JP6176697B2 - ２酸化ケイ素ソーラーセル - Google Patents
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Description
この出願の発明は、水晶等の２酸化ケイ素を用いて起電するソーラーセルに係る。
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。
また、集電上の制約があるためソーラーセルユニットの大きさは５mm×２０mmとするのがせいぜいであり、これを数１０個組み合わせてモデュールを構成している。
また、集電上の制約があるためソーラーセルユニットの大きさは５mm×２０mmとするのがせいぜいであり、これを数１０個組み合わせてモデュールを構成している。
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。
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。
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。
色素増感型ソーラーセルは半導体ソーラーセルほどではないが同様に集電上の制約があり、ソーラーセルユニットの大きさは２0mm×２0mmとするのがせいぜいである。
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（ａ）に概念図を示す２酸化ケイ素ソーラーセルは、各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板２１及び２３のＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を対向させて配置し、その間に０.１５〜０.２０mmの厚さを有する２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）粒子焼成体に電解質を混入させた２酸化ケイ素起電体２６を収納して構成されている。
ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
図１（ｂ）に示したのは国際公開ＷＯ２０１２／１２４６５５号公報及び国際公開ＷＯ２０１２／１２４６５６号公報に示された本発明者等による図１（ａ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルとは異なる構造の２酸化ケイ素ソーラーセルの概念図である。
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。これらの構成は図１（ａ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルと同じ構造である。
２７は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液２８から分離されている。
２７は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液２８から分離されている。
図１（ｃ）に示したのはＷＯ２０１２／１２４６５５号公報及びＷＯ２０１２／１２４６５６号公報に示された本発明者等による図１（ｂ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルにさらに２酸化チタンソーラーセルを組み合わせたソーラーセルの概念図である。
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、２７は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液２８から分離されている。図１（ｃ）に示したソーラーセルはさらに２酸化チタン（ＴｉＯ２）焼結体からなる２酸化チタン起電体である。この２酸化チタン焼結体２９にはルテニウム色素等の増感色素を吸着させることができる。
（ｄ）は（ｂ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルを装置として組み上げた２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射側から見た上面図、（ｅ）は同じく断面図である。これらにおいて３１は２酸化ケイ素層、３２及び３３は取り出し電極、３４は取り出し電極３２と３３を離隔するとともに電解液及び２酸化ケイ素を収納する空間を確保するためのスペーサである。
ＦＴＯは薄膜が形成された１００mm×１００mmのガラス板２枚を使用し、その一方のガラス板のＦＴＯ薄膜に塩化白金酸を塗布焼成して白金膜を形成し、その上に９cm×８．５cm＝７６．５cm２の２酸化ケイ素層が形成されている。
１０cm×１０cmのガラス板２枚を使用して組み上げ、２酸化ケイ素層の面積を９cm×８．５cm＝７６．５cm２となっている。
ソーラーセルの構成を２０．２５cm２に１Sun（１ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧４６０ｍＶ、短絡電流３．５３mＡが得られた。この短絡電流値は７６．５cm２のソーラーセル全面に換算すると短絡電流は約１３．３mＡとなる。
このソーラーセルの構成を増感色素付きとしたものの２０．２５cm２に１Sun（１ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧４０２ｍＶ、短絡電流５．１６mＡが得られた。この短絡電流値は７６．５cm２のソーラーセル全面に換算すると短絡電流は約１９．５mＡとなる。
このソーラーセルの構成から２酸化チタンを除いた（ｂ）の構成としたものの２０．２５cm２に１Sun（１ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧４７０ｍＶ、短絡電流０．４０５mＡが得られた。この短絡電流値は７６．５cm２のソーラーセル全面に換算すると短絡電流は約１．５３mＡとなる。
この出願に係る発明はより大きな出力を得ることが可能な２酸化ケイ素ソーラーセルを得ることを課題とする。
本発明者等は２酸化ケイ素ソーラーセルを単一のセルとして構成するよりも複数に区分した方がより高い開放電圧とより大きな短絡電流を得ることができることを発見した。
この知見に基づき、２酸化ケイ素層を複数に分割した２酸化ケイ素ソーラーセルを提供する。
この知見に基づき、２酸化ケイ素層を複数に分割した２酸化ケイ素ソーラーセルを提供する。
１０cm×１０cmのガラス板２枚を使用して組み上げ、９cm×８．５cmに塗布した２酸化ケイ素層を１６個の正方形に分割して構成したソーラーセルは分割されていないものに比して大幅な性能向上が得られる。
図２に示したのは図１（ｂ）の２酸化ケイ素ソーラーセルにこの出願の発明を適用した
実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルの概念図である。
この図において、１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラス等の透光性
基板であり、ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４は電荷取り出し電極として機能する。これらの構
成は図１（ｂ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルと同じ構造である。
１１は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体、７は電解液である。
実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルの概念図である。
この図において、１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラス等の透光性
基板であり、ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４は電荷取り出し電極として機能する。これらの構
成は図１（ｂ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルと同じ構造である。
１１は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体からなる２酸化ケイ素起電体、７は電解液である。
なお、ガラス板に代えてポリエチレンナフタレートのような樹脂を使用することも可能である。
ＦＴＯ膜２が形成されたガラス板１とＦＴＯ膜４が形成されたガラス板３は完全には対向しないように位置をずらして配置され、その結果ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４のソーラーセルの外部に露出した部分９及び１０が外部取り出し電極となる。
ＦＴＯは薄膜が形成された１００mm×１００mmのガラス板２枚を使用し、その一方のガラス板のＦＴＯ薄膜に塩化白金酸を塗布焼成して白金膜を形成し、その上にマスクを用いて１０mm×１０mmの２酸化ケイ素層を１６個形成した。
このソーラーセルの２０．２５cm２に１Sun（１ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧４７５ｍＶ、短絡電流０．４９７mＡが得られた。この短絡電流値は７６．５cm２のソーラーセル全面に換算すると短絡電流は約１．８８mＡとなる。
実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルは起電体として２酸化ケイ素のみを使用している。
図３に示したのは２酸化ケイ素起電体の対極として焼結２酸化チタン起電体を設けたものである。
図３に示したのは２酸化ケイ素起電体の対極として焼結２酸化チタン起電体を設けたものである。
この図において、１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラス等の透光性基板であり、ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４は電荷取り出し電極として機能する。これらの構成は図２に示した２酸化ケイ素ソーラーセルと同じ構造である。
１１は２酸化ケイ素起電体、７は電解液である。
１１は２酸化ケイ素起電体、７は電解液である。
なお、ガラス板に代えてポリエチレンナフタレートのような樹脂を使用することも可能である。
このソーラーセルはさらに２酸化チタン（ＴｉＯ２）焼結体からなる２酸化チタン起電体１２がガラス基板１に形成されたＦＴＯ膜２に設けられている。
この２酸化チタン焼結体にはルテニウム色素等の増感色素を吸着させることができる。
この２酸化チタン焼結体にはルテニウム色素等の増感色素を吸着させることができる。
（ｂ）は（ａ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルを装置として組み上げた２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射側から見た上面図、（ｃ）は同じく断面図である。これらにおいて１１は分割された２酸化ケイ素層、９及び１０は取り出し電極、６は取り出し電極９と１０を離隔するとともに電解液及び２酸化ケイ素を収納する空間を確保するためのスペーサである。
なお、２酸化チタン焼結体に増感色素を吸着させた場合には分割された２酸化ケイ素層１１は見えない。
なお、２酸化チタン焼結体に増感色素を吸着させた場合には分割された２酸化ケイ素層１１は見えない。
ＦＴＯ膜２が形成されたガラス板１とＦＴＯ膜４が形成されたガラス板３は完全には対向しないように位置をずらして配置され、その結果ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４のソーラーセルの外部に露出した部分９及び１０が外部取り出し電極となる。
ＦＴＯは薄膜が形成された１００mm×１００mmのガラス板２枚を使用し、その一方のガラス板のＦＴＯ薄膜に塩化白金を塗布焼成して白金膜を形成し、その上にマスクを用いて１０mm×１０mmの２酸化ケイ素層を１６個形成した。
このソーラーセルの２０．２５cm２の部分に１Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧４８１ｍＶ、短絡電流4mＡが得られた。この短絡電流値は７６．５cm２のソーラーセル全面に換算すると短絡電流は約１５．２mＡとなる。
このソーラーセルに増感色素を吸着させ、その２０．２５cm２に１Sun（１ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧４２５ｍＶ、短絡電流６．０８mＡが得られた。この短絡電流値は７６．５cm２のソーラーセル全面に換算すると短絡電流は約２３mＡとなる。
この分割型ソーラーセルは図１（ｄ）及び（ｅ）に示した先行技術のソーラーセルと比較して開放電圧が４．６％，短絡電流が１４．４％増大した。
その理由は明確ではないが２酸化ケイ素層を分割することにより露出した白金膜が集電性能の向上に寄与していることによると推定される。
その理由は明確ではないが２酸化ケイ素層を分割することにより露出した白金膜が集電性能の向上に寄与していることによると推定される。
開放電圧が４．６％，短絡電流が１４．４％増大するこの出願に係る２酸化ケイ素ソーラーセルは、発電能力の向上だけではなく、使用する２酸化ケイ素の量も節減でき、極めて有用である。
１，３ 透光性基板
２，４ ＦＴＯ膜
７，２８ 電解液
９，１０，３２，３３ 取り出し電極
１１，２６，２７ ２酸化ケイ素起電体
１２ ２酸化チタン起電体
２１，２３ ガラス基板
２２，２４ ＦＴＯ膜
２９ ２酸化チタン焼結体
３１ ２酸化ケイ素層
３４ スペーサ
２，４ ＦＴＯ膜
７，２８ 電解液
９，１０，３２，３３ 取り出し電極
１１，２６，２７ ２酸化ケイ素起電体
１２ ２酸化チタン起電体
２１，２３ ガラス基板
２２，２４ ＦＴＯ膜
２９ ２酸化チタン焼結体
３１ ２酸化ケイ素層
３４ スペーサ
Claims (3)
- 透明導電膜が形成された２枚の透光性基板が各々の透明導電膜を向かい合わせて配置され、
前記透光性基板の一方に２酸化ケイ素起電体が分割して配置され、
前記２枚の透光性基板の間に電解質が充填されたことを特徴とする、２酸化ケイ素ソー
ラーセル。 - 前記透光性基板の他方に２酸化チタン起電体が配置されたことを特徴とする、請求項１記載の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記２酸化チタン起電体に増感色素が吸着されたことを特徴とする、請求項２記載の２酸化ケイ素ソーラーセル。
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| JP2014116210A (ja) | 2014-06-26 |
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