JP5712108B2

JP5712108B2 - 色素増感太陽電池モジュール

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Publication number: JP5712108B2
Application number: JP2011239730A
Authority: JP
Inventors: 岳志山口
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: JP2013098005A

Description

本発明は、複数の色素増感太陽電池セルを積層してなる色素増感太陽電池モジュールに関する。

色素増感太陽電池は、スイスのグレッツェルらのグループ等から提案されたもので、安価で高い変換効率を得られる光電変換素子として着目されている。
この色素増感太陽電池は、増感色素を担持させた酸化物半導体電極を透明電極層の一方の面に形成してなる作用極と、作用極の一方の面側に配置された対極と、これらの間に封入された例えばゲル状又は液状の電解質からなる電解質層を主な構成要素としている。そして、作用極の透明電極層側から入射した光が酸化物半導体電極の増感色素に吸収され、これに基いて増感色素から電子が放出されることで発電が行なわれるようになっている。

ここで、例えば特許文献１には、上記色素増感太陽電池セルを複数積層し互いに電気的に接続することで、生産電力の向上を図ったタンデム型の色素増感太陽電池セル、即ち、色素増感太陽電池モジュールが開示されている。
この色素増感太陽電池モジュールでは、一の色素増感太陽電池セルの対極を基板の一方の面に形成するとともに、他の色素増感太陽電池セルの作用極を基板の他方の面に形成し、基板の側面に形成された透明導電層を外部配線として上記対極及び作用極を電気的に接続している。

特開２００８−１３０５４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の色素増感太陽電池モジュールでは、各色素増感太陽電池セルで発生した電子を基板の側面まで一旦集電する必要があるため、電子の移動距離が長大化してしまう。その結果、電子の移動経路における電気抵抗が増加してしまい、色素増感太陽電池の光電変換効率が低下する。
一方、上記電気抵抗の低下を抑制すべく透明導電層の膜厚を増加させることが考えられる。ところが、この場合、光の透過率が減少してしまう結果、背面側の色素増感太陽電池セルに入射する光量が低下し、やはり光電変換効率の低下を招いてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光電変換効率の向上を図ることができる色素増感太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る色素増感太陽電池モジュールは、増感色素を担持した酸化物半導体層が透明電極層に積層されてなる作用極と、該作用極における前記酸化物半導体層側に対向して配置される対極と、これら作用極及び対極の間に配置される電解質層と、を有し、互いに積層される複数の色素増感太陽電池セルと、互いに対向する一の前記色素増感太陽電池セルの対極と他の前記色素増感太陽電池セルの作用極との間に配置される透明絶縁層と、前記透明絶縁層を前記色素増感太陽電池セルの積層方向に貫通するように配置され、前記一の色素増感太陽電池セルの対極と前記他の色素増感太陽電池セルの作用極とを互いに電気的に接続する貫通電極と、を備え、前記一の色素増感太陽電池セルが、前記貫通電極に電気的に接続されるとともに、該貫通電極を介して前記他の色素増感太陽電池セルから移動してきた電子を集電して前記一の色素増感太陽電池セルの対極に分散させる背面側集電配線と、該一の色素増感太陽電池セルの背面側集電配線を覆うことで該背面側集電配線を前記一の色素増感太陽電池セルの電解質層から隔離する配線保護層と、を有し、前記他の色素増感太陽電池セルが、該他の色素増感太陽電池セルの透明電極層に積層されて、該他の色素増感太陽電池セルの前記増感色素から放出された電子を集電するとともに前記貫通電極に電気的に接続された前面側集電配線と、該他の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線を覆うことで該前面側集電配線を前記他の色素増感太陽電池セルの電解質層から隔離する配線保護層と、を有し、前記一の色素増感太陽電池セルの背面側集電配線及び該背面側集電配線を覆う配線保護層と、前記他の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線及び該前面側集電配線を覆う配線保護層と、前記貫通電極とが、前記積層方向に互いに重なるように配置されることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る色素増感太陽電池モジュールは、請求項１において、前記一の色素増感太陽電池セルが、該一の色素増感太陽電池セルの透明電極層に積層されて、該一の色素増感太陽電池セルの前記増感色素から放出された電子を集電する前面側集電配線と、該一の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線を覆うことで該前面側集電配線を前記一の色素増感太陽電池セルの電解質層から隔離する配線保護層と、を有し、前記一の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線及び該前面側集電配線を覆う配線保護層と、前記一の色素増感太陽電池セルの背面側集電配線及び該背面側集電配線を覆う配線保護層とが、前記積層方向に互いに重なるように配置されることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る色素増感太陽電池モジュールは、請求項１又は２において、前記色素増感太陽電池セルが、前記作用極及び前記対極の外周側でこれら作用極及び対極の間に前記電解質層を封止する透明封止部をさらに有することを特徴とする。
本発明の請求項４に係る色素増感太陽電池モジュールは、請求項１から３のいずれかにおいて、前記一の色素増感太陽電池セルの前記増感色素の方が、前記他の色素増感太陽電池セルの前記増感色素よりも、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が小さく設定されていることを特徴とする。
本発明の請求項５に係る色素増感太陽電池モジュールは、請求項１から４のいずれかにおいて、互いに隣り合う前記貫通電極同士の離間距離の方が、これら貫通電極が接続する前記対極と前記作用極との対向距離よりも大きく設定されていることを特徴とする。

本発明の色素増感太陽電池によれば、透明絶縁層を間に介して配置された一対の色素増感太陽電池セルの作用極及び対極を貫通電極によって電気的に接続したため、これら作用極と対極との間の電子の移動経路を最短とすることができる。したがって、電気抵抗を最低限に抑えることができ、光電変換効率の向上を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る色素増感太陽電池モジュールの模式的な断面図である。図１の部分拡大図である。Ｎ７１９及びＮ７４９の吸収スペクトルを示す波長とモル吸光係数との関係のグラフである。ＮＫＸ−２６７７及びＮＫ−６０３７の吸収スペクトルを示す波長とモル吸光係数との関係のグラフである。変形例の素増感太陽電池モジュールの模式的な断面図の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態に係る色素増感太陽電池モジュール１００について説明する。
図１に示すように、色素増感太陽電池モジュール１００は、前面側（光入射側となる図１の上側）から背面側（図１の下側）に順次積層される第１色素増感太陽電池セル（一の色素増感太陽電池セル）１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル（他の色素増感太陽電池セル）１０Ｂと、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側に配置された第１透明絶縁層３１と、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの間に配置された第２透明絶縁層（透明絶縁層）３２と、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂを電気的に接続する貫通電極４０とを備えている。
以下、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂが積層される方向（図１の上下方向）、即ち、光の入射側となる前面側と背面側とにわたる方向を、単に「積層方向」と称する。

このような色素増感太陽電池モジュール１００は、前面側から入射する光の一部を第１色素増感太陽電池セル１０Ａで吸収し、該第１色素増感太陽電池セル１０Ａを透過した光を第２色素増感太陽電池セル１０Ｂで吸収することで第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂそれぞれで発電を行なうものである。

（色素増感太陽電池セルの基本構成）
第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂは、それぞれ前面側に配置される作用極１１Ａ，１１Ｂと、該作用極１１Ａ，１１Ｂの背面側に配置される対極１４Ａ，１４Ｂと、これら作用極１１Ａ，１１Ｂ及び対極１４Ａ，１４Ｂとの間に配置される電解質層１５Ａ，１５Ｂと、電解質層１５Ａ，１５Ｂを封止する透明封止部１６Ａ，１６Ｂとをそれぞれ備えている。

作用極１１Ａ，１１Ｂは、透明電極層１２Ａ，１２Ｂと、該透明電極層１２Ａ，１２Ｂの背面側に配置された酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂとを有している。
透明電極層１２Ａ，１２Ｂは、光透過性及び導電性を有する材料、例えばＴＣＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、フッ素ドープのＳｎＯ_２等から形成された部材であって、上記積層方向に直交する方向に延在するシート状をなしている。

酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂは、半導体多孔質膜に増感色素を担持させてなるものであって、透明電極層１２Ａ，１２Ｂの背面側を向く面に互いに間隔をあけて複数が形成されている。半導体多孔質膜の材料としては、例えばＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２、ＷＯ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５等が用いられる。なお、該半導体多孔質膜を形成する方法としては、例えばゾルゲル法からの膜形成、微粒子の泳動電着等の方法を例示できるが、これらに限定されるものではない。

増感色素としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造等を配位子に含むルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニン等の含金属錯体をはじめ、エオシン、ローダミン、メロシアニン等の有機色素等も使用することができ、用途、使用半導体に適した励起挙動をとるものを特に限定無く選択することができる。

対極１４Ａ，１４Ｂは、導電性を有する材料から形成されたシート状の部材であって、作用極１１Ａ，１１Ｂの背面側、即ち、酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂ側に該作用極１１Ａ，１１Ｂと間隔をあけた状態で上記透明電極層１２Ａ，１２Ｂと平行に延在するように配置されている。
第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂのうち、前面側に配置された第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａは、背面側にも光を到達させるべく透明性を有しており、例えば上記透明電極層１２Ａ，１２Ｂと同様、ＴＣＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、フッ素ドープのＳｎＯ_２等から形成されている。
また、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂのうち、背面側に配置された第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの対極１４Ｂは、光透過性を必ずしも有する必要はないため、上記透明電極層１２Ｂと同一の材料の他、チタンやステンレス等の金属箔から形成することができる。

電解質層１５Ａ，１５Ｂは、作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとの間の空間に充填されるように配置された液状又はゲル状をなす電解質から構成されており、該電解質としては例えばヨウ素・ヨウ化物イオン等の酸化・還元種を含む有機電解液が用いられる。この電解質層１５Ａ，１５Ｂは、透明電極層１２Ａ，１２Ｂ、酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂ及び対極１４Ａ，１４Ｂにそれぞれ接触している。

透明封止部１６Ａ，１６Ｂは、電解質層１５Ａ，１５Ｂを作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとの間に封止する役割を有しており、作用極１１Ａ，１１Ｂ及び対極１４Ａ，１４Ｂの外周縁部の全周にわたるように配置されている。これにより、作用極１１Ａ，１１Ｂ及び対極１４Ａ，１４Ｂの外周側から上記電解質層１５Ａ，１５Ｂを取り囲むことで、該電解質層１５Ａ，１５Ｂを作用極１１Ａ，１１Ｂ及び対極１４Ａ，１４Ｂの間に液密に封止している。

このような透明封止部１６Ａ，１６Ｂは、外周側保護層１８Ａ，１８Ｂと封止材１７Ａ，１７Ｂとから構成されている。
外周側保護層１８Ａ，１８Ｂは、作用極１１Ａ，１１Ｂにおける透明電極層１２Ａ，１２Ｂの背面側を向く面の外周縁部に一体に形成されており、例えばガラスペースト等の絶縁性及び光透過性を有する材料から構成されている。
封止材１７Ａ，１７Ｂは、対極１４Ａ，１４Ｂにおける前面側を向く面の外周縁部において、該対極１４Ａ，１４Ｂと上記作用極１１Ａ，１１Ｂとの間でこれら対極１４Ａ，１４Ｂ及び作用極１１Ａ，１１Ｂに密着するように介在されており、例えば光透過性を有する熱可塑性樹脂から構成されている。
このような外周側保護層１８Ａ，１８Ｂ及び封止材１７Ａ，１７Ｂからなる透明封止部１６Ａ，１６Ｂによって、作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとが積層方向に間隔をあけた状態で配置される。そして、これら作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとの間に電解質層１５Ａ，１５Ｂが注入されることで、作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとの間に電解質層１５Ａ，１５Ｂを封止した第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂが構成される。

次に、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂそれぞれの構成についてより詳細に説明する。

（第１色素増感太陽電池セル）
第１色素増感太陽電池セル１０Ａは、上記作用極１１Ａ、対極１４Ａ、電解質層１５Ａ及び透明封止部１６Ａの他、前面側集電配線２１、背面側集電配線２２及び配線保護層２３，２４を備えている。

第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１は、作用極１１Ａの透明電極層１２Ａにおける背面側を向く面に形成された例えば銀等の導電性金属からなる配線パターンである。この前面側集電配線２１は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａにおける各酸化物半導体層１３Ａの増感色素から放出されて透明電極層１２Ａに移動した電子を集電する役割を有している。
このような前面側集電配線２１は、例えば互いに間隔をあけて平行に延在する複数の主配線２１ａと、これら主配線２１ａを互いに電気的に接続する接続配線を有している。また、前面側集電配線２１は、主配線２１ａ及び接続配線の少なくとも一方に接続されるとともに外周側保護層１８Ａ内を通過して第１色素増感太陽電池セル１０Ａの外周側を向く側面から外部に露出する導出配線２１ｂを有している。

第１色素増感太陽電池セル１０Ａの背面側集電配線２２は、対極１４Ａの前面側を向く面に形成された例えば銀等の導電性金属からなる配線パターンである。この背面側集電配線２２は、貫通電極４０を介して第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａに移動してきた電子を集電して、対極１４Ａの全域に分散させる役割を有している。
このような背面側集電配線２２は、例えば互いに間隔をあけて平行に延在する複数の主配線２２ａを有しており、これら主配線２２ａは図示しない接続配線によって互いに電気的に接続されている。
なお、前面側集電配線２１の主配線２１ａ及び接続配線及び背面側集電配線２２の主配線２２ａ及び接続配線は、積層方向に互いに重なるように配置されていることが好ましい。

第１色素増感太陽電池セル１０Ａの配線保護層２３，２４は、該第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１と背面側集電配線２２とをそれぞれ電解質層１５Ａから隔離する役割を有しており、これら前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２を覆うことで電解質層１５Ａとの非接触状態を維持している。この配線保護層２３，２４は、上記外周側保護層１８Ａ同様、例えばガラスペースト等の絶縁性及び光透過性を備えた材料から構成されている。
なお、前面側集電配線２１の導出配線２１ｂにおける外周側保護層１８Ａを通過する部分は、該外周側保護層１８Ａに覆われているため、当該部分には配線保護層２３は形成されていない。

（第２色素増感太陽電池セル）
第２色素増感太陽電池セル１０Ｂは、上記作用極１１Ｂ、対極１４Ｂ、電解質層１５Ｂ及び透明封止部１６Ｂの他、前面側集電配線２５及び配線保護層２６を備えている。

第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５は、作用極１１Ｂの透明電極層１２Ｂにおける背面側を向く面に形成された例えば銀等の導電性金属からなる配線パターンである。この前面側集電配線２５は、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂにおける各酸化物半導体層１３Ｂの増感色素から放出されて透明電極層１２Ｂに移動した電子を集電する役割を有している。
このような前面側集電配線２５は、例えば互いに間隔をあけて平行に延在する複数の主配線２５ａを有しており、これら主配線２５ａは図示しない接続配線によって互いに電気的に接続されている。
また、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２と互いに積層方向に重なるように配置されていることが好ましい。

第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの配線保護層２６は、前面側集電配線２５を電解質層１５Ｂから隔離する役割を有しており、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５の全域を覆うことで電解質層１５Ｂとの非接触状態を維持している。この配線保護層２６は、上記同様、例えばガラスペースト等の絶縁性及び光透過性を備えた材料から構成されている。

（第１透明絶縁層、第２透明絶縁層）
第１透明絶縁層３１及び第２透明絶縁層３２は、積層方向に直交する方向に延在する板状の部材であって、例えば、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン等の光透過性及び絶縁性を有する材料から構成されている。

第１透明絶縁層３１は、色素増感太陽電池モジュール１００の最前面側、即ち、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側に配置されている。この第１透明絶縁層３１の背面側を向く面は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａにおける作用極１１Ａの前面側を向く面と互いに密着した状態で固定されている。

また、第２透明絶縁層３２は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂとの間に介在されるように配置されている。この第２透明絶縁層３２の前面側の面は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａにおける対極１４Ａの背面側を向く面と互いに密着した状態で固定されている。また、第２透明絶縁層３２の背面側の面は、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂにおける作用極１１Ｂの前面側を向く面と互いに密着した状態で固定されている。
このような第２透明絶縁層３２によって、第１色素増感太陽電池セル１０Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂとが絶縁状態で離間配置されている。

これによって、色素増感太陽電池モジュール１００では、前面側から背面側に向かって第１透明絶縁層３１、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ、第２透明絶縁層３２及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂが順次積層された構造をなしている。

（貫通電極）
貫通電極４０は、第２透明絶縁層３２によって絶縁状態とされた第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの作用極１１Ｂとを電気的に接続する役割を有している。
この貫通電極４０は、第２透明絶縁層３２を積層方向に直線状に貫通するように延在する例えば銀や銅からなる導線状の部材であって、積層方向に直交する方向に間隔をあけて複数設けられている。なお、該貫通電極４０におけるその延在方向に直交する断面形状は、例えば円形に形成されていることが好ましく、多角形状や楕円形状であってもよい。

本実施形態では、貫通電極４０の前面側の端部は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａを貫通することで、該対極１４Ａに加えて第１色素増感太陽電池セル１０Ａの背面側集電配線２２における主配線２２ａにも直接的に接続されている。また、貫通電極４０の背面側の端部は、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの作用極１１Ｂにおける透明電極層１２Ｂを貫通することで、該透明電極層１２Ｂに加えて第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５における主配線２５ａにも直接的に接続されている。

ここで、本実施形態では、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５が、それぞれ積層方向に重なり合うように配置されている。したがって、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの背面側集電配線２２及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５に両端が接続されるように積層方向に延在する貫通電極４０は、これら前面側集電配線２１，２５及び背面側集電配線２２と積層方向に互いに重なり合うように配置されている。

また、本実施形態では、図２に示すように、互いに隣り合う貫通電極４０の離間距離Ｗ_１、即ち、貫通電極４０同士における積層方向に直交する方向の間隔Ｗ_１は、これら貫通電極４０が接続する対極１４Ａと作用極１１Ｂとの対向距離Ｈ、即ち、第２透明絶縁層３２の厚さ（積層方向の寸法）Ｈよりも大きく設定されていることが好ましい。
さらに、図２に示すように、貫通電極４０の径Ｄ、即ち、貫通電極４０におけるその延在方向に直交する方向の寸法Ｄは、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２の幅Ｗ_２、即ち、前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２におけるこれらの延在方向に直交し、かつ、上記積層方向に直交する方向の寸法Ｗ_２よりも小さく設定されていることが好ましい。

このような貫通電極４０を形成する際には、穴加工工具を用いた機械加工を施すことによって、第２透明絶縁層３２を積層方向に直線状に貫通する孔部を形成する。次いで、該孔部に銀や銅を含む導電性ペーストを充填し、その後、該導電性ペーストに加熱処理を施す。これによって、導電性ペーストが熱硬化して貫通電極４０となる。
なお、貫通電極４０の製法としては当該方法に限定されず、第２透明絶縁層３２を貫通して第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの作用極１１Ｂとを接続可能であれば、他の方法であってもよい。

ここで、本実施形態では、前面側に配置される第１色素増感太陽電池セル１０Ａにおける酸化物半導体層１３Ａの増感色素の方が、背面側に配置される第２色素増感太陽電池セル１０Ｂにおける酸化物半導体層１３Ｂの増感色素よりも、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が小さく設定されていることが好ましい。
なお、「吸収スペクトルの長波長側の末端の波長」とは、長波長側に向かうほど小さくなるモル吸光係数の値が、１００Ｍ^−１ｃｍ^−１に到達したときの波長数のことを示す。

このような増感色素の組合せとして、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素をＮ７１９とし、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素をＮ７４９とした場合が挙げられる。これらＮ７１９及びＮ７４９の吸収スペクトルを示す波長とモル吸光係数の関係のグラフを図３に示す。

Ｎ７１９及びＮ７４９の組み合わせでは、図３のグラフからも分かるように、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が小さいＮ７１９は、可視光波長領域における短波長側の光を吸収し易い一方、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が大きいＮ７４９は、可視光波長領域における長波長側の光を吸収し易い。

また、上記増感色素の組み合わせとして、Ｎ７１９及びＮ７４９の他、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素をＮＫＸ−２６７７とし、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素をＮＫ−６０３７とした場合が挙げられる。これらＮＫＸ−２６７７及びＮＫ−６０３７における吸収スペクトルを示す波長とモル吸光係数との関係のグラフを図４に示す。

ＮＫＸ−２６７７及びＮＫ−６０３７の組み合せでは、図４のグラフからも分かるように、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が小さいＮＫＸ−２６７７は、可視光波長領域における短波長側の光を吸収し易い一方、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が大きいＮＫ−６０３７は、可視光波長領域における長波長側の光を吸収し易い。

なお、本実施形態では、増感色素の組み合わせとして、Ｎ７１９及びＮ７４９の組み合わせ、ＮＫＸ−２６７７及びＮＫ−６０３７の組み合わせについて示したが、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素の方が第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素よりも吸収スペクトルの長波長側の末端の波長は小さくなる組み合わせならば、いかなる増感色素を採用してもよい。即ち、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素が可視光波長領域における短波長側の光を吸収し易く、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素が可視光波長領域における長波長側の光を吸収し易く設定されていればよい。

次に、この色素増感太陽電池モジュール１００の動作について説明する。
前面側から第１透明絶縁層３１に入射して第１色素増感太陽電池セル１０Ａの作用極１１Ａに到達した光は、該作用極１１Ａの透明電極層１２Ａを透過して酸化物半導体層１３Ａに入射する。こうして第１色素増感太陽電池セル１０Ａの酸化物半導体層１３Ａに入射した光の一部は、該酸化物半導体層１３Ａの増感色素を励起して該増感色素から電子を放出させる。この電子は速やかに該酸化物半導体層１３Ａの半導体多孔質膜を経由して透明電極層１２Ａに移動する。そして、電子は、該透明電極層１２Ａの全域から前面側集電配線２１により集電された後、該前面側集電配線２１の導出配線２１ｂを介して第１色素増感太陽電池セル１０Ａの側面から外部へと導かれる。

一方、電子を失った第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの電解質層１５Ａのヨウ化イオンから電子を受け取り、電子を渡した該ヨウ化物イオンは還元されて三ヨウ化物イオンとなる。

また、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素に吸収されることなく背面側へと通過した光は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの電解質層１５Ａ及び対極１４Ａを通過して、第２透明絶縁層３２に入射する。このように第２透明絶縁層３２に入射した光は、該第２透明絶縁層３２を通過した後、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの作用極１１Ｂに入射し、該作用極１１Ｂの透明電極層１２Ｂを透過して酸化物半導体層１３Ｂに入射する。第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの酸化物半導体層１３Ｂに入射した光は、該酸化物半導体層１３Ｂの増感色素を励起して該増感色素から電子を放出させる。

この電子は速やかに該酸化物半導体層１３Ｂの半導体多孔質膜を経由して透明電極層１２Ｂに移動し、その後、該透明電極層１２Ｂから直接的に、又は、該透明電極層１２Ｂ全域から前面側集電配線２５による集電を介して、貫通電極４０に導かれる。そして、電子は貫通電極４０を介して前面側に向かって移動することで、該貫通電極４０から第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａに移動し、又は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの背面側集電配線２２を介して対極１４Ａの全域に分散されるように移動する。そして、これら電子は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの電解質層１５Ａにおける三ヨウ化物イオンを酸化させてヨウ化物イオンとする。

一方、電子を失った第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素は、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの電解質層１５Ｂのヨウ化イオンから電子を受け取り、電子を渡したヨウ化物イオンは還元されて三ヨウ化物イオンとなる。この三ヨウ化物イオンは、外部から第２色素増感太陽電池１０Ｂの対極１４Ｂに供給される電子を受け取り、該電子によって酸化されることでヨウ化物イオンとなる。

このようにして、本実施形態の色素増感太陽電池モジュール１００では、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂでそれぞれ電子の放出、即ち、発電が行なわれ、これらが直列的に接続されているため、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ又は第２色素増感太陽電池セル１０Ｂそれぞれ単独の場合に比べて、生産電力の向上を図ることができる。

以上のような色素増感型太陽電池モジュールによれば、第２透明絶縁層３２を間に介して配置された第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの作用極１１Ｂとを、第２透明絶縁層３２を積層方向に貫通する貫通電極４０によって電気的に接続したため、これら対極１４Ａ及び作用極１１Ａの間の電子の移動経路を最短とすることができる。

即ち、例えば貫通電極４０を設けずに第２透明絶縁層３２の外周側の側面を経由する外部配線によって第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂを電気的に接続した場合、電子の移動経路を第２透明絶縁層３２の側面に集電させる分だけ、移動経路の長大化を招いてしまう。これに対して、本実施形態では、第１色素増感太陽電池セル１０Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂとを、積層方向に直交する方向の任意の箇所において最短距離で電気的に接続することができるため、電子の移動経路の長大化による電気抵抗の増加を回避することができる。これによって、色素増感太陽電池モジュール１００全体の内部抵抗の減少を図ることができるため、色素増感太陽電池モジュール１００の光電変換効率を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、第１色素増感太陽電池セル１０Ａが前面側集電配線２１を有するため、該第１色素増感太陽電池セル１０Ａにおける酸化物半導体層１３Ａの増感色素から放出された電子を、透明電極層１２Ａの全域から効率的に集電することができる。さらに、第１色素増感太陽電池セル１０Ａは、背面側集電配線２２を有するため、貫通電極４０を介して第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａに移動した電子を効率的に集電して、電解質層１５Ａの積層方向に直交する方向の全域に分散させることができる。そして、これら前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２は、それぞれ配線保護層２３，２４により電解質層１５Ａと隔離されているため、該電解質層１５Ａとの接触によるこれら前面側集電配線２１，２５及び背面側集電配線２２の腐食を回避することができる。

また、貫通電極４０は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２と互いに積層方向に重なり合うように配置されているため、これらが積層方向に重ならないように配置されている場合に比べて、色素増感太陽電池セルとしての開口率を高く確保することができる。したがって、貫通電極４０を設けながら開口率の低下を回避することができるため、光電変換効率をより一層向上させることが可能となる。

また、貫通電極４０の径Ｄを、該貫通電極４０が接続される第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２の幅Ｗ_２よりも小さく設定した場合には、積層方向から見た場合に貫通電極４０がこれら前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２の面積内に収まるため、貫通電極４０による開口率の低下を確実に回避することができる。

さらに、本実施形態では、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの外周側にそれぞれ外周側保護層１８Ａ，１８Ｂ及び封止材１７Ａ，１７Ｂからなる透明封止部１６Ａ，１６Ｂを有しているため、作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとの間の電解質層１５Ａ，１５Ｂの液漏れを確実に防止できる。
また、透明封止部１６Ａ，１６Ｂは光透過性を有しているため、色素増感太陽電池モジュール１００の側面側から透明封止部１６Ａ，１６Ｂに入射した光を、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂそれぞれの酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂの発電に寄与させることができる。これによって、光電変換効率をより一層向上させることが可能となる。

また、透明封止部１６Ａ，１６Ｂから入射する光のうち、背面側に向かって傾斜して入射する光の一部は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの酸化物半導体層１３Ａで吸収されることなく、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの酸化物半導体層１３Ｂに入射する。
ここで、色素増感太陽電池モジュール１００では、前面側に位置する第１色素増感太陽電池セル１０Ａと背面側に位置する第２色素増感太陽電池セル１０Ｂとの出力電圧をほぼ同等とすることが好ましい。ところが、前面側からの光は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａを通過した後に第２色素増感太陽電池セル１０Ｂに入射されるため、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの出力電流の方が第１色素増感太陽電池セル１０Ａの出力電流に比べて低下する傾向がある。

これに対して、本実施形態では、上記のような透明封止部１６Ａ，１６Ｂにより、色素増感太陽電池モジュール１００の側面側から入射した光の一部を第１色素増感太陽電池セル１０Ａの酸化物半導体層１３Ａを経由することなく第２色素増感太陽電池セル１０Ｂに入射させることができるため、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの出力電流の向上を図ることができる。これによって、第１色素増感太陽電池セル１０Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの出力電流の均等化を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態では、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂが前面側集電配線２５を有するため、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂにおける酸化物半導体層１３Ｂの増感色素から放出された電子を、透明電極層１２Ｂの全域から効率的に集電し、該電子を貫通電極４０に導くことができる。また、この前面側集電配線２５は、配線保護層２６により電解質層１５Ｂと隔離されているため、該電解質層１５Ｂとの接触による該前面側集電配線２５の腐食を回避することができる。

ここで、このように第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５を覆う配線保護層２６を設けた場合、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂにおける酸化物半導体層１３Ｂの配置スペースが減少するため、該酸化物半導体層１３Ｂに入射する光の総量が減少してしまうとも考えられる。
これに対して本実施形態においては、特に貫通電極４０の材料として光散乱性の高い銀等を用いた場合、該貫通電極４０が第２透明絶縁層３２を透過する光を散乱させることで、酸化物半導体層１３Ｂに入射する光を増加させることができる。さらに、貫通電極４０がなければ配線保護層２６に直接的に入射するであろう光を該貫通電極４０が散乱させて酸化物半導体層１３Ｂに入射させることで、光電変換効率をより一層向上させることが可能となる。

また、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素として可視光波長領域における短波長側の光を吸収し易いものを採用し、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素として可視光波長領域における長波長側の光を吸収し易いもの採用した場合、即ち、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの増感色素の方が第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの増感色素に比べて吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が小さい場合には、以下のような作用効果を生ずる。

即ち、この場合、前面側から入射する光のうち、短波長成分が第１色素増感太陽電池セル１０Ａの酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂで吸収され、長波長成分が第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの酸化物半導体層１３Ａ，１３Ｂで吸収される。したがって、第１色素増感太陽電池セル１０Ａと第２色素増感太陽電池セル１０Ｂとの吸収波長領域が互いに異なるものとなるため、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの存在による第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの発生電流の低下を回避することができ、これら第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの出力電流の均等化を図ることが可能となる。

また、光の性質上、短波長成分よりも長波長成分の方が散乱されにくいため、第１色素増感太陽電池セル１０Ａを通過して第２透明絶縁層３２に入射した光は、該第２透明絶縁層３２での散乱の影響を受けにくいものとなる。したがって、第２透明絶縁層３２での光のエネルギー損失を抑えることができる結果、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの酸化物半導体層１３Ｂに高エネルギーの光を入射させることができ、光電変換効率の向上を図ることが可能となる。

さらに、互いに隣り合う貫通電極４０同士の離間距離Ｗ_１の方が、これら貫通電極４０が接続する対極１４Ａと作用極１１Ａとの対向距離Ｈよりも大きい場合には、色素増感太陽電池モジュール１００としての開口率を大きく設定することができる。したがって、発電に寄与する光の量を大きくすることができ、光電変換効率の向上を図ることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、実施形態では第１色素増感太陽電池セル１０Ａに前面側集電配線２１及び背面側集電配線２２を配置し、第２色素増感太陽電池セル１０Ｂに前面側集電配線２５を配置した場合について説明したが、これに限定されることはなく、図５に示すように、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの背面側集電配線２２及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの前面側集電配線２５は設けない構成であってもよい。

この構成の場合も、貫通電極４０は、第１色素増感太陽電池セル１０Ａの対極１４Ａ，１４Ｂ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの作用極１１Ａ，１１Ｂの透明導電層に接続されているため、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂを互いに電気的に接続することができる。
なお、この場合であっても、開口率を確保すべく第１色素増感太陽電池セル１０Ａの前面側集電配線２１と貫通電極４０とは、積層方向に互いに重なるように配置されていることが好ましい。

また、実施形態では、第１色素増感太陽電池セル１０Ａ及び第２色素増感太陽電池セル１０Ｂの２つの色素増感太陽電池セルを用いて色素増感太陽電池モジュール１００を構成した例について説明したが、これに限定されることはなく、３つ以上の複数の色素増感太陽電池セルを用いて色素増感太陽電池モジュールを構成してもよい。この場合、複数の色素増感太陽電池セルのうち少なくとも一対の色素増感太陽電池セルの間に透明絶縁層が配置され、該透明絶縁層に貫通電極が設けられていればよい。

さらに、実施形態における透明封止部１６Ａ，１６Ｂは、それぞれ光透過性を有する透明封止部１６Ａ，１６Ｂ及び外周側保護層１８Ａ，１８Ｂから構成されているものとしたが、必ずしも光透過性を有する部材から構成されている必要はない。即ち、透明封止部１６Ａ，１６Ｂは、少なくとも作用極１１Ａ，１１Ｂと対極１４Ａ，１４Ｂとの間に電解質層１５Ａ，１５Ｂを封止する役割を担っていればよく、光透過性を有しない封止部であってもよい。

１０Ａ…第１色素増感太陽電池セル（一の色素増感太陽電池セル），１０Ｂ…第２色素増感太陽電池セル（他の色素増感太陽電池セル），１１Ａ，１１Ｂ…作用極，１２Ａ，１２Ｂ…透明電極層，１３Ａ，１３Ｂ…酸化物半導体層，１４Ａ，１４Ｂ…対極，１５Ａ，１５Ｂ…電解質層，１６Ａ，１６Ｂ…透明封止部，１７Ａ，１７Ｂ…封止材，１８Ａ，１８Ｂ…外周側保護層，２１…前面側集電配線（集電配線），２１ａ…主配線，２１ｂ…導出配線，２２…背面側集電配線，２２ａ…主配線，２３…配線保護層，２４…配線保護層，２５…前面側集電配線（集電配線），２５ａ…主配線，２６…配線保護層，３１…第１透明絶縁層，３２…第２透明絶縁層（透明絶縁層），４０…貫通電極，１００…色素増感太陽電池モジュール

Claims

増感色素を担持した酸化物半導体層が透明電極層に積層されてなる作用極と、該作用極における前記酸化物半導体層側に対向して配置される対極と、これら作用極及び対極の間に配置される電解質層と、を有し、互いに積層される複数の色素増感太陽電池セルと、
互いに対向する一の前記色素増感太陽電池セルの対極と他の前記色素増感太陽電池セルの作用極との間に配置される透明絶縁層と、
前記透明絶縁層を前記色素増感太陽電池セルの積層方向に貫通するように配置され、前記一の色素増感太陽電池セルの対極と前記他の色素増感太陽電池セルの作用極とを互いに電気的に接続する貫通電極と、を備え、
前記一の色素増感太陽電池セルが、
前記貫通電極に電気的に接続されるとともに、該貫通電極を介して前記他の色素増感太陽電池セルから移動してきた電子を集電して前記一の色素増感太陽電池セルの対極に分散させる背面側集電配線と、
該一の色素増感太陽電池セルの背面側集電配線を覆うことで該背面側集電配線を前記一の色素増感太陽電池セルの電解質層から隔離する配線保護層と、を有し、
前記他の色素増感太陽電池セルが、
該他の色素増感太陽電池セルの透明電極層に積層されて、該他の色素増感太陽電池セルの前記増感色素から放出された電子を集電するとともに前記貫通電極に電気的に接続された前面側集電配線と、
該他の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線を覆うことで該前面側集電配線を前記他の色素増感太陽電池セルの電解質層から隔離する配線保護層と、を有し、
前記一の色素増感太陽電池セルの背面側集電配線及び該背面側集電配線を覆う配線保護層と、前記他の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線及び該前面側集電配線を覆う配線保護層と、前記貫通電極とが、前記積層方向に互いに重なるように配置されることを特徴とする色素増感太陽電池モジュール。
前記一の色素増感太陽電池セルが、
該一の色素増感太陽電池セルの透明電極層に積層されて、該一の色素増感太陽電池セルの前記増感色素から放出された電子を集電する前面側集電配線と、
該一の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線を覆うことで該前面側集電配線を前記一の色素増感太陽電池セルの電解質層から隔離する配線保護層と、を有し、
前記一の色素増感太陽電池セルの前面側集電配線及び該前面側集電配線を覆う配線保護層と、前記一の色素増感太陽電池セルの背面側集電配線及び該背面側集電配線を覆う配線保護層とが、前記積層方向に互いに重なるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池モジュール。
前記色素増感太陽電池セルが、
前記作用極及び前記対極の外周側でこれら作用極及び対極の間に前記電解質層を封止する透明封止部をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の色素増感太陽電池モジュール。
前記一の色素増感太陽電池セルの前記増感色素の方が、前記他の色素増感太陽電池セルの前記増感色素よりも、吸収スペクトルの長波長側の末端の波長が小さく設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池モジュール。
互いに隣り合う前記貫通電極同士の離間距離の方が、これら貫通電極が接続する前記対極と前記作用極との対向距離よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池モジュール。