板と前記第2絶縁性基板との間の少なくとも一部を前記第1電極または前記第2電極を介さずに前記セル間絶縁部により接続する、湿式太陽電池モジュール。 - 前記貫通部は、その内部に前記セル間絶縁部を構成する部材が充填される、請求項1に記載の湿式太陽電池モジュール。
- 前記光電変換部は、前記セル間絶縁部と接する、請求項1または2に記載の湿式太陽電池モジュール。
- 前記光電変換素子は、前記第1絶縁性基板上に、第1電極、光電変換部、および、第2電極がこの順に積層されたものであり、
前記光電変換部は、光電変換層、キャリア輸送部を含有する多孔性絶縁層、および触媒層からなり、
前記光電変換層は、多孔性半導体層に色素が担持された層であり、
前記光電変換層、前記キャリア輸送部を含有する多孔性絶縁層、および前記触媒層は、前記第1電極側からこの順に積層され、
前記第1絶縁性基板、前記第2絶縁性基板、および前記セル間絶縁部に囲まれる空間には、キャリア輸送部が設けられる、請求項1〜3のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。 - 隣接する2個の前記光電変換素子において、
一方の光電変換素子の前記第2電極は、他方の光電変換素子の前記第1電極と接する、請求項1〜4のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。 - 前記光電変換素子が、1個以上の第1光電変換素子と、1個以上の第2光電変換素子とが交互に離間して配置され、
前記第1光電変換素子および前記第2光電変換素子はいずれも、前記第1絶縁性基板上に、第1電極、光電変換部、および第2電極がこの順に積層されたものであり、
前記第1光電変換素子の光電変換部は、光電変換層と、キャリア輸送部と、触媒層とが前記第1電極側からこの順に積層されたものであり、
前記第2光電変換素子の光電変換部は、触媒層と、キャリア輸送部と、光電変換層とが前記第1電極側からこの順に積層されたものである、請求項1〜3のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。 - 前記第1光電変換素子と、該第1光電変換素子に隣接する前記第2光電変換素子とは、前記第1電極または前記第2電極により電気的に直列接続される、請求項6に記載の湿式太陽電池モジュール。
- 前記第2電極は、前記キャリア輸送部に対して耐食性を有する材料からなる、請求項4、6または7に記載の湿式太陽電池モジュール。
- 前記第2電極は、Ti、Ni、およびAuからなる群より選択された少なくとも1種の金属または該金属を少なくとも1種含む化合物、フッ素ドープ酸化錫、もしくはITOのうちのいずれかからなる、請求項1〜8のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。
- 2個以上の前記光電変換素子の外周部であって、
前記第1絶縁性基板と前記第2絶縁性基板との間に、外周封止層が形成される、請求項1〜9のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。 - 前記セル間絶縁部は、少なくともセル間封止部を含む、請求項1〜10のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。
- 前記セル間絶縁部は、セル間絶縁体およびセル間封止部からなる、請求項1〜11のいずれかに記載の湿式太陽電池モジュール。
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