JP5513986B2 - 光起電性エレクトロクロミック装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、光起電性エレクトロクロミック装置およびその製造方法に関する。
構造の観点から、典型的なエレクトロクロミック装置（通電変色装置とも言う）は、固体型と液体型とに分けられる。固体型エレクトロクロミック装置１００の構造が２つのガラスまたはプラスチック透明基板１０２を含む。図１に示すように、それぞれ異なる機能を有する少なくとも５つの塗布／メッキ層（透明導電層１０４とエレクトロクロミック薄膜１０６と固体電解層１０８とイオン蓄積層１１０と透明導電層１０４のように）が２つの基板１０２間に配置されて、サンドイッチのように、バッテリーのような構造を構成している。液体型エレクトロクロミック装置２００の構造が２つの透明導電基板２０２，２０２により形成されている。図２に示すように、２つの対向する透明導電基板２０２上のアノード（陽極）およびカソード（陰極）の１つ又は２つの側面がそれぞれ透明導電エレクトロクロミック層２０４で塗布／メッキされるとともに、電解溶液２０６が透明導電基板２０２，２０２間に加えられている。
長いあいだ開発されてきたエレクトロクロミック技術を比較すると、光起電性およびエレクトロクロミック技術の統合は、省エネルギーにおけるより良い効率を提供し、エレクトロクロミック装置のために、追加的な電源なしにエレクトロクロミック層中の色彩変化を達成することができる。初期において、光起電性エレクトロクロミック技術は、色彩変化のためにプルシアンブルーエレクトロクロミック色薄膜および感光性層ＴｉＯ２（二酸化チタン）の複合膜を使用するという概念に基づいて発展してきた。近年、そのような概念が更に感光層とエレクトロクロミック層とを分離してアノードとカソードとをそれぞれ１つの装置として構成するように拡張されてきた。この種の装置は、染料増感太陽電池（dye sensitive solar cells）中へ挿入されるエレクトロクロミック材料を有するものとして記述されることができ、エレクトロクロミック技術において最も広範に議論される主題となってきている。エレクトロクロミック材料が三酸化タングステン（ＷＯ３）であるとともに、主要にルテニウム染料Ｒｕ−ｄｙｅを使用する染料増感太陽電池である。エレクトロクロミック装置３００の構造を図３に示す。エレクトロクロミック装置３００は、２つの透明導電基板３０２，３０２と、感光材料から形成され、かつ透明導電基板３０２，３０２間に配置される工作電極層３０４と、電解質層３０６と、エレクトロクロミック材料として形成される補助電極層３０８とを含む多層式エレクトロクロミック装置である。
米国特許第6369934号が例えば全有機多層光電化学装置を開示している。しかし、そのような構造を実用的な応用に利用するためには、感光層の長期にわたる安定性および大型サイズを有する装置を開発する可能性のような多くの問題が克服される必要がある。
米国特許第5,384,653号は、互いに分離された２つのガラスパネルの可変透過率を提供し、そのうち、エレクトロクロミック層スタックがガラスパネルに沿って配置された光起電性電池のアレイと共に第１ガラスパネルの内面側に配置されて、エレクトロクロミック層スタックの色彩を変化させるために必要な電力を産出する。バッテリーが光起電性電池のアレイに並列式に配置されて、ユーザーは、手動でシステムを欲する透過率にすることができる。
米国特許第6,055,089号は、太陽電池をエレクトロクロミック装置と結合してなるエレクトロクロミックシステムを提供し、そのうち、無機エレクトロクロミックガラスがシリコンクリスタル太陽電池モジュールの前方に配置されるとともに、空気層が無機エレクトロクロミックガラスおよびシリコンクリスタル太陽電池モジュール間に配置される。太陽光照射のもと、太陽電池により生成された電力がセルの末端を介してエレクトロクロミック装置へ出力され、エレクトロクロミック層の色彩を変化させる。エレクトロクロミックシステム中の色彩コントラストが太陽電池に降り注ぐ入射光強度を制御するとともに、それにより太陽電池の出力電流を決定する。
米国特許第5,805,330号は、全有機構造を提供し、そのうち、上部層および下部層がともに透明導電構造であるとともに、有機小型分子エレクトロクロミック材料および電解質溶液がそれらの間に配置される。太陽電池モジュールがエレクトロクロミックガラスのエッジに粘着されて、太陽光により照射される時、太陽電池により生成された電流がセルの出力端を介してエレクトロクロミック装置へ供給されるとともに、それによってエレクトロクロミック装置が色彩を変化させる。
また、米国特許第5,377,037号は、太陽電池をエレクトロクロミック装置と連合して単一装置を形成し、基本的にスタッキング方法を使用することにより製造されて、モノリシックシリコン薄膜太陽電池を第１導電ガラス基板上の無機エレクトロクロミック装置と連合させるとともに、反対の位置にシリコン薄膜太陽電池を他の透明導電ガラス基板に結合する。構造間に、液体有機電解質溶液または固体無機電解質層が配置される。装置の色彩コントラストが比較的低いものである。
そこで、この発明の目的は、照射される時、エレクトロクロミック薄膜の色彩が変化する光起電性エレクトロクロミック装置を提供することにある。光起電性エレクトロクロミック装置は、追加的な電力なしに色彩変化を実施するとともに、電気を生成するために一般の薄膜太陽電池として使用できるものである。
この発明は、さらに、薄膜太陽電池のアノードおよびカソードがまた光起電性エレクトロクロミック装置のアノードおよびカソードとして供される光起電性エレクトロクロミック装置を製造する方法を提供するものである。
この発明は、光起電性エレクトロクロミック装置を提供するものであり、透明基板と少なくとも１つの薄膜太陽電池と少なくとも１つのエレクトロクロミック薄膜と電解質層とを少なくとも含むものである。少なくとも１つの薄膜太陽電池が透明基板上に配置され、そのうち、少なくとも１つの薄膜太陽電池がアノードと光電変換層とカソードとを少なくとも含むとともに、アノードの表面の一部が薄膜太陽電池から露出される。少なくとも１つのエレクトロクロミック薄膜がカソードの少なくとも一表面および薄膜太陽電池のアノードの露出された表面に配置される。電解質層がエレクトロクロミック薄膜を被覆する。また、薄膜太陽電池のアノードおよびカソードがまた光起電性エレクトロクロミック装置のアノードおよびカソードとして供される。
この発明は、さらに、光起電性エレクトロクロミック装置を製造する方法を提供するとともに、その方法が透明基板上に少なくとも１つの薄膜太陽電池を形成し、そのうち、薄膜太陽電池がアノード、光電変換層およびカソードを少なくとも含むとともに、アノードの一表面の一部が薄膜太陽電池から露出されることを含む。さらに、エレクトロクロミック薄膜がカソードの少なくとも１つの表面およびアノードの露出された表面に沈積される。その後、薄膜太陽電池の表面上に電解層を形成してエレクトロクロミック薄膜を被覆し、そのうち、薄膜太陽電池のアノードおよびカソードが光起電性エレクトロクロミック装置のアノードおよびカソードとしても供される。
上記に基づき、この発明は、薄膜太陽電池により生成された電流を使用して光線誘導電気メッキ（light induced electroplating）を実施する。酸化還元反応を介して、電気メッキ溶液中のモノマー、発色団（chromophores）または金属イオンは、薄膜太陽電池の電極（アノードまたはカソード）上に直接沈積される。また、この発明の光起電性エレクトロクロミック装置は、アノードおよびカソードが透明基板の同一表面上に全て形成されるので、単一側基板光起電性エレクトロクロミック装置である。
以上の結論として、この発明は、薄膜太陽電池の内部光線誘導電圧差（internal photo-induced voltage difference）を使用して、外部電気バイアスフィールドを使用することなしに、電気メッキを行う。照射時に、薄膜太陽電池のアノードおよびカソードが同時に電子と正孔とを生成し、電気メッキ溶液が反応するとともに、アノードおよびカソード上に沈積することを引き起こす。かくして、薄膜太陽電池が透明基板上に形成される時、エレクトロクロミック薄膜のアノードおよびカソードが太陽電池のアノードおよびカソードの表面に同時に形成される。従って、この発明の光起電性エレクトロクロミック装置は、電力生成能力を有する太陽電池および建材として応用されるスマートウィンドウとして共に機能できるものであり、例えば、グリッド連結（grid-tied）の建材一体型光起電（building integrated photovoltaic；ＢＩＰＶ）として公益的な利益をもたらす。照射される時、電流が薄膜太陽電池により生成され、電流を様々な電気機器に供給することができる。外からの日差しが強くなって室内の温度を上昇させる時、二者択一的に、エレクトロクロミック材料の色彩を変化させるために電流が供給される。ガラスに使用する時、光起電性エレクトロクロミック装置は、紫外線、可視光線および赤外線スペクトルを遮断することができる。その結果として、室内温度と光線とが低減できてビルの所有者を満足させるとともに、省エネルギー目的を達成する。このような自給自足装置は、エネルギー源として太陽光を必要とするだけであり、２つの利点をもたらす。光起電性エレクトロクロミック装置は、ＢＩＰＶおよびスマートウィンドウの他にも様々な応用性を有する。薄膜太陽電池の異なる設計によって、光起電性エレクトロクロミック装置は、色彩変化するバックミラー、輸送車両用の窓、カールーフ、ディスプレイ、光学フィルター、光学センサーなどを製作するために供給されることができる。従って、この発明は、創意に富むとともに実用的であり、かつエネルギー危機への実行可能な解決策である。
以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図４Ａと図４Ｂと図５とは、この発明の第１実施形態にかかる光起電性エレクトロクロミック装置のエレクトロクロミック薄膜を製造するための手順を示す概略的な断面図である。
図４Ａと図４Ｂと図５とは、この発明の第１実施形態にかかる光起電性エレクトロクロミック装置のエレクトロクロミック薄膜を製造するための手順を示す概略的な断面図である。
図４Ａにおいて、第１実施形態中、単一の薄膜太陽電池４０２が先ず透明基板４００上に形成され、そのうち、透明基板４００は、例えば、ガラスまたはプラスチックまたはフレキシブル基板の一片である。薄膜太陽電池４０２が少なくともアノード４０４と光電変換層４０６とカソード４０８とを含み、アノード４０４の材料は、例えば、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であるとともに、カソード４０８の材料は、例えば、ＴＣＯおよび金属（例えば、銀、プラチナまたは金）である。また、アノード４０４の表面４０４ａの一部が薄膜太陽電池４０２から露出されている。あるいは、第１実施形態中の光起電性エレクトロクロミック装置は、図４Ｂに示すような複数の薄膜太陽電池４０２を含む。
第１実施形態中、アノード４０４が不連続に配置されるが、この発明は、それに限定されるものではない。とりわけ、アノード４０４は、１つの連続する層として形成されることができ、薄膜太陽電池４０２により生成される総電流を増大させる。そのような並列関係は、電流を有効に増大させる。薄膜太陽電池４０２のアノード４０４およびカソード４０８は、アレイ中に形成される。アノード４０４およびカソード４０８の各ペアは、照射された時、アノード４０４およびカソード４０８間にいかなる電気的関係を有することなく、自動的に電位差を生成する。
薄膜太陽電池４０２は、上記したように、シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池、ＣｄＴｅ薄膜太陽電池、ＣＩＧＳタンデム薄膜太陽電池、ＣｄＴｅタンデム薄膜太陽電池、ＣＩＧＳマルチ接合薄膜太陽電池、ＣｄＴｅマルチ接合薄膜太陽電池であることができ、そのうち、シリコン薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜太陽電池、ａ−Ｓｉ/微結晶性シリコン（ｍｃ-Ｓｉ）タンデム薄膜太陽電池、ａ−Ｓｉ/ａ-Ｓｉタンデム薄膜太陽電池またはマルチ接合ａ−Ｓｉ薄膜太陽電池を含む。
電気メッキまたは他の薄膜形成方法が、カソード４０８の表面およびアノード４０４の露出された表面４０４ａのうちの少なくとも１つの表面上にエレクトロクロミック薄膜を沈積するために採用できる。例えば、エレクトロクロミック薄膜の構成物が、導電性ポリマー、遷移金属酸化物、プルシアンブルーまたは遷移金属を含む。この実施形態中、電気メッキは、一例として使用される。再び図４Ｂにおいて、その上に形成された薄膜太陽電池４０２を備える透明基板４００が、電気メッキ溶液４１０中に浸けられ、薄膜太陽電池４０２のアノード４０４およびカソード４０８が電気メッキ溶液４１０と接触する。上記した電気メッキ溶液４１０は、例えば、アニリンモノマー、ＥＤＯＴモノマーまたはビオロゲンモノマーのような導電性ポリマーまたはビオロゲン溶液、およびニッケルオキシハイドロキシド溶液、フェリックフェロシアン化物発色団溶液のような遷移金属酸化物電気メッキ溶液により形成される。
その後、図５において、電気メッキ溶液４１０中に浸けられた薄膜太陽電池４０２が照射されて（光線の方向は、図５中の矢印↓で示す）電流を生成し、電気メッキ溶液４１０中で酸化還元反応を引き起こす。その結果、エレクトロクロミック薄膜５００が各アノード４０４の露出された表面４０４ａ上に形成される。このようなプロセスは、アノディック（陽極酸化）光電電気メッキと呼ばれる。また、カソディク光電電気メッキと呼ばれるプロセスが各カソード４０８の表面上にエレクトロクロミック薄膜を形成するために使用できる。例えば、エレクトロクロミック薄膜５００のアノディック（陽極酸化）光電電気メッキ中の構成物がポリアミンの電気化学重合またはニッケルオキシハイドロキシド薄膜の電着を含む。前述の電気メッキ溶液を沈積するための電圧は、約0.6-1.8ボルトである。あるいは、各カソード４０８の表面上のエレクトロクロミック薄膜の光電電気メッキ中の構成物は、それぞれプルシアンブルーまたはフェリックフェロシアン化物発色団またはペルオキソ（peroxy）タングステン溶液の反応によって得られたＷＯ３とすることができる。上記無機材料の酸化還元電位は、約0.5-2ボルトである。
図５および第１実施形態中に述べた方法の外に、他の方法もまた電気メッキ溶液４１０と薄膜太陽電池４０２のアノード４０４およびカソード４０８との接触を達成することに使用できる。その方法は、電気メッキ溶液６００を透明基板６０２上に塗布するとともに、薄膜太陽電池を被覆するものである（図６に図示）。
光起電性エレクトロクロミック装置を製造する方法は、上述したように、基本的に薄膜太陽電池により生成される電気を使用して電気メッキを実施し、製造手順を簡略化するとともに、薄膜太陽電池のアノードおよびカソードがエレクトロクロミック薄膜のアノードおよびカソードとしても供されるという構造を形成する。従来の電気メッキ方法は、電極を介して電流を通過させ、それぞれ透明導電性基板の表面にエレクトロクロミック薄膜を沈積させる。従って、基板上のエレクトロクロミック薄膜は、単一極性である。対照的に、この発明の第１実施形態中、薄膜太陽電池が電気メッキを実施するために使用される。照射される時、薄膜太陽電池のアノードおよびカソードが同時に電子および正孔を生成し、電気メッキ溶液が反応するとともに、アノードおよびカソード双方に沈積する。上記に基づいて、薄膜太陽電池が単一の透明基板上に形成される時、エレクトロクロミック薄膜のアノードおよびカソードが同時に太陽電池のアノードおよびカソードの表面に形成される。
また、エレクトロクロミック薄膜は、真空沈積技術によっても沈積することができる。エレクトロクロミック薄膜の材料は、例えば、遷移金属酸化物または遷移金属であり、そのうち、遷移金属酸化物がＷＯ３，ＭｏＯ３，Ｖ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５，ＮｉＯ，ＳｎＯ，Ｆｅ２Ｏ３，ＣｏＯ，Ｉｒ２Ｏ３，Ｒｈ２Ｏ３およびＭｎＯ２からなるグループから選択されるとともに、遷移金属がＭｎ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｎｂ，ＴｅおよびＳｅよりなる遷移金属のグループから形成された金属、合金、水素化物、カルコゲニドまたはテテル化物から選択される。例えば、遷移金属水素化物がＳｂ-Ｃｕ，Ｓｂ-Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｇ-ＴｉおよびＭｇ-Ｎｉよりなるグループから選択され、遷移金属カルコゲニドがＮｂＳｅまたはＴｉＳ２よりなるグループから選択され、あるいは、遷移金属テテル化物がＮｂＴｅ２よりなるグループから選択される。遷移金属薄膜は、露出されて水素ガスを希釈する又は遷移金属薄膜をアルカリ電解質に接触されることにより、その光学特性を変化させる。
遷移金属酸化物を沈積させる方法は、例えば、電子ビーム蒸着、熱蒸着、イオン補助コーティング、反応性および非反応性スパッタリング、ＣＶＤ（chemical vapor deposition；化学蒸着）、プラズマ増速ＣＶＤまたは大気圧ＣＶＤである。さらに、形成手順中、マスクが使用されて沈積位置（例えば、アノード４０４および／またはカソード４０８の表面）を変更することができる。
図７Ａ，図７Ｂ，図８と図９は、この発明の第１実施形態にかかる光起電性エレクトロクロミック装置を製造するために、３つの後続する手順を選択的に示す概略的な断面図である。
図７Ａにおいて、先ず図５中の電気メッキ溶液が除去されるとともに、電解質層７００が透明基板４００の表面に形成されて、エレクトロクロミック薄膜５００を被覆する。図７Ａ中の電解質層７００は、液体電解質であり、アルカリ金属塩および溶剤を含む。例えば、アルカリ金属塩がリチウムトリフロロメチルスルフォネート、リチウム過塩素酸塩、ビス（トリフロロエチルスルフォニル）イミドまたはテトラアルキルアンモニウム塩を含み；そして、溶剤がプロピレンカーボネイト、ジプロピルカーボネイト、グリコールカーボネイト、γ-ブチロラクトン、アセトニトリル、テトラヒドロフランまたはN-メチル-2-ピロリドンを含む。各薄膜太陽電池のアノード４０４およびカソード４０８がまた光起電性エレクトロクロミック装置のアノードおよびカソードとしても供される。電解質層７００を形成した後、透明非導電性基板７０２が電解質層７００を被覆するために配置され、そのうち、透明非導電性基板７０２がガラスまたはプラスチックまたはフレキシブル基板の一片を含む。さらに、反射膜７０４が透明非導電性基板７０２の表面の両側に形成されることができる。反射膜７０４は、例えば、ミラーを形成するための銀、クロミウムまたはアルミニウムである。
最後に、再び図７Ａにおいて、エポキシ樹脂のような樹脂（図示せず）が基板４００を接着するために使用され、薄膜太陽電池４０２が透明非導電性基板７０２に対してあまねく形成される。ガラスビーズ（図示せず）が樹脂に混合されてスペーサーとして供され、透明基板４００および透明非導電性基板７０２間のギャップを維持して、光起電性エレクトロクロミック装置を構成する。溶剤により薄膜太陽電池４０２が侵食されるのを防止するために、保護膜７０６を形成するステップが、図７Ｂに示すように、薄膜太陽電池４０２を形成する時に光電変換層４０６の側壁上において実施されることができる。
太陽光により照射される時、薄膜太陽電池が、酸化還元反応のために、エレクトロクロミック薄膜５００が色彩を変化させる電子-正孔対を生成する。薄膜太陽電池４０２が透明基板４００上にアレイまたはストライプに分布するよう設計されているので、周辺領域および中心領域における電界が均一であり、その結果、光起電性エレクトロクロミック装置の周辺領域および中心領域における色彩濃度が装置の大きさにかかわりなく同一となる。
また、図８において、もし必要であれば、図５（または図６）中の電気メッキ溶液が除去された後、固体電解質８００を透明基板４００の表面上に形成することができる。図８中の電解質層が固体電解質８００であるから、薄膜太陽電池の侵食される可能性が大幅に低減するとともに、装置の信頼性が向上する。例えば、固体電解質８００のポリマーがポリ（エチレンオキシド）、ポリ（プロピレンオキシド）、ポリ（ビニルブチラール）またはポリ（メチルメタクリレート）を含む。そして、反射膜８０４が固体電解質８００上に形成されるとともに、透明非導電性基板８０２（例えば、ガラス、プラスチックまたはフレキシブル基板）が配置されて固体電解質８００を被覆する；あるいは、その代わりに、図９に示すように、固体電解質８００が、その上に透明非導電性基板８０２を有することなく、エレクトロクロミック薄膜５００および薄膜太陽電池４０２を被覆する。
また、固体電解質８００は、また、図５（または図６）中の電気メッキ溶液が除去された後、透明基板４００の表面上に電解的に沈積されることができる。電解的に沈積される電解質層が例えばＬｉ３ＰＯ４薄膜を含む。
また、エレクトロクロミック薄膜として使用する遷移金属酸化物の真空沈積の後、固体電解質８００は、また、透明基板４００の表面上に連続的に真空沈積されることができる。固体電解質８００は、ＬｉｘＴａＯｙ，Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２などのような無機電解質であることができる。固体電解質８００を形成した後、ラミネーターまたはオートクレーブのような機械が使用されて透明基板４００と固体電解質８００と被包性材料（図示せず）と透明非導電性基板８０２とを一緒に圧縮および接着し、光起電性エレクトロクロミック装置を被包する。
図１０Ａと図１０Ｂとは、この発明の第２実施形態にかかる光起電性エレクトロクロミック装置を製造するための手順を示す概略的な断面図である。
図１０Ａにおいて、第２実施形態中、多数の薄膜太陽電池１１０２が先ず透明基板１１００上に形成され、そのうち、各薄膜太陽電池１１０２が少なくともアノード１１０４と光電変換層１１０６とカソード１１０８とを含む。薄膜太陽電池１１０２は、直列に接続されることができる。薄膜太陽電池１１０２のタイプおよび透明基板１１００とアノード１１０４と光電変換層１１０６とカソード１１０８との材料は、第１実施形態中に記述されている。そして、図１０Ａ中に示される方法が実行されて、アノード１１０４の表面にエレクトロクロミック薄膜１１１０が形成される。この実施形態中、各アノード１１０４がカソード１１０８間に露出されるとともに、このようにしてエレクトロクロミック薄膜１１１０の遮光領域がカソード１１０８間のインターバルの幅により決定される。エレクトロクロミック薄膜１１１０の構成物は、第１実施形態中に記述されている。
その後、図１０Ｂにおいて、電解質層１１１２が透明基板１１００の表面に形成されてエレクトロクロミック薄膜１１１０を被覆する。図１０Ｂ中の電解質層１１１２が液体電解質であるとともに、その構成物は、第１実施形態中に記述されている。同時に、各薄膜太陽電池１１０２のアノード１１０４およびカソード１１０８が光起電性エレクトロクロミック装置のアノードおよびカソードとして供される。電解質層１１１２を形成した後、透明非導電性基板１１１４が電解質層１１１２を被覆するために必要となる。もちろん、先の実施形態で述べたように、反射膜１１１６を透明非導電性基板１１１４上に形成することができる。最後に、エポキシ樹脂のような樹脂（図示せず）が使用されて、その上に薄膜太陽電池１１０２形成された透明基板１１００を透明非導電性基板１１１４に接着する。ガラスビーズ（図示せず）が樹脂に混合されてスペーサーとして供され、透明基板１１００および透明非導電性基板１１１４間のギャップを維持して、光起電性エレクトロクロミック装置を構成する。
もし図１０Ｂ中の電解質層が固体電解質であれば、図１１に示すように、電解質層１２００を形成するステップが透明基板１１００に配置された電解質層１２００上に透明非導電性基板１２０２を積み重ねることを含むとともに、ラミネーターまたはオートクレーブによって透明基板１１００と電解質層１２００と透明非導電性基板１２０２とを一緒に圧縮かつ接着する。従って、光起電性エレクトロクロミック装置が被包される。言い換えれば、電解質層１２００は、このケース中、接着剤として作用する。先の実施形態で述べたように、反射膜１２０４がまた透明非導電性基板１２０２に先だって形成されることができる。
図１２Ａは、この発明の第３実施形態にかかる光起電性エレクトロクロミック装置を示す説明図である。図１２Ｂは、この発明の第３実施形態にかかる別な光起電性エレクトロクロミック装置を示す説明図である。
図１２Ａと図１２Ｂとにおいて、第３実施形態中、パターン化された薄膜太陽電池１３０２が透明基板１３００上に形成され、そのうち、薄膜太陽電池１３０２が少なくともアノード１３０４と光電変換層１３０６とカソード１３０８とを含む。パターン化された薄膜太陽電池１３０２を形成する方法が、レーザーアブレーションおよびサンドブラストを含んで光電変換層１３０６およびカソード１３０８を除去する。薄膜太陽電池１３０２の型式ならびに透明基板１３００、アノード１３０４、光電変換層１３０６およびカソード１３０８の材料は、第１実施形態中に記述されている。そして、図４Ａと図５と図６で説明された方法が実行されてエレクトロクロミック膜膜（図示せず）をアノード１３０４の表面上に形成する。この実施形態中、アノード１３０４がカソード１３０８から露出されて太陽照射のもとアノード１３０４およびカソード１３０８間に電位差が確立され、エレクトロクロミック膜膜の色合いが決定される。もちろん、エレクトロクロミック膜膜は、またカソード１３０８の表面にも形成できる。エレクトロクロミック膜膜の組成は、第１実施形態中に記述されている。透明非導電基板および電解質層が薄膜太陽電池上にそれぞれ積み重ねられる。
以下に述べられる幾つかの実験がこの発明の有効性を証明するために実施された。実験中、シリコン薄膜太陽電池が一例として使用される。
＜手順１＞
光電メッキプロセスのためのＶocの必要条件の決定。１０ｍＭのＫ３Ｆｅ（ＣＮ）６が５０ｍｌの脱イオン水（ＤＩ(deionized)-water）に加えられるとともに、１０ｍＭのＦcＣl３および１０ｍＭのＫＣＬがＤＩウォーターに加えられて、２つの溶液が得られる。この２つの溶液が容量比１：１で混ぜられる。次に、Autolab TGSTAT30電気化学分析器が使用されてプルシアンブルー薄膜の定電流電着（galvanostatic electrodeposition）を実施する。対向電極（または、対極）がプラチナであるとともに、参考電極がＡｇ/ＡｇＣｌである。0.014mA/cm 2および0.007 mA/cm 2の定電流がそれぞれ入力されてプルシアンブルー薄膜が形成される。走査範囲が図１３および図１４に示される。図面に基づいて、プルシアンブルー薄膜の電着は、0.8-0.95ボルトの範囲である。従って、もしシリコン薄膜太陽電池が使用されてプルシアンブルー膜を電気メッキする場合、Ｖoc値の必要条件は、約0.8-0.95ボルトである。
光電メッキプロセスのためのＶocの必要条件の決定。１０ｍＭのＫ３Ｆｅ（ＣＮ）６が５０ｍｌの脱イオン水（ＤＩ(deionized)-water）に加えられるとともに、１０ｍＭのＦcＣl３および１０ｍＭのＫＣＬがＤＩウォーターに加えられて、２つの溶液が得られる。この２つの溶液が容量比１：１で混ぜられる。次に、Autolab TGSTAT30電気化学分析器が使用されてプルシアンブルー薄膜の定電流電着（galvanostatic electrodeposition）を実施する。対向電極（または、対極）がプラチナであるとともに、参考電極がＡｇ/ＡｇＣｌである。0.014mA/cm 2および0.007 mA/cm 2の定電流がそれぞれ入力されてプルシアンブルー薄膜が形成される。走査範囲が図１３および図１４に示される。図面に基づいて、プルシアンブルー薄膜の電着は、0.8-0.95ボルトの範囲である。従って、もしシリコン薄膜太陽電池が使用されてプルシアンブルー膜を電気メッキする場合、Ｖoc値の必要条件は、約0.8-0.95ボルトである。
＜手順２＞
光電メッキがソーラーシミュレーターにより実施される。先ず、１０ｍＭのＫ３Ｆｅ（ＣＮ）６が５０ｍｌの脱イオン水（ＤＩ-water）に加えられるとともに、１０ｍＭのＦcＣl３および１０ｍＭのＫＣｌがＤＩウォーターに加えられて、２つの溶液が得られる。この２つの溶液が容量比１：１で混ぜられる。同時に、５cm×５cmの第１透明基板が提供される。溶液、即ち、前記した２つの溶液の混合体が第１透明基板上に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板上に被覆される。シリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.933Ｖ、電流密度Jscが0.0123 A/cm 2、FFが73.03％、Pmaxが2.1mWおよび効率が8.37％である。シリコン薄膜太陽電池の光電変換特性が図１５のIVカーブにより表される。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、電気メッキ溶液のカソード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のカソード下方で起こるとともに、カソードの色彩が次第にライトブルーに変化する。水で洗われた後、ライトブルー薄膜がカソード上に残り、プルシアンブルー薄膜がカソードの表面にメッキされたことを証明する。
光電メッキがソーラーシミュレーターにより実施される。先ず、１０ｍＭのＫ３Ｆｅ（ＣＮ）６が５０ｍｌの脱イオン水（ＤＩ-water）に加えられるとともに、１０ｍＭのＦcＣl３および１０ｍＭのＫＣｌがＤＩウォーターに加えられて、２つの溶液が得られる。この２つの溶液が容量比１：１で混ぜられる。同時に、５cm×５cmの第１透明基板が提供される。溶液、即ち、前記した２つの溶液の混合体が第１透明基板上に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板上に被覆される。シリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.933Ｖ、電流密度Jscが0.0123 A/cm 2、FFが73.03％、Pmaxが2.1mWおよび効率が8.37％である。シリコン薄膜太陽電池の光電変換特性が図１５のIVカーブにより表される。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、電気メッキ溶液のカソード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のカソード下方で起こるとともに、カソードの色彩が次第にライトブルーに変化する。水で洗われた後、ライトブルー薄膜がカソード上に残り、プルシアンブルー薄膜がカソードの表面にメッキされたことを証明する。
＜手順３＞
光電メッキが太陽光のもとで実施される。4.55mlの0.1Ｍのアニリンモノマーおよび10.1mlの2ＭのＨＣl（37％）がＤＩウォーターへ加えられて全体で50mlのアニリン電気メッキ溶液が得られる。次に、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、アニリン溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。前記したシリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.933Ｖ、電流密度Jscが0.0123 A/cm 2、FFが73.03％、Pmaxが2.1mWおよび効率が8.37％である。シリコン薄膜太陽電池が太陽光により照射される時、５分間で、アニリンモノマーのアノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こる。アノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化し、ポリアニリン薄膜の存在を表す。光電メッキの時間が増大すれば、薄膜がより厚くなるとともに、アノードの色彩が緑に変わる。
光電メッキが太陽光のもとで実施される。4.55mlの0.1Ｍのアニリンモノマーおよび10.1mlの2ＭのＨＣl（37％）がＤＩウォーターへ加えられて全体で50mlのアニリン電気メッキ溶液が得られる。次に、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、アニリン溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。前記したシリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.933Ｖ、電流密度Jscが0.0123 A/cm 2、FFが73.03％、Pmaxが2.1mWおよび効率が8.37％である。シリコン薄膜太陽電池が太陽光により照射される時、５分間で、アニリンモノマーのアノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こる。アノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化し、ポリアニリン薄膜の存在を表す。光電メッキの時間が増大すれば、薄膜がより厚くなるとともに、アノードの色彩が緑に変わる。
＜手順４＞
光電メッキが太陽光のもとで実施される。53μlの0.01Ｍ 3,4-エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）モノマーおよび530mgの0.1Ｍ ＬｉＣｌＯ4が50mlのアセトニトリルへ加えられて、ＥＤＯＴ電気メッキ溶液が得られる。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、ＥＤＯＴ溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。前記したシリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが1.57Ｖ、電流密度Jscが7.12mA/cm 2、FFが59.16％、Pmaxが1.6mWおよび効率が6.62％である。シリコン薄膜太陽電池の光電変換特性が図１６のIVカーブにより表される。シリコン薄膜太陽電池が太陽光によって照射される時、１０分間で、ＥＤＯＴモノマーのアノード光電メッキ沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こる。アノードの色彩が次第に透明からライトブルーに変化し、それがＥＤＯＴ薄膜の色彩を表す。
光電メッキが太陽光のもとで実施される。53μlの0.01Ｍ 3,4-エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）モノマーおよび530mgの0.1Ｍ ＬｉＣｌＯ4が50mlのアセトニトリルへ加えられて、ＥＤＯＴ電気メッキ溶液が得られる。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、ＥＤＯＴ溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。前記したシリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが1.57Ｖ、電流密度Jscが7.12mA/cm 2、FFが59.16％、Pmaxが1.6mWおよび効率が6.62％である。シリコン薄膜太陽電池の光電変換特性が図１６のIVカーブにより表される。シリコン薄膜太陽電池が太陽光によって照射される時、１０分間で、ＥＤＯＴモノマーのアノード光電メッキ沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こる。アノードの色彩が次第に透明からライトブルーに変化し、それがＥＤＯＴ薄膜の色彩を表す。
＜手順５＞
光電メッキがソーラーシミュレーター中で実施される。53μlの0.01Ｍ ＥＤＯＴモノマーおよび530mgの0.1Ｍ ＬｉＣｌＯ4が50mlのアセトニトリルへ加えられて、ＥＤＯＴ電気メッキ溶液が得られる。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、ＥＤＯＴ溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが1.58Ｖ、電流密度Jscが6.86mA/cm 2、FFが58.69％、Pmaxが1.59mWおよび効率が6.38％である。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。１０分間で、ＥＤＯＴモノマーのアノード光電メッキ沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明からライトブルーに変化する。
光電メッキがソーラーシミュレーター中で実施される。53μlの0.01Ｍ ＥＤＯＴモノマーおよび530mgの0.1Ｍ ＬｉＣｌＯ4が50mlのアセトニトリルへ加えられて、ＥＤＯＴ電気メッキ溶液が得られる。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、ＥＤＯＴ溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが1.58Ｖ、電流密度Jscが6.86mA/cm 2、FFが58.69％、Pmaxが1.59mWおよび効率が6.38％である。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。１０分間で、ＥＤＯＴモノマーのアノード光電メッキ沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明からライトブルーに変化する。
＜手順６＞
光電メッキがソーラーシミュレーター中で実施される。9.1mlの0.01Ｍ アニリンモノマーおよび20.2mlの2Ｍ ＨＣl（37％）が加えられて総量61.7mlのアニリン電気メッキ溶液を得る。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、アニリン溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がストライプ状に形成されるとともに、各ストライプが1×5cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.92Ｖ、電流密度Jscが14.01mA/cm 2、FFが54.89％、Pmaxが35.3mWおよび効率が7.07％である。シリコン薄膜太陽電池の光電変換特性が図１７のIVカーブにより表される。各ストライプの間隔が0.5cmである。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、アニリンモノマーのアノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化する。
光電メッキがソーラーシミュレーター中で実施される。9.1mlの0.01Ｍ アニリンモノマーおよび20.2mlの2Ｍ ＨＣl（37％）が加えられて総量61.7mlのアニリン電気メッキ溶液を得る。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、アニリン溶液が第１透明基板に塗布される。さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がストライプ状に形成されるとともに、各ストライプが1×5cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.92Ｖ、電流密度Jscが14.01mA/cm 2、FFが54.89％、Pmaxが35.3mWおよび効率が7.07％である。シリコン薄膜太陽電池の光電変換特性が図１７のIVカーブにより表される。各ストライプの間隔が0.5cmである。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、アニリンモノマーのアノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化する。
＜手順７＞
光電メッキがソーラーシミュレーター中で実施される。ニッケルオキシハイドロキシド（Nikel oxyhydroxide；ＮｉＯＯＨ）薄膜が0.005 ＭのＮｉＳＯ４.６Ｈ２Ｏおよび0.015 Ｍの（ＮＨ４）２ＳＯ４ ｐＨ＞８未満を調製することにより導かれる。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、溶液が第１透明基板に塗布される。
光電メッキがソーラーシミュレーター中で実施される。ニッケルオキシハイドロキシド（Nikel oxyhydroxide；ＮｉＯＯＨ）薄膜が0.005 ＭのＮｉＳＯ４.６Ｈ２Ｏおよび0.015 Ｍの（ＮＨ４）２ＳＯ４ ｐＨ＞８未満を調製することにより導かれる。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、溶液が第１透明基板に塗布される。
さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.93Ｖ、電流密度Jscが12.29mA/cm 2、FFが73.03％、Pmaxが2.1mWおよび効率が8.37％である。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。１０分間で、ニッケル電気メッキ溶液のアノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から褐色（brown）に変化する。ニッケルオキシハイドロキシド薄膜が乾燥され、かつ空気中で３０分間２００℃以上でアニールされる。薄膜の色彩が加熱ステップ後に透明に戻る。
＜実験１＞
実験１は、光起電性エレクトロクロミック装置の酸化還元反応の特性を試験するものである。0.1Ｍのテトラブチルアンモニウム テトラフルオロホウ塩酸（tetrabutylammoniumtetrafluoroborate；ＴＢＡＢＦ４）が100mlのプロピレンカーボネイト溶剤中に溶解される。手順５の結果が作業電極として使用されるとともに、Autolab PGSTAT30電気化学分析器がサイクリックボルタモグラム（cyclic voltammogram；ＣＶ）カーブ走査を実施するために使用される。対向電極がプラチナであるとともに、参考電極がＡｇ/ＡｇＣｌである。走査範囲を図１８に示す。ＣＶカーブ走査を描く曲線が、ＰＥＤＯＴ薄膜（ポリＥＤＯＴ薄膜）の色彩（即ち、この発明のエレクトロクロミック薄膜）が青みがかった色彩に変わり、酸化状態において次第に透明へ戻ることを示している。試験の結果が、ＰＥＤＯＴ（ポリＥＤＯＴ）が薄膜太陽電池により光電メッキでき、かつＣＶ循環運動（cycling）により色彩が変えられる材料であることを証明する。
実験１は、光起電性エレクトロクロミック装置の酸化還元反応の特性を試験するものである。0.1Ｍのテトラブチルアンモニウム テトラフルオロホウ塩酸（tetrabutylammoniumtetrafluoroborate；ＴＢＡＢＦ４）が100mlのプロピレンカーボネイト溶剤中に溶解される。手順５の結果が作業電極として使用されるとともに、Autolab PGSTAT30電気化学分析器がサイクリックボルタモグラム（cyclic voltammogram；ＣＶ）カーブ走査を実施するために使用される。対向電極がプラチナであるとともに、参考電極がＡｇ/ＡｇＣｌである。走査範囲を図１８に示す。ＣＶカーブ走査を描く曲線が、ＰＥＤＯＴ薄膜（ポリＥＤＯＴ薄膜）の色彩（即ち、この発明のエレクトロクロミック薄膜）が青みがかった色彩に変わり、酸化状態において次第に透明へ戻ることを示している。試験の結果が、ＰＥＤＯＴ（ポリＥＤＯＴ）が薄膜太陽電池により光電メッキでき、かつＣＶ循環運動（cycling）により色彩が変えられる材料であることを証明する。
＜実験２＞
実験２は、光起電性エレクトロクロミック装置の酸化還元反応の特性を試験するものである。0.1ＭのＴＢＡＢＦ４が100mlのプロピレンカーボネイト溶剤中に溶解される。そして、手順６の結果が作業電極として使用され、かつAutolab PGSTAT30電気化学分析器がＣＶカーブ走査を実施するために使用される。対向電極がプラチナであるとともに、参考電極がＡｇ/ＡｇＣｌである。走査範囲を図１９に示す。ＣＶカーブ走査を描く曲線が、ポリアニリン薄膜の色彩（即ち、この発明のエレクトロクロミック薄膜）が酸化状態において黄緑から緑に変わり、還元状態において次第に黄緑へ戻ることを示している。試験の結果が、ポリアニリンが薄膜太陽電池により光電メッキでき、かつＣＶ循環運動により色彩が変えられる材料であることを証明する。
実験２は、光起電性エレクトロクロミック装置の酸化還元反応の特性を試験するものである。0.1ＭのＴＢＡＢＦ４が100mlのプロピレンカーボネイト溶剤中に溶解される。そして、手順６の結果が作業電極として使用され、かつAutolab PGSTAT30電気化学分析器がＣＶカーブ走査を実施するために使用される。対向電極がプラチナであるとともに、参考電極がＡｇ/ＡｇＣｌである。走査範囲を図１９に示す。ＣＶカーブ走査を描く曲線が、ポリアニリン薄膜の色彩（即ち、この発明のエレクトロクロミック薄膜）が酸化状態において黄緑から緑に変わり、還元状態において次第に黄緑へ戻ることを示している。試験の結果が、ポリアニリンが薄膜太陽電池により光電メッキでき、かつＣＶ循環運動により色彩が変えられる材料であることを証明する。
＜実験３＞
実験３は、光電メッキおよびソーラーシミュレーターの照射のもとでの色彩変化を試験するものである。9.1mlの0.1Ｍ アニリンモノマーおよび20.2mlの2ＭＨＣl（37％）が61.7mlのＤＩウォーターに加えられてアニリン電気メッキ溶液を得る。そして、そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、アニリン溶液が第１透明基板に塗布される。また、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がストライプ状に形成されるとともに、各ストライプが1×5cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.92Ｖ、電流密度Jscが14.01mA/cm 2、FFが54.89％、Pmaxが35.3mWおよび効率が7.07％である。各ストライプの間隔が0.5cmである。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、アノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化する。
実験３は、光電メッキおよびソーラーシミュレーターの照射のもとでの色彩変化を試験するものである。9.1mlの0.1Ｍ アニリンモノマーおよび20.2mlの2ＭＨＣl（37％）が61.7mlのＤＩウォーターに加えられてアニリン電気メッキ溶液を得る。そして、そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、アニリン溶液が第１透明基板に塗布される。また、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がストライプ状に形成されるとともに、各ストライプが1×5cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.92Ｖ、電流密度Jscが14.01mA/cm 2、FFが54.89％、Pmaxが35.3mWおよび効率が7.07％である。各ストライプの間隔が0.5cmである。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、アノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化する。
その後、0.1ＭのＴＢＡＢＦ４が100mlのプロピレンカーボネイト溶剤中に溶解される。次に、５cm×５cmの第３透明ガラス基板が提供されるとともに、前記した電解質層が第３透明ガラス基板上に塗り広げられる。ポリアニリンで光電メッキされたシリコン薄膜太陽電池を含む５cm×５cmの第２透明ガラス基板が第３透明ガラス基板を被覆するよう配置されて、光起電性エレクトロクロミック装置を構成する。
上記した光起電性エレクトロクロミック装置がPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。３分間で、シリコン薄膜太陽電池のアノード下方に酸化が起こるとともに、アノードの色彩が次第に黄緑から緑へ変化する。もし照射が除去されれば、光起電性エレクトロクロミック装置の色彩が数秒後に黄緑に戻る。
＜実験４＞
実験４は、照射下の光起電性エレクトロクロミック装置の着色／漂白（color/bleach）変化を試験するものである。実験３から得られる光起電性エレクトロクロミック装置の光学透過率は、ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ分光光度計（Perkin Elmer Lambda 750）を使用して波長範囲400-800nmで計測したものである。ソーラーシミュレーターによる照射後／前の光起電性エレクトロクロミックの着色／漂白状態変化の量が図２０に示される。その結果が、ポリアミン薄膜の色彩コントラストが30％を超えることを示す。
実験４は、照射下の光起電性エレクトロクロミック装置の着色／漂白（color/bleach）変化を試験するものである。実験３から得られる光起電性エレクトロクロミック装置の光学透過率は、ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ分光光度計（Perkin Elmer Lambda 750）を使用して波長範囲400-800nmで計測したものである。ソーラーシミュレーターによる照射後／前の光起電性エレクトロクロミックの着色／漂白状態変化の量が図２０に示される。その結果が、ポリアミン薄膜の色彩コントラストが30％を超えることを示す。
＜実験５＞
実験５は、ソーラーシミュレーターの照射下の光電メッキおよび色彩変化を試験するものである。ニッケルオキシハイドロキシド薄膜の電着が0.005 ＭのＮｉＳＯ４.６Ｈ２Ｏおよび0.015 Ｍの（ＮＨ４）２ＳＯ４ ｐＨ＞８未満を調製することにより導かれる。そして、５cm×５cmの第１透明ガラス基板が提供されるとともに、溶液が第１透明ガラス基板に塗布される。
実験５は、ソーラーシミュレーターの照射下の光電メッキおよび色彩変化を試験するものである。ニッケルオキシハイドロキシド薄膜の電着が0.005 ＭのＮｉＳＯ４.６Ｈ２Ｏおよび0.015 Ｍの（ＮＨ４）２ＳＯ４ ｐＨ＞８未満を調製することにより導かれる。そして、５cm×５cmの第１透明ガラス基板が提供されるとともに、溶液が第１透明ガラス基板に塗布される。
さらに、その上に形成されたシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明ガラス基板が第１透明ガラス基板を被覆するように配置される。シリコン薄膜太陽電池がアレイ状に形成されるとともに、各アレイが０．２５cm 2の面積を有する。シリコン薄膜太陽電池の開路電圧Ｖocが0.93Ｖ、電流密度Jscが12.29mA/cm 2、FFが73.03％、Pmaxが2.1mWおよび効率が8.37％である。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。１０分間で、ニッケル電気メッキ溶液のアノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から褐色（brown）に変化する。ニッケルオキシハイドロキシド薄膜が乾燥され、かつ空気中で３０分間２００℃以上でアニールされる。薄膜の色彩が加熱ステップ後に透明に戻る。
その後、0.1ＭのＫＯＨ水性溶液が塗布される。次に、５cm×５cmの第３透明ガラス基板が提供されるとともに、前記した電解質層が第３透明ガラス基板上に塗り広げられる。さらに、ニッケルオキシハイドロキシドで光電メッキされたシリコン薄膜太陽電池モジュールを含む５cm×５cmの第２透明ガラス基板が第３透明ガラス基板を被覆するよう配置されて、光起電性エレクトロクロミック装置を構成する。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。１０分間で、酸化がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に透明から褐色（brown）に変化する。その結果が、ニッケルオキシハイドロキシドが薄膜太陽電池により光電メッキされるとともに太陽照射により色彩が変化することのできる材料であることを証明する。
＜実験６＞
実験６は、直列接続された薄膜太陽電池モジュールを使用するソーラーシミュレーターの照射下の光電メッキおよび色彩変化を試験するものである。ポリアニリン薄膜の電着が、61.7mlのＤＩウォーターへ加えられる、9.1mlの0.1Ｍ アニリンモノマーおよび20.2mlの2ＭＨＣl（37％）を調製することによって、アニリン電気メッキ溶液を得る。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、溶液が第１透明基板に塗布される。
実験６は、直列接続された薄膜太陽電池モジュールを使用するソーラーシミュレーターの照射下の光電メッキおよび色彩変化を試験するものである。ポリアニリン薄膜の電着が、61.7mlのＤＩウォーターへ加えられる、9.1mlの0.1Ｍ アニリンモノマーおよび20.2mlの2ＭＨＣl（37％）を調製することによって、アニリン電気メッキ溶液を得る。そして、５cm×５cmの第１透明基板が提供されるとともに、溶液が第１透明基板に塗布される。
さらに、その上に直列接続された多数のシリコン薄膜太陽電池を有する５cm×５cmの第２透明基板が第１透明基板を被覆するように配置される。図２１に示すように、シリコン薄膜太陽電池モジュールの開路電圧Ｖocが2.4Ｖ、電流Jscが25mAである。前述した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。５分間で、アノード光電沈積がシリコン薄膜太陽電池下方で起こり、かつアノードの色彩が次第に透明から黄緑に変化する。
その後、0.1ＭのＴＢＡＢＦ４が100mlのプロピレンカーボネイト溶剤中に溶解される。次に、５cm×５cmの第３透明ガラス基板が提供されるとともに、前記した電解質層が第３透明ガラス基板上に塗り広げられる。さらに、ポリアニリンで光電メッキされたシリコン薄膜太陽電池モジュールを含む、５cm×５cmの第２透明ガラス基板が第３透明ガラス基板を被覆するよう配置されて、光起電性エレクトロクロミック装置を構成する。
上記した光起電性エレクトロクロミック装置が照射のためにPeccell Pec-L11ソーラーシミュレーター中に置かれる。３分間で、酸化がシリコン薄膜太陽電池のアノード下方で起こるとともに、アノードの色彩が次第に黄緑から緑に変化する。
上記した実験から、この発明が照射下で色彩変化の効果を達成することが証明される。
図２２と図２３とは、それぞれ薄膜太陽電池の並列接続および直列接続を示し、そのうち、薄膜太陽電池が、図２２に示すような連続膜を形成するアノード２０００を有する又は図２３に示すようなストライプアノードを有する。図２２中、カソード２００２がそれぞれ出力スイッチレイアウト２００４に接続されている。図２３中、アノード２１００が別な薄膜太陽電池のカソード２１０１に接続されるとともに、直列接続を介して出力スイッチレイアウト２１０４に接続されている。
この発明の光起電性エレクトロクロミック装置を制御するために、以下の方法がスイッチを製作するために採用できる。
図２４に示すように、電気供給のために、ＤＣ/ＡＣインバーター２２００を配置して薄膜太陽電池により生成された電流を交流電流（ＡＣ）即ち、商用電気（electric utility）に変換する。
図２５に示すように、薄膜太陽電池により生成された電流をＤＣ電荷蓄電装置２３００（ＤＣ電気供給のためにバッテリーとしても供される）に提供する。
図２６に示すように、ＴＦＴ製作プロセスに使用して、薄膜トランジスター２４００を薄膜太陽電池のアノードおよびカソードに配置し、各薄膜太陽電池および外部開路間のオン／オフを制御するスイッチとして機能させる。
以上のように、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
４００，６０２，１１００，１３００ 透明基板
４０２，１１０２，１３０２ 薄膜太陽電池
４０４，１１０４，１３０４，２０００，２１００ アノード
４０６，１１０６，１３０６ 光電変換層
４０８，１１０８，１３０８，２００２，２１０２ カソード
４１０，６００ 電気メッキ溶液
５００，１１１０ エレクトロクロミック薄膜
７００，１１１２，１２００ 電解質層
７０２，８０２，１１１４，１２０２ 透明非導電性基板
７０４，８０４，１１１６，１２０４ 反射膜
７０６ 保護膜
８００ 固体電解質
２００４，２１０４ 出力スイッチレイアウト
２２００ ＤＣ/ＡＣインバーター
２２０２ 商用電気（ＡＣ）
２３００ ＤＣ電荷蓄電装置
２４００ 薄膜トランジスター
４０２，１１０２，１３０２ 薄膜太陽電池
４０４，１１０４，１３０４，２０００，２１００ アノード
４０６，１１０６，１３０６ 光電変換層
４０８，１１０８，１３０８，２００２，２１０２ カソード
４１０，６００ 電気メッキ溶液
５００，１１１０ エレクトロクロミック薄膜
７００，１１１２，１２００ 電解質層
７０２，８０２，１１１４，１２０２ 透明非導電性基板
７０４，８０４，１１１６，１２０４ 反射膜
７０６ 保護膜
８００ 固体電解質
２００４，２１０４ 出力スイッチレイアウト
２２００ ＤＣ/ＡＣインバーター
２２０２ 商用電気（ＡＣ）
２３００ ＤＣ電荷蓄電装置
２４００ 薄膜トランジスター
Claims (29)
- 光起電性エレクトロクロミック装置であり、少なくとも
透明基板と、
前記透明基板上に形成される少なくとも１つの薄膜太陽電池であり、そのうち、薄膜太陽電池がアノードと光電変換層とカソードとを少なくとも含むとともに、前記アノードの表面の一部が前記光電変換層から露出され、前記薄膜太陽電池では、前記透明基板に、前記アノードと、前記光電変換層と、前記カソードとが、順に積層されている、少なくとも１つの薄膜太陽電池と、
前記薄膜太陽電池の前記カソードの表面および前記アノードの露出された表面のうちの少なくとも１つの表面に配置される少なくとも１つのエレクトロクロミック薄膜と、
前記エレクトロクロミック薄膜及び前記薄膜太陽電池を完全に被覆する電解質層と
を備える光起電性エレクトロクロミック装置。 - 前記エレクトロクロミック薄膜の構成物が、導電性ポリマー、遷移金属酸化物、遷移金属またはプルシアンブルーを含む、請求項１記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記遷移金属酸化物が、ＷＯ３，ＭｏＯ３，Ｖ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５，ＮｉＯ，ＳｎＯ，Ｆｅ２Ｏ３，ＣｏＯ，Ｉｒ２Ｏ３，Ｒｈ２Ｏ３およびＭｎＯ２からなるグループから選択されるものである、請求項２記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記遷移金属が、Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｎｂ，ＴｅおよびＳｅよりなる遷移金属のグループから形成された金属、合金、水素化物、カルコゲニドまたはテテル化物から選択される、請求項２記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記薄膜太陽電池が、シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池またはＣｄＴｅ薄膜太陽電池を含む請求項１または２記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記シリコン薄膜太陽電池が、ａ−Ｓｉ薄膜太陽電池、ａ−Ｓｉ/ｍｃ-Ｓｉタンデム薄膜太陽電池、ａ−Ｓｉ/ａ-Ｓｉタンデム薄膜太陽電池またはマルチ接合ａ−Ｓｉ薄膜太陽電池を含む、請求項５記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記光起電性エレクトロクロミック装置が、複数の薄膜太陽電池を含むとともに、それらが直列に接続され、かつ前記薄膜太陽電池の１つの前記アノードが他の薄膜太陽電池の前記カソードに電気接続される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記アノードが前記カソード間に露出され、かつ前記エレクトロクロミック薄膜の遮光領域が前記カソード間のインターバルの幅により決定される、請求項７に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記薄膜太陽電池が、さらに、前記薄膜太陽電池の前記光電変換層の側壁上に配置される保護膜を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記電解質層が、固体電解質または液体電解質を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 前記透明基板が、ガラス・プラスチックまたはフレキシブル基板を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- さらに、前記電解質層を被覆する透明非導電性基板を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- さらに、ミラーを形成するために前記透明非導電性基板の一表面上に配置される反射膜を含む、請求項１２記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- さらに、前記薄膜太陽電池により生成された電流を商用電気グリッドに変換するＤＣ／ＡＣインバーターを含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- さらに、前記薄膜太陽電池により生成された前記電流を蓄電するＤＣ電荷蓄電装置を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- さらに、薄膜太陽電池の前記アノードおよび前記カソードに接続され、薄膜太陽電池および外部回路間のスイッチを制御する薄膜トランジスターを含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光起電性エレクトロクロミック装置。
- 光起電性エレクトロクロミック装置を製造する方法であり、
透明基板上にアノードと、光電変換層と、カソードとが、順に沈積され、そのうち、薄膜太陽電池が少なくとも１つの前記アノード、前記光電変換層および前記カソードを含むとともに、前記アノードの表面の一部が前記光電変換層から露出されて、少なくとも１つの薄膜太陽電池を形成する工程と、
エレクトロクロミック薄膜を前記カソードの表面および前記アノードの露出された表面のうちの少なくとも１つの表面に沈積する工程と、
前記薄膜太陽電池の表面上に電解質層を形成して前記エレクトロクロミック薄膜を被覆し、そのうち、薄膜太陽電池の前記アノードおよび前記カソードが前記光起電性エレクトロクロミック装置のアノードおよびカソードとしても供される工程と
を備える光起電性エレクトロクロミック装置を製造する方法。 - 前記エレクトロクロミック薄膜を沈積する方法が、
電気メッキ溶液を薄膜太陽電池の前記アノードおよび前記カソードに接触するように配置する工程と、
前記薄膜太陽電池を照射して電流を生成させ、前記電気メッキ溶液中に酸化還元反応を引き起こして、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも１つの表面上にエレクトロクロミック薄膜を形成する工程と、
前記電気メッキ溶液を除去する工程と
を含む、請求項１７記載の製造方法。 - 前記エレクトロクロミック薄膜を沈積する方法が、電子ビーム蒸着、イオン補助コーティング、反応性および非反応性スッパッタリング、熱蒸着、ＣＶＤ、プラズマ増速ＣＶＤまたは大気圧ＣＶＤを含む、請求項１７記載の製造方法。
- 前記エレクトロクロミック薄膜の材料が、遷移金属酸化物または遷移金属を含む、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記遷移金属酸化物が、ＷＯ３，ＭｏＯ３，Ｖ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５，ＮｉＯ，ＳｎＯ，Ｆｅ２Ｏ３，ＣｏＯ，Ｉｒ２Ｏ３，Ｒｈ２Ｏ３およびＭｎＯ２からなるグループから選択される、請求項２０記載の製造方法。
- 前記遷移金属が、Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｎｂ，ＴｅおよびＳｅよりなる遷移金属のグループから形成された金属、合金、水素化物、カルコゲニドまたはテテル化物から選択される、請求項２０記載の製造方法。
- 前記薄膜太陽電池が、シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池またはＣｄＴｅ薄膜太陽電池を含む、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記透明基板上に前記薄膜太陽電池を形成する工程が、さらに、保護膜を前記薄膜太陽電池の前記光電変換層の側壁上に形成する工程を含む、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記電解質層が、固体電解質または液体電解質を含む、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記電解質層を形成する工程が、前記薄膜太陽電池の前記表面上に電解質を連続的に真空沈積する工程を含む、請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の製造方法。
- さらに、透明非導電基板を配置して前記電解質層を被覆する工程を含む、請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の製造方法。
- さらに、前記電解質層を形成した後、ラミネーターまたはオートクレーブによって前記透明基板、前記電解質層および前記透明非導電基板を結合する工程を含む、請求項２７に記載の製造方法。
- 前記電解質層を形成する前記工程が、さらに、ラミネーターまたはオートクレーブによって前記透明基板、前記電解質層および前記透明非導電基板を結合する工程を含む、請求項２７に記載の製造方法。
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