JP6176699B2 - 色素増感タンデム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酸化ケイ素と色素増感２酸化チタンを組み合わせて起電する色素増感タンデム２酸化ケイ素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。
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。
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酸化チタンソー
ラーセルがある。ここに用いられる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（ＤＳＳＣ：Dye Sentitized Solar Cell）は可視
光の一部によっても起電する。
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酸化チタンソー
ラーセルがある。ここに用いられる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（ＤＳＳＣ：Dye Sentitized Solar Cell）は可視
光の一部によっても起電する。
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３２及びＦＴＯ膜３４を有するガラス基板３１及び３３のＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４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３６を収納して構成されている。
ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４は電荷取り出し電極として機能する。
ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４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、３１及び３３は各々ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４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。
３７は酸化ケイ素焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液３８から分離されている。
３７は酸化ケイ素焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液３８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タンデム構成のソーラーセルの概念図である。
この図において、３１及び３３は各々ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４を有するガラス基板であり、３７は酸化ケイ素焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液３８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酸化チタン焼結体からなる２酸化チタン起電体３９である。
本出願人はタンデム構成のソーラーセルの２酸化チタン焼結体にルテニウム色素等の増感色素を吸着させた色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルをＷＯ２０１２／１２４６５５号公報及びＷＯ２０１２／１２４６５６号公報で示した。
色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの具体的な構造を図１（ｄ）及び（ｅ）で説明する。（ｄ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｄ）は断面図である。
上面図である（ｄ）においてスペーサ４２はソーラーセルを収納するためにソーラーセルの周囲を取り囲んでおり、取り出し電極４０及び４１がソーラーセルの外部に露出している。光は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体３９に入射するが、増感色素の色に遮られ２酸化ケイ素起電体は見えない。
断面図である（e）において、３１及び３３は各々ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４は電荷取り出し電極として機能する。３６は２酸化ケイ素からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液３８からは分離されている。３５は白金膜、３９は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体、４０及び４１は取り出し電極、４２は取り出し電極４０と４１を離隔するとともに電解液３８、２酸化チタン起電体３９及び２酸化ケイ素起電体３６を収納する空間を確保するためのスペーサである。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体３９は２cm×２cm＝４cm２の面積を有する。なお、色素増感２酸化チタン起電体３９と同様に２酸化ケイ素起電体３７も２cm×２cm＝４cm２の面積を有している。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの光入射面全面に０．５Sun（０．５ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．７５Ｖ、短絡電流１１．５mＡ、１cm２当たり２．８８mＡが得られる。
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色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを提供することを課題とする。
本発明者等は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの光入射側に配置される色素増感２酸化チタン起電体を分割して形成した方が一体に形成するよりも、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、光入射面の色素増感２酸化チタン起電体を分割して配置した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを提供する。
この色素増感２酸化チタン起電体を分割する構成は２酸化ケイ素起電体を有しない色素増感２酸化チタンソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体を分割した場合にも有効である。
この知見に基づき、光入射面の色素増感２酸化チタン起電体を分割して配置した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを提供する。
この色素増感２酸化チタン起電体を分割する構成は２酸化ケイ素起電体を有しない色素増感２酸化チタンソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体を分割した場合にも有効である。
光入射側に配置される色素増感２酸化チタン起電体を分割して形成した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは光入射面全面に色素増感２酸化チタン起電体を一体に形成したものよりも大きな短絡電流を得ることができる。
図２にこの出願の発明の実施例１を示す。
実施例１の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは図１（ｄ）及び（ｅ）の色素増感タンデム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の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの概念図である。なお、図１（ｃ）に対応する断面図は図２（ｂ）の断面図と内容が重複するため省略している。
この図において、（ａ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｂ）は断面図である。
実施例１の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは図１（ｄ）及び（ｅ）の色素増感タンデム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の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの概念図である。なお、図１（ｃ）に対応する断面図は図２（ｂ）の断面図と内容が重複するため省略している。
この図において、（ａ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｂ）は断面図である。
１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラスあるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂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。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
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８、２酸化チタン起電体１１及び２酸化ケイ素起電体７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
色素増感２酸化チタン起電体１１は図１（ｄ），（ｅ）の一体である色素増感２酸化チタン起電体３９が幅１mmの間隙１２により１６個のマトリクス状に分割されている。なお、間隙１２にはＦＴＯ透明導電膜のみが存在している。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体１１の面積は３．４２cm２である。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの光入射面全面に０．５Sun（０．５ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．７８Ｖ、短絡電流１２．７mＡ、１cm２当たりの電流密度３．７１mＡが得られた。
この値は図１（ｃ）〜（ｅ）に示した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと比較して色素増感部の単位面積当たり２９％大きい短絡電流が得られた。
この値は図１（ｃ）〜（ｅ）に示した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと比較して色素増感部の単位面積当たり２９％大きい短絡電流が得られた。
そのため、高価な増感色素の使用量を減らすことができる。
なお、２酸化ケイ素起電体を使用しない色素増感ソーラーセルの場合も同様な効果がある。
なお、２酸化ケイ素起電体を使用しない色素増感ソーラーセルの場合も同様な効果がある。
図３にこの出願の発明の実施例２を示す。
実施例２の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは図２に示した実施例１の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体の形状を変更したものである。
この図において、（ａ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｂ）は断面図である。
実施例２の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは図２に示した実施例１の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体の形状を変更したものである。
この図において、（ａ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｂ）は断面図である。
１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラスあるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂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。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
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８、２酸化チタン起電体１３及び２酸化ケイ素起電体７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
色素増感２酸化チタン起電体１３は図１（ｄ），（ｅ）の一体である色素増感２酸化チタン起電体３９が幅１mmの間隙１４により６個のマトリクス状に分割されている。なお、間隙１４にはＦＴＯ透明導電膜のみが存在している。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体１１の面積は３．７０cm２である。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの光入射面全面に０．５Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．７５Ｖ、短絡電流１０．１mＡ、１cm２当たりの電流密度２．７３mＡが得られた。
この値は図１（ｃ）〜（ｅ）に示した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと比較してやや少ないが、高価な増感色素の使用量を減らすことができる。
なお、２酸化ケイ素起電体を使用しない色素増感ソーラーセルの場合も同様な効果がある。
この値は図１（ｃ）〜（ｅ）に示した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと比較してやや少ないが、高価な増感色素の使用量を減らすことができる。
なお、２酸化ケイ素起電体を使用しない色素増感ソーラーセルの場合も同様な効果がある。
図４にこの出願の発明の実施例３を示す。
実施例３の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは図２に示した実施例１の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体の形状を変更したものである。
この図において、（ａ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｂ）は断面図である。
実施例３の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは図２に示した実施例１の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体の形状を変更したものである。
この図において、（ａ）は色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｂ）は断面図である。
１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラスあるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂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。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
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８、２酸化チタン起電体１１及び２酸化ケイ素起電体７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
色素増感２酸化チタン起電体１５は図１（ｄ），（ｅ）の色素増感２酸化チタン起電体３９を幅１mmの間隙１６により４個の帯状体に分割したものである。なお、間隙１６にはＦＴＯ透明導電膜のみが存在している。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体１１の面積は３．７０cm２である。
この色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの光入射面全面に０．５Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．７６Ｖ、短絡電流１０．９mＡ、１cm２当たりの電流密度２．９４mＡが得られた。
この値は図１（ｃ）〜（ｅ）に示した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと比較してやや少ないが、高価な増感色素の使用量を減らすことができる。
なお、２酸化ケイ素起電体を使用しない色素増感ソーラーセルの場合も同様な効果がある。
この値は図１（ｃ）〜（ｅ）に示した色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと比較してやや少ないが、高価な増感色素の使用量を減らすことができる。
なお、２酸化ケイ素起電体を使用しない色素増感ソーラーセルの場合も同様な効果がある。
実施例１〜３に係る色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルと先行技術の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルとを比較すると、色素増感２酸化チタンソーラーセルを分割することにより短絡電流値及び短絡電流密度を向上させることができる。
その場合、分割数を多くすることにより短絡電流値及び短絡電流密度をさらに大きくすることができる。
その場合、分割数を多くすることにより短絡電流値及び短絡電流密度をさらに大きくすることができる。
図５に色素増感２酸化チタン起電体の他の配置例を示す。
（ａ）に示したのは色素増感２酸化チタン起電体１７を４周を囲むように配置した実施例である。
この色素増感２酸化チタン起電体の面積は２．０５cm２であり、短絡電流は９．２ｍＡ、１cm２当たりの電流密度４．５mＡが得られた。
（ｂ）に示したのは色素増感２酸化チタン起電体１９を取り出し電極と並行して配置した実施例である。
この色素増感２酸化チタン起電体の面積は１cm２であり、短絡電流は６．８ｍＡ、１cm２当たりの電流密度６．８mＡが得られた。
（ｃ）に示したのは色素増感２酸化チタン起電体２０を取り出し電極と垂直方向に配置した実施例である。
この色素増感２酸化チタン起電体の面積は１cm２であり、短絡電流は５．３ｍＡ、１cm２当たりの電流密度５．３mＡが得られた。
（ａ）に示したのは色素増感２酸化チタン起電体１７を４周を囲むように配置した実施例である。
この色素増感２酸化チタン起電体の面積は２．０５cm２であり、短絡電流は９．２ｍＡ、１cm２当たりの電流密度４．５mＡが得られた。
（ｂ）に示したのは色素増感２酸化チタン起電体１９を取り出し電極と並行して配置した実施例である。
この色素増感２酸化チタン起電体の面積は１cm２であり、短絡電流は６．８ｍＡ、１cm２当たりの電流密度６．８mＡが得られた。
（ｃ）に示したのは色素増感２酸化チタン起電体２０を取り出し電極と垂直方向に配置した実施例である。
この色素増感２酸化チタン起電体の面積は１cm２であり、短絡電流は５．３ｍＡ、１cm２当たりの電流密度５．３mＡが得られた。
この出願に係る色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルの使用例を図６に示す。
（ａ）に示したのは窓用ガラスに使用した例であり、色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルで窓ガラス２２を構成し、周辺部を間隙２４を有する色素増感２酸化チタン起電体２３で囲っている。
（ｂ）に示したのは時計文字盤２５に使用した例であり、色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルで窓２６を構成し、周辺部を間隙２８を有する色素増感２酸化チタン起電体２７で囲っている。
（ａ）に示したのは窓用ガラスに使用した例であり、色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルで窓ガラス２２を構成し、周辺部を間隙２４を有する色素増感２酸化チタン起電体２３で囲っている。
（ｂ）に示したのは時計文字盤２５に使用した例であり、色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルで窓２６を構成し、周辺部を間隙２８を有する色素増感２酸化チタン起電体２７で囲っている。
光入射側に配置される色素増感２酸化チタン起電体を分割して形成した
この出願に係る発明の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは光入射面全面に色素増感２酸化チタン起電体を一体に形成したものよりも大きな短絡電流を得ることができるため、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。
この出願に係る発明の色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは光入射面全面に色素増感２酸化チタン起電体を一体に形成したものよりも大きな短絡電流を得ることができるため、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。
２，４，３２，３４ ＦＴＯ膜
１，３，３１，３３ ガラス基板
７，３６，３７ ２酸化ケイ素起電体
８，３８ 電解液
５，３５ 白金膜
１１，１３，１５，１７，１９，２０，２３，２７，３９ 色素増感２酸化チタン起電体
１２，１４，１６，２４，２８ 間隙
９，１０，４０，４１ 取り出し電極
６，４２ スペーサ
１，３，３１，３３ ガラス基板
７，３６，３７ ２酸化ケイ素起電体
８，３８ 電解液
５，３５ 白金膜
１１，１３，１５，１７，１９，２０，２３，２７，３９ 色素増感２酸化チタン起電体
１２，１４，１６，２４，２８ 間隙
９，１０，４０，４１ 取り出し電極
６，４２ スペーサ
Claims (2)
- 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配置され、
前記透光性基板の他方に色素増感２酸化チタン起電体が配置され、
前記２枚の透光性基板の間に電解質が充填された色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルであって、
前記色素増感２酸化チタン起電体が分割して形成されたことを特徴とする色素増感タン
デムソーラーセル。 - 前記色素増感２酸化チタン起電体が帯状体を分割した形状であり、前記色素増感タンデムソーラーセルの前記透光性基板の外周辺に配置されたことを特徴とする請求項１記載の色素増感タンデムソーラーセル。
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