JP5945012B2 - 色素増感太陽電池素子 - Google Patents
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Description
まず本発明の色素増感太陽電池素子の第1実施形態について図1〜図7を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の色素増感太陽電池素子の第1実施形態を示す断面図、図2は、本発明の色素増感太陽電池素子の第1実施形態の一部を示す平面図、図3は、図1の色素増感太陽電池モジュールにおける透明導電膜のパターンを示す平面図、図4は、図1の第1一体化封止部を示す平面図、図5は、図1の第2一体化封止部を示す平面図、図6は、図2のVI−VI線に沿った断面図、図7は、封止部および連結部が貼りつけられた作用極を示す平面図である。
透明基板11を構成する材料は、例えば透明な材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、および、ポリエーテルスルフォン(PES)などが挙げられる。透明基板11の厚さは、DSCモジュール100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば50〜10000μmの範囲にすればよい。
抵抗値=直列接続されるDSC50の数×120Ω (1)
集電体19である接続端子16及び集電配線17は、金属材料を含む。金属材料としては、例えば銀、銅およびインジウムなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合せて用いてもよい。
外部接続部18は、金属材料を含む。金属材料としては、例えば銀、銅およびインジウムなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合せて用いてもよい。
連結部14を構成する材料は、接着部91と透明導電膜12とを接着させることができるものであれば特に制限されず、連結部14を構成する材料としては、例えばガラスフリット、封止部31Aに用いられる樹脂材料と同様の樹脂材料などを用いることができる。中でも、連結部14は、ガラスフリットであることが好ましい。ガラスフリットは樹脂材料に比べて高い封止能を有するため、バックシート80や接着部91の外側からの水分等の侵入を効果的に抑制することができる。
光増感色素としては、例えばビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体や、ポルフィリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素が挙げられる。屋内光などの低照度環境下で用いる場合、屋内光などは太陽光と異なり、光の波長が短波長側に偏るため、短波長を効率的に吸収できるビピリジン構造を含む配位子を有するルテニウム錯体を用いることが好ましい。
対極20は、上述したように、金属基板21と、金属基板21のうち作用極10側に設けられて対極20の表面における還元反応を促進する導電性の触媒層22とを備える。対極20は、可撓性を有することが好ましい。この場合、封止部30A内部から封止部30Aに向かって生じる応力が生じても、対極20が可撓性を有するため変形することができ、応力の一部を対極20でも吸収できるため、より封止部30Aの破壊や第1封止部31Aと対極20との間で剥離等が起こることを抑制することができる。
封止部30Aは、第1封止部31Aと、第2封止部32Aとで構成される。
無機絶縁材33を構成する材料としては、ガラスフリット等が挙げられる。無機絶縁材33の厚さは通常、10〜100μmであり、好ましくは15〜50μmである。
電解質40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、γ−ブチロラクトン、バレロニトリル、ピバロニトリル、グルタロニトリル、メタクリロニトリル、イソブチロニトリル、フェニルアセトニトリル、アクリロニトリル、スクシノニトリル、オキサロニトリル、ペンタニトリル、アジポニトリル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、亜鉛錯体、鉄錯体、コバルト錯体などのレドックス対が挙げられる。また電解質40は、有機溶媒に代えて、イオン液体を用いてもよい。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、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウムヨーダイド、ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、エチルメチルイミダゾリウムアイオダイド、ジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイド、ブチルメチルイミダゾリウムアイオダイド、又は、メチルプロピルイミダゾリウムアイオダイドが好適に用いられる。
導電材60P,60Qとしては、例えば金属膜が用いられる。金属膜を構成する金属材料としては、例えば銀又は銅などを用いることができる。
バックシート80は、上述したように、耐候性層と、金属層とを含む本体部と、本体部のDSC50側の面に設けられ、透明導電性基板15に接着される接着層とを含む。
抵抗値=直列接続されるDSC50の数×120Ω (1)
なお、図23に示す色素増感太陽電池素子1100は、DSC50A〜DSC50Cを省略し、第2電流取出部12h上に設けられた接続端子16と、DSC50Dの対極20の金属基板21とが導電材60Pを介して電気的に接続されている。また色素増感太陽電池素子1100においては、接続端子16が導電材接続部16Aのみで構成され、この導電材接続部16Aは、封止部30Aと連結部14との間に配置されている。すなわち、導電材接続部16Aは、DSC50Dの透明導電膜12Dのうちの本体部12aの側縁部12bに対向する位置に配置されていない。このため、第1実施形態のDSCモジュール100において導電材接続部16Aが配置されていた部分のスペースまで酸化物半導体層13を拡大することが可能となる。この場合、無駄なスペースが有効利用されるとともに発電面積を拡大することができる。 また上記実施形態では、DSC50の数が4つであるが、複数の場合、4つに限定されるものではない。このようにDSC50を複数有する場合は、図18に示すように、DSC50A〜50Dの一部を途中で折り返す場合よりも、図2に示すように、DSC50を一定方向に配列することが好ましい。このようにDSC50を一定方向に配列する場合、DSC50の数として、偶数、奇数のいずれをも選択することが可能となり、DSC50の数を自由に決定することができ、設計の自由度を向上させることができる。
まずガラスからなる厚さ1mmの透明基板の上に、厚さ1μmのFTOからなる透明導電膜を形成してなる積層体を準備した。次に、図3に示すように、CO2レーザ(ユニバーサルシステム社製V−460)によって透明導電膜12に溝90を形成し、透明導電膜12A〜12Fを形成した。このとき、溝90の幅は1mmとした。また透明導電膜12A〜12Cはそれぞれ、4.6cm×2.0cmの四角形状の本体部と、本体部の片側側縁部から突出する延出部とを有するように形成した。また透明導電膜12Dは、4.6cm×2.1cmの四角形状の本体部と、本体部の片側側縁部から突出する延出部とを有するように形成した。また透明導電膜12A〜12Dのうち3つの透明導電膜12A〜12Cの延出部12cについては、本体部12aの片側縁部12bから張り出す張出し部12dと、張出し部12dから延びて、隣りの透明導電膜12の本体部12aに対向する対向部12eとで構成されるようにした。また透明導電膜12Dの延出部12cについては、本体部12aの片側縁部12bから張り出す張出し部12dのみで構成されるようにした。このとき、張出し部12dの張出し方向(図2のX方向に直交する方向)の長さは2.1mmとし、張出し部12dの幅は9.8mmとした。また対向部12eの幅は2.1mmとし、対向部12eの延び方向の長さは9.8mmとなるようにした。
集電配線17:厚さ4μm、幅200μm、図2のX方向に沿った長さ79mm、図2のX方向に直交する方向に沿った長さ21mm
外部接続部18a,18b:厚さ20μm、幅2mm、長さ7mm
連結部14:厚さ(H1):50μm、幅3mm
酸化物半導体層13:厚さ13μm、図2のX方向の長さ17mm、図2のX方向に直交する方向の長さ42.1mm
P=1.0mm
Q=2.0mm
R=2.6mm
T=2.2mm
H2=0.08mm
環状部及び仕切部の内側開口側に連続して設ける突出部の幅が0mmとなるように第2一体化封止部を作製したこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
バックシート80の周縁部を連結部14に接着させる前に、乾燥材シートの上に両面テープを貼り付け、バックシート80の周縁部を、接着部91を介して連結部14に接着させた後に、バックシート80を対極側に押し付けることにより、乾燥材シートとバックシートとが両面テープにて接続されるようにしたこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
バックシート80の周縁部を、接着部91を介して連結部14に接着させる前に、乾燥材シートを対極に貼り付けなかったこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
バックシート80の周縁部を、接着部91を介して連結部14に接着させる前に、乾燥材シートを対極に貼り付けず、その代わりに厚さ50μmのアクリル樹脂からなる接着材を接着させ、バックシート80の周縁部を、接着部91を介して連結部14に接着させた後に、バックシート80を対極側に押し付けることにより、対極とバックシートとが接着材にて接続されるようにしたこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
連結部14及び接着部80Bが封止部と密着するようにすることでバックシートと封止部との間に第2の空間が形成されないようにしたこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
バックシートを第2一体化封止部に接触するように設けることで、第1の空間と第2の空間とが連通しないようにしたこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
第2一体化封止部上であって、隣り合う2つのDSCの対極に跨るようにさらにシート状の乾燥材を貼り合せたこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
酸化物半導体層13の前駆体を形成するのと同時に、多孔質酸化物半導体層形成用ペーストと同一の材料を、透明導電性基板15上であって、本体部12aの縁部の一部にスクリーン印刷により塗布し、第2多孔質無機部34Bの前駆体を形成し、その後、酸化物半導体層13の前駆体等を500℃で15分間焼成する際に、第2多孔質無機部34Bの前駆体も同時に焼成し、第2多孔質無機部34Bを形成したこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。
それぞれのDSC50の第1封止部と無機絶縁材との間に、配列方向Xと直交する方向の封止部の端から端まで延び、かつ、封止部の外側の接続端子16又は集電配線17に接続する集電体を、幅200μmで形成したこと以外は実施例1と同様にしてDSCモジュールを作製した。集電配線はそれぞれのDSC50に対して、1本ずつ設けた。
集電配線が含まれる封止部の幅を、2倍にし、その分発電層である酸化物半導体層の面積を少なくしたこと以外は、比較例1と同様にしてDSCモジュールを作成した。
(耐久性及び初期光電変換効率)
実施例1〜9および比較例1〜2で得られたDSCモジュールについて、作成直後の初期光電変換効率を200ルクスの照度の下で測定した。また、DSCモジュールについて、85℃の高温環境下で放置した際の光電変換効率が初期光電変換効率に対して10%低下するまでの時間を測定した。具体的には、250時間ごとにモジュールを取り出して光電変換効率を測定した。結果を表1に示す。表1において初期光電変換効率は、比較例1の初期光電変換効率を100としたときの実施例1〜9および比較例1〜2の初期光電変換効率を示す。
また実施例2〜5で得られたDSCモジュールについては、光電変換効率(η0)を測定した。続いて、実施例2〜5で得られたDSCモジュールについて、JIS C 8938に準じたヒートサイクル試験を行った後の光電変換効率(η)も測定した。そして、下記式:
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。またヒートサイクル試験後に、実施例2〜5で得られたDSCモジュールについて、バックシートと対極にテスターを当て、これらの間の抵抗値を測定することにより短絡の発生の有無を調べた。ここで、抵抗値が1MΩ未満であれば、短絡ありと判断し、抵抗値が1MΩ以上であれば、短絡無と判断した。結果を表2に示す。
なお、表2に示す結果より、実施例2〜5のDSCモジュールは高い光電変換保持率を示すことが分かった。また、表2に示す結果より、実施例2〜5のDSCモジュールでは、短絡が発生しないことが分かった。
12…透明導電膜(導電膜)
13…酸化物半導体層(発電層)
14…連結部
14a…環状領域
15…透明導電性基板(導電性基板、第1電極)
16…接続端子
17…集電配線
18…外部接続部
19…集電体
20…対極(対向基板、第2電極)
20b…対極と乾燥材との界面
20c…界面の外側領域
30A…封止部
31…第1一体化封止部(第1封止部)
31A…第1封止部
31a,32a…環状部
31b,32b…仕切部
32…第2一体化封止部(第2封止部)
32A,32B…第2封止部
32d…突出部
33…無機絶縁材
40…電解質
50,50A〜50D…色素増感太陽電池
80…バックシート
91…接着部
91a…外周面
95,701…乾燥材
96…第1の空間
97…第2の空間
98,398,399…接着材
100〜1000…色素増感太陽電池モジュール(色素増感太陽電池素子)
1100…色素増感太陽電池素子
H1…透明導電性基板と、接着部及びバックシートの界面との間の距離
H2…透明導電性基板と対極のうちのバックシート側の面との間の距離
Claims (10)
- 少なくとも1つの色素増感太陽電池と、
前記少なくとも1つの色素増感太陽電池に対向するバックシートとを備え、
前記少なくとも1つの色素増感太陽電池が、
導電性基板と、
前記導電性基板上に設けられる集電体と、
前記導電性基板に対向する対向基板と、
前記導電性基板又は前記対向基板に設けられる発電層と、
前記導電性基板及び前記対向基板の間に配置される電解質と、
前記導電性基板及び前記対向基板と共に前記発電層及び前記電解質を包囲し、前記導電性基板及び前記対向基板を接合する環状の封止部とを有する色素増感太陽電池素子であって、
前記少なくとも1つの色素増感太陽電池を包囲する環状領域において、前記バックシートと前記導電性基板とを接着させる接着部をさらに備え、
前記集電体は前記封止部の外側のみであって、少なくとも前記接着部と透明導電膜との間に設けられている色素増感太陽電池素子。 - 前記接着部は、前記封止部と離間している、請求項1に記載の色素増感太陽電池素子。
- 前記導電性基板上であって前記接着部の外側のみに、外部に電流を取りだすための外部接続部を更に備える請求項2に記載の色素増感太陽電池素子。
- 前記導電性基板が、絶縁性基板を有する第1電極で構成され、
前記対向基板が第2電極で構成され、
前記バックシートが金属層を有し、
前記環状領域が前記絶縁性基板の前記バックシート側に位置し、
前記接着部が、前記バックシートと前記環状領域とを接着しており、
前記第2電極が前記第1電極と前記バックシートとの間に配置され、
前記第1電極と前記バックシート及び前記接着部の界面との間の距離が、前記第1電極と前記第2電極のうちの前記バックシート側の面との間の距離よりも大きくなっている、請求項2又は3に記載の色素増感太陽電池素子。 - 前記少なくとも1つの色素増感太陽電池における前記第2電極と前記バックシートとが接着材によって接続されている、請求項4に記載の色素増感太陽電池素子。
- 前記少なくとも1つの色素増感太陽電池が、前記第2電極と前記バックシートとの間に設けられる乾燥材をさらに有する、請求項4又は5に記載の色素増感太陽電池素子。
- 前記乾燥材と前記第2電極とが接着材で接続され、
前記乾燥材と前記バックシートとが接着材によって接続されている、請求項6に記載の色素増感太陽電池素子。 - 前記第2電極が、前記第1電極と前記バックシートとの間に設けられ、
前記乾燥材が、前記第2電極と前記バックシートとの間に前記第2電極に接するように配置され、
前記第2電極のうち前記乾燥材と前記第2電極との界面の外側領域と前記バックシートとの間に前記外側領域及び前記乾燥材に接するように第1の空間が形成されている、請求項6又は7に記載の色素増感太陽電池素子。 - 前記少なくとも1つの色素増感太陽電池が複数の色素増感太陽電池で構成され、
前記導電性基板は、前記絶縁性基板上に設けられる導電膜を有し、
前記複数の色素増感太陽電池の前記絶縁性基板は、前記複数の色素増感太陽電池の共通の絶縁性基板とされており、
前記複数の色素増感太陽電池の前記導電膜は、前記共通の絶縁性基板上にそれぞれ設けられている請求項4〜8のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池素子。 - 前記集電体は、前記封止部の外側であって、隣接する2つの色素増感太陽電池の間以外のみに設けられている請求項9に記載の色素増感太陽電池素子。
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