JP6036365B2 - 色素増感型太陽電池 - Google Patents

Description

この発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池に関するものであり、特に、透光性の管状容器内に、集電極、光電極および対向電極が配設され、電解液が封入された色素増感型太陽電池に係わるものである。

従来から、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池は、環境にやさしく、クリーンなエネルギー源として積極的な研究開発が進められている。中でも、光電変換効率が高く、低コストの太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目されて、各種の提案がなされている。

その一例が特許第４８４０５４０号公報（特許文献１）であり、この色素増感型太陽電池では、透光性の管状容器内に電解液を封入し、該容器の内面に形成された集電極と、これに積層形成されて色素を吸着させた多孔質半導体からなる光電極と、これに対向する対向電極とを配設し、前記光電極に太陽光を入射させてこれを励起して電子を放出させることによって電気エネルギーとして取り出すものである。
この種の色素増感型太陽電池は、その製造のために高真空なチャンバーなどが不要であり、設備面での負担が少なく、安価に製造できるという利点あり、注目を集めている。

図７（Ａ）にかかる太陽電池の概略構造が示されている。
図において、色素増感型太陽電池は、透明なガラスよりなる管状容器２０の本体部２１の内面に、透明導電膜からなる集電極２４と、増感色素が吸着された半導体層からなる光電極２５とが積層形成され、前記管状容器２０内に光電極２５と離間して所定の間隙を設けるようにコイル状の対向電極２６が配置されるとともに、前記管状容器２０内に電解質物質を備えた電解液２７が密封されて構成されている。
前記管状容器２０の本体部２１の両端は、ランプ技術におけるピンチシールのように、管状容器２０を構成するガラスを加熱・溶融してこれを圧潰することにより扁平な封止部２２、２３が形成されて密閉されている。そして、その一端側の封止部２２内には金属箔３３が埋設され、対向電極２６からの内部リード３１と、封止部２２から外方に突出する外部リード３５が該金属箔３３に接続されて導電状態がもたらされている。
また、同様に、他端側の封止部２３内にも金属箔３４が埋設されていて、該金属箔３４には、前記対向電極２６に絶縁部材１５を介して接続された内部リード３２と、封止部２３から突出する外部リード３６とが接続されている。そして、前記管状容器２０の本体部２１の内面に形成した集電極２４が、この封止部２３内にまで延在していて、前記内部リード３２、金属箔３４および外部リード３６を覆うようにピンチシールされ、これらと電気的に接続されている。

このような構成により、一方の封止部２２においては、対向電極２６−内部リード３１−金属箔３３−外部リード３５と電気的接続が形成され、他方の封止部２３においては、光電極２５−集電極２４−内部リード３２−金属箔３４−外部リード３６と電気的接続が形成されている。

こうして形成された管状容器２０に電解液２７を封入する工程を説明する。
図７（Ｂ）に示されるように、管状容器２０の円筒状本体部２１において、内面に集電極２４および光電極２５が形成されていない端部領域に注入管４０を溶着して管状容器２０の内部と連通させる。
この注入管４０から電解液２７を管状容器２０内に注入する。管状容器２０内に電解液２７が充填された後、当該注入管４０をバーナーなどにより加熱溶融して封管する。この溶融封管により、図７（Ａ）に示されるように、管状容器２０の本体部２１には封止チップ残部４０ａが形成される。

ところで、上記従来技術によれば、効率の観点から光電極２５はできるだけ管状容器２０の全長方向に亘って設けられることから、注入管４０を設ける位置がどうしても光電極２５の端部に近接したものとなり、注入管４０の加熱溶融による封管時に、該注入管４０の近傍の光電極２５も加熱されてしまうことが避けられない。この光電極２５の色素は、有機物で構成されていることから、加熱を受けてしまうと劣化し、発電効率が低下してしまうという不具合が生じる。

特許第４８４０５４０号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、透光性の管状容器の内部に、増感色素を担持する半導体層よりなる光電極と、該光電極に接触して形成される集電極と、該集電極に対向する対向電極とを備え、前記管状容器の内部に電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、電解液の注入後の封止作業に伴う光電極への加熱の影響を回避して、該光電極の劣化を防止した構造を提供するものである。

本発明に係る色素増感型太陽電池は、管状容器の一端封止部に、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、集電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続されていることを特徴とする。
また、前記金属管において、前記内部リードと接続された圧着部より更に突出側端部に金属管のみを圧着封止した封止部を設けたことを特徴とする。
また、前記管状容器の他端封止部にも、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、前記対向電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続されたことを特徴とする。

本発明の色素増感型太陽電池によれば、管状容器の一端封止部に貫通するように封止した金属管を介して電解液を管状容器内に注入し、電界液の充填後に該金属管を圧着して封止するとともに、前記集電極に電気的に接続された内部リードと接続するので、封止作業に加熱を伴うことがなく、光電極が熱的な影響を受けず、その劣化が防止されるものである。
また、前記金属管の内部リードとの圧着部よりも突出側で金属管のみを圧着封止したので、管状容器の密封がより完全なものとなる。

本発明の色素増感型太陽電池の側断面図（Ａ）および横断面図（Ｂ）。 本発明の色素増感型太陽電池の組立工程図。 本発明の色素増感型太陽電池の電解液注入及び封止工程図。 他の実施例の部分断面図。 更に他の実施例の側断面図。 更に他の実施例の横断面図（Ａ）および部分拡大断面図（Ｂ）。 従来の色素増感型太陽電池の側断面図。

図１は、本発明の色素増感型太陽電池の全体を示す側断面図である。
色素増感型太陽電池において、透明なガラスよりなる管状容器１は、本体部２とその両端の封止部３、４とからなり、本体部２の内面には、透明導電膜からなる集電極５と、増感色素が吸着された半導体層からなる光電極６とが積層形成されている。
前記管状容器１内には、対向電極７が前記集電極５に対向配置されていて、この対向電極７は、図１（Ｂ）に示すように、スリットを有する略円筒形状をなし、半径方向に弾性的に拡縮可能な金属板からなり、その周囲には、例えば、ガラス繊維や絶縁樹脂繊維などの繊維布からなる半径方向に拡縮可能な円筒状の絶縁体８が被せられている。このような構造とすることにより、対向電極７の弾性復元力によって、該対向電極７は、絶縁体８を介在させて光電極６に当接している。
このような構造により、対向電極７と集電極５および光電極６とは、絶縁体８の厚さに相当する所定の間隙をもって互いに絶縁状態で対向配置される。
なお、絶縁体８は円筒形状に限られず、シート状のものであってもよい。

前記管状容器１の一端の封止部３には、金属管１０が管状容器１の本体部２の内部から外部に突出するように封止されている。
そして、前記集電極５に電気的に接続された内部リード１１が、この金属管１０内に挿入され、これを貫通している。
前記金属管１０は、その突出端部において、前記内部リード１１ともにプレス成型により圧着されて圧着部１５が形成されている。この構造により、前記管状容器１内が密封封止されるとともに、金属管１０は、内部リード１１と電気的な接続がなされて外部リードとして機能する。
これにより、金属管（外部リード）１０−内部リード１１−集電極５という電気的接続が形成されている。

一方、他端の封止部４は、図７に示すものと同様なピンチシール構造によって封止されていて、対向電極７は内部リード１２によって封止部４内の金属箔１３及び外部リード１４に電気的に接続されている。
こうして内部が密閉された管状容器１内には、電解質物質を備えた電解液９が密封充填されている。

このような構造の色素増感型太陽電池の概略の製造方法を図２に基づいて説明する。
図２（Ａ）に示されるように、管状容器１の内面に設けられた集電極５および光電極６に対向して、絶縁体８が被嵌された対向電極７が当接配置されている。そして、管状容器１の一端側の開放端１ａには、管状容器１の内部から外部に突出するように金属管１０を配置して、集電極５に接続された内部リード１１がこの金属管１０内に挿入されて、外部にまで貫通している。
一方、対向電極７は内部リード１２、金属箔１３および外部リード１４が接続されている。
この状態で、管状容器１の他端封止部側（金属箔１３側）の開放端１ｂからアルゴン等の不活性ガスを流しつつ、管状容器１の金属管１０側の端部１ａを酸水素バーナーなどにより加熱溶融して、該金属管１０の外面と溶着させて封止部３を形成する。

次いで、他方の端部においては、ピンチール技術により封止部４が形成される。
つまり、図２（Ｂ）に示されるように、金属管１０から管状容器１内に不活性ガスを流しつつ、管状容器１の他端部１ｂを加熱溶融して、これを圧潰して金属箔１３を埋設するように封止部４を形成する。
こうして、図２（Ｃ）に示されるように、管状容器１の内部に電極構造体が内蔵され、その一端側の封止部３においては、金属管１０が放電容器１の外方に突出した状態で封止され、他方の封止部４では金属箔１３が埋設された状態で封止された形状の構造体ができる。

次いで、かかる構造体の管状容器１内に電解液を注入・充填する工程および金属管１０を封止する工程を図３により説明する。
図３（Ａ）に示されるように、管状容器１を、金属管１０が上方に向かうように立設する。そして、前記金属管１０から管状容器１内に電解液９を注入する。
図３（Ｂ）に示されるように、管状容器１内に電解液９が充填されたら、金属管１０の上端１５をプレス手段１８により内部リード１１を介在させて圧着し密封して圧着部１５を形成する。このとき、該金属管１０は加熱されることなく密封されるので、内部リード１１を介して集電極５が加熱されることがない。
これにより、図３（Ｃ）に示されるように、管状容器１に従来のような電解液注入管を設けることなく、管状容器１の内部に電解液６が充填された色素増感型太陽電池が完成する。

ところで、上記実施例においては、金属管１０は、ガラス製の管状容器１に熱溶着により封止されるものであり、この場合、管状容器１と金属管１０とは線膨張率の近い材料の組み合わせが好ましい。線膨張率に大きな相違がある材料であると、熱溶着時に管状容器１の封止部３にクラックが入り損傷することがあるからである。
このためには、両者における線膨張率αの差が±５×１０^−７／℃の範囲に収まる組み合わせであることが好ましい。
その具体的な材料の組み合わせの例を列挙すると以下の通りである。
（例１）
管状容器：アルミノシリケートガラス（線膨張率α＝５１×１０^−７／℃）
金属管：モリブデンパイプ（線膨張率α＝５５×１０^−７／℃）
（例２）
管状容器：コバールガラス（線膨張率α＝５５×１０^−７／℃）
金属管：コバールパイプ（線膨張率α＝５０×１０^−７／℃）
（例３）
管状容器：ソーダライムガラス（線膨張率α＝９０×１０^−７／℃）
金属管：チタンパイプ（線膨張率α＝８８×１０^−７／℃）

なお、金属管１０は、電解液９に対する耐腐食性の高い材料が適している。例えば、電解液９に金属との反応性が高いヨウ素が含まれている場合、金属管１０にはチタン部材又は表面をチタンでコーティングした部材を用いることが好ましい。
つまり、上記の例でいえば、例１と例２の金属パイプはチタンコートされていることが好ましい。例えば、モリブデンパイプを用意し、その表面にスパッタリングで数十ｎｍ程度の膜厚でチタンコーティングを行うことが好適である。

また、内部リード１１を介在して金属管１０を圧着させると、金属管１０の内面と内部リード１１の外面との間に隙間が形成される場合がある。このような不具合を是正するために、図４に示すように、金属管１０において、圧着部１５よりも更に突出側の端部において、金属管１０のみを圧着させて封止した封止部１６を別途設けることもできる。

ところで、前記対向電極７には種々の金属材料を用いることができるが、発電効率の観点からアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンが好ましい。アナターゼ型の結晶構造は、加熱を受けると、ルチル型やブルッカイト型の結晶構造に変化することがあり、これらはアナターゼ型に比べて発電効率が落ちる。
このため、前記実施例では、管状容器１の一端側の封止部３で金属管１０を用いる構造としたが、対向電極７をアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンで形成する場合には、この対向電極７の加熱を抑制するために、図５に示すように、一端側の封止部３に金属管１０ａ（１０）を用いるのに加えて、他端側の封止部４においても、同様に、金属管１０ｂ（１０）を採用して、対向電極７に電気的に接続された金属管１０ｂを圧着することで電気的に接続することが好ましい。

また、上記実施例においては、管状容器１の内面に透明導電膜からなる集電極５と、その内面に光電極６とが積層形成されたものを示して説明したが、この集電極と光電極の構造はこれに限られず、例えば、特開２０１２−２５６４５９号公報で示されるように、管状容器の内面に光電極を形成し、その内面に電解液が透過する開口を有する集電極を設ける構造であってもよい。
図６（Ａ）（Ｂ）にその構造が示されていて、管状容器１の内面に光電極６が焼成などにより形成されており、その内面に、集電極５が設けられていて、この集電極５には電解液が通過できる開口５ａが形成されている。この集電極５は具体的には、ＳＵＳなどの金属多孔板やメッシュ構造の金属網状体などで構成することができる。
そして、対向電極７を、この集電極５に対して、絶縁体８を介在させて当接させる構造としたものである。

なお、対向電極７についても、上記各実施例の構造に限られるわけではなく、図７に示すような、コイル形状とすることもでき、この場合も、そのコイル形状対向電極の外周には絶縁体を設けて、集電極５と対向電極７の間に所定の間隙を形成して絶縁状態を維持し、両者が接触することによる短絡を防止することが好ましい。
またこの場合、対向電極に接続する内部リードは、該コイル状対向電極のコイル素線をそのまま一体的に直線状に延長して内部リードとすることもできる。

以上説明したように、本発明に係る色素増感型太陽電池は、管状容器内に設けられた集電極に接続された内部リードを、封止部内を貫通して封止される金属管内に挿入し貫通させて、封止部の外部で金属管を圧着して内部リードと接続するとともに金属管を封止する構成としたので、この金属管の圧着封止前に、この金属管を利用して電解液の注入充填ができて、従来のように管状容器に電解液注入管を形成する必要もなく、従って、注入管の熱封着も必要としないので、光電極に熱的な影響を与えることがなく、その熱的劣化を防止できる。
また、金属管は、管状容器の外部で圧着により内部リードと接続されるので、何等の熱的作業も伴うことがなく、この面からも光電極に対して熱的影響を与えることがない。
更には、金属管の圧着部よりも突出側端部で、該金属管のみを圧着により封止するので、管状容器の封止がより完全なものとなる。

１ 管状容器
２ 本体部
３、４ 封止部
５ 集電極
５ａ 孔
６ 光電極
７ 対向電極
８ 絶縁体
９ 電解液
１０ 金属管
１１、１２ 内部リード
１３ 金属箔
１４ 外部リード
１５ 圧着部
１６ 封止部

Claims (3)

1. 両端に封止部を有する透光性の管状容器の内部に、増感色素を担持する半導体層よりなる光電極と、該光電極に接触して形成される集電極と、該集電極および前記光電極に対向する対向電極とを備え、前記管状容器の内部には電解液が充填されてなる色素増感型太陽電池において、
   前記管状容器の一端封止部には、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、
   前記集電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続されている、
   ことを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記金属管において、前記内部リードと接続された圧着部より更に突出側端部に金属管のみを圧着封止した封止部を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池。
3. 前記管状容器の他端封止部にも、金属管が、前記管状容器の内部から外部に突出するように封止され、
   前記対向電極に電気的に接続された内部リードが、前記金属管を貫通し、前記管状容器の外部において、前記金属管を圧着することで前記内部リードと接続された
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の色素増感型太陽電池。
   
   
   

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