JP5465783B2 - 色素増感太陽電池用電極及びその製造方法、並びに色素増感太陽電池 - Google Patents

色素増感太陽電池用電極及びその製造方法、並びに色素増感太陽電池 Download PDF

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Description

本発明は、色素増感太陽電池用電極及びその製造方法、並びに、色素増感太陽電池に関する。
光電変換素子として、安価で、高い光電変換効率が得られることから色素増感太陽電池が注目されており、色素増感太陽電池に関して種々の開発が行われている。
色素増感太陽電池は一般に、作用極と、対極と、作用極に担持される光増感色素と、作用極と対極とを連結する封止部と、作用極、対極及び封止部によって包囲される空間(セル空間)に配置される電解質とを備えている。
ここで、作用極は、多孔質酸化物半導体層で得られた電気を効率よく外部に引き出すため、透明導電膜上に集電配線を有するのが一般的である。さらに電解質による集電配線の腐食を防止するため、集電配線が配線保護層で被覆されるのが一般的である。
このような色素増感太陽電池として、集電配線を複数の低融点ガラス層の積層体及びポリイミドなどの絶縁樹脂層で順次被覆することにより、十分な配線保護機能を有するものが提案されている(下記特許文献1)。
国際公開第2009/069551号
しかし、上述した特許文献1に記載の色素増感太陽電池であっても、電解質による集電配線の腐食を抑制する点においていまだ改善の余地があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電解質による集電配線の腐食を十分に抑制できる色素増感太陽電池用電極及びその製造方法、並びに色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題が生じる原因について鋭意検討した。その結果、その原因が、集電配線を複数の低融点ガラス層で順次被覆する際に、以下の現象が生じていることにあるのではないかと本発明者らは考えた。即ち2層目以降の低融点ガラス層を形成する際に、直前に形成した低融点ガラス層が溶融し、その直前に形成した低融点ガラス層中のボイドやクラックが、形成中の低融点ガラス層中のボイドやクラックと結合して複数の低融点ガラス層を貫通するボイドやクラックに成長するためではないかと本発明者らは考えた。その結果、絶縁樹脂層を透過してきた電解質がボイドやクラックを経て集電配線にまで達し、集電配線が腐食されるのではないかと本発明者らは考えた。そこで、本発明者らはさらに鋭意研究を重ねた結果、以下の発明により上記課題を解決し得ることを見出した。
即ち本発明は、導電性基板上に集電配線を設ける第1工程と、前記集電配線に、複数の熱可塑性配線保護層を、集電配線から遠ざかるにつれて軟化点が低くなるように且つ前記集電配線から2層目以降の前記熱可塑性配線保護層を、直前に形成した前記熱可塑性配線保護層の軟化点未満の熱処理温度で熱処理して順次形成することによって色素増感太陽電池用電極を製造する第2工程とを含む色素増感太陽電池用電極の製造方法である。
この色素増感太陽電池用電極の製造方法によれば、複数の熱可塑性配線保護層のうち集電配線から2層目以降の熱可塑性配線保護層を形成する際に、直前に形成した熱可塑性配線保護層の軟化点未満の熱処理温度で形成することで、直前に形成した熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックが移動して、形成しようとする熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックと結合することを阻止することができる。このため、複数の熱可塑性配線保護層を貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制される。その結果、本発明の電極を色素増感太陽電池の電極に用いた場合に、ボイドやクラックを経て侵入する電解質による集電配線の腐食を十分に抑制することが可能な電極を製造することが可能となる。
また本発明は、上述した色素増感太陽電池用電極の製造方法によって得られる色素増感太陽電池用電極である。
この色素増感太陽電池用電極によれば、複数の熱可塑性配線保護層のうち集電配線から2層目以降の熱可塑性配線保護層を形成する際に、直前に形成した熱可塑性配線保護層の軟化点未満の熱処理温度で熱処理することで、直前に形成した熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックが移動して、形成しようとする熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックと結合することを阻止することができる。このため、複数の熱可塑性配線保護層を貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制される。その結果、本発明の色素増感太陽電池用電極を、色素増感太陽電池の電極として用いる場合に、ボイドやクラックを経て侵入する電解質による集電配線の腐食を十分に抑制することが可能となる。
また本発明は、導電性基板と、前記導電性基板上に設けられた集電配線と、前記集電配線の上に設けられる複数の熱可塑性配線保護層とを備え、前記複数の熱可塑性配線保護層では、前記熱可塑性配線保護層の軟化点が、前記集電配線から遠ざかるにつれて低くなっている、色素増感太陽電池用電極である。
この色素増感太陽電池用電極によれば、複数の熱可塑性配線保護層では、熱可塑性配線保護層の軟化点が、集電配線から遠ざかるにつれて低くなっている。即ち複数の熱可塑性配線保護層は互いに異なる軟化点を有する。このため、隣接する熱可塑性配線保護層の間には界面が存在する。このため、隣接する熱可塑性配線保護層の片方にボイドやクラックが生じても、界面でボイドやクラックが途切れることが可能となる。即ちそのボイドやクラックが、隣接する熱可塑性配線保護層まで延長して形成されることを阻止することが可能となる。その結果、複数の熱可塑性配線保護層を貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制される。また本発明の電極を用いた色素増感太陽電池の製造中や製造後において、電極が高温環境下に置かれても(例えば封止部を形成する際でも)、集電配線から遠い側の熱可塑性配線保護層の方がより低い軟化点を有するため、まずその軟化点の低い熱可塑性配線保護層で熱が吸収され、集電配線に近い側の熱可塑性配線保護層まで熱が届きにくくなる。このため、集電配線により近い側の熱可塑性配線保護層まで軟化することを十分に抑制することができる。従って、複数の熱可塑性配線保護層中にボイドやクラックが形成されていたとしても、それらが結合して複数の熱可塑性保護層を貫通して形成されることを十分に抑制できる。よって、本発明の電極を、色素増感太陽電池の電極として用い、電極の熱可塑性配線保護層が電解質と接触しても、そのボイドやクラックを経て侵入する電解質による集電配線の腐食を十分に抑制することが可能となる。
前記複数の熱可塑性配線保護層が、主成分が同一の材料で構成される熱可塑性配線保護層を少なくとも2層有し、これら熱可塑性配線保護層が互いに隣り合っていることが好ましい。
この場合、隣り合う熱可塑性配線保護層中の主成分が同一であるため、隣り合う熱可塑性配線保護層同士間の密着性が増し、熱可塑性配線保護層同士間に空隙が生じることを十分に抑制でき、この空隙が、隣り合う熱可塑性配線保護層の各々に形成されるボイドやクラックを結びつけ、複数の熱可塑性配線保護層にまたがる電解質の侵入経路を形成することをより十分に抑制することができる。
具体的には、前記複数の熱可塑性配線保護層は、主成分がガラス成分で構成される熱可塑性配線保護層を少なくとも2層有し、これら熱可塑性配線保護層が互いに隣り合っている前記主成分はガラス成分であり、前記熱可塑性配線保護層はガラスフリット保護層である。
また上記電極は、複数の熱可塑性配線保護層を被覆する絶縁性樹脂層を更に備えていてもよく、上記電極の製造方法では、上記第2工程が、複数の熱可塑性配線保護層を形成した後、前記複数の熱可塑性配線保護層を絶縁性樹脂層で被覆して前記電極を形成する工程を含んでいてもよい。
この場合、複数の熱可塑性配線保護層がガラス成分を主成分として含むガラスフリット保護層を有する場合でも、絶縁性樹脂層によって、対向する電極の表面に傷がつけられることが十分に抑制される。
上記電極の製造方法及び上記電極においては、前記集電配線から1層目の前記熱可塑性配線保護層の軟化点が420〜590℃であることが好ましい。
この場合、1層目の熱可塑性配線保護層の軟化点が上記範囲内にあると、上記範囲を外れる場合に比べて、2層目以降の熱可塑性配線保護層を形成する際に1層目の熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックが2層目以降の熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックと結合することがより十分に抑制され、電解質による集電配線の腐食がより十分に抑制される。
上記電極の製造方法及び上記電極においては、隣り合う前記熱可塑性配線保護層同士間の軟化点の差が10〜100℃であることが好ましい。この場合、隣り合う熱可塑性配線保護層同士間の軟化点の差が上記範囲を外れる場合に比べて、2層目以降の熱可塑性配線保護層を形成する際に1層目の熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックが2層目以降の熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックと結合することがより十分に抑制され、電解質による集電配線の腐食がより十分に抑制される。
また本発明は、一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられる電解質と、前記一対の電極の一方が、上述した色素増感太陽電池用電極である色素増感太陽電池である。
上記電極によれば、複数の熱可塑性配線保護層を貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制される。このため、この電極を一対の電極の一方として有する色素増感太陽電池によれば、ボイドやクラックを経て侵入する電解質による集電配線の腐食が十分に抑制され、色素増感太陽電池で発生した電気の引出しを効率よく行うことができる。
なお、本発明において、「熱処理」とは、熱可塑性配線保護層がガラス成分を主成分として含むガラスフリット層である場合には「焼成」を意味するものとし、熱可塑性配線保護層が熱可塑性樹脂である場合には「溶融」を意味するものとする。また「熱処理温度」とは、熱処理を行っている間の温度の平均値を意味するものとし、具体的には熱処理の対象となる熱可塑性配線保護層又はその前駆体に設置した熱電対の温度を1分おきに測定して得た測定値を平均した値を意味する。
また本発明において、「主成分」とは、熱可塑性配線保護層中に50質量%以上の割合で含まれる成分を言うものとする。
また軟化点とは、DSCを用い、昇温速度5℃/minで測定した軟化点を言うものとする。
本発明によれば、電解質による集電配線の腐食を十分に抑制できる色素増感太陽電池用電極及びその製造方法、並びに色素増感太陽電池が提供される。
本発明に係る色素増感太陽電池の一実施形態を示す部分断面図である。 図1の作用極を示す部分断面図である。 図1の作用極の製造方法の一工程を示す図である。 図1の作用極の製造方法の一工程を示す図である。 図1の作用極の製造方法の一工程を示す図である。 図1の作用極の製造方法の一工程を示す図である。 図1の作用極の製造方法の一工程を示す図である。 図1の作用極の製造方法の一工程を示す図である。 図1の作用極の変形例を示す部分断面図である。
以下、本発明に係る色素増感太陽電池の実施形態について図面を用いて説明する。図1は本発明に係る色素増感太陽電池の一実施形態を示す部分断面図、図2は、図1の作用極を示す部分断面図である。
図1に示すように、色素増感太陽電池100は、作用極20と、作用極20に対向するように配置される対極2とを備えている。作用極20には光増感色素が担持されている。作用極20と対極2とは封止部(図示せず)によって連結されている。そして、作用極20と対極2と封止部とによって包囲されるセル空間内には電解質3が充填されている。
図2に示すように、作用極20は、導電性基板12と、導電性基板12の上に設けられる多孔質酸化物半導体層8と、多孔質酸化物半導体層8を包囲するように設けられる配線部11とを備えている。導電性基板12は、透明基板6と、透明基板6の対極2側に多孔質酸化物半導体層8と接触するように設けられる透明導電膜7とを備えている。配線部11は、透明導電膜7上に多孔質酸化物半導体層8を包囲するように設けられる集電配線5と、集電配線5を被覆する配線保護層4とを備えている。ここで、配線保護層4は、複数の熱可塑性配線保護層4a,4b,4cで構成されている。熱可塑性配線保護層4a〜4cは、集電配線5から遠ざかるにつれて軟化点が低くなるように形成されている。即ち、複数の熱可塑性配線保護層4a〜4cのうち熱可塑性配線保護層4aの軟化点が最も高く、熱可塑性配線保護層4cの軟化点が最も低くなっている。そして、熱可塑性配線保護層4bは、熱可塑性配線保護層4aの軟化点と熱可塑性配線保護層4cの軟化点との中間の軟化点を有する。本実施形態では、熱可塑性配線保護層4a〜4cはそれぞれ、ガラスを主成分として有するガラスフリット保護層となっている。本実施形態では、熱可塑性配線保護層4cが配線保護層4の最外層であり、電解質3と接触している。
光増感色素は作用極20のうちの多孔質酸化物半導体層8に担持されている。また図1に示すように、対極2は、対極基板9と、対極基板9のうち作用極20側に設けられて対極2の表面における還元反応を促進する導電性の触媒層10とを備えている。
封止部は、作用極20と対極2とを連結している。封止部は作用極20の多孔質酸化物半導体層8側の表面上、即ち透明導電膜7の表面上に固定されると共に、対極2の触媒層10の表面上に固定されている。
色素増感太陽電池100によれば、熱可塑性配線保護層4a、4b、4cでは、熱可塑性配線保護層の軟化点が、集電配線5から遠ざかるにつれて低くなっている。即ち熱可塑性配線保護層4a、4b、4cは互いに異なる軟化点を有する。このため、隣接する熱可塑性配線保護層の間には界面が存在する。このため、例えば隣接する熱可塑性配線保護層4a、4bの片方の熱可塑性配線保護層4aにボイドやクラックが生じても、隣接する熱可塑性配線保護層4a、4bの界面でボイドやクラックが途切れることが可能となる。即ち熱可塑性配線保護層4aにおけるボイドやクラックが、隣接する熱可塑性配線保護層4bまで延長して形成されることを阻止することが可能となる。その結果、熱可塑性配線保護層4a〜4cを貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制される。また色素増感太陽電池100では集電配線5から遠い側の熱可塑性配線保護層の方がより低い軟化点を有する。このため、色素増感太陽電池100が高温環境下に置かれることで作用極20が高温環境下に置かれても、まずその軟化点の低い熱可塑性配線保護層で熱が吸収され、集電配線5に近い側の熱可塑性配線保護層まで熱が届きにくくなる。このため、集電配線5により近い側の熱可塑性配線保護層まで軟化することを十分に抑制することができる。従って、熱可塑性配線保護層4a,4b,4cの各々にボイドやクラックが形成されていたとしても、それらが結合して熱可塑性保護層4a,4b,4cを貫通して形成されることを十分に抑制できる。
よって、作用極20の熱可塑性配線保護層4cが電解質3と接触しても、そのボイドやクラックを経て侵入する電解質3による集電配線5の腐食を十分に抑制することが可能となり、電気の引出しを効率よく行うことができる。
次に、上述した色素増感太陽電池100の製造方法について図3〜図8を参照しながら説明する。図3〜図8は、作用極を製造する一連の工程を示す図である。
[準備工程]
まず作用極20及び対極2を準備する。
(作用極)
作用極20は、以下のようにして得ることができる。
はじめに透明基板6の上に透明導電膜7を形成する。透明導電膜7の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、スプレー熱分解法(SPD:Spray
Pyrolysis Deposition)及びCVD法などが用いられる。これらのうちスプレー熱分解法が装置コストの点から好ましい。
透明基板6を構成する材料は、例えば透明な材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルフォン(PES)などが挙げられる。透明基板6の厚さは、色素増感太陽電池100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば50μm〜10000μmの範囲にすればよい。
透明導電膜7を構成する材料としては、例えばスズ添加酸化インジウム(Indium−Tin−Oxide:ITO)、酸化スズ(SnO)、フッ素添加酸化スズ(Fluorine−doped−Tin−Oxide:FTO)などの導電性金属酸化物が挙げられる。透明導電膜7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。透明導電膜7が単層で構成される場合、透明導電膜7は、高い耐熱性及び耐薬品性を有することから、FTOで構成されることが好ましい。また透明導電膜7として、複数の層で構成される積層体を用いることが好ましい。この場合、各層の特性を反映させることが可能となる。中でも、ITOで構成される層と、FTOで構成される層との積層体を用いることが好ましい。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膜7が実現できる。透明導電膜7の厚さは例えば0.01μm〜2μmの範囲にすればよい。
次に、透明導電膜7上に、多孔質酸化物半導体層形成用ペーストを印刷する。多孔質酸化物半導体層形成用ペーストは、酸化物半導体粒子のほか、ポリエチレングリコールなどの樹脂及び、テレピネオールなどの溶媒を含む。多孔質酸化物半導体層形成用ペーストの印刷方法としては、例えばスクリーン印刷法、ドクターブレード法、バーコート法などを用いることができる。
次に、多孔質酸化物半導体層形成用ペーストを焼成して透明導電膜7上に多孔質酸化物半導体層8を形成する(図2参照)。焼成温度は酸化物半導体粒子により異なるが、通常は140℃〜600℃であり、焼成時間も、酸化物半導体粒子により異なるが、通常は1〜5時間である。
上記酸化物半導体粒子としては、例えば酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO)、酸化ニオブ(Nb)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化スズ(SnO)、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)又はこれらの2種以上で構成される酸化物半導体粒子が挙げられる。これら酸化物半導体粒子の平均粒径は1〜1000nmであることが好ましい。この場合、色素で覆われた酸化物半導体の表面積が大きくなる。即ち光電変換を行う場が広くなる。その結果、より多くの電子を生成することができる。ここで、多孔質酸化物半導体層8が、粒度分布の異なる酸化物半導体粒子を積層させてなる積層体で構成されることが好ましい。この場合、積層体内で繰り返し光の反射を起こさせることが可能となり、入射光を積層体の外部へ逃がすことなく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8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8は、異なる材料からなる複数の半導体層の積層体で構成することもできる。
次に、図3に示すように、多孔質酸化物半導体層8を包囲するように集電配線5を形成し(第1工程)、集電配線5を配線保護層4で被覆する(第2工程)。以下、配線保護層4の形成方法について詳しく説明する。
まず上述したように、本実施形態では、熱可塑性配線保護層4aが、ガラスを主成分として有するガラスフリット保護層となっている。このため、ガラスを主成分とし、熱膨張率や粘度の調整などのため必要に応じて可塑剤やその他の添加剤を加えて得られるガラスペーストを準備する。続いて、図4に示すように、このガラスペースト4Aを、例えばスクリーン印刷法やディスペンスなどの手法により集電配線5を被覆するように塗布する。その後、上記ガラスペースト4Aを焼成する。こうして、集電配線5を被覆した熱可塑性配線保護層4aを得る(図5)。ここで、ガラス成分としては、例えばホウ酸鉛系ガラス、ホウケイ酸ビスマス塩系ガラス、アルミノリン酸塩系ガラス及びリン酸亜鉛系ガラスが挙げられる。熱可塑性配線保護層4aの軟化点は好ましくは420〜590℃であり、より好ましくは450〜550℃である。熱可塑性配線保護層4aの軟化点が上記範囲内にあると、上記範囲を外れる場合に比べて、熱可塑性配線保護層4b,4cを形成する際に熱可塑性配線保護層4a中のボイドやクラックが熱可塑性配線保護層4b,4c中のボイドやクラックと結合することがより十分に抑制され、電解質3による集電配線5の腐食がより十分に抑制される。
次に、集電配線5から2層目の熱可塑性配線保護層4bを形成する。このためにはまず、熱可塑性配線保護層4aと同様にして熱可塑性配線保護層4bを形成するためのガラスペーストを準備し、図6に示すように、このガラスペースト4Bを、例えばスクリーン印刷法やディスペンスなどの手法により熱可塑性配線保護層4aを被覆するように塗布する。その後、上記ガラスペースト4Bを焼成する。こうして、熱可塑性配線保護層4aを被覆した熱可塑性配線保護層4bを得る(図7)。ここで、上記ガラスペースト4Bに含まれるガラス成分は、熱可塑性配線保護層4aを形成したときのガラス成分と同一でも異なっていてもよいが、熱可塑性配線保護層4bは、熱可塑性配線保護層4aよりも低い軟化点を有するようにする。例えば熱可塑性配線保護層4a,4bのガラス成分が同一であり且つガラス成分が複合酸化物からなる場合、熱可塑性配線保護層4bは、複合酸化物を構成する各酸化物の配合比を調整することにより熱可塑性配線保護層4aよりも低い軟化点を有するようにすることができる。そして、ガラスペースト4Bの焼成は、直前に形成した熱可塑性配線保護層4aの軟化点未満の焼成温度で行う。このときの焼成温度は、熱可塑性配線保護層4aを形成したときの焼成温度よりも低い温度とする。ここで、ガラスペースト4Bの焼成温度と熱可塑性配線保護層4aの軟化点との差は、好ましくは5℃以上であり、より好ましくは10℃以上である。この場合、ガラスペースト4Bの焼成温度と熱可塑性配線保護層4aの軟化点との差が5℃未満である場合に比べて、熱可塑性配線保護層4aをより溶融させにくくできる。但し、ガラスペースト4Bの焼成温度と熱可塑性配線保護層4aの軟化点との差は好ましくは100℃以下であり、より好ましくは50℃以下である。
最後に、集電配線5から3層目の熱可塑性配線保護層4cを形成する。このためにはまず、熱可塑性配線保護層4bと同様にしてガラスペーストを準備する。そして、図8に示すように、このガラスペースト4Cを、例えばスクリーン印刷法やディスペンスなどの手法により熱可塑性配線保護層4bを被覆するように塗布する。その後、上記ガラスペースト4Cを焼成する。こうして、熱可塑性配線保護層4bを被覆した熱可塑性配線保護層4cを得る(図2)。ここで、上記ガラスペースト4Cに含まれるガラス成分は、熱可塑性配線保護層4bを形成したときのガラス成分と同一でも異なっていてもよいが、熱可塑性配線保護層4cは、熱可塑性配線保護層4bよりも低い軟化点を有するようにする。例えば熱可塑性配線保護層4b,4cのガラス成分が同一であり且つガラス成分が複合酸化物からなる場合、熱可塑性配線保護層4cは、複合酸化物を構成する各酸化物の配合比を調整することにより熱可塑性配線保護層4bよりも低い軟化点を有するようにすることができる。そして、ガラスペースト4Cの焼成は、直前に形成した熱可塑性配線保護層4bの軟化点未満の焼成温度で行う。この温度は、熱可塑性配線保護層4bを形成したときの焼成温度よりも低い温度とする。ここで、ガラスペースト4Cの焼成温度と熱可塑性配線保護層4bの軟化点との差は好ましくは5℃以上であり、より好ましくは10℃以上である。この場合、ガラスペースト4Cの焼成温度と熱可塑性配線保護層4bの軟化点との差が5℃未満である場合に比べて、熱可塑性配線保護層4bをより溶融させにくくできる。但し、ガラスペースト4Cの焼成温度と熱可塑性配線保護層4bの軟化点との差は好ましくは100℃以下であり、より好ましくは50℃以下である。
また隣り合う熱可塑性配線保護層同士間の軟化点の差は、好ましくは10〜100℃であり、より好ましくは20〜50℃である。この場合、隣り合う熱可塑性配線保護層同士間の軟化点の差が上記範囲を外れる場合に比べて、2層目以降の熱可塑性配線保護層4b,4cを形成する際に1層目の熱可塑性配線保護層4a中のボイドやクラックが熱可塑性配線保護層4b,4c中のボイドやクラックと結合することがより十分に抑制され、電解質3による集電配線5の腐食がより十分に抑制される。
上記のようにして複数の熱可塑性配線保護層4a〜4cのうち熱可塑性配線保護層4bを形成する際に、直前に形成した熱可塑性配線保護層4aの軟化点未満の焼成温度で熱処理するとともに、熱可塑性配線保護層4cを形成する際に、直前に形成した熱可塑性配線保護層4bの軟化点未満の焼成温度で熱処理することで、直前に形成した熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックが移動して、形成しようとする熱可塑性配線保護層中のボイドやクラックと結合することを阻止することができる。その結果、複数の熱可塑性配線保護層4a〜4cを貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制される。
また本実施形態において、熱可塑性配線保護層4a〜4cの主成分は互いに異なるガラス成分であってもよいが、少なくとも隣り合う2層の熱可塑性配線保護層が同一の主成分を含んでいることが密着性向上の点から好ましい。この場合、隣り合う熱可塑性配線保護層4a〜4c同士間の密着性が増し、熱可塑性配線保護層4a〜4c同士間に空隙が生じることを十分に抑制でき、この空隙が、隣り合う熱可塑性配線保護層4a〜4cの各々に形成されるボイドやクラックを結びつけ、複数の熱可塑性配線保護層4a〜4cにまたがる電解質3の侵入経路を形成することをより十分に抑制することもできる。
(対極)
一方、対極2は、以下のようにして得ることができる。
即ちまず対極基板9を準備する。そして、対極基板9の上に触媒層10を形成する。触媒層10の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法などが用いられる。これらのうちスパッタ法が膜の均一性の点から好ましい。
対極基板9は、例えばチタン、ニッケル、白金、モリブデン、タングステン等の耐食性の金属材料や、上述した透明基板6にITO、FTO等の導電性酸化物からなる膜を形成したものや、炭素、導電性高分子で構成される。対極基板9の厚さは、色素増感太陽電池100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば0.005mm〜0.1mmとすればよい。
触媒層10は、白金、炭素系材料又は導電性高分子などから構成される。
(封止部)
次に、作用極20上に封止部を形成する。封止部としては、酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂としては、例えば酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂、酸変性プロピレン系熱可塑性樹脂などが挙げられる。中でも酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂が好ましい。酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂は、それ以外の酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂を用いる場合に比べて、比較的融点が低い。このため、酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂として酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂を用いると、それ以外の酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂を用いる場合に比べて、作用極20又は対極2の表面への熱溶融による接着が容易となる。ここで、ポリエチレン系熱可塑性樹脂とは、エチレンを構成単位に含む熱可塑性樹脂のことを言う。
酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂としては、例えばアイオノマー、エチレン−メタクリル酸共重合体、無水マレイン酸変性ポリエチレン及びエチレンーアクリル酸共重合体が挙げられる。中でも、アイオノマー、エチレン−メタクリル酸共重合体又は無水マレイン酸変性ポリエチレンが作用極20との接着性が高い点から好ましい。なお、酸変性ポリオレフィンとは、ポリオレフィンに酸をランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合、グラフト共重合させたもの、またはこれらを金属イオンで中和したものを意味する。また、酸変性ポリエチレンとは、ポリエチレンに酸をランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合、グラフト共重合させたもの、またはこれらを金属イオンで中和したものを意味する。一例を挙げると、エチレンメタクリル酸共重合体は、エチレンとメタクリル酸とを共重合させたものであるため、酸変性ポリエチレンとなり、エチレンメタクリル酸共重合体を金属イオンで中和したアイオノマーは酸変性ポリエチレンとなる。
[色素担持工程]
次に、作用極20の多孔質酸化物半導体層8に光増感色素を担持させる。このためには、作用極20を、光増感色素を含有する溶液の中に浸漬させ、その色素を多孔質酸化物半導体層8に吸着させた後に上記溶液の溶媒成分で余分な色素を洗い流し、乾燥させることで、光増感色素を多孔質酸化物半導体層8に吸着させればよい。但し、光増感色素を含有する溶液を多孔質酸化物半導体層8に塗布した後、乾燥させることによって光増感色素を多孔質酸化物半導体多孔層8に吸着させても、光増感色素を多孔質酸化物半導体層8に担持させることが可能である。
光増感色素としては、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、ポルフィリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素が挙げられる。
[電解質配置工程]
次に、作用極20上であって封止部の内側に電解質3を配置する。電解質3は、作用極20上であって封止部の内側に注入したり、印刷したりすることによって得ることができる。
ここで、電解質3が液状である場合は、電解質3を、封止部を超えて封止部の外側に溢れるまで注入することが好ましい。この場合、封止部の内側に電解質3を十分に注入することが可能となる。また封止部と対極2とを接着するに際し、作用極20と対極2と封止部とによって囲まれるセル空間から空気を十分に排除することができ、光電変換効率を十分に向上させることができる。
電解質3は通常、電解液で構成される。この電解液は例えばI/I などの酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート又はγ−ブチロラクトンなどを用いることができる。酸化還元対としては、例えばI/I のほか、臭素/臭化物イオンなどの対が挙げられる。色素増感太陽電池100は、酸化還元対としてI/I のような揮発性溶質及び、高温下で揮発しやすいアセトニトリル、メトキシアセトニトリル又はメトキシプロピオニトリルのような有機溶媒を含む電解液を電解質として用いた場合に特に有効である。この場合、色素増感太陽電池100の周囲の環境温度の変化によりセル空間の内圧の変化が特に大きくなり、封止部と対極2との界面、および封止部と作用極20との界面から電解質3が漏洩しやすくなるからである。なお、上記揮発性溶媒にはゲル化剤を加えてもよい。また電解質3は、イオン液体と揮発性成分との混合物からなるイオン液体電解質で構成されてもよい。この場合も、色素増感太陽電池100の周囲の環境温度の変化によりセル空間の内圧の変化が大きくなる。イオン液体としては、例えばピリジニウム塩、イミダゾリウム塩又はトリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩であって、室温付近で溶融状態にある常温溶融塩が用いられる。このような常温溶融塩としては、例えば1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドが好適に用いられる。また揮発性成分としては、上記の有機溶媒や、1−メチル−3−メチルイミダゾリウムヨーダイド、LiI、I及び4−t−ブチルピリジンなどが挙げられる。さらに電解質3としては、上記イオン液体電解質にSiO、TiO、カーボンナノチューブなどのナノ粒子を混練してゲル様となった擬固体電解質であるナノコンポジットイオンゲル電解質を用いてもよく、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体又はアミノ酸誘導体などの有機系ゲル化剤を用いてゲル化したイオン液体電解質を用いてもよい。
[封止工程]
次に、大気圧下で、作用極20と対極2とを対向させる。そして、大気圧下で、封止部を加圧しながら溶融させることによって封止部と対極2とを接着させる。即ち、作用極20と対極2と封止部とによって電解質3を封止する。こうして、封止部によって作用極20と対極2とを連結させる。
このとき、封止部の加圧は通常、0.1MPa〜10MPaで行い、好ましくは1〜8MPa、より好ましくは3〜8MPaで行う。
また封止部を溶融させるときの温度は、封止部を形成する熱可塑性樹脂の融点以上であればよい。上記温度が熱可塑性樹脂の融点未満では、封止部を形成する熱可塑性樹脂が溶融しないため、封止部と対極2とを接着させて封止部を形成させることができなくなる。
但し、封止部を溶融させるときの温度は、(熱可塑性樹脂の融点+200℃)以下であることが好ましい。上記温度が(熱可塑性樹脂の融点+200℃)を超えると、封止部に含まれる熱可塑性樹脂が熱によって分解するおそれがある。
こうして色素増感太陽電池100が得られる。色素増感太陽電池100によれば、作用極20において、複数の熱可塑性配線保護層4a〜4cを貫通するボイドやクラックの形成が十分に抑制されている。このため、作用極20が電解質3と接触しても、電解質3が、熱可塑性配線保護層4a〜4cを貫通するボイドやクラックを通して侵入し集電配線5まで達することが阻止される。その結果、電解質3による集電配線5の腐食が十分に抑制され、電気の引出しを効率よく行うことができる。
また色素増感太陽電池100では集電配線5から遠い側の熱可塑性配線保護層の方が、より低い軟化点を有する。このため、作用極20が例えば封止工程の際に高温環境下に置かれても、まずその軟化点の低い熱可塑性配線保護層4cで熱が吸収され、集電配線5により近い側の熱可塑性配線保護層4a,4bにまで熱が届きにくくなる。このため、集電配線5により近い側の熱可塑性配線保護層4a,4bまでもが軟化することを十分に抑制することができる。従って、熱可塑性配線保護層4a,4b,4cの各々にボイドやクラックが形成されていたとしても、それらが結合して熱可塑性保護層4a,4b,4cを貫通することを十分に抑制できる。特に、対極2を介して熱可塑性樹脂を加熱溶融することによって配線部11の直上に封止部を形成する場合に作用極20は有用である。即ち、配線部11の直上に配置した熱可塑性樹脂を、対極2を介して加熱溶融する場合には、まず熱可塑性配線保護層4a〜4cのうち最も集電配線5から遠い位置にある熱可塑性配線保護層4cが加熱され、そこで熱が十分に吸収されることで熱可塑性配線保護層4aにまで熱が届きにくくなるためである。
よって、作用極20の熱可塑性配線保護層4cが電解質3と接触しても、そのボイドやクラックを経て侵入する電解質3による集電配線5の腐食を十分に抑制することが可能となり、電気の引出しを効率よく行うことができる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態においては、配線保護層4は3層の熱可塑性配線保護層で構成されているが、配線保護層4は2層の熱可塑性配線保護層で構成されてもよいし、4層以上の熱可塑性配線保護層で構成されてもよい。
また上記実施形態では、熱可塑性配線保護層4a〜4cが全て、ガラスを主成分とするガラスフリット保護層で構成されているが、熱可塑性配線保護層4a〜4cは熱可塑性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば熱可塑性配線保護層4a〜4cの全てを熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂層で構成したものであってもよい。
この場合も、2層目以降の熱可塑性配線保護層4b,4cを形成する際に、直前に形成した熱可塑性配線保護層の軟化点未満の熱処理温度で熱処理を行う点については上記実施形態と同様である。
ここで、熱可塑性配線保護層を構成する熱可塑性樹脂は、特に制限されるものではないが、封止部と同様、酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂としては、例えば酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂又は酸変性プロピレン系熱可塑性樹脂などが挙げられる。中でも酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂が好ましい。酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂はそれ以外の酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂を用いる場合に比べて、比較的融点が低い。このため、酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂として酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂を用いると、それ以外の酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂を用いる場合に比べて、集電配線5の表面や、直前に形成した熱可塑性配線保護層への熱溶融による接着が容易となる。ここで、ポリエチレン系熱可塑性樹脂とは、エチレンを構成単位に含む熱可塑性樹脂のことを言う。
酸変性ポリエチレン系熱可塑性樹脂としては、例えばアイオノマー、エチレン−メタクリル酸共重合体、無水マレイン酸変性ポリエチレン及びエチレンーアクリル酸共重合体が挙げられる。中でも、アイオノマー、エチレン−メタクリル酸共重合体又は無水マレイン酸変性ポリエチレンが作用極20との接着性が高い点から好ましい。なお、酸変性ポリオレフィンとは、ポリオレフィンに酸をランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合、グラフト共重合させたもの、またはこれらを金属イオンで中和したものを意味する。また、酸変性ポリエチレンとは、ポリエチレンに酸をランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合、グラフト共重合させたもの、またはこれらを金属イオンで中和したものを意味する。一例を挙げると、エチレンメタクリル酸共重合体は、エチレンとメタクリル酸とを共重合させたものであるため、酸変性ポリエチレンとなり、エチレンメタクリル酸共重合体を金属イオンで中和したアイオノマーは酸変性ポリエチレンとなる。
さらに上記実施形態では、作用極20が集電配線5を有し、その集電配線5が配線保護層4で保護されているが、対極2がいわゆるシースルー電極である場合には、対極2が、集電配線5を有し、その集電配線5が配線保護層4で保護されていてもよい。
さらにまた上記実施形態では、配線部11の配線保護層4は、3層の熱可塑性配線保護層4a〜4cで構成され、配線保護層4の最外層である熱可塑性配線保護層4cが電解質3と接触しているが、図9に示すように、配線部111は、配線保護層4の熱可塑性配線保護層4cを絶縁性樹脂層13で被覆することによって電解質3と接触しないようにしてもよい。この場合、複数の熱可塑性配線保護層4a〜4cがガラス成分を主成分として含むガラスフリット保護層を有していても、絶縁性樹脂層13によって対極2の表面に傷がつけられることが十分に抑制される。絶縁性樹脂層13としては、例えば酸変性ポリオレフィン系樹脂や、ポリイミド樹脂などを用いることができる。中でも、ポリイミド樹脂が好ましい。この場合、高温で加熱することにより、揮発した有機溶媒で多孔質酸化物半導体層8を汚染することなく絶縁性樹脂層13を形成できる。
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
はじめに、10cm×10cm×4mmのFTO基板を準備した。続いて、FTO基板の上に、ドクターブレード法によって酸化チタンペースト(Solaronix社製、Ti nanoixide T/sp)を、その厚さが10μmとなるように塗布した後、150℃で3時間焼成し、FTO基板上に多孔質酸化物半導体層を形成した。
次に、集電配線用の銀ペーストを、多孔質酸化物半導体層を包囲するように塗布し、520℃の熱処理温度で1時間焼成させ、軟化点が518℃の集電配線を得た。
次に、主成分をSiO−B−Biとするガラスペーストを準備し、このガラスペーストを、集電配線を被覆するように塗布した。次いで、このガラスペーストを、510℃の熱処理温度で1時間焼成させ、軟化点が510℃の第1熱可塑性配線保護層を得た。
次に、主成分をSiO−B−Biとするガラスペーストを、第1熱可塑性配線保護層を被覆するように塗布した。このとき用いたガラスペーストとしては、第1熱可塑性配線保護層の形成に使用したガラスペーストとはSiO、B及びBiの配合比が異なるものを使用した。次いで、このペーストを、480℃の熱処理温度で1時間焼成させ、軟化点が475℃の第2熱可塑性配線保護層を得た。
次に、主成分をSiO−B−Biとするガラスペーストを、第2熱可塑性配線保護層を被覆するように塗布した。このとき用いたガラスペーストとしては、第1及び第2熱可塑性配線保護層の形成に使用したガラスペーストとはSiO、B及びBiの配合比が異なるものを使用した。次いで、このガラスペーストを、450℃の熱処理温度で1時間焼成させ、軟化点が440℃の第3熱可塑性配線保護層を得た。こうして作用極を作製した。なお、上記熱処理温度は、熱処理中の温度の平均値であり、熱処理の対象となるペーストに設置した熱電対の温度を1分おきに測定して得た測定値を平均した値である。
(実施例2)
第3熱可塑性配線保護層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして作用極を作製した。従って、第1熱可塑性配線保護層及び第2熱可塑性配線保護層の熱処理温度及び軟化点は、表1に示す通り、実施例1と同様である。
(実施例3〜12)
第1〜第2熱可塑性配線保護層の軟化点、及び、第1〜第2熱可塑性配線保護層の形成時の熱処理温度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例2と同様にして作用極を作製した。
(実施例13)
第1〜第2熱可塑性配線保護層を構成する材料として、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体(商品名:バイネル、デュポン社製)からなる酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂を用い、第1〜第2熱可塑性配線保護層の軟化点、及び、第1〜第2熱可塑性配線保護層の形成時の熱処理温度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例2と同様にして作用極を作製した。
(実施例14)
第1〜第2熱可塑性配線保護層を構成する材料として、エチレン−メタクリル酸共重合体(商品名:ニュクレル、三井・デュポンポリケミカル社製)からなる酸変性ポリオレフィン系熱可塑性樹脂を用い、第1〜第2熱可塑性配線保護層の軟化点、及び、第1〜第2熱可塑性配線保護層の形成時の熱処理温度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例2と同様にして作用極を作製した。
(比較例1)
第2熱可塑性配線保護層を形成する際に、第1熱可塑性配線保護層を溶融させるとともに、第3熱可塑性配線保護層を形成する際に、第2熱可塑性配線保護層を溶融させたこと以外は実施例1と同様にして作用極を得た。なお、第2熱可塑性配線保護層及び第3熱可塑性配線保護層の熱処理温度及び軟化点は、表1に示す通りとした。
[特性評価]
実施例1〜14及び比較例1の作用極をそれぞれ20ピースずつ用意した。そして、これらの作用極を、アセトニトリルからなる揮発性溶媒を主溶媒とし、ヨウ化リチウムを0.05M、ヨウ化リチウムを0.1M、1,2−ジメチルー3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPII)を0.6M、及び、4−tert−ブチルピリジンを0.5M含む85℃の電解質中に浸して1000時間保持した後、電解質から取り出した。そして、集電配線が腐食している作用極の数を測定し、集電配線が腐食している作用極の割合を算出した。結果を表1に示す。なお、集電配線が腐食したかどうかは、集電配線について光学顕微鏡観察を行い、集電配線が電解質への浸漬前と同様に存在しているかどうかで判断した。
Figure 0005465783
表1に示すように、実施例1〜14の作用極については、腐食した作用極の割合は0〜22%であったのに対して、比較例1の作用極については、腐食した作用極の割合は75%であった。
このことから、本発明の色素増感太陽電池用電極によれば、電解質による集電配線の腐食を十分に抑制できることが確認された。
2…対極(電極)、
3…電解質
4a,4b,4c…熱可塑性配線保護層
5…集電配線
6…透明基板
7…透明導電膜
8…多孔質酸化物半導体層
12…導電性基板
13…絶縁性樹脂層
20…作用極(電極)
100…色素増感太陽電池

Claims (12)

  1. 導電性基板上に集電配線を設ける第1工程と、
    前記集電配線に、複数の熱可塑性配線保護層を、前記集電配線から遠ざかるにつれて軟化点が低くなるように且つ前記集電配線から2層目以降の前記熱可塑性配線保護層を、直前に形成した前記熱可塑性配線保護層の軟化点未満の熱処理温度で熱処理して順次形成することによって色素増感太陽電池用電極を製造する第2工程とを含み、
    前記複数の熱可塑性配線保護層が、主成分がガラス成分で構成される熱可塑性配線保護層を少なくとも2層有し、これら熱可塑性配線保護層が互いに隣り合っている、色素増感太陽電池用電極の製造方法。
  2. 少なくとも2層の前記熱可塑性配線保護層において、前記主成分が同一の材料で構成される、請求項1に記載の色素増感太陽電池用電極の製造方法。
  3. 前記第2工程が、前記複数の熱可塑性配線保護層を形成した後、前記複数の熱可塑性配線保護層を絶縁性樹脂層で被覆して前記電極を得る工程を含む、請求項1又は2に記載の色素増感太陽電池用電極の製造方法。
  4. 前記集電配線から1層目の前記熱可塑性配線保護層の軟化点が420〜590℃である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極の製造方法。
  5. 隣り合う前記熱可塑性配線保護層同士間の軟化点の差が10〜100℃である、請求項1〜のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極の製造方法。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極の製造方法によって得られる色素増感太陽電池用電極。
  7. 導電性基板と、
    前記導電性基板上に設けられた集電配線と、
    前記集電配線の上に設けられる複数の熱可塑性配線保護層とを備え、
    前記複数の熱可塑性配線保護層では、前記熱可塑性配線保護層の軟化点が、前記集電配線から遠ざかるにつれて低くなっており、
    前記複数の熱可塑性配線保護層が、主成分がガラス成分で構成される熱可塑性配線保護層を少なくとも2層有し、これら熱可塑性配線保護層が互いに隣り合っている、色素増感太陽電池用電極。
  8. 少なくとも2層の前記熱可塑性配線保護層において、前記主成分が同一の材料で構成される、請求項に記載の色素増感太陽電池用電極。
  9. 複数の熱可塑性配線保護層を被覆する絶縁性樹脂層を更に備える請求項6〜8のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極。
  10. 前記集電配線から1層目の前記熱可塑性配線保護層の軟化点が420〜590℃である、請求項6〜9のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極。
  11. 隣り合う前記熱可塑性配線保護層同士間の軟化点の差が10〜100℃である、請求項6〜10のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極。
  12. 一対の電極と、
    前記一対の電極の間に設けられる電解質とを備え、
    前記一対の電極の一方が、請求項6〜11のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池用電極である、色素増感太陽電池。
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