JP6159066B2 - 複合ソーラーセル - Google Patents
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Description
本発明は、異なる構成のソーラーセルを組み合わせた複合ソーラーセルに関するものである。
シリコン等の半導体を用いた半導体ソーラーセルは変換効率が高い反面、高純度の材料を使用するため高価である。
高価な半導体セルに対して、比較的安価なソーラーセルとして２酸化チタン（ＴｉＯ２）あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるソーラーセルがある。
図１（ａ）に示したのは、２酸化チタンソーラーセルの基本的な構成である。
この図において、１及び３は各々ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）層２及びＦＴＯ層４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ層２及び４は電荷取り出し電極として機能する。
５は多孔質２酸化チタン焼結体からなる２酸化チタン起電体であり、６は電解質である。電解質６には一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。
この図において、１及び３は各々ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）層２及びＦＴＯ層４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ層２及び４は電荷取り出し電極として機能する。
５は多孔質２酸化チタン焼結体からなる２酸化チタン起電体であり、６は電解質である。電解質６には一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。
ガラス基板１上のＦＴＯ透明導電膜２を透過して入射した紫外光により多孔質２酸化チタン焼結体５から電子が励起され、励起された電子がＦＴＯ透明導電層２から外部へ取り出され、負荷を経由してＦＴＯ透明導電膜４から電解質６を介して多孔質２酸化チタン焼結体５に戻る。
図１（ｂ）に示したのは２酸化チタンソーラーセルを改良した色素増感型と呼ばれるソーラーセル（ＤＳＳＣ：Dye Sentitized Solar Cell）の基本的な構成である。
２酸化チタンが起電に利用できる光は波長が３８０nm以下の紫外線のみであり、この波長領域の紫外線は太陽光中の４％に過ぎなく、太陽光の利用効率は最大でも４％、実際には１％がせいぜいであるため、太陽光の利用効率はきわめて低い。
二酸化チタンソーラーセルが利用できる光の範囲を拡げ、太陽光の利用率を上げるために二酸化チタン起電体５にルテニウム錯体色素を付着させた色素増感型２酸化チタン起電体７は可視光の一部によっても起電できるため、色素増感型ソーラーセルは可視光の一部によっても起電し、太陽光の利用効率は理論的に３０％（実際には最大で１０％）と高い。
２酸化チタンが起電に利用できる光は波長が３８０nm以下の紫外線のみであり、この波長領域の紫外線は太陽光中の４％に過ぎなく、太陽光の利用効率は最大でも４％、実際には１％がせいぜいであるため、太陽光の利用効率はきわめて低い。
二酸化チタンソーラーセルが利用できる光の範囲を拡げ、太陽光の利用率を上げるために二酸化チタン起電体５にルテニウム錯体色素を付着させた色素増感型２酸化チタン起電体７は可視光の一部によっても起電できるため、色素増感型ソーラーセルは可視光の一部によっても起電し、太陽光の利用効率は理論的に３０％（実際には最大で１０％）と高い。
使用する色素はルテニウム錯体色素が一般的であるが、２酸化チタンの起電に寄与しない波長の光で起電する色素であればルテニウム錯体色素以外の色素も使用可能である。
本発明者等は、２酸化ケイ素である人工水晶又は溶融石英が、光起電能を有することを発見し、国際公開公報ＷＯ２０１１／０４９１５６号に記載された２酸化ケイ素ソーラーセルを提案した。
図１（ｃ）に、２酸化ケイ素ソーラーセルを示す。
この図において、１１及び１３は各々ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４は電荷取り出し電極として機能する。
１５は０.１５〜０.２０mmの厚さを有する電解質を混入させた２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体である。
この図において、１１及び１３は各々ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４は電荷取り出し電極として機能する。
１５は０.１５〜０.２０mmの厚さを有する電解質を混入させた２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体である。
図１（ａ）の２酸化チタンソーラーセル、同（ｂ）の色素増感型ソーラーセル、同（ｃ）の２酸化ケイ素ソーラーセルは何れも、電解質として沃化カリウム（ＫＩ）水溶液に沃素（Ｉ２）を溶解した沃素系電解質を用いている。
この沃素系電解質は、成分である沃素により黄褐色を呈している。
電解質が無色である必要がある場合には、次の組成の電解質が使用可能である。
１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４ｍｏｌ，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４ｍｏｌ，４−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ ｐｙｒｉｄｉｎｅ：０．２ｍｏｌ，グアニジウムイソチオシアネート０．１ｍｏｌをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの。
この電解質は、ハロゲン分子の濃度が０．０００４ｍｏｌ／Ｌ以下の場合には、可視光領域においてほぼ無色透明である。
電解質が無色である必要がある場合には、次の組成の電解質が使用可能である。
１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４ｍｏｌ，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４ｍｏｌ，４−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ ｐｙｒｉｄｉｎｅ：０．２ｍｏｌ，グアニジウムイソチオシアネート０．１ｍｏｌをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの。
この電解質は、ハロゲン分子の濃度が０．０００４ｍｏｌ／Ｌ以下の場合には、可視光領域においてほぼ無色透明である。
この他に、次の電解質も使用できる。
ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）０．５mol，金属ヨウ素（Ｉ２）０．０５molを分子量２２０のポリエチレングリコールを溶媒として調製したもの。
ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）０．５mol，金属ヨウ素（Ｉ２）０．０５molを分子量２２０のポリエチレングリコールを溶媒として調製したもの。
さらに、次の電解質も使用できる。
ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）０．５mol，金属ヨウ素（Ｉ２）０．０５molをメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに増粘剤を加え、更に開放起電力とフィルファクターを向上させるため4−tert-butyl pyridineを添加したもの。
ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）０．５mol，金属ヨウ素（Ｉ２）０．０５molをメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに増粘剤を加え、更に開放起電力とフィルファクターを向上させるため4−tert-butyl pyridineを添加したもの。
最高値を得た電解質として次のものがある。
ＬｉＩとＩ２，溶媒に3−メトキシプロピオニトリル，粘性を低くしイオンの拡散をスムーズにする常温溶融塩として1-propyl-2,3 dimethylimidazolium iodide，逆電流を防ぎ開放起電圧を高める4-tert-butyl pyridineを所定比混合したもの。
ＬｉＩとＩ２，溶媒に3−メトキシプロピオニトリル，粘性を低くしイオンの拡散をスムーズにする常温溶融塩として1-propyl-2,3 dimethylimidazolium iodide，逆電流を防ぎ開放起電圧を高める4-tert-butyl pyridineを所定比混合したもの。
色素増感二酸化チタンソーラーセルの場合に溶媒を水系とすると色素の寿命を早めるため、アセトニトリ２０vol％とエチレンカーボネート８０vol％の混合溶液である有機溶媒が用いられる。
この他に、無色の電解質として酢酸あるいはクエン酸等の有機酸も使用できる。
この他に、無色の電解質として酢酸あるいはクエン酸等の有機酸も使用できる。
２酸化チタンソーラーセルは無色であるが紫外光のみによって起電するため、出力される電流は大きくない。
これに対して、色素増感ソーラーセルは紫外光だけでなく可視光も起電に寄与するため出力される電流は大きいが、有色であるため無色であることが必要な用途には使用できない。
また、色素増感ソーラーセルであっても起電に寄与するのは紫外光及び可視光の一部分であって、光の成分として重要な赤外光は起電に寄与しない。
これに対して、色素増感ソーラーセルは紫外光だけでなく可視光も起電に寄与するため出力される電流は大きいが、有色であるため無色であることが必要な用途には使用できない。
また、色素増感ソーラーセルであっても起電に寄与するのは紫外光及び可視光の一部分であって、光の成分として重要な赤外光は起電に寄与しない。
この出願に係る発明は、基本的には無色でありながら十分な電流を得ることができるソーラーセルを提供することを課題とする。
さらに、利用されていない赤外光も利用して起電することができるソーラーセルを提供することを課題とする。
さらに、利用されていない赤外光も利用して起電することができるソーラーセルを提供することを課題とする。
この出願においては、無色の２酸化チタン光起電体と有色の色素増感光起電体を組み合わせて、以下の構成の複合ソーラーセルを構成する。
（１）透明導電膜が形成された２枚のガラス基板が各々の透明導電膜を向かい合わせて配置され、ガラス基板の一方に２酸化チタン光起電体と色素増感光起電体が並べて配置され、２枚のガラス基板の間に無色透明な電解質が充填される。
（２）色素増感光起電体が分割して配置されている。
（３）２酸化チタン光起電体及び色素増感光起電体が配置されたガラス基板と対向するガラス基板に２酸化ケイ素光起電体を配置する。
（４）２酸化チタン光起電体をガラス基板の中央部に配置し、色素増感光起電体をガラス基板の周辺部に配置する。
（１）透明導電膜が形成された２枚のガラス基板が各々の透明導電膜を向かい合わせて配置され、ガラス基板の一方に２酸化チタン光起電体と色素増感光起電体が並べて配置され、２枚のガラス基板の間に無色透明な電解質が充填される。
（２）色素増感光起電体が分割して配置されている。
（３）２酸化チタン光起電体及び色素増感光起電体が配置されたガラス基板と対向するガラス基板に２酸化ケイ素光起電体を配置する。
（４）２酸化チタン光起電体をガラス基板の中央部に配置し、色素増感光起電体をガラス基板の周辺部に配置する。
無色透明であるが紫外光のみによって起電するため出力電流が小さい２酸化チタン起電体と有色不透明ではあるが可視光によっても起電するため出力電流が大きい色素増感起電体を組み合わせた複合ソーラーセルは低照度下でも十分な電流を出力する。
さらに無色透明でありながら赤外光によっても起電するためさらに大きな出力電流を得られる２酸化ケイ素起電体を組み合わせることによりさらに大きな出力電流を得ることができる。
さらに無色透明でありながら赤外光によっても起電するためさらに大きな出力電流を得られる２酸化ケイ素起電体を組み合わせることによりさらに大きな出力電流を得ることができる。
以下、図面を参照してこの出願に係る発明の実施例を説明する。
図２に実施例１として示したのは、２酸化チタンソーラーセルと色素増感ソーラーセルを並列に組み合わせて構成した、複合ソーラーセルの模式図である。
（ａ）において、１及び３は各々ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）層２及びＦＴＯ層４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ層２及び４は電荷取り出し電極として機能する。
５は多孔質２酸化チタン焼結体である。
６は電解質であり、図１に従来技術として示した無色の電解質、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４mol，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４mol，4-tert-butyl pyridine：０．２mol，グアニジウムイソチオシアネート０．１molをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの等が利用可能である。
（ａ）において、１及び３は各々ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）層２及びＦＴＯ層４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ層２及び４は電荷取り出し電極として機能する。
５は多孔質２酸化チタン焼結体である。
６は電解質であり、図１に従来技術として示した無色の電解質、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４mol，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４mol，4-tert-butyl pyridine：０．２mol，グアニジウムイソチオシアネート０．１molをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの等が利用可能である。
７は二酸化チタン焼結体にルテニウム錯体色素等の増感色素を付着させた色素増感起電体である。
この図では２酸化チタン起電体５と色素増感起電体７は同面積であるが、面積は同面積に限らない。
また、２酸化チタン起電体５と色素増感起電体７は（ａ）に示すように単一、あるいは（ｂ）に示すように分割して配置することも可能である。
さらに、色素増感起電体７は２酸化チタン起電体５と同一平面ではなく、垂直面等に配置することもできる。
また、２酸化チタン起電体５と色素増感起電体７は（ａ）に示すように単一、あるいは（ｂ）に示すように分割して配置することも可能である。
さらに、色素増感起電体７は２酸化チタン起電体５と同一平面ではなく、垂直面等に配置することもできる。
この複合ソーラーセルは２酸化チタン起電体５を用いる無色のソーラーセルと色素増感起電体７を用いる有色のソーラーセルが並列に接続された構成となっている。
この複合ソーラーセルを用いて無色であることが要求される部分には２酸化チタン起電体を使用し、無色であることが要求されない部分には色素増感起電体を使用することにより、十分な電流を得ることができる。
この複合ソーラーセルを用いて無色であることが要求される部分には２酸化チタン起電体を使用し、無色であることが要求されない部分には色素増感起電体を使用することにより、十分な電流を得ることができる。
本発明者等は、特願２０１１−９１３８９（ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／５６２９１）において、２酸化ケイ素に電解質を混入させずに分離して構成した図３（ａ）のソーラーセルを提案した。
この図において、１１及び１３は各々ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４は電荷取り出し電極として機能する。
１５は２酸化ケイ素からなる２酸化ケイ素起電体である。
２酸化ケイ素起電体を使用するソーラーセルは紫外光から可視光、さらには赤外光によっても起電する。
この図において、１１及び１３は各々ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜１２及びＦＴＯ膜１４は電荷取り出し電極として機能する。
１５は２酸化ケイ素からなる２酸化ケイ素起電体である。
２酸化ケイ素起電体を使用するソーラーセルは紫外光から可視光、さらには赤外光によっても起電する。
また、本発明者等は、同じ出願において、２酸化チタン起電体と２酸化ケイ素起電体を直列に配置した図３（ｂ）のタンデム型ソーラーセルを提案した。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
５は２酸化チタン起電体、１５は２酸化ケイ素起電体であり、光の入射側に２酸化チタン起電体が配置され、光の出射側に２酸化ケイ素起電体が配置されている。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
５は２酸化チタン起電体、１５は２酸化ケイ素起電体であり、光の入射側に２酸化チタン起電体が配置され、光の出射側に２酸化ケイ素起電体が配置されている。
さらに、本発明者等は、同じ出願において、色素増感起電体と２酸化ケイ素起電体を直列に配置した図３（ｃ）のタンデム型ソーラーセルを提案した。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
７は色素増感起電体、１５は２酸化ケイ素起電体であり、光の入射側に２酸化チタン起電体が配置され、光の出射側に２酸化ケイ素起電体が配置されている。
この複合ソーラーセルは色素増感ソーラーセルと比較して電流が２０〜５０％増加する。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
７は色素増感起電体、１５は２酸化ケイ素起電体であり、光の入射側に２酸化チタン起電体が配置され、光の出射側に２酸化ケイ素起電体が配置されている。
この複合ソーラーセルは色素増感ソーラーセルと比較して電流が２０〜５０％増加する。
図４にこれらのソーラーセルに基づく複合ソーラーセルを示す。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
５は２酸化チタン起電体、７は色素増感起電体である。
６は電解質であり、図１に従来技術として示した無色の電解質、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４mol，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４mol，4-tert-butyl pyridine：０．２mol，グアニジウムイソチオシアネート０．１molをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの等が利用可能である。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
５は２酸化チタン起電体、７は色素増感起電体である。
６は電解質であり、図１に従来技術として示した無色の電解質、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４mol，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４mol，4-tert-butyl pyridine：０．２mol，グアニジウムイソチオシアネート０．１molをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの等が利用可能である。
１５は２酸化ケイ素起電体であり、光の入射側に２酸化チタン起電体が配置され、光の出射側に２酸化ケイ素起電体が配置されている。
（ａ）では２酸化チタン起電体５と色素増感起電体７は同面積であるが、面積は同面積に限らない。
また、２酸化チタン起電体５と色素増感起電体７は（ａ）に示すように単一、あるいは（ｂ）に示すように分割して配置することも可能である。
さらに、色素増感起電体７は２酸化チタン起電体５と同一平面ではなく、垂直面等に配置することもできる。
また、２酸化チタン起電体５と色素増感起電体７は（ａ）に示すように単一、あるいは（ｂ）に示すように分割して配置することも可能である。
さらに、色素増感起電体７は２酸化チタン起電体５と同一平面ではなく、垂直面等に配置することもできる。
図５に複合ソーラーセルの利用例を示す。
（ａ）に示すのは図２（ｂ）及び図４（ｂ）に示した分割配置複合ソーラーセルの使用例である。
（ａ）は建築物の窓、輸送装置等の窓に使用した例、（ｂ）は時計のガラス使用した例であり、中央部部には２酸化チタン起電体５を使用し、周辺部には色素増感起電体７を配置した複合ソーラーセルを採用している。
（ａ）に示すのは図２（ｂ）及び図４（ｂ）に示した分割配置複合ソーラーセルの使用例である。
（ａ）は建築物の窓、輸送装置等の窓に使用した例、（ｂ）は時計のガラス使用した例であり、中央部部には２酸化チタン起電体５を使用し、周辺部には色素増感起電体７を配置した複合ソーラーセルを採用している。
（ｃ）に図２（ｂ）に示した複合ソーラーセルの断面を、（ｄ）に図４（ｂ）に示した複合ソーラーセルの断面を示した。
これらの場合にも、色素増感起電体７は２酸化チタン起電体５と同一平面ではなく、垂直面等に配置することもできる。
これらの場合にも、色素増感起電体７は２酸化チタン起電体５と同一平面ではなく、垂直面等に配置することもできる。
無色透明であるが紫外光のみによって起電するため出力電流が小さい２酸化チタン起電体と有色不透明ではあるが可視光によっても起電するため出力電流が大きい色素増感起電体を組み合わせた複合ソーラーセル、さらに無色透明でありながら赤外光によっても起電するためさらに大きな出力電流を得られる２酸化ケイ素起電体を組み合わせ複合セルは、低照度下での使用が必要な様々な装置の電源として極めて有用である。
１，３，１１，１３，２１，２３ ガラス基板
２，４，１２，１４，２２，２４ 透明導電膜
５ ２酸化チタン起電体
６，１６，２６ 電解質
７ 色素増感起電体
２，４，１２，１４，２２，２４ 透明導電膜
５ ２酸化チタン起電体
６，１６，２６ 電解質
７ 色素増感起電体
Claims (3)
- 透明導電膜が形成された２枚のガラス基板が、各々の透明導電膜を向かい合わせて配置された２枚のガラス基板と、
一方の前記ガラス基板の透明導電膜上に配置された２酸化チタン光起電体又は色素増感光起電体と、
他方の前記ガラス基板の透明導電膜上に配置された２酸化ケイ素光起電体と、
前記２枚のガラス基板の間に充填された電解質
からなる複合ソーラーセル。 - 請求項１に記載の複合ソーラーセルであって、前記２酸化チタン光起電体又は色素増感光起電体が分割して配置されたことを特徴とする複合ソーラーセル。
- 請求項１に記載の複合ソーラーセルであって、前記２酸化チタン光起電体が前記ガラス基板の中央部に配置され、前記色素増感光起電体が前記ガラス基板の周辺部に配置されたことを特徴とする複合ソーラーセル。
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