JP5397676B2 - Dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、光透過性を有する光極用導電層の一側面に、受光に伴って電子を放出する色素が担持されたN型半導体からなる光極層と、前記光極層に対して間隔を隔てて対向する導電性を備えた対極層と、前記光極層と前記対極層との間に封入された電解質層とを積層してあるセルの複数が、電気的に互いに接続されている色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a photoelectrode layer made of an N-type semiconductor carrying a dye that emits electrons upon receiving light on one side surface of a light-transmitting photoelectrode conductive layer, and spaced from the photoelectrode layer. A plurality of cells in which a counter electrode layer having conductivity facing each other and an electrolyte layer sealed between the photoelectrode layer and the counter electrode layer are stacked are electrically connected to each other. The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
上記色素増感型太陽電池は、従来、出力電圧を大きくするために複数のセルが電気的に互いに直列に接続され、液状の電解質(以下、電解液という)が光極層と対極層との間に封入されている(例えば、特許文献1参照。)。
セルどうしが直列に接続されているので、隣り合うセルの電解液どうしが短絡して電解質中に存在するレドックス対(主にヨウ素・トリヨウ素イオンが用いられる)が偏析してしまうと発電機能が低下し、そのまま使用し続けるとそのレドックス対が偏析した部分のセルが壊れ、ついには直列接続されているすべてのセルの発電機能が失われることになる。
このために、隣り合うセルの電解液どうしが短絡しないように、セルどうしの間にシール壁を接着して確実に隔離しておく必要がある。
しかしながら、電解液どうしを隔離するシール壁は発電機能には直接寄与しないので、セルの設置スペースをできるだけ大きく確保できるように、薄肉のシール壁を接着することが求められる。
したがって、直射日光に曝される使用環境下ではシール壁の接着性能が低下し易く、太陽電池の耐久性を確保し難い欠点がある。
さらに、直列接続されたセルの一部が長期使用により劣化したり、部分影になったりするなどにより発電能力が低下した場合には、そのセルの電位極性が逆転してしまう現象が生じることが明らかになっている。セルの電位極性が逆転した状態で長期使用するとセルが選択的に故障して電気が流れなくなり、太陽電池全体の機能が損なわれるおそれがある。
In the dye-sensitized solar cell, conventionally, in order to increase the output voltage, a plurality of cells are electrically connected in series with each other, and a liquid electrolyte (hereinafter referred to as an electrolytic solution) is composed of a photoelectrode layer and a counter electrode layer. It is enclosed between (see, for example, Patent Document 1).
Since the cells are connected in series, if the redox couples (mainly iodine and triiodine ions) in the electrolyte are segregated due to short circuit between the electrolytes of adjacent cells, the power generation function is activated. If it continues to be used as it is, the portion of the cell where the redox pair segregates will break, and eventually the power generation function of all the cells connected in series will be lost.
For this reason, it is necessary to securely isolate the cells by adhering a seal wall between the cells so that the electrolytes of adjacent cells do not short-circuit.
However, since the seal wall that separates the electrolytes does not directly contribute to the power generation function, it is required to bond the thin seal wall so as to ensure as much space as possible for installing the cells.
Therefore, there is a drawback in that the adhesion performance of the seal wall is likely to deteriorate under the usage environment exposed to direct sunlight, and it is difficult to ensure the durability of the solar cell.
In addition, if the power generation capacity is reduced due to deterioration of some of the cells connected in series due to long-term use or partial shadows, the potential polarity of the cells may be reversed. It has become clear. If the cell is used for a long time in a state where the potential polarity of the cell is reversed, the cell may selectively fail and the electricity will not flow, and the function of the entire solar cell may be impaired.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、耐久性を確保し易く、セルの設置スペースも大きく確保し易い色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell in which durability is easily ensured and a cell installation space is easily secured.
本発明の第1特徴構成は、光透過性を有する光極用導電層の一側面に、受光に伴って電子を放出する色素が担持されたN型半導体からなる光極層と、前記光極層に対して間隔を隔てて対向する導電性を備えた対極層と、前記光極層と前記対極層との間に封入された電解質層とを積層してあるセルの複数が、前記光極用導電層の夫々を光透過性を有する共通の基板の一側面に並設して、電気的に互いに並列に接続され、前記光極用導電層が前記セルの一側縁側において前記光極層よりも長く前記セルの並設方向に延設され、前記対極層の一側部に電気的に導通する対極用導電層が、前記セルの他側縁側に沿って設けられ、前記光極用導電層の延設部分と前記対極用導電層との夫々に、これらの導電層に電気的に導通する集電部材が積層されている点にある。 According to a first characteristic configuration of the present invention, there is provided a photoelectrode layer made of an N-type semiconductor in which a dye that emits electrons upon receiving light is supported on one side surface of a light-transmitting photoconductive layer, and the photoelectrode A plurality of cells in which a counter electrode layer having conductivity facing the layer with a gap therebetween and an electrolyte layer sealed between the photoelectrode layer and the counter electrode layer are stacked, and juxtaposed respective use conductive layer on one side of the common substrate having optical transparency, electrically connected in parallel to each other, the light electrode layer the optical electrode conductive layer is at a side edge of the cell A conductive layer for a counter electrode that extends in the parallel arrangement direction of the cells and is electrically connected to one side of the counter electrode layer, and is provided along the other side edge of the cell. to each of the extended portion and the counter electrode conductive layer of the layer, Tei collector member electrically conductive to these conductive layers are laminated There is a point.
本構成の色素増感型太陽電池であれば、セルの複数が、光極用導電層の夫々を光透過性を有する共通の基板の一側面に並設して、電気的に互いに並列に接続されているので、隣り合うセルの電解液どうしの短絡を考慮する必要がなくなり、隣り合うセルの電解液どうしを隔離するシール壁が不要になる。
また、セルの一部が長期使用により劣化したり、部分影になったりするなどにより発電能力が低下した場合でも電気を流すことができるので、太陽電池全体の機能が損なわれるおそれが少ない。
よって、耐久性を確保し易く、セルの設置スペースも大きく確保し易い。
In the case of the dye-sensitized solar cell of this configuration, a plurality of cells are electrically connected in parallel by arranging each of the photoelectrode conductive layers in parallel on one side of a common substrate having optical transparency. Therefore, it is not necessary to consider a short circuit between the electrolytes of adjacent cells, and a seal wall that separates the electrolytes of adjacent cells is not necessary.
In addition, since electricity can flow even when the power generation capacity is reduced due to a part of the cell being deteriorated by long-term use or being partially shaded, the function of the entire solar cell is less likely to be impaired.
Therefore, it is easy to ensure durability, and it is easy to ensure a large cell installation space.
また、本構成であれば、光極層が、セルの一側縁側において、光極用導電層の延設部分を介して集電部材に電気的に導通し、対極層が、セルの他側縁側において、対極用導電層を介して集電部材に電気的に導通する。
したがって、光極層と、その光極層に電気的に導通する集電部材との距離を短縮して、光極層と集電部材との間に介在する光極用導電層による電圧降下を抑制することができる。
また、対極層と、その対極層に電気的に導通する集電部材との距離を短縮して、対極層と集電部材との間に介在する対極用導電層による電圧降下を抑制することができる。よって、抵抗損失を軽減できる。
Further, according to this configuration, the photoelectrode layer is electrically connected to the current collecting member through the extending portion of the photoelectrode conductive layer on one side edge side of the cell, and the counter electrode layer is connected to the other side of the cell. On the edge side, the current collecting member is electrically connected via the conductive layer for the counter electrode.
Therefore, the distance between the photoelectrode layer and the current collecting member electrically connected to the photoelectrode layer is shortened, and the voltage drop due to the photoelectrode conductive layer interposed between the photoelectrode layer and the current collecting member is reduced. Can be suppressed.
In addition, the distance between the counter electrode layer and the current collecting member that is electrically connected to the counter electrode layer can be shortened to suppress a voltage drop due to the counter electrode conductive layer interposed between the counter electrode layer and the current collecting member. it can. Therefore, resistance loss can be reduced.
本発明の第2特徴構成は、前記延設部分に積層した光極用集電部材どうしが、前記基板の一側辺に沿って積層した光極用接続集電部材で櫛歯状に接続され、前記対極用導電層に積層した対極用集電部材どうしが、前記基板の他側辺に沿って積層した対極用接続集電部材で櫛歯状に接続されている点にある。 According to the second characteristic configuration of the present invention, the current collecting members for the photoelectrodes laminated on the extending portion are connected in a comb-like shape by the current collecting members for photoelectrodes laminated along one side of the substrate. The counter electrode current collecting members laminated on the counter electrode conductive layer are connected in a comb-tooth shape by the counter electrode connecting current collecting members laminated along the other side of the substrate.
本構成であれば、多数の光極用集電部材と多数の対極用集電部材とを、隣り合う光極用集電部材の間に対極用集電部材を入り込ませてコンパクトに配置しながら、セルどうしを基板の側辺に沿ってコンパクトに接続できる。 With this configuration, a large number of current collecting members for a photoelectrode and a large number of current collecting members for a counter electrode are arranged in a compact manner by inserting a current collecting member for a counter electrode between adjacent current collecting members for a light electrode. The cells can be connected compactly along the sides of the substrate.
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明による色素増感型太陽電池の横断面図を示し、図2はその平面図を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to the present invention, and FIG. 2 shows a plan view thereof.
色素増感型太陽電池は、10個の細長い矩形セル1を備えている。
10個の矩形セル1は、長辺側どうしを互いに隣り合わせて、光透過性を有する共通の矩形ガラス基板2(厚さ1.1mm)の一側面に並設して、電気的に互いに並列に接続され、後述する光極用集電部材12に接続した接続端子21aと、後述する対極用集電部材13に接続した接続端子21bとを設けてある。
The dye-sensitized solar cell includes ten elongated
Ten
矩形セル1の夫々は、図1に示すように、光透過性を有する光極用導電層3の一側面に、光極層4と、光極層4に対して間隔を隔てて対向する導電性を備えた多孔質の対極層5と、光極層4と対極層5との間に封入された電解質層6と、対極層5に電気的に導通する対極用導電層7と、矩形セル1を対極層5の側から密封被覆する被覆層8とを積層して構成してある。
As shown in FIG. 1, each of the
矩形セル1は、隣り合う2個の組合せを一つのユニット9にして、ガラス基板2の一側面に並設してある。各ユニット9においては、2個の矩形セル1の対極用導電層7どうしを一連に設けてある。各ユニット9における2個の矩形セル1は、対極用導電層7を挟んで左右対称に配置してある。
The
隣り合うユニット9において、一方のユニット9における矩形セル1の光極用導電層3と、他方のユニット9における矩形セル1の光極用導電層3どうしを一連に設けてある。
In adjacent units 9, the photoelectrode
光極用導電層3と対極用導電層7はガラス基板2の一側面に並設してある。これらの導電層3,7どうしは、ガラス基板2の一側面に積層したフッ素ドープ酸化スズの薄膜(厚さ0.5μm)を一連の絶縁溝10で分離して互いに絶縁状態で設けてある。
The photoelectrode
図3に示すように、各光極用導電層3は、ガラス基板2のセル並設方向に沿う一側辺に沿って積層した光極用接続導電層3aで互いに繋がる櫛歯状に配置されている。各対極用導電層7は、ガラス基板2のセル並設方向に沿う他側辺に沿って積層した対極用接続導電層7aで互いに繋がる櫛歯状に配置されている。
As shown in FIG. 3, each photoelectrode
光極用導電層3は、隣り合う矩形セル1どうしの間の一側縁側、および、セル並設方向の両端部に配置した矩形セル1の長手方向に沿う一側縁側において、光極層4よりも長く矩形セル1の並設方向に延設してあり、その延設部分11の夫々に、光極用導電層3に電気的に導通する光極用集電部材12を積層してある。
The photoelectrode
光極用集電部材12どうしは、図4に示すように、光極用接続導電層3aに積層した光極用接続集電部材12aで櫛歯状に互いに接続されている。
As shown in FIG. 4, the photoelectrode
対極用導電層7は、矩形セル1の両側縁のうちの、光極用導電層3の延設部分11が存在する一側縁側とは逆の他側縁側に沿って、隣り合う光極用導電層3の間に位置させて設けてある。この対極用導電層7は対極層5の一側部に電気的に導通している。
The counter electrode
対極用導電層7の夫々に、対極用導電層7に電気的に導通する対極用集電部材13を積層してある。対極用集電部材13どうしは、図4に示すように、対極用接続導電層7aに積層した対極用接続集電部材13aで櫛歯状に接続されている。
A counter electrode
したがって、各矩形セル1の光極層4どうしが光極用集電部材12と光極用接続集電部材12aとで電気的に互いに接続され、各矩形セル1の対極層5どうしが対極用集電部材13と対極用接続集電部材13aとで電気的に互いに接続されているので、10個の矩形セル1どうしは電気的に互いに並列に接続されている。
Therefore, the
色素増感型太陽電池の製造方法を工程順に説明する。
ガラス基板2にフッ素ドープ酸化スズの薄膜を積層した後、その薄膜をYAGレーザによるスクライビングで1μm幅でジグザグの線に沿って除去して一連の絶縁用の溝10を形成し、図3に示すように、櫛歯状に接続された光極用導電層3と光極用接続導電層3a、及び、櫛歯状に接続された対極用導電層7と対極用接続導電層7aとを、光極用導電層3と対極用導電層7とが交互に配置されるように設ける。
The manufacturing method of a dye-sensitized solar cell is demonstrated in order of a process.
After laminating a fluorine-doped tin oxide thin film on the
次に、図4に示すように、光極用集電部材12と光極用接続集電部材12a、及び、対極用集電部材13と対極用接続集電部材13aを積層する。
光極用集電部材12と光極用接続集電部材12aは、光極用導電層3と光極用接続導電層3aとに亘って焼付け型の銀ペーストを櫛歯状のパターンでスクリーン印刷した後、500℃にて焼成して設ける。
対極用集電部材13と対極用接続集電部材13aは、対極用導電層7と対極用接続導電層7aとに亘って焼付け型の銀ペーストを櫛歯状のパターンでスクリーン印刷した後、500℃にて焼成して設ける。
Next, as shown in FIG. 4, the photoelectrode
The photoelectrode
The counter electrode
この後、光極用集電部材12と対極用集電部材13の夫々が電解液との接触で腐蝕しないようように、図5に示すように、これらの集電部材12,13を防食用コーティング層14で被覆する。
After that, as shown in FIG. 5, the
防食用コーティング材料としては、スクリーン印刷が可能な低融点ガラスペースト,エポキシ樹脂,ポリイソブチレン樹脂などの接着剤ペーストなどが使用できる。
本実施形態では低融点ガラスペーストを使用して、光極用集電部材12と対極用集電部材13とを所定のパターンで覆うようにスクリーン印刷した後、500℃で焼成して、防食用コーティング層14を設ける。
As the anticorrosion coating material, an adhesive paste such as a low-melting glass paste capable of screen printing, an epoxy resin, or a polyisobutylene resin can be used.
In this embodiment, a low-melting glass paste is used to screen-protect the photoelectrode
次に、図6に示すように、光極用導電層3に光極層4を積層する。
この段階の光極層4は、多孔質のN型半導体(酸化チタン)である。
Next, as shown in FIG. 6, the
The
N型半導体(光極層)4は、平均粒子径が25nm以下の酸化チタンを分散し、セルロース系バインダを混合した後、ブチルカルビトール等溶媒置換しながら混合し、最終的に酸化チタン固形分濃度が16wt%になるように調合したペーストを光極用導電層3にスクリーン印刷した後、乾燥し、450℃で焼成して形成する。
The N-type semiconductor (photoelectrode layer) 4 is obtained by dispersing titanium oxide having an average particle diameter of 25 nm or less, mixing a cellulose-based binder, and then mixing while replacing with a solvent such as butyl carbitol. A paste prepared so as to have a concentration of 16 wt% is screen-printed on the photoelectrode
次に、電解質層6を設けるために、図7に示すように、光極層4に多孔質のセパレータ層(平均厚さ5μm)15を積層する。
Next, in order to provide the
セパレータ層15は、ルチル100%の酸化チタン平均粒子径が250nmより大きな粒子と平均粒子径20nmの酸化ジルコニウムを分散し、セルロース系バインダを混合した後、ブチルカルビトール等溶媒置換しながら混合し、最終的に酸化チタン、酸化ジルコニウム固形分濃度が15wt%になるように調合したペーストを光極層4にスクリーン印刷した後、乾燥し、450℃で焼成して形成する。
セパレータ層15は、光極層4と対極層5とが直接に接触することを避けるために、断面形状をL字状に形成し、その一端を絶縁溝10に入り込ませてガラス基板2に接触させてある。
電解質層6は、後述するように、セパレータ層15に電解液16を含浸させて設ける。
The
As will be described later, the
次に、図8に示すように、セパレータ層15に対極層(厚さ50〜60μm)5を積層する。対極層5は、断面形状をセパレータ層15に沿ったL字状に形成して、その一側部を対極用導電層7に接触させて電気的に接続してある。
Next, as shown in FIG. 8, a counter electrode layer (thickness: 50 to 60 μm) 5 is laminated on the
対極層5は、比表面積800m2/g以上のカーボンブラック、平均粒子径5 μmのグラファイト、平均1次粒子径6nmの酸化チタンを1:5:1の比率とし、セルロース系バインダを混合した後、ブチルカルビトール等、溶媒置換しながら混合し、最終的に固形分濃度が30wt%になるように調合したペーストをセパレータ層15にスクリーン印刷した後、乾燥し、450℃で焼成して形成する。
The
次に、対極層5まで積層したガラス基板2をルテニウム錯体のエタノール溶液に所定時間(24時間)浸漬することにより、N型半導体4にルテニウム錯体を吸着させる。
Next, the ruthenium complex is adsorbed to the N-
次に、図9に示すように、被覆層8を設ける。
被覆層8は、光極用接続導電層3a及び対極用導電層7におけるガラス基板2の外周部に沿った露出部にシール層17を熱融着し、そのシール層17に矩形コア1を覆う熱融着シート18を熱融着して設けてある。
シール層17や熱融着シート18としては、アイオノマーのSurlyn(商標名:デュポン製)を使用する。
Next, as shown in FIG. 9, a
The
As the
次に、熱融着シート18に形成してある電解液注入口19から電解液16を注入して、電解液16をセパレータ層15に含浸させた電解質層6を設けた後、電解液注入口19をガラス板20で封止することにより、図1,図2に示した色素増感型太陽電池を完成させる。
Next, the
電解液16は、3-メトキシプロピオニトリルに、0.05mol/Lのヨウ素と0.05mol/Lのリチウムヨウ素と0.05mol/Lの4-t-ブチルピリジンを溶解したものである。
The
〔その他の実施形態〕
上記実施形態の色素増感型太陽電池では、2個の矩形セルを対極用導電層を挟んで左右対称に配置して並設したものを示したが、隣り合う矩形セルを互いに同じ一定姿勢で並設してあってもよい。
[Other Embodiments]
In the dye-sensitized solar cell of the above-described embodiment, two rectangular cells are arranged side by side symmetrically across the conductive layer for the counter electrode, but adjacent rectangular cells are arranged in the same fixed posture. It may be juxtaposed.
1 セル
2 基板
3 光極用導電層
4 光極層
5 対極層
6 電解質層
7 対極用導電層
11 光極用導電層の延設部分
12 集電部材(光極用集電部材)
12a 光極用接続集電部材
13 集電部材(対極用集電部材)
13a 対極用接続集電部材
1
12a Photoelectrode connection current collecting
13a Counter electrode connection current collector
Claims (2)
前記光極用導電層が前記セルの一側縁側において前記光極層よりも長く前記セルの並設方向に延設され、
前記対極層の一側部に電気的に導通する対極用導電層が、前記セルの他側縁側に沿って設けられ、
前記光極用導電層の延設部分と前記対極用導電層との夫々に、これらの導電層に電気的に導通する集電部材が積層されている色素増感型太陽電池。 A photoelectrode layer made of an N-type semiconductor carrying a dye that emits electrons upon receiving light is disposed on one side surface of a photoconductive conductive layer for light transmission, and is opposed to the photoelectrode layer with a gap. A plurality of cells in which a counter electrode layer having electrical conductivity and an electrolyte layer sealed between the photoelectrode layer and the counter electrode layer are stacked are light-transmitting each of the photoelectrode conductive layers. Are arranged in parallel on one side of a common substrate and electrically connected in parallel to each other ,
The conductive layer for the photoelectrode is extended in the side-by-side direction of the cells longer than the photoelectrode layer on one side edge of the cell,
A conductive layer for a counter electrode electrically conducting to one side of the counter electrode layer is provided along the other side edge of the cell;
A dye-sensitized solar cell in which a current collecting member that is electrically connected to the conductive layer is laminated on each of the extended portion of the photoelectrode conductive layer and the counter electrode conductive layer .
前記対極用導電層に積層した対極用集電部材どうしが、前記基板の他側辺に沿って積層した対極用接続集電部材で櫛歯状に接続されている請求項1記載の色素増感型太陽電池。 The current collecting members for the photoelectrodes laminated on the extending part are connected in a comb-like shape with the current collecting members for photoelectrodes laminated along one side of the substrate,
Counter current collector members each other laminated to the conductive layer for the counter electrode, the dye-sensitized according to claim 1, characterized in that connected to the comb-shaped connection current collector for the counter electrode was stacked along the other side of the substrate Type solar cell.
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