JP5714594B2 - 箔（ホイル）を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュール - Google Patents

箔（ホイル）を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュール Download PDF

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Description

本発明は、箔（ｆｏｉｌ）を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池に関するものであって、染料感応太陽電池の集積時に電極の間の電気的接触を均一で優秀に行うことができるので、染料感応太陽電池の集積時に発生する電極の間の接触抵抗増加を防止して、太陽電池の効率を改善する箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュールに関するものである。
染料感応太陽電池は、１９９１年度スイス国立ローザンヌ高等技術院（ＥＰＦＬ）のマイケルグレッツェル（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｔｚｅｌ）研究チームによって染料感応ナノ粒子酸化チタン太陽電池が開発された以後、この分野に関する多くの研究が進められている。このような染料感応太陽電池は既存のシリコン系太陽電池に比べて製造単価が顕著に低いため、既存の非晶質シリコン太陽電池を代替できる可能性を有しており、シリコン太陽電池とは異なり、染料感応太陽電池は可視光線を吸収して電子−ホール対を生成できる染料分子と、生成された電子を伝達する遷移金属酸化物を主構成材料とする光電気化学的太陽電池である。
一般的な染料感応太陽電池の単位セル構造は、上部および下部の透明な基板（一般にガラス）と、その透明基板の表面にそれぞれ形成される透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる導電性透明電極を基本にして、第１電極（作用極）に該当する一側の導電性透明電極上にはその表面に染料が吸着された遷移金属酸化物多孔質層が形成され、第２電極（触媒極）に該当する他側の導電性透明電極上には触媒薄膜電極（主にＰｔ）が形成され、前記遷移金属酸化物、例えば、ＴｉＯ２、多孔質電極と触媒薄膜電極との間には電解質が充填される構造を有する。即ち、染料感応太陽電池は、光を受けて電子を発生させる染料が付着された光電極（ＴｉＯ２）材料がコーティングされた作用極基板と電子を供給する触媒極基板との間に充填される酸化された染料に電子を供給する電解質を基本にして構成される。
しかし、このような構造を有する染料感応太陽電池において、工業的に利用可能な電気を生産するためにはそれぞれのセルを互いに連結して、一つの組立体（これに関する具体的な例は図１に示した通りである。）を形成し、これら複数のセルからなる組立体を互いに連結するモジュール化が必要である。
したがって、このような各セル間の電気的連結および組立体の間の電気的連結のためには前記作用極基板と触媒極基板の電極の間に電気的連結を行うことが必要であり、このために一般には図２に示したように電極の間に銀（Ａｇ）ペーストを塗布し、これを互いに連結する方法が使用されてきた。
しかし、このような方法は図２に示したように銀ペーストの塗布が均一でなかったり、接合が均一でない場合に接触抵抗の発生によって染料感応太陽電池モジュールの効率を低下させるという問題点がある。
したがって、これら電気的連結部位における電気的連結において接触抵抗を最少化し、均一な接触を行うことができる製造方法の開発が切実であるのが実情である。
上記のような問題点を解決するために、本発明は、染料感応太陽電池の集積時に電極の間の電気的接触を均一で優秀に行うことができるので、、染料感応太陽電池の集積時に発生する電極の間の接触抵抗増加を防止して、太陽電池の効率を改善する箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールの製造方法において、前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結が、前記両基板電極の対向部分の間に金属箔を挿入し、前記両基板が互いに接触するように圧着した後、前記金属箔を電気を通電させて溶融して前記両基板電極の間の結合が行われるようにすることを特徴とする箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法を提供する。
また、本発明は、対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールにおいて、前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結は、前記電極の間に接触して配置される金属箔の電気通電溶融物の凝固体を含むことを特徴とする箔を用いた染料感応太陽電池モジュールを提供する。
本発明の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュールによれば、染料感応太陽電池の集積時に電極の間の電気的接触を均一で優秀に行うことができるので、染料感応太陽電池の集積時に発生する電極の間の接触抵抗増加を防止して、太陽電池の効率を改善する効果を得ることができる。
一般的な染料感応太陽電池セルが複数集積された組立体に関する一実施形態の断面を概略的に示した図面である。 従来の染料感応太陽電池組立体の間の電気的連結方法を断面を基準に概略的に示した図面である。 本発明の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法に関する一実施形態を断面を基準に概略的に示した図面である。 本発明の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法に関する他の実施形態を断面を基準に概略的に示した図面である。
以下、本発明について図面を参考にして詳しく説明する。
本発明は、箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法に関するものであって、対向して配置された作用極基板１０ｂ、２０ｂ、５０と触媒極基板１０ａ、２０ａ、３０および、これら基板の間に充填される電解質４０を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールの製造方法において、前記作用極基板と触媒極基板の電極の間（２０ｂと２０ａとの間または２０ｂと３０との間）の電気的連結が、前記両基板電極の対向部分の間に金属箔１００を挿入し、前記両基板が互いに接触するように圧着した後、前記金属箔１００を電気を通電させて溶融して前記両基板電極の間の結合が行われるようにする構成を有する。
即ち、図３にその具体的な例を示したように、対向して配置された作用極基板１０ｂ、２０ｂ、５０と触媒極基板１０ａ、２０ａ、３０および、これら基板の間に充填される電解質４０を含んで、複数のセルからなる染料感応太陽電池モジュールを互いに電気的に連結するために、対向する電極の間に金属箔（ｆｏｉｌ）１００を挿入し、前記両基板が互いに接触するように圧着した後、前記金属箔１００に強い電気を流して、電気抵抗による金属の加熱によって金属箔の溶融が瞬間的に起こって溶融金属が電極の間に均一に分布されながら凝固して、均一な接合を行うことができるようにする。
前記電極の間の接合は、図示したように、上下基板のＴＣＯ層の間の電気的連結であることもあり、触媒層がセルの外側まで形成された場合には触媒層とＴＣＯ層（作用極）の間の電気的連結であることもある。また、前記電気的連結は、図示したように、複数セルの組立体の間の電気的連結であることもあり、セルとセルの間の連結であることもある。
図３に示した場合は薄膜箔が非常に厚く示されるが、これは説明のために誇張して示された場合であり、実質的には箔に該当する厚さの薄膜が挿入され、前記金属箔を溶融することは電気通電を通した全体箔の瞬間的溶融が良い。
また、前記金属箔の溶融をより容易なようにするために箔の厚さをさらに薄くすることが好ましく、これによって箔の溶融物がより均一に配置され、ｗｅｔｔｉｎｇ特性を改善するようにすることができるので、このために、対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールの製造方法において、前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結が、前記両基板電極の対向部分に伝導体２００をコーティングし、前記伝導体２００の間に金属箔１００を挿入し前記両基板を互いに接触するように圧着した後、前記金属箔１００を電気を通電させて溶融して前記伝導体２００と結合するようにして前記両基板電極の間の結合が行われるようにすることができる。
前記伝導体はスパッタリング等を通した金属コーティングであることもあり、好ましくは金属ペーストであることが塗布工程の容易性側面から良い。前記製造方法に関する具体的な例は図４に示した通りである。即ち、銀ペーストが電極の各面に塗布され、これの間に２００ｎｍの厚さを有する錫（Ｓｎ）金属箔を挿入した後にこれらを圧着して、２ＭＰａの圧力で押して結合した状態で、ここに９Ｖの電気を流して、金属箔が数ミリ秒の間に１０００℃以上の温度で瞬間的に加熱して溶融するようにし、このように溶融した溶融物が伝導体それぞれの微細空隙を埋めながら伝導体が結合するようにして、伝導体の間の接触による接触抵抗を減らしながら結合するようにする。
これは前述の製造方法において伝導体を付加する差を有することで、これによってさらに薄い箔を用いて均一な接触を得ることができる。
このような電気的連結形成方法に使用される金属箔は通常の多様な伝導性金属がこれに用いられ、好ましくは融点が低く、電極または伝導体に対してｗｅｔｔｉｎｇ特性に優れた金属であることが工程の容易性および残り素子の損傷最小化および接触抵抗の最小化側面から良く、さらに好ましくはこのような条件を満たす錫または錫合金またはインジウムまたはインジウム合金であることが良い。
前記金属箔の溶融のためには、図示したように金属箔に大量の電気を瞬間的に流して箔全体の溶融が瞬間的に起こるようにすることもできる。好ましくは、電気通電は作業に安全でありながらも導電体など他の構成要素に影響を与えない範囲である１〜１００Ｖ、好ましくは５〜１５Ｖをしようすることが良い。前記範囲内である場合、金属箔の溶融が良好に行われると共に素子薄膜にダメージを減らすことができる。
前記のように電気通電を通して箔を瞬間的に溶融させるためには箔の厚さは薄いほど良いが、薄すぎれば接触抵抗減少のための十分な量の溶融物を生成させることができないので、好ましくは１０ｎｍ〜３０μｍの厚さを有することが良い。前記金属箔の厚さが厚すぎる場合には溶接する時間が長くなり、圧力も多く加えられなければならないために、発熱量が過度に大きくなり、高温が続くことにより染料や電解液にもダメージがあることがあり、ガラスが破損する恐れがあり、さらに好ましくは、前記箔の厚さは１０ｎｍ〜２０００ｎｍである。
また、金属箔の溶融物が均一に電極面に分布するようにするためには、一定の圧力で結合体を押すことが必要であり、このために圧着後に溶融を起こし、前記圧着のための圧力は好ましくは０．０１〜１０ＭＰａであることが、溶融物が外部に押し出される量を最少化しながらも、均一な溶融物の分布を得ることができて良い。
また、前記伝導体２００は前記金属箔の溶融過程で安定した形態を維持することが好ましいので、このために前記伝導体の溶融点は前記金属箔より高いことが良く、これは前記伝導体が金属ペーストである場合にはこれに含まれる金属の溶融点を意味するものであって、銀ペーストの場合には銀の溶融点が錫やインジウムより高いという意味である。したがって、好ましくは前記伝導体は銀（Ａｇ）ペーストを使用することが安定状を維持し、結合過程および結合後に電気的安全性および高い電導度を得るために良い。
また、本発明はこのような製造方法によって製造される染料感応太陽電池モジュールを提供し、このような染料感応太陽電池モジュールの構造は、ｉ）対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールにおいて、前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結は、前記電極の間に接触して配置される金属箔１００の電気通電溶融物の凝固体１１０を含む構造を有するか、ｉｉ）対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールにおいて、前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結は、前記電極の間の接触面にそれぞれ配置される伝導体２００および、前記伝導体２００の間に接触して配置される金属箔の電気通電溶融物の凝固体１１０を含む構造を有し、前記各染料感応太陽電池モジュールの前記金属箔の電気通電溶融物の凝固体１１０はそれぞれ前述の製造方法で製造されることがある。
以上で説明した本発明は前述の実施形態および添付した図面によって限定されるのではなく、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で当該技術分野の当業者が多様に修正および変更させたものも本発明の範囲内に含まれることはもちろんである。
本発明の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュールによれば、染料感応太陽電池の集積時に電極の間の電気的接触を均一で優秀に行うことができるので、染料感応太陽電池の集積時に発生する電極の間の接触抵抗増加を防止して、太陽電池の効率を改善する効果を得ることができる。
１０ａ 上面ガラス基板（触媒極）
１０ｂ 下面ガラス基板（作用極）
２０ａ 上面ＴＣＯ層（触媒極）
２０ｂ 下面ＴＣＯ層（作用極）
３０ 触媒層（触媒電極、主にＰｔ）
４０ 電解質
５０ 染料＋遷移金属酸化物層
６０ 封止部
７０ セル間電気的連結
８０ セル間封止部
１００ 金属箔
１１０ 金属箔の電気通電溶融物の凝固体
２００ 伝導体（金属ペースト）

Claims (10)

  1. 対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールの製造方法において、
    前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結が、
    前記両基板電極の対向部分の間に金属箔を挿入し、前記両基板が互いに接触するように圧着する間に、前記金属箔を電気を通電させて溶融して前記両基板電極の間の結合が行われるようにし、
    前記圧着の圧力は、０．０１〜１０ＭＰａであることを特徴とする箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  2. 対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールの製造方法において、
    前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結が、
    前記両基板電極の対向部分に伝導体をコーティングし、前記伝導体の間に金属箔を挿入して前記両基板を互いに接触するように圧着する間に、前記金属箔を電気を通電させて溶融して前記伝導体と結合するようにして、前記両基板電極の間の結合が行われるようにし、
    前記圧着の圧力は、０．０１〜１０ＭＰａであることを特徴とする箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  3. 前記金属箔は、錫または錫合金またはインジウムまたはインジウム合金の薄板であることを特徴とする、請求項１または２に記載の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  4. 前記金属箔の厚さは１０ｎｍ〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  5. 前記金属箔の厚さは１０ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  6. 前記電気通電は、１〜１００Ｖであることを特徴とする、請求項１または２に記載の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  7. 前記伝導体は、前記金属箔の溶融点より高い溶融点を有する金属ペーストであることを特徴とする、請求項２に記載の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  8. 前記伝導体は、銀（Ａｇ）ペーストであることを特徴とする、請求項７に記載の箔を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  9. 対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールにおいて、
    前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結は、
    前記電極の間に接触して配置される金属箔の電気通電溶融物の凝固体を含み、
    前記金属箔の電気通電溶融物の凝固体は、請求項１の製造方法で製造されることを特徴とする箔を用いた染料感応太陽電池モジュール。
  10. 対向して配置された作用極基板と触媒極基板および、これら基板の間に充填される電解質を含む染料感応太陽電池を集積して形成される染料感応太陽電池モジュールにおいて、
    前記作用極基板と触媒極基板の電極の間の電気的連結は、
    前記電極の間の接触面にそれぞれ配置される伝導体および、
    前記伝導体の間に接触して配置される金属箔の電気通電溶融物の凝固体を含み、
    前記金属箔の電気通電溶融物の凝固体は、請求項２の製造方法で製造されることを特徴とする箔を用いた染料感応太陽電池モジュール。
JP2012535113A 2009-10-20 2010-10-13 箔（ホイル）を用いた染料感応太陽電池モジュールの製造方法およびこれによって製造される染料感応太陽電池モジュール Expired - Fee Related JP5714594B2 (ja)

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