JP6000808B2

JP6000808B2 - 色素増感型太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP6000808B2
Application number: JP2012244145A
Authority: JP
Inventors: 伸次大栢; 雅彦古川; 山口　陽一; 陽一山口
Original assignee: Nissha Printing Co Ltd
Current assignee: Nissha Printing Co Ltd
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP2014093246A

Description

本発明は色素増感型太陽電池モジュールに関し、特に発電効率の高い色素増感型太陽電池モジュールに関する。

環境問題・資源問題などを背景に、クリーンエネルギーとしての太陽電池が注目を集めている。しかしながら、従来のシリコン系太陽電池は、製造コストが高い、原料供給が不十分などの課題が残されており、大幅普及には至っていない。また、ＣＩＳ系などの化合物系太陽電池は、極めて高い光電変換効率を示すなど優れた特徴を有しているが、コストや環境負荷などの問題がやはり大幅普及への障害となっている。

一方、色素増感型太陽電池は、安価で高い光電変換効率を得られる太陽電池として着目されている。この色素増感型太陽電池の一般的な構造としては、透明な導電性基板の上に、二酸化チタンなどの酸化物半導体ナノ粒子を用いた多孔膜を形成し、これに増感色素を担持させた半導体電極と、白金スパッタした導電性ガラスなどの対極とを組み合わせ、両極間にヨウ素・ヨウ化物イオンなどの酸化・還元種を含む有機電解液を電荷移送層として充填したものなどを挙げることができる。

なお、色素増感型太陽電池については、セル同士を直列接続する方法もいくつかのタイプが知られている。Ｗ型と呼ばれる色素増感太陽電池モジュールではセル間の配線が不要であり、直列接続の信頼性が高いものの、半分のセルでは対向電極側から光が入射するため、光吸収のロスが大きくなり、モジュールとしての変換効率が低下する問題があった。また、Ｚ型と呼ばれる色素増感太陽電池モジュールでは、これを改善するために隣接するセルの半導体膜を同一基板上に配置し、セル間に設けたスペーサーに導電配線を設けることによりセル同士を直列接続する方法が提案されている。この方法では多数のセルを同時に形成でき、またセルの半導体電極がすべて入射光方向に設けてあるためＷ型より発電効率が高くなる。

また、発電効率向上の観点から、基板上に設けられた透明導電膜の上に集電線を配し、この集電線で区分された複数の太陽電池セルを直列接続した色素増感太陽電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、特許文献１の色素増感太陽電池モジュールは集電線がアノード側にしか形成されていないため発電効率が低く、色素増感太陽電池モジュールとしての機能が十分ではなかった。

特開２００２−７５４７２

従って、本発明の目的は、発電効率が高い色素増感型太陽電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

以下に、本発明にかかる実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１態様の特徴は、
光電極透明基板と前記光電極透明基板と対向する対極透明基板の間に絶縁部を介して複数の電極セルが電気的に接続された色素増感太陽電池モジュールであって、
前記電極セルは、
前記光電極透明基板の上に前記電極セルごとに区画して形成される光電極透明導電膜層と、
前記光電極透明導電膜層の上に形成される光電極集電層と、
前記対極透明基板の上に前記電極セルごとに区画して形成される対極透明導電膜層と、
前記対極透明導電膜層の上に形成される対極集電層と、
前記光電極透明導電膜層と前記対極透明導電膜層の間に前記光電極集電層及び前記対極集電層とは間隔をあけて形成される発電部と、
前記発電部を封止し、前記光電極集電層と前記対極集電層を覆うように形成される封止層と、を備え、
前記色素増感太陽電池モジュールを断面から見た場合に、前記複数の電極セルのうち隣接する前記電極セル間で形成される重なり領域において、一の前記電極セルの前記光電極集電層と前記一の電極セルと隣接する他の前記電極セルの前記対極集電層とが、同一平面上に配置されている点にある。

本発明の構成によれば、光電極透明導電膜層の上には光電極集電層が設けられ、対極透明導電膜層の上には対極集電層が設けられている。すなわち、アノード側とカソード側の両方に、それぞれ光電極集電層と対極集電層が設けられている。よって、発電効率の高い色素増感太陽電池モジュールとなっている。

さらに、本構成によれば、隣接する電極セルの光電極集電層と対極集電層とが発電部を封止する封止層によって覆われている。そのため、光電極集電層や対極集電層に保護部材を、別途形成する必要はなくなる。従って、全体に対する発電部の占める割合をその分だけ大きくできるので、発電効率の高い色素増感型太陽電池となる。

また、本構成によれば、色素増感型太陽電池を断面から見た場合に、隣接する電極セルの光電極集電層と対極集電層とが同一平面上に配置されている。そのため、光電極集電層と対極集電層を覆う封止層は、少なくとも光電極集電層又は対極集電層程度の厚みを有していればよい。従って、全体に対する発電部の占める割合をその分だけ大きくできるので、さらに発電効率の高い色素増感型太陽電池となる。

本発明の第２態様の特徴は、
前記光電極透明導電膜層と前記対極集電層との間に形成される発電部が複数形成された領域の外側で、光電極集電層と対極集電層が電気的に接続される点にある。

本発明の構成によれば、発電部が形成された領域の外側で、光電極集電層と前記対極集電層とが接続されている。その結果、光電極と対極の接続が簡便な色素増感型太陽電池となっている。

本発明の第３態様の特徴は、
前記光電極集電層と前記対極集電層とがレーザによって融着され、前記光電極集電層と前記対極集電層とが電気的に接続されている点にある。

本構成によれば、光電極集電層と対極集電層とがレーザによって融着されているので電極セルどうしを接続する接続領域を色素増感型太陽電池モジュール内に設ける必要がない。その結果、本構成の色素増感型太陽電池モジュールは、全体に対する発電部の占める割合が高く、発電効率に優れたものとなっている。

本発明の色素増感型太陽電池に係る平面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係るＡ−Ａ´断面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係るＢ−Ｂ´断面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係るＣ−Ｃ´断面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係る平面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係るＤ−Ｄ´断面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係る平面図である。本発明の色素増感型太陽電池に係るＥ−Ｅ´断面図である。

下記で、本発明に係る実施形態を図面に基づいてさらに詳細に説明する。なお、本発明の実施例に記載した部位や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。

［第１実施形態］
まず、本実施形態にかかる色素増感型太陽電池の構成について説明する。図１は、色素増感型太陽電池の構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ´断面図である。

図１に示すように、色素増感型太陽電池１は、黒枠で囲まれた内側部分にある電極セル２が、直列的に複数接続された構成からなる。個々の電極セル２は、絶縁部３を介して離隔された構成からなり、電極セル２は、集電部４と発電部５と接続部６からなる。また、色素増感型太陽電池１は、図１で点線枠内にある発電領域７と、点線枠外にある接続領域８から構成されている。発電領域８は、光が当たったときに電子が生成される領域であり、接続領域８は、電極セル２同士を接続する領域である。なお、発電領域７には、集電部４と発電部５が、接続領域８には接続部６が設けられている。このように構成されることで、発電部５で生成した電子が集電部４を介して接続領域８まで送られ、接続領域８まで達した電子が接続部６によって、隣接する電極セル２間を移動できるようになっている。

発電領域７には、集電部４と発電部５が配置されている。図２に示すように、集電部４は、光電極透明基板１０の内側に設けられる光電極集電部２０と、対極透明基板１１の上に設けられる対極集電部３０を備えている。

光電極集電部２０は、黒枠で囲まれた電極セル２ごとに区画された光電極透明導電膜層２１と、光電極透明導電膜層２１の上に設けられる光電極集電層２２を備えている。区画化された光電極透明導電膜層２１間には、電極セル２を区分けするための絶縁部２３が設けられている。光電極集電層２２は、発電部５とは間隔を空けて設けられ、電極セル２を取り囲む封止層１２と光電極透明導電膜層２１によって挟まれている。

対極集電部３０も同様に、電極セル２ごとに区画された対極透明導電膜層３１と、対極透明導電膜層３１の上に設けられる対極集電層３２を備えている。区画化された対極透明導電膜層３１間には、電極セル２を区分けするための絶縁部３３が設けられている。対極集電層３２は、封止層１２と対極透明導電膜層３１によって挟まれている。さらに、一の電極セル２の光電極集電層２２と、上記一の電極セル２と隣接する他の電極セル２の対極集電層３２とは、電極セル間で形成される重なり領域Ｒにおいて、色素増感型太陽電池１を断面で見た場合、同一平面上に設けられている。

発電部５は、光電極透明導電膜層２１の上に光電極集電層２２とは間隔を空けて設けられる光電極層５０と、対極透明導電膜層３１の上に対極集電層３２とは間隔を空けて設けられる対極層５１と、光電極層５０と対極層５１の間に設けられる電解質層５２とを備えている。なお、光電極層５０と対極層５１とは、色素増感型太陽電池１を断面で見た場合、同一平面上に配置され、電解質層５２は封止層１２によって集電部４に侵入しないよう構成されている。

図３は、図１のＢ−Ｂ´断面図であり、図４は、図１のＣ−Ｃ´断面図であり、図５は、本実施形態における変形例の色素増感型太陽電池にかかる平面図であり、図６は、図５のＤ−Ｄ´断面図である。

図１に示すように、接続領域８は、集電部４と接続部６とからなる。なお、接続領域８において、集電部４は色素増感型太陽電池１の外側に対してコの字形状の接続部６と接続されている。図３、図４に示すように接続部６は、電極セル２の光電極集電部２０と、上記電極セル２と隣接する他の電極セル２の対極集電部３０とが、導電性接着層１７を介して接続された構成からなる。このように、接続部６では、電極セル２の光電極集電部２０と、上記電極セル２と隣接する他の電極セル２の対極集電部３０とで電気的な接続が行われている。

なお、図５、６に示すように、接続領域８における光電極集電部２０と対極集電部３０の接続は、光電極透明基板１０より一回り大きい対極透明基板１１上に形成された対極集電部３０と、光電極集電部２０とが導電性接着層１７で接合された構成からなっていてもよい。

なお、図１に示すように、複数の電極セル２を電気的に直列接続したとき、直列接続された電極セル２１の両端（図１における右端と左端）には、光電極端子部１５と対極集電対極端子部１６が設けられている。光電極端子部１５は、発電領域７から電極集電部２０が延在された構成からなり、対極端子部１６は、発電領域７から対極集電部３０が延在された構成からなる。光電極端子部１５と対極集電対極端子部１６は、ともに電気的な接続には利用されないが、これらの電極は、発生した電子を色素増感型太陽電池１モジュールの外部に取り出すための取出し電極として用いられる。

次に、色素増感型太陽電池を構成する部材等について説明する。
＜光電極透明基板/対極透明基板＞

光電極透明基板と対極透明基板は、透明性を有するものであることが好ましい。例えば、透明なガラス板やプラスチック板などである。厚みは０．１〜５ｍｍである。

＜光電極透明導電膜層/対極透明導電膜層＞
光電極透明導電膜層、対極透明導電膜層は、有機材料や無機材料からなる。有機材料としては、導電性高分子材料を使用できる。上記導電性高分子材料の中でも、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）と３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）を用いて作成される水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を用いることが好ましい。水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）は透明性が高く、導電性も高い。そのため、水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を透明導電膜に用いることによって、色素増感型太陽電池１内に外部からの光を効率的に取り込むことができる。

無機材料としては、フッ素ドープ錫酸化物、インジウム錫酸化物、ガリウムドープ亜鉛酸化物、アルミドープ亜鉛酸化物、またはニオブドープチタン酸化物などの無機酸化物を使用することができる。

なお、光電極透明導電膜層、対極透明導電膜層の厚みは０．３〜２μｍ程度が好ましい。０．３μｍ未満では、シート抵抗が高くなり、色素増感型太陽電池１の直列抵抗が高くなるため、フィルファクター特性が悪くなる。光電極透明導電膜層２１は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スプレー法等によって形成される。

＜光電極層＞
光電極層は、増感色素が担持された金属酸化物の半導体膜からなる。金属酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が最適であり、他の材料としては、チタン（Ｔｉ），亜鉛（Ｚｎ），錫（Ｓｎ），ニオブ（Ｎｂ），インジウム（Ｉｎ），イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ストロンチウム（Ｓｒ），バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ），バナジウム（Ｖ），タングステン（Ｗ）等の金属元素の少なくとも１種以上の金属酸化物半導体がよく、例えば、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、またはＳｒＴｉＯ_３のうち少なくとも１つから成る。また窒素（Ｎ），炭素（Ｃ），フッ素（Ｆ），硫黄（Ｓ），塩素（Ｃｌ），リン（Ｐ）等の非金属元素の１種以上を含有していてもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい２〜５ｅＶの範囲にあり、好ましい。

増感色素としては、有機色素または金属錯体色素を使用することができ、有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン系の色素が挙げられ、金属錯体色素では、ルテニウム系色素が好ましく、特にルテニウム錯体であるルテニウムビピリジン色素およびルテニウムターピリジン色素が好ましい。例えば、酸化物半導体膜だけでは、可視光（４００〜８００ｎｍ程度の波長）を殆ど吸収できないが、ルテニウム錯体を担持させることにより、大幅に可視光まで取り込んで光電変換できるようになる。

＜電解質層＞
電解質層は、液状電解質もしくはゲル状電解質を用いることが好ましい。電荷の輸送特性に優れる液状電解質もしくはゲル状電解質を用いることによって、光電変換効率が向上する。また、電解質層はポリマー電解質等の固体電解質、ポリチオフェン・ポリピロール，ポリフェニレンビニレン等の導電性ポリマー、またはフラーレン誘導体，ペンタセン誘導体，ペリレン誘導体，トリフェニルジアミン誘導体等の有機分子電子輸送剤から成るものであってもよい。なお、電解質層はヨウ素／ヨウ化物塩，臭素／臭化物塩，コバルト錯体およびフェロシアン化カリウム等を含む。電解質層の厚みは１〜５００μｍであることが好ましい。５００μｍを超えると電荷輸送時に抵抗が大きくなり、色素増感型太陽電池の高効率化ができない。

＜対極層＞
対極層は、白金、炭素、ポリチオフェン誘導体などからなる。上記の中でも、白金を用いることが好ましい。白金を用いることによって、変換効率と透明性が向上する。触媒層の厚みは０．１〜１００
ｎｍであることが好ましい。なお、触媒層はドクターブレード、スクリーン印刷、スプレー塗布、インクジェットなどの方法によって、導電層の上に形成される。

＜封止層＞
封止層の材質としては、アクリレート系のＵＶ硬化樹脂、ポリエチレン，ポリプロピレン，エポキシ樹脂，フッ素樹脂またはシリコーン樹脂等の樹脂接着剤、もしくはガラスフリット，セラミックス等の無機接着剤を挙げることができる。封止材の厚み（高さ）は、０．５〜５００μｍであることが好ましい。０．５μｍ未満では、多孔質半導体層の厚さが０．５μｍ以下となり、色素が光を十分吸収できなくなってしまう。なお、５００μｍを超えると、電荷輸送層が５００μｍ近くになり、内部抵抗が大きくなる。なお、封止部材はホットプレス、ＵＶ硬化などの方法によって形成される。

＜光電極集電層/対極集電層＞
光電極集電層、対極集電層は、それぞれ光電極透明導電膜層、対極透明導電膜層よりも導電性の良い材料から構成することが好ましく、具体例としては、金、銀、銅、白金、ニッケル、アルミニウム、鉄等の金属、前記金属を１種以上含む合金、カーボンなどが挙げられる。光電極集電層、対極集電層は、加熱蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ
法、導電性ペーストを用いた印刷法等によって、光電極透明導電膜層、または対極透明導電膜層３に設けられる。導電性ペーストとしては、金、銀、銅、白金、ニッケルなどの電気伝導度の高い金属微粉末を混入させたものが用いられる。

＜導電性接着層＞
導電性接着層としては、導電性粒子を含有した導電性接着剤や半田などが挙げられる。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態の色素増感型太陽電池１の平面図であり、図８は、図６のＥ−Ｅ´断面における断面図である。本実施形態の基本的な構成は、第１実施形態にかかるものと同じなので、本形態では、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態の色素増感型太陽電池１は、発電領域７と接続領域８が一体となっており発電領域７の外側に接続領域８は存在していない。図８に示すように、本実施形態の色素増感型太陽電池１は、電極セル２の重なり領域における、光電極透明基板１０側には光電極集電層２２が設けられ、対極透明基板側には対極集電層３２が設けられている。一の電極セル２の光電極集電層２２と、その電極セル２と隣接する他の電極セル２の対極集電層３２は、色素増感型太陽電池モジュール１を断面で見た場合に、同一平面上に設けられ、光電極集電層２２と対極集電層３２との間には、レーザによって光電極集電層２２と対極集電層３２が融着されたレーザ融着部１９が形成されている。このように構成されることで、光電極集電層２２と対極集電層３２が発電領域７内で電気的に接続される。そのため、別途接続領域８を設ける必要がないので、本構成の色素増感型太陽電池１モジュールは全体として、発電部５の占める割合が高くなり、発電効率に優れたものとなっている。図８では、レーザ融着部１９が、光電極集電層２２と対極集電層３２の全体にわたって設けられた例を示したが、光電極集電層２２と対極集電層３２の一部にレーザ融着部１９が設けられていてもよい。

１：色素増感型太陽電池
２：電極セル
３：絶縁部
４：集電部
５：発電部
６：接続部
７：発電領域
８：接続領域
１０：光電極透明基板
１１：対極透明基板
１２：封止層
１５：光電極端子部
１６：対極端子部
１７：導電性接着層
１９：レーザー融着部
２０：光電極集電部
２１：光電極透明導電膜層
２２：光電極集電層
２３：絶縁部
３０：対極集電部
３１：対極透明導電膜層
３２：対極集電層
３３：絶縁部
４０：光電極層
４１：対極層
４２：電解質層

Claims

光電極透明基板と前記光電極透明基板と対向する対極透明基板の間に絶縁部を介して複数の電極セルが電気的に接続された色素増感太陽電池モジュールであって、
前記電極セルは、
前記光電極透明基板の上に前記電極セルごとに区画して形成される光電極透明導電膜層と、
前記光電極透明導電膜層の上に形成される光電極集電層と、
前記対極透明基板の上に前記電極セルごとに区画して形成される対極透明導電膜層と、
前記対極透明導電膜層の上に形成される対極集電層と、
前記光電極透明導電膜層と前記対極透明導電膜層の間に前記光電極集電層及び前記対極集電層とは間隔をあけて形成される発電部と、
前記発電部を封止し、前記光電極集電層と前記対極集電層を覆うように形成される封止層と、を備え、
前記複数の電極セルのうち隣接する前記電極セル間で形成される重なり領域において、一の前記電極セルの前記光電極集電層と前記一の電極セルと隣接する他の前記電極セルの前記対極集電層とが、対向するように配置され、
前記発電部が複数形成される領域の外側で、前記光電極集電層と前記対極集電層が電気的に接続される色素増感太陽電池モジュール。