JP6224999B2

JP6224999B2 - フィルムデバイス

Info

Publication number: JP6224999B2
Application number: JP2013239925A
Authority: JP
Inventors: 友章片桐; 山口　文治; 文治山口; 俊介功刀; 智弘大塚; 剛之小林; 大輔時田
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2015099741A

Description

本発明は、フィルムデバイスに関する。

フィルムデバイスとしては、従来、特許文献１に示されるような透明基板、透明導電膜および金属酸化物半導体層がこの順で積層されたフィルム基材型色素増感太陽電池が知られている。
特許文献１のフィルム基材型色素増感太陽電池では、色素増感太陽電池に光が照射されると、半導体層に吸着された増感色素が光を吸収し、色素分子内の電子が励起され、その電子が半導体へ渡される。そして、光電極側で電子が発生し、この電子が電気回路を通じて、対向電極（対極）に移動し、対向電極に移動した電子は、電解質層を通じて光電極に戻る。このような過程が繰り返されることで、電気エネルギーが生じる構成となっている。

特開２０１１−２５８５１４号公報

しかしながら、従来のフィルム基材型色素増感太陽電池では、以下のような問題があった。
フィルム基材型色素増感太陽電池の基材としては、ガラスではなく樹脂フィルムを用いることで、軽量で柔軟性のあるフィルム基材型色素増感太陽電池を製造することができるので、曲面への設置を可能としている。ところが、従来のフィルム基材型色素増感太陽電池は、セル構成の一部に、硬くて脆い金属酸化物半導体の多孔質層がフィルム基材上に設けられており、また、実際のモジュール化においては、光電極と対極をそれぞれ配置した基材同士を接着して電解質を封止する封止材も必要となっている。
そのため、フィルム基材型色素増感太陽電池を曲面に沿って屈曲させた際に、金属酸化物半導体に局所応力がかかって割れや剥がれ、または封止材の剥がれが生じるという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、フィルムに作用する曲げ応力を逃がすことで、曲面設置による曲げ応力が発生した場合にでもフィルム基材と半導体膜との剥がれ、及びフィルム基材と封止材との剥がれを抑止することができるフィルムデバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るフィルムデバイスでは、第１基板を基台として透明電極及び半導体層をこの順で成膜して形成した第１電極と、第２基板を基台として透明電極を成膜して形成した第２電極と、封止材又は局所加熱工程により前記第１電極及び前記第２電極の間に封止された電解質と、を備え、前記第１基板及び前記第２基板のうち少なくとも一方における非成膜部及び成膜部の少なくとも一部に切れ目が形成され、前記切れ目は、前記非成膜部にのみ設けられていることを特徴としている。

本発明では、フィルム基材からなる基板に切れ目を設けることで、フィルムデバイスを曲げた場合でも、フィルムに作用する曲げ応力を切れ目部位により吸収することができる。そのため、フィルムデバイスを曲げたり、巻いたりしても、成膜される透明電極及び半導体層に過度な応力が作用して透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりするのを防止することが可能となる。従って、曲面壁への設置、ロールカーテン、ブラインド、垂れ幕などに適用しても、透明電極及び半導体層に過度な応力が作用して透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりすることを抑制でき、長期使用において信頼性の高いものとすることができる。
また、例えば垂れ幕として使用する場合には、切れ目によって風通しが良好となり、面で風を受けにくくなるので、ばたつきやその結果として生じる設置治具の破損などの発生を抑制することができる。

また、本発明では、非成膜部位に切れ目を設けることで、発生応力を非成膜部位で受けることが可能となり、成膜部位に発生する応力を緩和することができる。

また、本発明に係るフィルムデバイスでは、前記切れ目は、ハーフカットにより形成されていることが好ましい。

この場合、ハーフカットでフィルム基材を貫通しない切れ目とすることで、貫通する切れ目よりも強度が高められるため、切れ目を入れることによる切れ目部位から生じる破損を防止することができる。

また、本発明に係るフィルムデバイスでは、前記切れ目は、補強手段により補強されていることが好ましい。

この場合には、補強手段によって切れ目部位の端部あるいは全体を補強することで、切れ目部位の周囲のフィルムの亀裂の発生等を低減することができる。また、スリットの切れ目部位の端部に補強手段として逃げ穴を設けることで、スリットの端部に集中する応力を前記逃げ穴から逃がすことによって低減することができる。

また、本発明に係るフィルムデバイスでは、前記切れ目は、ミシン目により形成されていることが好ましい。

この場合には、切れ目をミシン目にすることで、断続的に複数の切れ目が設けられ、１つの切れ目にかかる応力を小さくすることができる。これにより、フィルムデバイスを曲げたり、巻いたりしても、透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりするのを防止することができると同時に１つの切れ目にかかる応力を小さくすることができるので、フィルムの破損を抑制することができる。
しかも、ミシン目に隙間が形成されることから、連続線で延びる切れ目のように電子が切れ目を大きく迂回して移動することがなく、電子の移動距離を短くすることができる。

また、本発明に係るフィルムデバイスでは、前記切れ目は、ドット状の複数の小孔を配列した形状であることが好ましい。

この場合には、切れ目をドット状の複数の小孔とすることで、断続的に小孔が設けられることから、１つの小孔の切れ目部位を小さくすることができ、連続線で形成されるスリットの切れ目に比べて小孔の端部に集中する応力を抑えることができる。これにより、フィルムデバイスを曲げたり、巻いたりしても、透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりするのを防止することができると同時に１つの切れ目にかかる応力を小さくすることができるのでフィルムの破損を抑制することができる。
また、小孔からなる切れ目であるので、各小孔に作用する応力を小孔の全周にわたって分散することができ、部分的な応力集中を防ぐことができる。
さらに、ドット状に配置される小孔同士の間に隙間が形成されることから、連続線で延びる切れ目のように電子が切れ目を大きく迂回して移動することがなく、電子の移動距離を短くすることができる。

本発明のフィルムデバイスによれば、フィルムに作用する曲げ応力を逃がすことで、曲面設置による曲げ応力が発生した場合にでもフィルム基材と半導体膜との剥がれ、及びフィルム基材と封止材との剥がれを抑止することができる効果を奏する。

本発明の実施の形態によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。フィルム基材型色素増感太陽電池をロール状に曲げた状態を示す斜視図である。本実施の形態のフィルム基材型色素増感太陽電池を垂れ幕に使用した一例を示す側面図である。第１変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。第２変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。第３変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。第４変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。第４変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池をロール状に曲げた状態を示す斜視図である。第５変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。第６変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。第７変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態によるフィルムデバイスについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２における符号１は、本実施の形態によるフィルムデバイスの一例としてフィルム基材型色素増感太陽電池を示している。そして、図３は、フィルム基材型色素増感太陽電池１を備えた壁掛け用広告１０を示しており、ビル１１の壁面１１ａに沿って長手方向を上下方向に向けて配置されている。

フィルム基材型色素増感太陽電池１は、一対の基板２、３（第１基板２、第２基板３）と、第１基板２及び第２基板３のそれぞれの板面に形成された絶縁部と、一方の第１基板２に設けられ透明導電膜及び半導体層を有し且つ絶縁部を介在させて形成された半導体電極５（第１電極）と、半導体電極５に対向して配置され他方の第２基板３に設けられ絶縁部を介在させて形成された対向電極６（第２電極）と、対向する半導体電極５及び対向電極６との間を封止する封止材４と、半導体電極５及び対向電極６同士の間に充填されている電解質と、を備えている。

ここで、対向する一対の基板２、３が積層（対向）する方向を板厚方向といい、長手方向（第１基板２の製造時における搬送方向と平行する一方向）を長手方向Ｙといい、長手方向Ｙに直交するする図１に示す左右方向を幅方向Ｘという。

第１基板２は、半導体電極５の基台となる部材であり、ロール・ツー・ロール方式などでの太陽電池の連続生産に適用できる適度な柔軟性を有し、大面積フィルム状に形成することが可能な材質であればよい。このような材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド等の透明の樹脂材料が挙げられる。

透明導電膜は、半導体電極５を構成するものであり、絶縁部を介して第１基板２の板面に成膜されている。また、透明導電膜はスパッタリング法や印刷法により、板面方向に直交する方向にパターニングされている。透明導電膜には、例えば、酸化スズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛等が用いられる。

半導体層は、透明導電膜とともに半導体電極５を構成するものであり、透明導電膜の上に積層され、絶縁部を介して第１基板２の板面２ａに成膜されている。また、半導体層は、例えば、増感色素から電子を受け取り輸送する機能を有する金属酸化物からなる。このような金属酸化物としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、等が挙げられる。

半導体層には、不図示の増感色素が担持されている。増感色素は、有機色素または金属錯体色素で構成されている。有機色素として、例えば、クマリン系、ポリエン系、シアニン系、ヘミシアニン系、チオフェン系、等の各種有機色素を用いることができる。金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム錯体等、が好適に用いられる。

第２基板（他方の基板）３は、対向電極６の基台となる部材であり、第１基板２と同様に透明の樹脂材料等から構成されている。

対向電極６は、絶縁部を介在させて第２基板３の板面３ａに成膜されている。また、対向電極６はスパッタリング法や印刷法により、板面方向に直交する方向にパターニングされている。また、対向電極６は、板厚方向Ｚにおいて間隙を隔てて半導体電極５と対向している。対向電極６には、例えば、ＩＴＯ、プラチナ、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、カーボン等が用いられる。

封止材は、対向電極６と対向する半導体層を囲繞して、半導体電極５と対向電極６と電解質からなる発電部を形成するために設けられている。即ち、封止材は、半導体電極５と対向電極６との間に間隙を形成するとともに、前記発電部を密閉して内部空間を形成している。
封止材の材料には、例えば、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂を含んだ樹脂等、一時的に流動性を有し、熱や光等の処理により固化される樹脂材料等が用いられる。

電解質は前記内部空間に充填されており、例えば、アセトニトリル、ヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムまたはヨウ化ブチルメチルイミダゾリウム等のイオン液体などの液体成分に、ヨウ化リチウム等の支持電解質とヨウ素とが混合された溶液（プロピオニトリル等の非水系溶剤）等の液体が挙げられる。また、電解質は、逆電子移動反応を防止するｔ−ブチルピリジンを含むものであってもよい。

また、第１基板２及び第２基板３のうち非成膜部１Ａには、長手方向Ｙで半導体電極５（成膜部１Ｂ）同士の間の一部において板厚方向に貫通するとともに幅方向Ｘに沿って延びる連続線のスリット７（切れ目）が形成されている。スリット７の形成方法としては、カッターやハサミ等の産業刃物を使用したり、デジタルカッター、レーザー、或いはスリッター等が挙げられる。

次に、上述したフィルム基材型色素増感太陽電池１の作用について、図面に基づいて説明する。
本実施の形態では、図１及び図２に示すように、フィルム基材からなる基板２、３にスリット７を設けることで、フィルム基材型色素増感太陽電池１を曲げた場合でも、フィルムに作用する曲げ応力をスリット７により吸収することができる。そのため、フィルム基材型色素増感太陽電池１を曲げたり、巻いたりしても、成膜される透明電極及び半導体層に過度な応力が作用して透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりするのを防止することが可能となる。従って、曲面壁への設置、ロールカーテン、ブラインド、垂れ幕などに適用しても、透明電極及び半導体層に過度な応力が作用して透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりすることを抑制でき、長期使用において信頼性の高いものとすることができる。
そして、本実施の形態のフィルム基材型色素増感太陽電池１では、軽量なうえ曲面箇所への設置が可能となるので、ドームの上面などにも適用することができる。

また、図３に示すように、フィルム基材型色素増感太陽電池１を垂れ幕として使用する場合には、スリット７によって風通しが良好となり、面で風を受けにくくなるので、ばたつきやその結果として生じる設置治具１２の破損などの発生を抑制することができる。

また、非成膜部位１Ａにスリット７を設けることで、発生応力を非成膜部位で受けることが可能となり、成膜部位に発生する応力を緩和することができる。
さらに、スリット７を設けて風の通気を良好とすることで、建物の壁面への設置の際に風の影響を低減することができる利点がある。

このように構成されるフィルムデバイスでは、フィルムに作用する曲げ応力を逃がすことで、曲面設置による曲げ応力が発生した場合にでもフィルム基材と半導体膜との剥がれ、及びフィルム基材と封止材との剥がれを抑止することができる効果を奏する。

以上、本発明によるフィルムデバイスの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上述の本実施の形態では、スリット７が単に連続線で形成された形状であるが、これに限定されることはない。例えば、図４に示す第１変形例のように、スリット７の端部７ａに逃げ穴８（補強手段）を設けることにより、スリット７の端部７ａを起点としてその周囲のフィルム基材（基板２、３）に亀裂が生じるのを防止することができる。この逃げ穴８は円形であることが好ましいが、例えば三角形状、四角形状など他の穴形状とすることも可能であり、穴の大きさも適宜設定することができる。円孔の逃げ穴８を設けることで、スリット７の端部７ａに集中する応力を逃げ穴８の全周にわたって分散することができ、部分的な応力集中を防ぐことができる。
なお、スリット７の端部７ａの他の補強手段として、耐引き裂き性を有するフィルムを前記端部７ａに貼着する方法がある。

また、フィルム基材の表裏面にガラス繊維等で補強されたテープを貼っておき、その貼着されたテープに対してスリット７を形成する方法によって製造された補強手段を採用することも可能である。
さらに、フィルムデバイスの超音波溶着部位に補強効果を有することから、超音波溶着後に、その部分にスリットによる切込みを入れる方法を採用することができる。
さらにまた、スリットの形成をレーザーカットで行う場合には、レーザーが照射された部位が熱でメルトし、冷えると固まる性質があることから、レーザーカット自体にスリットと補強との両方の効果をもたせることができる。
このように、補強手段によって切れ目部位の端部あるいは全体を補強することで、切れ目部位の周囲のフィルムの亀裂の発生等を低減することができる。

また、上述の本実施の形態のスリット７のような構成の切れ目であることに限定されることがなく、他の形態とすることも可能である。例えば、上述した実施の形態によるスリット７は、板厚方向に貫通しているが、これに限らず、板厚方向に貫通しないハーフカットにより形成されていてもよい。この場合、フィルムに作用する曲げ応力をスリットの開きにより逃がすことができるとともに、貫通する切れ目よりも強度が高められるため、切れ目を入れることによる切れ目部位から生じる破損を防止することができる。

また、図５に示す第２変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の切れ目は、幅方向Ｘに沿って延在するミシン目７Ａにより形成されたものである。このように、切れ目をミシン目７Ａにすることで、断続的に複数の切れ目が設けられ、１つの切れ目にかかる応力を小さくすることができる。これにより、フィルム基材型色素増感太陽電池を曲げたり、巻いたりしても、透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりするのを防止することができると同時に１つの切れ目にかかる応力を小さくすることができるので、フィルムの破損を抑制することができる。
しかも、ミシン目７Ａに隙間が形成されることから、連続線で延びるスリットのように電子がスリットを大きく迂回して移動することがなく、電子の移動距離を短くすることができる。

さらに、図６に示す第３変形例によるフィルム基材型色素増感太陽電池の切れ目は、ドット状の複数の小孔７Ｂを幅方向Ｘに沿って配列した形状としたものである。このように、切れ目をドット状の複数の小孔７Ｂとすることで、上述したミシン目７Ａと同様に断続的に小孔７Ｂが設けられることから、１つの小孔７Ｂの切れ目部位を小さくすることができ、連続線で形成されるスリットの切れ目に比べて小孔７Ｂの端部に集中する応力を抑えることができる。これにより、フィルム基材型色素増感太陽電池を曲げたり、巻いたりしても、透明電極及び半導体層がフィルム基材から剥がれたり破損したりするのを防止することができると同時に１つの切れ目にかかる応力を小さくすることができるので、フィルムの破損を抑制することができる。
また、小孔７Ｂからなる切れ目であるので、各小孔７Ｂに作用する応力を小孔７Ｂの全周にわたって分散することができ、部分的な応力集中を防ぐことができる。
さらに、ドット状に配置される小孔７Ｂ同士の間に隙間が形成されることから、連続線で延びるスリットのように電子がスリットを大きく迂回して移動することがなく、電子の移動距離を短くすることができる。

また、図７に示す第４変形例は、幅方向Ｘに長く延びる成膜部１Ｂ（電極）が長手方向Ｙに間隔をあけて配列されたフィルム基材型色素増感太陽電池１を示しており、それら成膜部１Ｂ同士の間の非成膜部１Ａに幅方向Ｘに延びるスリット７を形成した構成となっている。この場合、図８に示すように、長手方向Ｙに曲げると、各スリット７が開き、曲げによる応力を逃がすことができ、成膜部１Ｂに作用する曲げ応力を低減することができる。

このようにスリット等の切れ目の長さ、配置、数量は、例えば図９に示す第５変形例、図１０に示す第６変形例、及び図１１に示す第７変形例ように、任意に設定することができる。なお、図９、図１０、及び図１１では、成膜部位が省略されている。
そして、本実施の形態および上記変形例において、切れ目を非成膜部１Ａに設けているが、これに限定されることはなく、成膜部１Ｂにスリット（切れ目）を設けることも可能である。この場合、ロール・ツー・ロール方式などでの連続成膜とすると、酸化チタン（ＴｉＯ_２）膜が存在する部位にもスリットを入れることになる。フィルム基材型色素増感太陽電池（フィルムデバイス）の機能を損なわずに、酸化チタン（ＴｉＯ_２）膜が存在する部位にスリットを入れる方法としては、特に限定されないが、超音波溶着した部分にスリットを入れる、封止材が組み込まれている部分にスリットを入れる、超音波溶着部位に挟まれた部分にスリットを入れる、封止材が組み込まれている部位に挟まれた部分にスリットを入れる、等の方法を採用することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１フィルム基材型色素増感太陽電池（フィルムデバイス）
２第１基板
３第２基板
５半導体電極（第１電極）
６対向電極（第２電極）
７スリット（切れ目）
７Ａミシン目（切れ目）
７Ｂドット状の小孔（切れ目）
８逃げ穴（補強手段）
Ｘ幅方向
Ｙ上下方向

Claims

第１基板を基台として透明電極及び半導体層をこの順で成膜して形成した第１電極と、
第２基板を基台として透明電極を成膜して形成した第２電極と、
封止材又は局所加熱工程により前記第１電極及び前記第２電極の間に封止された電解質と、
を備え、
前記第１基板及び前記第２基板のうち少なくとも一方における非成膜部及び成膜部の少なくとも一部に切れ目が形成され、
前記切れ目は、前記非成膜部にのみ設けられていることを特徴とするフィルムデバイス。
前記切れ目は、ハーフカットにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルムデバイス。
前記切れ目は、補強手段により補強されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルムデバイス。
前記切れ目は、ミシン目により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルムデバイス。
前記切れ目は、ドット状の複数の小孔を配列した形状であることを特徴とする請求項１に記載のフィルムデバイス。