JP5582821B2 - 色素増感型太陽電池モジュールの製造法 - Google Patents
色素増感型太陽電池モジュールの製造法 Download PDFInfo
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Description
各セルは、板状体A側から板状体B側に向かって、透光性導電部材、半導体層、電解質層、触媒層、金属部材を有し、その透光性導電部材と半導体層により光電極が構成され、触媒層と金属部材により対向電極が構成されており、
隣接するセルの間では、一方のセルの光電極を構成している透光性導電部材の一部表面と、他方のセルの対向電極を構成している薄肉部と厚肉部を有する金属部材の当該厚肉部表面(触媒物質の金属が付着している場合を含む)とが積層して接触することによりセル間の直列の導通が確保されると共に、当該金属部材の厚肉部をスペーサーとして光電極と対向電極の間隙が確保され、
隣接するセルの光電極同士および対向電極同士はそれぞれ絶縁部材により絶縁されている、色素増感型太陽電池モジュールによって達成される。
前記金属部材の材料としては、ニッケル、チタン、チタン合金、クロム、アルミニウム、アルミニウム合金、モリブデン、または鋼のシート材に由来するものとすることができる。「シート材に由来する」とは、シート材を加工することによって得られたものを意味する。
(A)JIS G4305:2005に規定されるフェライト系鋼種に属し、且つCr含有量が16〜32質量%、Mo含有量が0.3〜3質量%の範囲にあるステンレス鋼。
(B)JIS G4305:2005に規定されるオーステナイト系鋼種に属し、且つCr含有量が16〜32質量%、Mo含有量が0.3〜7質量%の範囲にあるステンレス鋼。
[1]光電極側構造体作製工程;
透光性導電部材の膜を表面に有する板状体Aを用意し、
セルのピッチに等しいピッチで前記透光性導電部材にその膜厚を貫通する溝を形成することにより溝を挟んで両側の透光性導電部材同士を離間させるステップ(図2(b)参照)、
隣接するセルの間となる領域に位置する透光性導電部材の表面部分に「重ねしろ」となる表面領域を残し、セル内部となる領域に位置する透光性導電部材の表面部分に半導体層を形成するステップ(図2(c)参照)、
前記半導体層に増感色素を担持させるステップ(図2(d)参照)、
前記溝の部分に絶縁部材を挿入して隣接する透光性導電部材同士を絶縁するステップ(図2(e)参照)、
を有する手順により光電極側構造体を得る工程、
[2]対向電極側構造体作製工程;
セルを構築したときの[板状体Aと板状体Bの間隔]−[前記透光性導電部材の厚さ]に相当する厚さ以上の金属シートが板状体Bの表面に接合されたものを用意し、
「レジスト膜によるマスキング→エッチング→レジスト膜除去」の手法により、隣接するセルの間となる領域に位置する金属シートの表面部分を厚肉部として残し、セル内部となる領域に位置する金属シートの表面部分をエッチングして薄肉部とするステップ(図3(f)(g)参照)、
「レジスト膜によるマスキング→エッチング→レジスト膜除去」の手法により、セルのピッチに等しいピッチの溝を形成することにより金属シートを離間させ、個々の金属部材に区分するステップ(図3(h)(i)参照)、
前記金属部材に触媒層を形成させるステップ(図3(j)参照)、
前記溝の部分に絶縁部材を挿入して隣接する金属部材同士を絶縁するステップ(図3(j)参照)、
を有する手順により対向電極側構造体を得る工程、
[3]合体工程;
前記の光電極側構造体と対向電極側構造体を、前者の各「重ねしろ」と後者の各厚肉部表面(触媒物質の金属が付着している場合を含む)がそれぞれ接触して重なるように合体させて、半導体層と触媒層の間に電解質層が充填された状態で封止する工程、
を有する色素増感型太陽電池モジュールの製造法が提供される。
(1)対向電極を金属材料で構成しているので電池内部の導電性が向上し、光電変換効率の向上に有利となる。
(2)セル間の通電を担う導体と、対向電極とが1つの金属部材で構成されるのでモジュールの構造が簡素化され、コストメリットに優れる。
(3)前記の金属部材はモジュール基板(絶縁性の板状体)の上に配置した金属シートに対してフォトエッチングの手法を利用して直接形成させることが可能であるため、寸法精度に優れる。
(4)セル間では前記金属部材が一定の電極間隔を確保するためのスペーサーとして機能するので、他のスペーサー部材が不要となり、セル間領域の占める面積率を低減させることができる。これによりモジュールに入射する光を有効に利用でき、光電変換効率の向上に繋がる。
(5)前記金属部材からなるスペーサーは変形しにくく強度を安定して負担できるので、広い受光面積をもつ色素増感型太陽電池モジュールの構築に有利となる。
セル間領域200では金属部材5の厚肉部52の表面が透光性導電部材1の一部表面と積層して接触している。これにより隣接セル間の導通が確保されると共に、厚肉部52が光電極20と対向電極40の間隔を保つためのスペーサーとして機能する。厚肉部52の表面には製造工程の途中で触媒物質の金属が付着することがある。この部分に触媒の機能は必要ないが、触媒物質の金属が付着していることに問題はない。すなわち、セル間領域200において積層している透光性導電部材1と金属部材5の間には触媒物質の金属が介在していることがある(図1では当該介在金属の記載を省略してある)。隣り合うセル9の光電極20同士および対向電極40同士はそれぞれ絶縁部材6Aおよび6Bにより絶縁されている。金属部材5の厚肉部52における表面金属と積層して接触している透光性導電部材1の表面領域を本明細書では「重ねしろ」と呼ぶ(符号11)。
図1は3セルを直列配置したモジュールの構造を例示したものであるが、実際には要求される起電力に応じて直列配置するセルの数が設定される。
本発明の色素増感型太陽電池モジュールは、対向電極40を構成する金属部材5に特徴がある。最も高電位側のセルを除き、各セル9に使用される金属部材5は薄肉部51と厚肉部52を有している。これらの金属部材5は基本的に板状の部材であり、板面内に板厚の異なる部分があると捉えることができる。薄肉部51と厚肉部52の板厚差は例えば20〜100μm程度とすればよい。最も高電位側のセルにおける金属部材5はスペーサーとして利用する場合を除き厚肉部52を有している必要はなく、セル領域200において他のセルの薄肉部51に相当する板厚を有している。本明細書では厚肉部52を有していない金属部材5の、薄肉部51に相当する板厚部分も便宜上薄肉部51と呼ぶ。各セル9の対向電極40は、薄肉部51の表面に触媒層4を形成したものである。セル間領域200において、厚肉部52がスペーサーとして機能する。厚肉部52の表面は隣のセルから伸びている透光性導電部材1の重ねしろ11の部分と積層して接触し、板状体AとBの間を埋める。図1ではモジュールの厚さ方向の寸法を誇張して描いてあるが、厚肉部52はモジュールの厚さ方向を板厚とする板状の金属体であるから、透光性導電部材1と積層することにより板状体A、B間にかかる荷重を安定して負担することができる。すなわち、金属部材5の厚肉部52は単純な構造で良好な導電性と高い強度を同時に担うものである。
本発明の色素増感型太陽電池モジュールは、例えば板状体Aをベースとする「光電極側構造体」と、板状体Bをベースとする「対向電極側構造体」を別々に作製したのち、それら両部材を合体させる手法により効率的に製造することができる。以下、その製造方法について例示する。
図2に、光電極側構造体を作製するための工程における部材断面状態を模式的に示す。図2中の手順(a)〜(e)に基づいて説明する。なお、この手順は例示であり必ずしもこれに限られるものではない。
このようにして光電極側構造体70が作製される。
図3に、対向電極側構造体を作製するための工程における部材断面状態を模式的に示す。図3中の手順(f)〜(j)に基づいて説明する。なお、この手順は例示であり必ずしもこれに限られるものではない。
このようにして対向電極側構造体80が作製される。なお、上記[1]と[2]は順序不同である。
上述のようにして得られた光電極側構造体70と対向電極側構造体80を、前者の各重ねしろ11と後者の各厚肉部52の表面(触媒物質の金属が付着している場合を含む)がそれぞれ接触して重なるように合体させる。その際、半導体層2と触媒層4の間に電解質層3を充填した状態として、封止する。電解質層3は例えばヨウ素を含むような色素増感型太陽電池用の電解液そのもので構成するか、あるいはそのような電解液を含浸させてイオンが移動できる状態とした媒体で構成することができる。絶縁部材6A、6Bとして熱硬化性樹脂を使用している場合は、封止の段階で加熱を行い、樹脂を硬化させるとよい。
このようにして図1に示したような断面構造の色素増感型太陽電池モジュール10が構築される。
光電極用の透光性基板として、ガラス基板上に厚さ約1μmのFTO膜を形成した材料(旭硝子社製)を用意した(図2(a))。このガラス基板は板状体Aに相当し、FTO膜は透光性導電部材1に相当する。その透光性導電部材1にYAGレーザーを照射することによりセルのピッチに等しいピッチで膜厚を貫通する溝61を形成した(図2(b))。TiO2ペースト(Solaronix社製;Ti−Nanoxide D/DP)を透光性導電部材1の表面に「重ねしろ11」の部分を残してスクリーン印刷により塗布し、450℃で焼成することにより半導体層2を形成した(図2(c))。半導体層2の平均乾燥膜厚は約10μmである。増感色素としてルテニウム錯体色素(Solaronix社製;Ruthenium 535−bisTBA)を使用し、これをアセトニトリルとtert−ブタノールの混合溶媒に分散させて色素溶液62を得た。半導体層2を板状体Aごと色素溶液62に浸漬し、増感色素が担持された半導体層2を得た(図2(d))。その後、溝61の部分に熱硬化性樹脂からなる絶縁部材6Aを注入した。このようにして光電極側構造体70を得た。
金属部材5の素材として、ニッケル、チタン、クロム、アルミニウム、モリブデンのシート材(以上、いずれもニラコ社製、純度;スリーナイン)、JIS G3141に規定される冷間圧延鋼板SPCC、およびJIS G4305に規定される冷間圧延ステンレス鋼板SUS447J1(30%Cr−2%Moフェライト系鋼)を用意した。クロムは板厚2.0mmであり、その他はいずれも板厚0.1mmの金属シートである。各金属シートの片面に、厚さ約0.1mmのPEN(ポリエチレンナフタレート)フィルム(帝人デュポンフィルム社製;テオネックス)を、熱可塑性樹脂フィルム(三井デュポンケミカル社製;サーリン)を用いて融着させた。PENフィルムおよび融着層が図1の板状体Bに相当する。
上記で得られた光電極側構造体70と対向電極側構造体80を、前者の各重ねしろ11と後者の各厚肉部52がそれぞれ接触して重なるように合体させた。その際、ホットプレス機により加熱して絶縁部材6A、6Bの熱硬化性樹脂を硬化させた。その後、予め対向電極側構造体80に設けておいた電解液注入口からヨウ素を含む電解液3(ペクセルテクノロジーズ社製;PECE−K01)を注入し、半導体層2の多孔質中に液が含浸されるように光電極20と対向電極40の間に充填した。この状態で封止し、図1に示したタイプの5セルからなる色素増感型太陽電池モジュールを構築した。ここで、透光性導電部材1と金属部材5の肉厚部52との間には触媒物質の金属(白金)が介在している。
作製した色素増感型太陽電池モジュールの板状体A側の面から、ソーラーシミュレータ(山下電装社製;YSS−100)を用いてAM1.5、100mW/cm2の疑似太陽光を照射しながら、ソースメータ(KEYTHLEY社製;2400型)により当該モジュールの開放電圧VOC(V)を測定した。結果を表1に示す。
B 絶縁性の板状体
1 透光性導電部材
2 半導体層
3 電解質層
4 触媒層
5 金属部材
6A、6B 絶縁部材
7 負荷
8 導線
9 色素増感型太陽電池セル
10 色素増感型太陽電池モジュール
11 重ねしろ
20 光電極
40 対向電極
50 金属シート
51 薄肉部
52 厚肉部
60 レーザートーチ
61、65 溝
62 色素溶液
63 レジスト膜
64 エッチング液
70 光電極側構造体
80 対向電極側構造体
100 セル領域
200 セル間領域
Claims (6)
- 対向する絶縁性かつ透光性の板状体Aと絶縁性の板状体Bとの間に、直列に接続された複数の色素増感型太陽電池セルが組み込まれているモジュールであって、
各セルは、板状体A側から板状体B側に向かって、透光性導電部材、半導体層、電解質層、触媒層、金属部材を有し、その透光性導電部材と半導体層により光電極が構成され、触媒層と金属部材により対向電極が構成されており、
隣接するセルの間では、一方のセルの光電極を構成している透光性導電部材の一部表面と、他方のセルの対向電極を構成している薄肉部と厚肉部を有する金属部材の当該厚肉部表面(触媒物質の金属が付着している場合を含む)とが積層して接触することによりセル間の直列の導通が確保されると共に、当該金属部材の厚肉部をスペーサーとして光電極と対向電極の間隙が確保され、
隣接するセルの光電極同士および対向電極同士はそれぞれ絶縁部材により絶縁されている、色素増感型太陽電池モジュールを製造するに際し、
[1]光電極側構造体作製工程;
透光性導電部材の膜を表面に有する板状体Aを用意し、
セルのピッチに等しいピッチで前記透光性導電部材にその膜厚を貫通する溝を形成することにより溝を挟んで両側の透光性導電部材同士を離間させるステップ、
隣接するセルの間となる領域に位置する透光性導電部材の表面部分に「重ねしろ」となる表面領域を残し、セル内部となる領域に位置する透光性導電部材の表面部分に半導体層を形成するステップ、
前記半導体層に増感色素を担持させるステップ、
前記溝の部分に絶縁部材を挿入して隣接する透光性導電部材同士を絶縁するステップ、
を有する手順により光電極側構造体を得る工程、
[2]対向電極側構造体作製工程;
セルを構築したときの[板状体Aと板状体Bの間隔]−[前記透光性導電部材の厚さ]に相当する厚さ以上の金属シートが板状体Bの表面に接合されたものを用意し、
「レジスト膜によるマスキング→エッチング→レジスト膜除去」の手法により、隣接するセルの間となる領域に位置する金属シートの表面部分を厚肉部として残し、セル内部となる領域に位置する金属シートの表面部分をエッチングして薄肉部とするステップ、
「レジスト膜によるマスキング→エッチング→レジスト膜除去」の手法により、セルのピッチに等しいピッチの溝を形成することにより金属シートを離間させ、個々の金属部材に区分するステップ、
前記金属部材に触媒層を形成させるステップ、
前記溝の部分に絶縁部材を挿入して隣接する金属部材同士を絶縁するステップ、
を有する手順により対向電極側構造体を得る工程、
[3]合体工程;
前記の光電極側構造体と対向電極側構造体を、前者の各「重ねしろ」と後者の各厚肉部表面(触媒物質の金属が付着している場合を含む)がそれぞれ接触して重なるように合体させて、半導体層と触媒層の間に電解質層が充填された状態で封止する工程、
を有する色素増感型太陽電池モジュールの製造法。 - 前記金属部材は、ニッケル、チタン、チタン合金、クロム、アルミニウム、アルミニウム合金、モリブデン、または鋼のシート材に由来するものである請求項1に記載の色素増感型太陽電池モジュールの製造法。
- 前記金属部材は、JIS G4305:2005に規定されるフェライト系鋼種に属し、且つCr含有量が16.0〜32.0質量%、Mo含有量が0.3〜3.0質量%の範囲にあるステンレス鋼からなるものである請求項1に記載の色素増感型太陽電池モジュールの製造法。
- 前記金属部材は、JIS G4305:2005に規定されるオーステナイト系鋼種に属し、且つCr含有量が16.0〜32.0質量%、Mo含有量が0.3〜7.0質量%の範囲にあるステンレス鋼からなるものである請求項1に記載の色素増感型太陽電池モジュールの製造法。
- 前記金属部材は、質量%でC:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.2%、Mn:0.001〜1.2%、P:0〜0.04%、S:0〜0.03%、Ni:0〜0.6%、Cr:16.0〜35.0%、Mo:0.3〜3.0%、Cu:0〜1.0%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.2%、N:0〜0.025%以下、B:0〜0.01%、残部Feおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼からなるものである請求項1に記載の色素増感型太陽電池モジュールの製造法。
- 前記金属部材は、質量%でC:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜4.0%、Mn:0.001〜2.5%、P:0〜0.045%、S:0〜0.03%、Ni:6.0〜28.0%、Cr:16.0〜35.0%、Mo:0.3〜7.0%、Cu:0〜3.5%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.1%、N:0〜0.3%、B:0〜0.01%、残部Feおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼からなるものである請求項1に記載の色素増感型太陽電池モジュールの製造法。
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