JP5828034B2 - 色素増感太陽電池 - Google Patents
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Description
まず本発明の色素増感太陽電池の第1実施形態について図1及び図2を用いて詳細に説明する。図1は、本発明に係る色素増感太陽電池の第1実施形態を示す断面図、図2は、図1のバックシートを示す部分断面図である。
透光性基板10は、光透過性の材料からなる基板により構成される。このような材料としては、通常、光電変換素子の透明基材として用いられる材料であればいかなるものでも用いることができる。このような材料としては、具体的には、ガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)およびポリカーボネートなどが挙げられる。透光性基板10は、これらの中から電解質26への耐性などを考慮して適宜選択される。また、透光性基板10は、光透過性に優れる基材であることが好ましく、光透過率が90%以上の基材であることがより好ましい。
作用極27は、上述したように、透明導電層21と、多孔質酸化物半導体層22と、配線部23とを有する。
配線部23は、透明導電層21上に設けられ、透明導電層21と導通する集電配線23aと、集電配線23aを覆って電解質26から保護する配線保護層23bとを有している。
光増感色素としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造などを配位子に含むルテニウム錯体、ポリフィリン、フタロシアニンなどの含金属錯体、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などが挙げられ、これらの中から、用途、使用する酸化物半導体に適した挙動を示すものを特に限定なく選ぶことができる。具体的には、N3、N719、N749などを光増感色素として使用することができる。
対極24は、対極基板24aと、対極基板24a上に設けられる触媒層24bとを有する。
封止部25を構成する材料としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、酸変性ポリエチレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、紫外線硬化樹脂、及び、ビニルアルコール重合体が挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、封止部25は樹脂のみで構成されてもよいし、樹脂と無機フィラーとで構成されていてもよい。
電解質26は通常、電解液で構成され、この電解液は例えばI−/I3 −などの酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、又はγ−ブチロラクトンなどを用いることができる。酸化還元対としては、例えばI−/I3 −のほか、臭素/臭化物イオンなどの対が挙げられる。また電解質26は、有機溶媒に代えて、イオン液体を用いてよい。また電解質26は、有機溶媒に代えて、イオン液体と有機溶媒との混合物を用いてもよい。イオン液体としては、例えばピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩であって、室温付近で溶融状態にある常温溶融塩が用いられる。このような常温溶融塩としては、例えば1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムヨーダイドが好適に用いられる。上記電解質には添加剤を加えてもよい。添加剤としては、LiI、4−t−ブチルピリジン、N−メチルベンゾイミダゾールなどが挙げられる。さらに電解質26としては、上記電解質26にSiO2、TiO2、カーボンナノチューブなどのナノ粒子を混練してゲル様となった擬固体電解質であるナノコンポジットゲル電解質を用いてもよく、また、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などの有機系ゲル化剤を用いてゲル化した電解質を用いてもよい。
図2に示すように、バックシート30は、耐候性層31と、金属層32と、これらを接着する接着層33とを含む。
樹脂部50は、バックシート30と色素増感太陽電池セル20とを接着できるとともに、バックシート30と透光性基板10とを接着できる樹脂を含むものであればよい。このような樹脂としては、例えばポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、および、ポリオレフィン樹脂が挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、ポリオレフィン樹脂が好ましい。この場合、樹脂部50に加わる応力をより十分に緩和することでき、かつ、色素増感太陽電池セル20の対極24とバックシート30との接着力をより十分に確保することができる。また、ポリオレフィン樹脂は、加熱溶融することで接着可能で、均一な材質からなるため、バックシート30、対極24又は透光性基板10との接着面内での接着ムラを起こしにくくすることができる。ポリオレフィン樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、及び、ポリブチレン等が挙げられる。中でも、ポリエチレンが好ましい。なお、ポリオレフィン樹脂を酸変性させてなる酸変性ポリオレフィン樹脂はさらに好ましい。この場合、樹脂部50と、基材となる透光性基板10との間で強固な接着を得ることが可能となる。酸変性ポリオレフィン樹脂としては、例えばアイオノマー、エチレン−メタクリル酸共重合体、無水マレイン酸変性ポリエチレン、及び、エチレンーアクリル酸共重合体が挙げられる。
低線膨張係数体60は、樹脂部50の線膨張係数よりも低い線膨張係数を有するものであればいかなるものでもよい。このような低線膨張係数体60を構成する材料としては、例えば無機ガラス、樹脂、布、紙、多孔質無機材料のゼオライト、シリカゲルなどが挙げられる。
α0<α1<α2
を満たすことが好ましく、α0に近いほどよい。言い換えると、低線膨張係数体60の線膨張係数α1は、α0<α1を満たしα2−α1が大きいほどよい。
例えば、透光性基板10のとして無機ガラス(α0=5×10−6/K〜20×10−6/K)を選び、樹脂部50として、ポリエチレン(α2=50×10−6/K/K〜500×10−6/K)を選び、低線膨張係数体60として、紙(α1=10×10−6/K〜40×10−6/K)を使用した場合には、それぞれの厚みなどにもよるが、紙によってポリエチレンの線膨張が抑えられる。また、低線膨張係数体60として紙を選び、樹脂部50として、ポリウレタン樹脂(α2=50×10−6/K〜1000×10−6/K)を選んだ場合にも、それぞれの厚みなどにもよるが、紙によってポリウレタン樹脂の線膨張が抑制される。
次に、本発明の色素増感太陽電池の第2実施形態について図3を用いて詳細に説明する。図3は、本発明の色素増感太陽電池の第2実施形態を示す断面図である。なお、図3において、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、本発明の色素増感太陽電池の第3実施形態について図4を用いて詳細に説明する。図4は、本発明の色素増感太陽電池の第3実施形態を示す断面図である。なお、図4において、第1又は第2実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、本発明の色素増感太陽電池の第4実施形態について図5を用いて詳細に説明する。図5は、本発明の色素増感太陽電池の第4実施形態を示す断面図である。なお、図5において、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
はじめに、10cm×10cm×4mmのFTO基板を準備した。FTO基板としては、ガラス基板上にFTO膜を形成してなるものを用いた。ガラス基板の線膨張係数α0は8×10−6/Kであった。続いて、FTO基板の上に、ドクターブレード法によって酸化チタンペースト(Solaronix社製、Ti nanoixide T/sp)を、その厚さが10μmとなるように5cm×5cmの範囲に塗布して被焼成体を得た。その後、被焼成体を、熱風循環タイプのオーブンに入れて150℃で3時間焼成した。こうして、FTO基板上に多孔質酸化物半導体層を形成して作用極を得た。
低線膨張係数体の構成材料、形態、線膨張係数α1、および、α2−α1を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
バックシートを介して樹脂シートを加圧しながら加熱してバックシートを色素増感太陽電池セルへ取り付けるときの真空環境を0.08MPaとすることにより低線膨張係数体中に、透光性基板の光入射面に沿った流路を形成したこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。なお、このときに得た低線膨張係数体の断面5箇所において、未充填部分の面積の、充填部分と未充填部分との合計の面積に占める割合を求めたところ、その割合は60%であった。
低線膨張係数体とバックシートとの間で流路に沿って合成ゼオライト(商品名:MS−セラムーW、東海化学工業所社製)からなる乾燥剤を配置したこと以外は実施例5と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
樹脂シートをバイネルからハイミラン(三井・デュポンポリケミカル製)に変更することにより、低線膨張係数体の線膨張係数と樹脂部の線膨張係数との差であるα2−α1を表1に示す通りに変更したこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
樹脂シートをバイネルからポリウレタン(商品名:ポリウレタン接着剤・シーラント剤540、住友3M社製)に変更することにより、低線膨張係数体の線膨張係数と樹脂部の線膨張係数との差であるα2−α1を表1に示す通りに変更したこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
FTO基板のFTO膜に銀からなる端子を4個形成し、透光性基板上に色素増感太陽電池セルを4個形成した後、各色素増感太陽電池セルの対極のうち透光性基板と反対側の表面に銀からなる端子を形成し、銅からなるリード線の一端を、対極に形成した端子にはんだによって接合し、リード線の他端をFTO基板のFTO膜に形成した端子にはんだによって接合したこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
低線膨張係数体を、1枚から8枚に変更し、各低線膨張係数体の寸法を1cm×1cm×0.2mmに変更し、隣り合う低線膨張係数体同士間の間隔を2mmとすることにより、8枚の低線膨張係数体を不連続に配置したこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
FTO基板の代わりに、PEN基板(線膨張係数α0:21×10−6/K)の上にスパッタ法にてITO膜を形成した基板を用い、α2−α1を表1に示す通りとしたこと以外は実施例3と同様にして、色素増感太陽電池を作製した。
低線膨張係数体を構成する材料を、表1に示す通り、線膨張係数α1が10×10−6/Kであるガラスクロスから、線膨張係数α1が15×10−6/Kであるガラスクロスに変更し、樹脂部を構成する材料を、表1に示す通り、線膨張係数α2が110×10−6/Kであるバイネルから、線膨張係数α2が135×10−6/Kであるポリウレタン樹脂に変更することにより、α2−α1を表1に示す通り120×10−6/Kとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
封止部と樹脂部とを離間させたこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
低線膨張係数体を用いなかったこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
低線膨張係数体を用いなかったこと以外は実施例11と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
上記のようにして得られた実施例1〜13及び比較例1〜2の色素増感太陽電池について、以下のようにして耐久性を評価した。
光電変換効率の保持率(%)=η/η0×100
に基づき、光電変換効率の保持率(光電変換保持率)を算出した。結果を表1に示す。
10a…光入射面
20、20A〜20C…色素増感太陽電池セル
21…透明導電層(第2電極)
22…多孔質酸化物半導体層
24…対極(第1電極、対向基板)
24a…対極基板(導電性基板)
25…封止部
26…電解質
27…作用極
30…バックシート
50…樹脂部
60…低線膨張係数体
100,200,300,400,500,600…色素増感太陽電池
210…流路
310…乾燥剤
620…色素増感太陽電池セル
624…絶縁性基板(対向基板)
Claims (9)
- 光が入射される光入射面を有する透光性基板と、
前記透光性基板の前記光入射面と反対側に設けられる少なくとも1つの色素増感太陽電池セルと、
前記色素増感太陽電池セルを覆うバックシートと、
前記透光性基板及び前記色素増感太陽電池セルと前記バックシートとを接着し、樹脂を含む樹脂部と、
前記樹脂部の内部に埋め込まれ、前記樹脂部よりも低い線膨張係数を有する材料からなる低線膨張係数体とを備え、
前記色素増感太陽電池セルが、
前記透光性基板に対向し、前記樹脂部と接着されている対向基板と、
少なくとも前記透光性基板と前記対向基板との間に設けられる電解質と、
前記透光性基板と前記対向基板とを連結する封止部とを有し、
前記低線膨張係数体が、前記バックシートと前記少なくとも1つの色素増感太陽電池セルの前記対向基板との間で前記透光性基板の前記光入射面に沿うように配置されている、色素増感太陽電池。 - 前記封止部が前記樹脂部と接着されている、請求項1に記載の色素増感太陽電池。
- 前記低線膨張係数体が、複数本の繊維を有する繊維状体で構成されている、請求項1又は2に記載の色素増感太陽電池。
- 前記低線膨張係数体の内部、及び、前記低線膨張係数体と前記樹脂部との間の少なくとも一方に、水分を拡散させるための流路が前記光入射面に沿って形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
- 前記流路の周囲に乾燥剤が配置されている、請求項4に記載の色素増感太陽電池。
- 前記低線膨張係数体の線膨張係数と前記樹脂部に含まれる樹脂の線膨張係数との差が85×10−6/K〜110×10−6/Kである請求項1〜5のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
- 前記対向基板が第1電極で構成され、
前記色素増感太陽電池セルが、
前記透光性基板のうち前記光入射面と反対側に設けられる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられる多孔質酸化物半導体層とをさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。 - 前記色素増感太陽電池セルを複数有し、
前記第1電極及び前記第2電極がそれぞれ導電性基板を有し、
隣り合う2つの前記色素増感太陽電池セルが前記第1電極又は前記第2電極に含まれる前記導電性基板の一部により接続されている、請求項7に記載の色素増感太陽電池。 - 前記樹脂部に含まれる前記樹脂がポリオレフィン樹脂である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
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