JP5714005B2 - 湿式太陽電池および湿式太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
Y≧0.02D+6.5 …(1)
(式(1)中、Yは多孔性絶縁層の膜厚(μm)であり、Dは距離D(μm)である。)
距離Dが500μmを超え、多孔性絶縁層の膜厚Yが以下の式(2)を満たすことが好ましい。
Y≧16.5 …(2)
(式(2)中、Yは多孔性絶縁層の膜厚(μm)であり、Dは距離D(μm)である。)
本発明の湿式太陽電池は、光透過性の材料からなる支持体と、該支持体上に、導電層と、多孔性半導体からなる光電変換層と、多孔性絶縁層と、対極導電層とがこの順に積層された積層体を備えたものであって、導電層は、スクライブラインを介して、光電変換層が積層された第1の領域と、光電変換層が積層されていない第2の領域とを有し、該光電変換層は、第1の領域の表面の一部に積層され、かつ、スクライブラインに面していない側の受光面に投影された対極導電層の外縁から、光電変換層の外縁までの距離Aが、500μm以下であることを特徴とする。また、光電変換層の外縁が対極導電層の外縁よりも内側にある場合、距離Aと、多孔性絶縁層の膜厚Yとが以下の式(3)を満たすことが好ましい。
Y≧0.02A+6.5 …(3)
(式(3)中、Yは多孔性絶縁層の膜厚(μm)であり、Aは距離A(μm)である。)
本発明の湿式太陽電池は、光透過性の材料からなる支持体と、該支持体上に、導電層と、多孔性半導体からなる光電変換層と、多孔性絶縁層と、対極導電層とがこの順に積層された積層体を備えたものであって、該導電層は、スクライブラインを介して、光電変換層が積層された第1の領域と、光電変換層が積層されていない第2の領域とを有し、光電変換層は、第1の領域の表面の一部に積層され、かつ、スクライブラインに面していない側の受光面に投影された対極導電層の外縁から、光電変換層の外縁までの距離Aが、500μmを超え、該多孔性絶縁層の膜厚が16.5μm以上であることを特徴とする。
図1(a)は、本発明の湿式太陽電池(以下、「太陽電池」または「色素増感太陽電池」ともいう)の要部の層構造を示す概略断面図であり、図1(b)は、図1(a)の湿式太陽電池を非受光面側から見た図である。
Y≧0.02D+6.5 …(1)
(式(1)中、Yは多孔性絶縁層の膜厚(μm)であり、Dは上記距離D(μm)、50≦D≦500である。)
発明者の検討によると、触媒層と受光面側に存在する導電層とが短絡し、物理的リークになる箇所は、スクライブラインと光電変換層の間であり、この部分の面積が大きいとリークする確率が高くなる。よって、この部分の面積の増大にしたがって、多孔性絶縁層の膜厚を大きくする必要があり、その関係式が(1)で表される。
Y≧16.5 …(2)
(式(2)中、Yは多孔性絶縁層の膜厚(μm)、Dは上記距離D(μm)である。)
なお、多孔性絶縁層の膜厚Yは、導電層2表面から多孔性絶縁層5の最表面までの垂直距離であって、上記第1の領域2aの光電変換層が積層されていない部分における層の厚さをいう。
(式(3)中、Yは多孔性絶縁層の膜厚(μm)であり、Aは上記距離A(μm)である。)
本発明者らの検討によると、対極導電層が光電変換層よりもはみ出した部分で、触媒層と受光面側に存在する導電層とが短絡し、物理的リークが起こる。このはみ出した部分の面積が大きいとリークする確率が高くなる。よって、この部分の面積の増大にしたがって、多孔性絶縁層の膜厚を大きくする必要があり、その関係式が(3)で表される。
支持体1は、太陽電池の受光面となる部分では光透過性が必要となるため、少なくとも光透過性の材料からなり、厚さ0.2〜5mm程度のものが好ましい。
導電層2は、太陽電池の受光面となり、光透過性が必要となるため、光透過性の材料からなる。但し、少なくとも後述する増感色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過させる材料であればよく、必ずしもすべての波長領域の光に対して透過性を有する必要はない。
スクライブライン3は、導電層を構成する導電膜をレーザースクライブにより切断して形成する。スクライブライン3により、導電層2は、後述の光電変換層4が積層された部分と光電変換層4が積層されていない部分とを含む第1の領域2aと、光電変換層4が形成されない第2の領域2bとに分割される。スクライブライン3を介した第1の領域2aと第2の領域2bとの距離(スクライブラインの幅)は、湿式太陽電池のサイズなどによるが、例えば10μm〜200μm程度である。
光電変換層4は、多孔性半導体からなる層に色素や量子ドットを吸着させかつキャリア輸送材料を充填させてなる。
上記多孔性半導体は、半導体から構成される。半導体の形態は、バルク状、粒子状、多数の微細孔を有する膜状など、種々の形態のものを用いることができるが、多数の微細孔を有する膜状の形態が好ましい。
多孔性半導体に吸着させる色素としては、光増感剤として機能するものであれば、種々の可視光領域および/または赤外光領域に吸収をもつ有機色素、金属錯体色素などが挙げることができ、これらの色素を1種または2種以上を選択的に用いることができる。
湿式太陽電池において、光電変換層4と対極導電層6との間に多孔性絶縁層5を設けるのが一般的である。多孔性絶縁層5の材料としてはガラスや、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウムなどの伝導帯準位の高い材料が用いられる。また、多孔性絶縁層5としては、粒子状の多孔質により構成されるものが例示され、この場合平均粒径は5〜500nmであることが好ましく、10〜300nmであることがより好ましい。
本発明における対極導電層6とは、触媒能を有しキャリア輸送層中の正孔を還元する働きを有する触媒層と、電子収集し、隣接する太陽電池と直列接続する働きを有する導電層を、合わせて対極導電層と呼ぶ。また、これらの働きを併せて有する層、すなわち、触媒層が高い導電性を有する場合、あるいは導電層が触媒能を有する場合は、それぞれ単独で対極導電層6とすることができる。また、対極導電層とは別に触媒層を更に設ける態様も本発明に含まれる。
対極導電層6の導電層を構成する材料は、一般に太陽電池に使用可能で、かつ本発明の効果を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。このような材料としては、インジウム錫複合酸化物(ITO)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等の金属酸化物、チタン、タングステン、金、銀、銅、ニッケルなどの金属材料が挙げられる。膜強度を考慮するとチタンが最も好ましい。
触媒層を構成する材料は、一般に太陽電池に使用可能で、かつ本発明の効果を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。このような材料としては、例えば、白金、カーボンが好ましい。カーボンの形態としては、カーボンブラック、グラファイト、ガラス炭素、アモルファス炭素、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンホイスカー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が好ましい。
カバー層7は、電解液の揮発と電池内への水などの浸入を防止するために重要である。
封止材8は、電解液の揮発と電池内への水などの浸入を防止するために重要である。
本発明において、「キャリア輸送層」とは、封止材8の内側の導電層2とカバー層7との間に挟持され、封止材8により担持される領域であって、キャリア輸送材料が注入された領域を意味する。したがって、少なくとも光電変換層4および多孔性絶縁層5にはキャリア輸送材料が充填される。
ゲル化剤としては、例えば、架橋ポリアクリル樹脂誘導体や架橋ポリアクリロニトリル誘導体、ポリアルキレンオキシド誘導体、シリコーン樹脂類、側鎖に含窒素複素環式四級化合物塩構造を有するポリマーなどの高分子ゲル化剤などが挙げられる。
常温型溶融塩としては、例えば、ピリジニウム塩類、イミダゾリウム塩類などの含窒素複素環式四級アンモニウム塩化合物類などが挙げられる。
このような添加剤としては、t−ブチルピリジン(TBP)などの含窒素芳香族化合物、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(DMPII)、メチルプロピルイミダゾールアイオダイド(MPII)、エチルメチルイミダゾールアイオダイド(EMII)、エチルイミダゾールアイオダイド(EII)、ヘキシルメチルイミダゾールアイオダイド(HMII)などのイミダゾール塩が挙げられる。
対極導電層6には、必要に応じて、取り出し電極(図示せず)が設けられる。取り出し電極により、太陽電池から外部へと電流を取り出す。
図1(a)に示された湿式太陽電池の製造方法について説明する。
透明電極基板11の導電層2上に膜状の多孔性半導体からなる層を形成する方法としては、スクリーン印刷法、インクジェット法などにより、半導体粒子を含有するペーストを導電層上に塗布した後、焼成する方法、ゾル−ゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法などにより、導電層上に成膜する方法などが挙げられる。これらの方法の中で、厚膜の多孔性半導体からなる層を低コストで成膜できることから、ペーストを用いたスクリーン印刷法が特に好ましい。
<湿式太陽電池モジュール>
図2は、本発明の湿式太陽電池モジュールの要部の層構造を示す概略断面図である。
30mm×30mm×厚さ1.0mmの透明電極基板11(日本板硝子株式会社製、SnO2膜付ガラス)を用意した。該透明電極基板11は、ガラスからなる支持体上にSnO2膜からなる導電層が成膜されたものである。透明電極基板11の導電層をレーザースクライブにより切断することにより、スクライブライン3を形成した。次いで、光電変換層4のパターンを有するスクリーン版とスクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型番:LS−150)を用いて、市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:D/SP)を塗布し、室温で1時間レベリングした。その後、得られた塗膜を80℃に設定したオーブンで20分間乾燥し、さらに500℃に設定した焼成炉(株式会社デンケン製、型番:KDF P−100)を用いて空気中で60分間焼成した。この塗布および焼成工程を3回繰り返し、膜厚15μmの光電変換層4を得た。
図3では、距離Dに対し、500μmまではほぼ線形で絶縁膜厚Yが増加するのに対し、500μm以上では、絶縁膜厚がほぼ一定で変化しないことが分かる。
Y≧0.02D+6.5 (D≦500)…(1)
また、図3より、距離Dが500μmを超えると、短絡を起こさない多孔性絶縁層膜の最低膜厚は、16.5μmとなる。
上記の太陽電池基板の作製で、D=50、100、150、400、500、550、600、750、1000μmの基板を用いて湿式太陽電池を作製した。
スクライブラインに面していない側の多孔性半導体層(光電変換層)の外縁から対極導電層の外縁までの距離Aを変えたことが異なる他は、実施例1と同様の方法により湿式太陽電池を作製した。
Y≧0.02A+6.5 (0≦A≦500)…(3)
また、図4より、距離Aが500μmを超えると、短絡を起こさない多孔性絶縁層膜の最低膜厚は、16.5μmとなる。
上記の太陽電池基板の作製で、光電変換層の外縁が対極導電層の外縁よりも外側にある場合において、距離A=600、750、1000μmの湿式太陽電池を比較例4〜6として作製した。このときの多孔性絶縁層の膜厚を8μmとした。一方、対極導電層の外縁が光電変換層の外縁よりも外側にある場合において、距離A=550、600、750、1000μmの湿式太陽電池を比較例7〜10として作製した。このときの多孔性絶縁層の膜厚を15μmとした。上記以外は実施例10〜19と同様の方法により作製した。
実施例1〜19および比較例4〜10の湿式太陽電池の受光面に、開口部の面積が1.0cm2である黒色のマスクを設置して、この湿式太陽電池に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率(η)を測定した。その結果を表1および表2に示す。比較例1〜3については、太陽電池が製造できなかったため評価していない。
<実施例20〜32>
図2に示す湿式太陽電池モジュールの作製した。
実施例20〜32の湿式太陽電池モジュールの受光面に、開口部の面積が13cm2である黒色のマスクを設置した。そして、この湿式太陽電池に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。その結果を表1および表2に示す。
Claims (5)
- 光透過性の材料からなる支持体(1)と、
前記支持体(1)上に、導電層(2)と、多孔性半導体からなる光電変換層(4)と、多孔性絶縁層(5)と、対極導電層(6)とがこの順に積層された積層体を備えた湿式太陽電池(10)であって、
前記導電層(2)は、スクライブライン(3)を介して、前記光電変換層(4)が積層された第1の領域と、前記光電変換層(4)が積層されていない第2の領域とを有し、
前記光電変換層(4)は、前記第1の領域の表面の一部に積層され、かつ、前記スクライブライン(3)に面した前記第1の領域の周縁部から前記光電変換層(4)の周縁部までの距離Dが50μm以上500μm以下であり、
前記多孔性絶縁層(5)の膜厚Yが以下の式(1)を満たす、湿式太陽電池(10)。
Y≧0.02D+6.5 …(1)
(式(1)中、Yは前記多孔性絶縁層(5)の膜厚(μm)であり、Dは前記距離D(μm)である。) - 光透過性の材料からなる支持体(1)と、
前記支持体(1)上に、導電層(2)と、多孔性半導体からなる光電変換層(4)と、多孔性絶縁層(5)と、対極導電層(6)とがこの順に積層された積層体を備えた湿式太陽電池(10)であって、
前記導電層(2)は、スクライブライン(3)を介して、前記光電変換層(4)が積層された第1の領域と、前記光電変換層(4)が積層されていない第2の領域とを有し、
前記光電変換層(4)は、前記第1の領域の表面の一部に積層され、かつ、前記スクライブライン(3)に面した前記第1の領域の周縁部から前記光電変換層(4)の周縁部までの距離Dが500μmを超え、前記多孔性絶縁層(5)の膜厚Yが以下の式(2)を満たす、湿式太陽電池(10)。
Y≧16.5 …(2)
(式(2)中、Yは前記多孔性絶縁層(5)の膜厚(μm)である。) - 光透過性の材料からなる支持体(1)と、
前記支持体(1)上に、導電層(2)と、多孔性半導体からなる光電変換層(4)と、多孔性絶縁層(5)と、対極導電層(6)とがこの順に積層された積層体を備えた湿式太陽電池(10)であって、
前記導電層(2)は、スクライブライン(3)を介して、前記光電変換層(4)が積層された第1の領域と、前記光電変換層(4)が積層されていない第2の領域とを有し、
前記光電変換層(4)は、前記第1の領域の表面の一部に積層され、かつ、前記スクライブライン(3)に面していない側の受光面に投影された前記対極導電層(6)の外縁から、前記光電変換層(4)の外縁までの距離Aが、500μm以下であり、
前記光電変換層(4)の外縁が前記対極導電層(6)の外縁よりも内側にある場合、前記距離Aと、前記多孔性絶縁層(5)の膜厚Yとが以下の式(3)を満たす、湿式太陽電池(10)。
Y≧0.02A+6.5 …(3)
(式(3)中、Yは前記多孔性絶縁層(5)の膜厚(μm)であり、Aは前記距離A(μm)である。) - 光透過性の材料からなる支持体(1)と、
前記支持体(1)上に、導電層(2)と、多孔性半導体からなる光電変換層(4)と、多孔性絶縁層(5)と、対極導電層(6)とがこの順に積層された積層体を備えた湿式太陽電池(10)であって、
前記導電層(2)は、スクライブライン(3)を介して、前記光電変換層(4)が積層された第1の領域と、前記光電変換層(4)が積層されていない第2の領域とを有し、
前記光電変換層(4)は、前記第1の領域の表面の一部に積層され、かつ、前記スクライブライン(3)に面していない側の受光面に投影された前記対極導電層(6)の外縁から、前記光電変換層(4)の外縁までの距離Aが、500μmを超え、
前記多孔性絶縁層(5)の膜厚が16.5μm以上である、湿式太陽電池(10)。 - 2つ以上の湿式太陽電池(10)が直列接続された湿式太陽電池モジュール(20)であって、
前記湿式太陽電池モジュール(20)は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の前記湿式太陽電池(10)を少なくとも1つ含み、
前記直列接続は、隣接する湿式太陽電池(10)の一方の湿式太陽電池(10)の対極導電層(6)と、他方の湿式太陽電池(10)の導電層(2)とが電気的に接続される、湿式太陽電池モジュール(20)。
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