JP6542019B2 - Solar charger - Google Patents

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Description

本発明は、ソーラー充電器に関し、特に、色素増感太陽電池モジュールを備えるソーラー充電器に関する。なお、本明細書において、太陽電池の単位構造をセルと呼び、複数のセルを一体にパッケージ化したものをモジュールと呼び、複数のモジュールを接続したものをアレイと呼ぶ。   The present invention relates to a solar charger, and more particularly to a solar charger comprising a dye-sensitized solar cell module. In this specification, a unit structure of a solar cell is referred to as a cell, a unitary package of a plurality of cells is referred to as a module, and a unit of a plurality of modules connected is referred to as an array.

太陽電池は、材料によって、シリコン系、化合物系および有機系の3つに大別される。シリコン系は、変換効率が高く、ポリシリコンを用いた太陽電池が太陽光を用いた発電に最も広く用いられている。有機系の1つの色素増感太陽電池(以下、「DSC」と略称することがある。)がある。DSCは、変換効率はシリコン系よりも劣るが、シリコン系や化合物系などの無機半導体を用いる場合よりも製造コストが低い利点を有しており、近年注目されている。   Solar cells are roughly classified into three, silicon-based, compound-based and organic-based, depending on the material. Silicon systems have high conversion efficiency, and solar cells using polysilicon are most widely used for power generation using sunlight. There is one organic dye-sensitized solar cell (hereinafter sometimes abbreviated as "DSC"). Although DSC has a conversion efficiency lower than that of silicon, it has an advantage of lower manufacturing cost than the case of using inorganic semiconductors such as silicon and compounds, and has been attracting attention in recent years.

これまで、太陽電池は、限られた設置面積で如何に高い発電量を得るかが重視されることから、変換効率の向上を主眼においた開発がなされてきた。また、太陽電池の利用形態においても発電効率が重要視されていた。太陽電池の変換効率は、典型的には、25℃における照度が100mW/cm2の太陽光を照射した場合に発電される電力に基づいて評価される。この照度は、日本の夏至の南中時における照度に相当する、高い値である。 Heretofore, since it is important to obtain a high power generation amount with a limited installation area, development of solar cells has been focused on improvement of conversion efficiency. In addition, the power generation efficiency has been regarded as important also in the use form of the solar cell. The conversion efficiency of a solar cell is typically evaluated based on the power generated when irradiated with sunlight having an illuminance of 100 mW / cm 2 at 25 ° C. This illuminance is a high value corresponding to the illuminance at the south middle of the summer solstice of Japan.

図14に、太陽電池の出力電圧(開放電圧)の照度依存性を示す。図14の横軸は対数軸であり、照度(mW/cm2)を示し、縦軸は開放電圧Voc(V)を示している。図中には、ポリシリコン太陽電池および色素増感太陽電池を例に、ソーラーシミュレータを用いてJIS規格において規定されている標準状態(AM1.5、100mW/cm2の擬太陽光、表面温度25℃、光入射方向はセルに直交)で測定した結果を示している。なお、ポリシリコン太陽電池(p−Si)の測定結果を「◆」でプロットし、色素増感太陽電池(DSC)の測定結果を「■」でプロットしている。このように、太陽電池は、照度が低下するにつれて、開放電圧は低下するという特性を有していることが分かる。従来は、変換効率および開放電圧が十分に得られる照度条件下で、シリコン系の太陽電池が用いられている。 FIG. 14 shows the illuminance dependency of the output voltage (open circuit voltage) of the solar cell. The horizontal axis in FIG. 14 is a logarithmic axis, indicating the illuminance (mW / cm 2 ), and the vertical axis indicates the open circuit voltage Voc (V). In the figure, a polysilicon solar cell and a dye-sensitized solar cell are taken as an example, and a standard state (AM 1.5, 100 mW / cm 2 pseudo-sunlight, surface temperature 25 specified in JIS standard using a solar simulator) C., light incident direction is orthogonal to the cell). In addition, the measurement result of a polysilicon solar cell (p-Si) is plotted by "-", and the measurement result of a dye-sensitized solar cell (DSC) is plotted by "-". Thus, it can be seen that the solar cell has the characteristic that the open circuit voltage decreases as the illuminance decreases. Conventionally, a silicon-based solar cell is used under illumination conditions where sufficient conversion efficiency and open circuit voltage can be obtained.

近年、携帯電話、スマートフォン、タブレットPC、電子書籍端末に代表されるモバイル電子機器を充電するための充電器として、太陽電池モジュールを備えるもの(以下、「ソーラー充電器」という。)が市販されている。これらのソーラー充電器も変換効率に優れたシリコン系の太陽電池が用いられている。   In recent years, as a charger for charging a mobile electronic device represented by a mobile phone, a smartphone, a tablet PC, and an electronic book terminal, one having a solar cell module (hereinafter, referred to as "solar charger") is put on the market. There is. These solar chargers also use silicon-based solar cells with excellent conversion efficiency.

一方、DSCの変換効率を向上させる試みもなされている。例えば、特許文献1には、電解液が透明電極膜に直接接触することに起因するリーク電流を防止するために、透明電極膜上にチタン(Ti)膜を形成し、このチタン膜を陽極酸化することによって得られた酸化チタン膜を用いる方法が開示されている。厚さが20nmの酸化チタン膜を形成することによって、DSCの変換効率を1.5倍に向上させることができると記載されている。特許文献1には、厚さが5nm以下のチタン膜が残存しても、透過率の低下の影響は小さいので、許容できると記載されている。   On the other hand, attempts have also been made to improve the conversion efficiency of DSC. For example, in Patent Document 1, a titanium (Ti) film is formed on a transparent electrode film in order to prevent a leak current caused by the electrolyte directly contacting the transparent electrode film, and this titanium film is anodized. Discloses a method of using a titanium oxide film obtained by It is described that the conversion efficiency of DSC can be improved 1.5 times by forming a titanium oxide film having a thickness of 20 nm. Patent Document 1 describes that even if a titanium film having a thickness of 5 nm or less remains, the influence of the decrease in the transmittance is small, so that it is acceptable.

また、特許文献2には、低照度(例えば数μW/cm2)下でも動作可能な無線センサを提供するために、低照度で発電可能な太陽電池を開示している。特許文献2によると、メディエータ(酸化還元対)としてI-とI3 -とを含む電解液におけるI3 -の濃度を0.0M超0.02M以下とすることによって、曲線因子(FF)、短絡電流(Isc)、および開放電圧(Voc)を増大させ、変換効率を向上させることができる。Iはヨウ素を表し、Mは、モル/リットルを表す。 In addition, Patent Document 2 discloses a solar cell capable of generating electric power with low illuminance in order to provide a wireless sensor operable even under low illuminance (for example, several μW / cm 2 ). According to Patent Document 2, a curvilinear factor (FF) can be obtained by setting the concentration of I 3 in an electrolyte solution containing I and I 3 as a mediator (a redox couple) to more than 0.0 M and 0.02 M or less. Short circuit current (Isc) and open circuit voltage (Voc) can be increased to improve conversion efficiency. I represents iodine and M represents mol / liter.

特開2005−340167号公報JP, 2005-340167, A 特開2007−172407号公報JP, 2007-172407, A

しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献1に記載のように厚さが20nmの酸化チタン膜を形成すると、電流値が低下するという問題がある。   However, according to the study of the present inventor, when a titanium oxide film having a thickness of 20 nm is formed as described in Patent Document 1, there is a problem that the current value decreases.

また、特許文献2に記載のように、I3 -の濃度を0.02M以下にまで低くすると、高照度下においては、キャリアが不足することに起因して、十分な出力を得られないという問題がある。 Further, as described in Patent Document 2, I 3 - Lowering the concentration of up to below 0.02 M, referred Under high illumination, due to the carrier is insufficient, not obtained sufficient output There's a problem.

本発明は、低照度から高照度の広い範囲にわたって、モバイル電子機器の充電に好適に用いられるソーラー充電器を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a solar charger that is suitably used to charge mobile electronic devices over a wide range of low to high illuminance.

本発明のある実施形態によるソーラー充電器は、複数の色素増感太陽電池を備える色素増感太陽電池モジュールと、モバイル電子機器に電気的に直接接続され且つ一体化される構造であって、前記モバイル電子機器に一体化され、前記モバイル電子機器を使用する状態において、前記色素増感太陽電池モジュールの受光面を露出させる構造とを有し、前記色素増感太陽電池モジュールは、基板と、電解質媒体と、前記基板の前記電解質媒体側に設けられた透明導電層と、前記透明導電層の前記電解質媒体側に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の前記電解質媒体側に設けられた多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層に担持された増感色素とを有し、前記金属酸化物層の電気抵抗は、前記多孔質半導体層の電気抵抗よりも小さく、かつ、前記透明導電層の電気抵抗よりも大きい。前記モバイル電子機器は、例えば、電子書籍端末、携帯電話、スマートフォン、タブレットPCである。   A solar charger according to an embodiment of the present invention has a structure in which a dye-sensitized solar cell module comprising a plurality of dye-sensitized solar cells, and a direct electrical connection and integration with a mobile electronic device, A structure integrated with a mobile electronic device and exposing the light receiving surface of the dye-sensitized solar cell module in a state of using the mobile electronic device, the dye-sensitized solar cell module including a substrate, an electrolyte A medium, a transparent conductive layer provided on the electrolyte medium side of the substrate, a metal oxide layer formed on the electrolyte medium side of the transparent conductive layer, and a metal oxide layer on the electrolyte medium side of the metal oxide layer And the sensitizing dye supported on the porous semiconductor layer, wherein the electrical resistance of the metal oxide layer is smaller than the electrical resistance of the porous semiconductor layer, One, greater than the electrical resistance of the transparent conductive layer. The mobile electronic device is, for example, an electronic book reader, a mobile phone, a smartphone, and a tablet PC.

ある実施形態において、前記金属酸化物層は、非多孔質層である。   In one embodiment, the metal oxide layer is a non-porous layer.

ある実施形態において、前記金属酸化物層の厚さは10nmを超えない。   In one embodiment, the thickness of the metal oxide layer does not exceed 10 nm.

ある実施形態において、前記金属酸化物層は熱酸化膜である。   In one embodiment, the metal oxide layer is a thermal oxide film.

ある実施形態において、前記金属酸化物層は酸化チタン層である。   In one embodiment, the metal oxide layer is a titanium oxide layer.

ある実施形態において、前記電解質媒体は、I-とI3 -とを含み、I3 -の濃度は0.02M超0.05M以下である。 In one embodiment, the electrolyte medium contains I 2 and I 3 −, and the concentration of I 3 is more than 0.02 M and less than 0.05 M.

ある実施形態において、前記ソーラー充電器は、前記色素増感太陽電池モジュールの出力と、前記モバイル電子機器との間に電圧安定化回路をさらに有する。前記電圧安定化回路は昇圧または降圧を行う。   In one embodiment, the solar charger further comprises a voltage stabilization circuit between the output of the dye-sensitized solar cell module and the mobile electronic device. The voltage stabilization circuit performs boosting or bucking.

ある実施形態において、前記ソーラー充電器は、前記色素増感太陽電池モジュールの出力を、前記モバイル電子機器に直接出力するように構成されている。すなわち、ある実施形態において、前記ソーラー充電器は、DC/DCコンバータ(例えば、PWM(pulse width modulation)に用いられる)および/またはMPPT(Maximum Power Point Tracking)回路を有しない。DC/DCコンバータおよびMPPT回路の一方だけを有してもよい。   In one embodiment, the solar charger is configured to output the output of the dye-sensitized solar cell module directly to the mobile electronic device. That is, in one embodiment, the solar charger does not have a DC / DC converter (for example, used for pulse width modulation (PWM)) and / or a Maximum Power Point Tracking (MPPT) circuit. It may have only one of the DC / DC converter and the MPPT circuit.

ある実施形態において、前記複数の色素増感太陽電池は、直列に接続された2以上の色素増感太陽電池を含む。   In one embodiment, the plurality of dye-sensitized solar cells include two or more dye-sensitized solar cells connected in series.

ある実施形態において、前記複数の色素増感太陽電池は、前記基板を共有する。   In one embodiment, the plurality of dye-sensitized solar cells share the substrate.

本発明の実施形態によると、モバイル電子機器の充電に好適に用いられるソーラー充電器が提供される。本発明の実施形態によるソーラー充電器は、例えば、高照度から低照度までの広い照度範囲において、モバイル電子機器を使用ながら、モバイル電子機器に有効に電力を供給することができる。   According to an embodiment of the present invention, a solar charger is provided that is suitably used for charging mobile electronic devices. A solar charger according to an embodiment of the present invention can effectively supply power to a mobile electronic device while using the mobile electronic device, for example, in a wide illumination range from high illumination to low illumination.

本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるDSC100の構造を模式的に示す断面図である。It is a sectional view showing typically the structure of DSC100 used for the solar charger by the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるDSCモジュール200の構造を模式的に示す断面図である。It is a sectional view showing typically the structure of DSC module 200 used for the solar charger by the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1によるソーラー充電器200Aをモバイル機器300に装着した状態を示す図である(表側)。It is a figure which shows the state which mounted | wore the mobile device 300 with the solar charger 200A by Embodiment 1 of this invention (front side). 本発明の実施形態1によるソーラー充電器200Aをモバイル機器300に装着した状態を示す図である(裏側)。It is a figure which shows the state which mounted | wore the mobile device 300 with the solar charger 200A by Embodiment 1 of this invention (back side). 本発明の実施形態1によるソーラー充電器200Aの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 200 A of solar chargers by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2によるソーラー充電器200Bの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the solar charger 200B by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3によるソーラー充電器200Cの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the solar charger 200C by Embodiment 3 of this invention. 金属酸化物層(TiO2層)の厚さの違いによる透過率の差分の波長依存性を示すグラフである。Metal oxide layer is a graph showing the wavelength dependence of the difference in transmittance due to the difference of the thickness of the (TiO 2 layer). Ti層の厚さの違いによる透過率の差分の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependency of the difference of the transmittance | permeability by the difference in the thickness of Ti layer. 金属酸化物層(TiO2層)の有無による透過率の差分(左軸)の波長依存性を示すグラフおよび色素の量子効率(右軸)の波長依存性を示すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the graph and the dye quantum efficiency of a wavelength dependence of the difference in transmittance due to the presence of the metal oxide layer (TiO 2 layer) (left) (right). 本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるDSCモジュールの出力電圧(動作電圧)の照度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the illumination intensity dependence of the output voltage (operating voltage) of the DSC module used for the solar charger by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられる他のDSCモジュール200Wの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of other DSC module 200W used for the solar charger by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるさらに他のDSCモジュール200Zの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the further another DSC module 200Z used for the solar charger by embodiment of this invention. 従来のポリシリコン太陽電池およびDSCの開放電圧(Voc)の照度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the illuminance dependency of the open circuit voltage (Voc) of the conventional polysilicon solar cell and DSC.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるソーラー充電器およびソーラー充電器を備えるモバイル電子機器を説明する。モバイル電子機器は、例えば、電子書籍端末、携帯電話、スマートフォン、タブレットPCである。本発明の実施形態によるソーラー充電器は、モバイル電子機器に電気的に直接接続され且つ一体化される構造を有し、モバイル電子機器に一体化された状態で、モバイル電子機器を使用することができる。すなわち、本発明の実施形態によるソーラー充電器は、図4に示す様に、モバイル電子機器を使用する状態において、色素増感太陽電池モジュールの受光面を露出させる構造を有している。   Hereinafter, with reference to the drawings, a mobile electronic device provided with a solar charger and a solar charger according to an embodiment of the present invention will be described. The mobile electronic device is, for example, an electronic book reader, a mobile phone, a smartphone, and a tablet PC. A solar charger according to an embodiment of the present invention has a structure electrically connected directly to and integrated with a mobile electronic device, and using the mobile electronic device in an integrated state with the mobile electronic device it can. That is, as shown in FIG. 4, the solar charger according to the embodiment of the present invention has a structure that exposes the light receiving surface of the dye-sensitized solar cell module in a state where the mobile electronic device is used.

ソーラー充電器はモバイル電子機器から容易に着脱可能であり、取り外した状態においても充電器として機能し得る。また、ソーラー充電器はモバイル電子機器と一体化されており、通常の使用形態においてソーラー充電器をユーザーが取り外しできない構造を有してもよい。なお、このとき、ソーラー充電器を含む機器全体もモバイル電子機器と呼ぶことがある。なお、以下に例示する実施形態は、本発明の実施形態を限定するものではない。   The solar charger is easily removable from the mobile electronic device and can function as a charger even when removed. Also, the solar charger may be integrated with the mobile electronic device and may have a structure in which the solar charger can not be removed by the user in the normal use mode. At this time, the entire device including the solar charger may also be called a mobile electronic device. The embodiments illustrated below do not limit the embodiments of the present invention.

図1に本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるDSC100の模式的な断構造を示し、図2に複数のDSC100を有するDSCモジュール200の模式的な断面構造を示す。ここでは、モノリシック型集積構造を有するDSCモジュール200およびその単位構造に対応するDSC100の構造を説明するが、本発明の実施形態はこれに限られず、例えば、図12および図13を参照して後述する他のタイプのDSCモジュールを用いることもできる。   FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a DSC 100 used in a solar charger according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a schematic cross-sectional structure of a DSC module 200 having a plurality of DSCs 100. Here, the structure of the DSC module 200 having a monolithic integrated structure and the structure of the DSC 100 corresponding to the unit structure thereof will be described, but embodiments of the present invention are not limited thereto, and will be described later with reference to, for example, FIGS. Other types of DSC modules can also be used.

図1に示すように、DSC100は、透明基板12と、透明基板12上に形成された光アノード15と、光アノード15の上に形成された多孔質絶縁層22と、多孔質絶縁層22上に形成された対極34と、基板32と、光アノード15と基板32との間に充填された電解質媒体42とを有している。電解質媒体42は、典型的には、電解液(電解質溶液)である。電解液は、メディエータ(酸化還元対)として少なくともI-とI3 -とを含む。電解質媒体42は、光アノード15と対極34との間に設けられた多孔質絶縁層22内に侵入し、多孔質絶縁層22に保持された電解質媒体42は、キャリア輸送層として機能する。対極34を基板32に形成し、DSCの使用環境において光アノード15と対極34が物理的に接触しない構造とすれば、多孔質絶縁層22を省略することができる。 As shown in FIG. 1, the DSC 100 includes a transparent substrate 12, a photoanode 15 formed on the transparent substrate 12, a porous insulating layer 22 formed on the photoanode 15, and a porous insulating layer 22. And a substrate 32, and an electrolyte medium 42 filled between the photoanode 15 and the substrate 32. The electrolyte medium 42 is typically an electrolytic solution (electrolyte solution). The electrolyte contains at least I and I 3 as a mediator (a redox couple). The electrolyte medium 42 intrudes into the porous insulating layer 22 provided between the photoanode 15 and the counter electrode 34, and the electrolyte medium 42 held by the porous insulating layer 22 functions as a carrier transport layer. If the counter electrode 34 is formed on the substrate 32 and the photoanode 15 and the counter electrode 34 do not physically contact with each other in the use environment of DSC, the porous insulating layer 22 can be omitted.

ただし、図1に示すように透明基板12上に光アノード15から対極34までを形成する構造(すなわち、モノリシック型集積構造)を採用すると、基板32として、例えば、比較的薄い安価なガラス板を用いることができる。この様な基板32(基板12よりも薄い)は、カバー部材と呼ばれることもある。モノリシック型集積構造を採用すると、比較的高価なFTO層付きガラス基板は1枚(透明基板12および透明導電層14として)だけでよいので、DSCモジュールの価格を低減できるという利点が得られる。   However, as shown in FIG. 1, when the structure from the photoanode 15 to the counter electrode 34 is formed on the transparent substrate 12 (ie, monolithic integrated structure), for example, a relatively thin inexpensive glass plate is used as the substrate 32. It can be used. Such a substrate 32 (thinner than the substrate 12) may be called a cover member. Adopting a monolithic integrated structure has the advantage that the cost of the DSC module can be reduced since only one relatively expensive FTO-layered glass substrate (as the transparent substrate 12 and the transparent conductive layer 14) is required.

透明基板12および基板32は、ガラス基板やプラスチック基板など、公知の透明な基板を用いることができる。少なくとも透明基板12は、DSC100の光増感剤を励起する波長の光を十分に透過するように選択される。基板32は、透明であっても、透明でなくてもよい。ただし、基板32側からも光が入射する環境下で使用される場合には、光増感剤へ到達する光量を増加させるために、基板32も透明な方が好ましい。   As the transparent substrate 12 and the substrate 32, a known transparent substrate such as a glass substrate or a plastic substrate can be used. At least the transparent substrate 12 is selected to sufficiently transmit light of a wavelength that excites the photosensitizer of the DSC 100. The substrate 32 may or may not be transparent. However, when used under an environment where light also enters from the substrate 32 side, it is preferable that the substrate 32 be also transparent in order to increase the amount of light reaching the photosensitizer.

DSC100の光アノード15は、基板12の電解質媒体42側に設けられた透明導電層14と、透明導電層14の電解質媒体42側に形成された金属酸化物層16と、金属酸化物層16の電解質媒体42側に設けられた多孔質半導体層18と、多孔質半導体層18に担持された増感色素(不図示)とを有している。なお、増感色素を担持した多孔質半導体層を光電変換層18ということがある。透明導電層14は、例えば、FTO(フッ素ドープ酸化錫)などの透明導電性酸化物(TCO)から形成される。   The photoanode 15 of the DSC 100 includes a transparent conductive layer 14 provided on the electrolyte medium 42 side of the substrate 12, a metal oxide layer 16 formed on the electrolyte medium 42 side of the transparent conductive layer 14, and a metal oxide layer 16. A porous semiconductor layer 18 provided on the electrolyte medium 42 side and a sensitizing dye (not shown) carried on the porous semiconductor layer 18 are included. The porous semiconductor layer carrying a sensitizing dye may be referred to as a photoelectric conversion layer 18. The transparent conductive layer 14 is formed of, for example, a transparent conductive oxide (TCO) such as FTO (fluorine-doped tin oxide).

対極34は、キャリア輸送層42中の正孔を還元する働きを有する触媒層24と接触し電子を収集し、取出し電極(対向する光電変換層18とは電気的に絶縁された透明導電層14;不図示)と、または、隣接するDSCセルの透明導電層14もしくは金属酸化物層16と接続される。対極34の材料としては、一般に太陽電池に使用される、例えば、FTO、インジウム錫複合酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)等の金属酸化物、チタン、タングステン、金、銀、銅、ニッケル等の金属材料等の導電性を有する材料が挙げられる。なお、図2に例示するDCSモジュール200のようなモノリシック型集積構造を有するDSCモジュールにおいては、対極34の膜強度の観点から、チタンを用いることが好ましい。   The counter electrode 34 is in contact with the catalyst layer 24 having a function of reducing holes in the carrier transport layer 42 to collect electrons, and the transparent conductive layer 14 electrically insulated from the extraction electrode (opposed photoelectric conversion layer 18 (Not shown) and / or connected to the transparent conductive layer 14 or the metal oxide layer 16 of the adjacent DSC cell. The material of the counter electrode 34 is generally used in solar cells, for example, metal oxides such as FTO, indium tin complex oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), titanium, tungsten, gold, silver, copper, nickel Materials having conductivity, such as metal materials such as In the DSC module having a monolithic integrated structure such as the DCS module 200 illustrated in FIG. 2, titanium is preferably used from the viewpoint of the film strength of the counter electrode 34.

ここで、金属酸化物層16の電気抵抗は、多孔質半導体層18の電気抵抗よりも小さく、かつ、透明導電層14の電気抵抗よりも大きい。金属酸化物層16は、このような電気抵抗を有しているので、電解質媒体42中のI3 -が直接に透明導電層14に接触することに起因するリーク電流の発生を抑制するとともに、出力電流が必要以上に低下することを抑制することができる。その結果、後に実験例を示すように、DSC100は、低照度においても比較的高い開放電圧を維持することが可能となり、比較的広い照度範囲で電力を出力することができる。金属酸化物層16は、非多孔質層であることが好ましい。金属酸化物層16の厚さは例えば10nmを超えない。金属酸化物層16は例えば熱酸化膜である。金属酸化物層16は、例えば、酸化チタン層、酸化ジルコニウム層または酸化アルミニウム層である。これらの中で、酸化チタン層が好ましい。熱酸化によって形成された酸化チタン層はピンホールが無く、リーク電流の発生を効果的に抑制することができる。また、熱酸化層は、特許文献1に記載の陽極酸化層よりも低コストで形成することができる。また、金属酸化物層16の厚さが10nmを超えないと、十分な出力電力を得ることができる。金属酸化物層16の厚さは例えば1nm以上であることが好ましい。 Here, the electric resistance of the metal oxide layer 16 is smaller than the electric resistance of the porous semiconductor layer 18 and larger than the electric resistance of the transparent conductive layer 14. Since the metal oxide layer 16 has such an electrical resistance, it suppresses the generation of a leakage current caused by the direct contact of the I 3 in the electrolyte medium 42 with the transparent conductive layer 14, and It is possible to suppress the output current from being reduced more than necessary. As a result, as an experimental example will be shown later, the DSC 100 can maintain a relatively high open circuit voltage even at low illuminance, and can output power in a relatively wide illuminance range. The metal oxide layer 16 is preferably a non-porous layer. The thickness of the metal oxide layer 16 does not exceed 10 nm, for example. The metal oxide layer 16 is, for example, a thermal oxide film. The metal oxide layer 16 is, for example, a titanium oxide layer, a zirconium oxide layer or an aluminum oxide layer. Among these, a titanium oxide layer is preferred. The titanium oxide layer formed by thermal oxidation does not have a pinhole and can effectively suppress the generation of a leak current. Further, the thermally oxidized layer can be formed at lower cost than the anodized layer described in Patent Document 1. Further, if the thickness of the metal oxide layer 16 does not exceed 10 nm, sufficient output power can be obtained. The thickness of the metal oxide layer 16 is preferably, for example, 1 nm or more.

金属酸化物層16は、例えば、透明導電層14に蒸着法やスパッタ法など薄膜堆積法で形成したチタン層を、酸素を含む環境下で加熱処理(焼成)することによって形成することが好ましい。例えば、シンクロン製スパッタ装置(CSS−2MT−1200R)を用いて、FTO層を有する基板表面に、厚さが2nmのチタン層を形成する(例えば、ターゲット電力1100W、Ar流量120sccm、搬送速度100mm/s)。その後、空気中で、例えば、500℃で、1h保持し、チタン層を熱酸化することによって、厚さが2nmの酸化チタン層を得ることができる。チタン層の酸化による厚さの増加は数%に過ぎない。   The metal oxide layer 16 is preferably formed, for example, by heating (baking) a titanium layer formed on the transparent conductive layer 14 by a thin film deposition method such as vapor deposition or sputtering under an environment containing oxygen. For example, a titanium layer having a thickness of 2 nm is formed on the surface of a substrate having an FTO layer using a sputtering apparatus (CSS-2MT-1200R) manufactured by SYNCRON (for example, target power 1100 W, Ar flow rate 120 sccm, transfer speed 100 mm / s). Thereafter, the titanium layer is thermally oxidized in air, for example, at 500 ° C. for 1 h to obtain a titanium oxide layer having a thickness of 2 nm. The increase in thickness due to the oxidation of the titanium layer is only a few percent.

金属酸化物層16は、この他、透明導電層14の表面を、四塩化チタン(TiCl4)の水溶液や四塩化チタンを含むガスなどで表面処理を施した後に、焼成することによって得ることもできる。例えば、0.05Mの四塩化チタン水溶液を、FTO層を有する基板表面に滴下し、70℃で約20分間加熱処理する。その後、水洗処理、自然乾燥後、空気中で、例えば、500℃を1h保持し、チタン層を熱酸化することによって、厚さが2nmの酸化チタン層を得ることができる。なお、滴下法以外にも、スピンコート法、ディップ法などの公知の方法で、FTO層を有する基板表面に四塩化チタン水溶液を付与することができる。 Alternatively, the metal oxide layer 16 may be obtained by subjecting the surface of the transparent conductive layer 14 to a surface treatment with an aqueous solution of titanium tetrachloride (TiCl 4 ), a gas containing titanium tetrachloride, or the like, followed by firing. it can. For example, a 0.05 M aqueous solution of titanium tetrachloride is dropped onto the surface of the substrate having the FTO layer, and heat treated at 70 ° C. for about 20 minutes. After that, after washing with water and natural drying, the titanium layer is thermally oxidized in air, for example, at 500 ° C. for 1 h to obtain a titanium oxide layer with a thickness of 2 nm. In addition to the dropping method, the titanium tetrachloride aqueous solution can be applied to the surface of the substrate having the FTO layer by a known method such as a spin coating method or a dipping method.

電解質媒体42は、I-とI3 -とを含む電解液(水溶液)で、I3 -の濃度は0.02M超0.05M以下であることが好ましい。I3 -の濃度を上記の範囲にすることで、電圧の低下が抑えられ、低照度から高照度に至るまで効率良く発電することが可能になる。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、エタノール等のアルコール系溶媒などが挙げられる。これらの中でも、カーボネート系溶媒やニトリル系溶媒が好ましく、これらの溶媒は2種類以上を混合して用いることもできる。なお、発電特性の観点からニトリル系溶媒が特に好ましく、DSCを設置する温度環境などに応じて溶媒粘度や電解質の溶解度などの観点から総合的に溶媒を選定する。 Electrolyte medium 42, I - and I 3 - and an electrolytic solution containing (aqueous), I 3 - is preferably of concentration is less 0.02M ultra 0.05 M. By setting the concentration of I 3 − in the above range, a drop in voltage can be suppressed, and efficient power generation can be performed from low illuminance to high illuminance. Examples of the solvent include carbonate solvents such as propylene carbonate, nitrile solvents such as acetonitrile, alcohol solvents such as ethanol, and the like. Among these, carbonate solvents and nitrile solvents are preferable, and these solvents can be used as a mixture of two or more. A nitrile solvent is particularly preferable from the viewpoint of power generation characteristics, and the solvent is comprehensively selected from the viewpoint of the solvent viscosity, the solubility of the electrolyte, and the like according to the temperature environment in which the DSC is installed.

なお、DSC100の構成とその特徴については、実験例を示して後述する。   The configuration of the DSC 100 and the features thereof will be described later with reference to experimental examples.

次に、図2を参照して、本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるDSCモジュール200の構造を説明する。DSC100は、求められる出力電圧に応じて直列に接続され、モジュールとして用いられる。図2において、図1に示した構成要素と実質的に同じ機能を有する構成要素は、共通の参照符号を付して、その説明を省略することがある。   Next, with reference to FIG. 2, the structure of the DSC module 200 used for the solar charger according to the embodiment of the present invention will be described. The DSCs 100 are connected in series according to the required output voltage and used as a module. In FIG. 2, components having substantially the same functions as the components shown in FIG. 1 may be denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.

図2に例示するDSCモジュール200は、2以上の電気的に直列に接続されたDSC100aを含み、一体にパッケージ化されている。複数のDCS100aは透明基板12を共有している。各DSC100aの電解質媒体(キャリア輸送層)42は、封止材45によって互いに分離され、密閉されている。DSCモジュール200の全体も透明基板12と基板32とを互いに接着、固定する封止材によって、封止されている。   The DSC module 200 illustrated in FIG. 2 includes two or more DSCs 100 a electrically connected in series, and is integrally packaged. The plurality of DCSs 100 a share the transparent substrate 12. The electrolyte medium (carrier transport layer) 42 of each DSC 100 a is separated from each other by a sealing material 45 and sealed. The entire DSC module 200 is also sealed by a sealing material that adheres and fixes the transparent substrate 12 and the substrate 32 to each other.

透明基板12上には、DSC100aごとに、透明導電層14、金属酸化物層16、および多孔質半導体層18aを含む光電変換層18がこの順で形成されている。光電変換層18は、多孔質絶縁層22で覆われており、その上に触媒層24を間に介して、対極34が形成されている。対極34は、隣接するDSC100aの金属酸化物層16上まで延設されており、そのことによって隣接するDSC100aと電気的に直列に接続されている。なお、封止材45が透明導電層14と直接接触するように、金属酸化物層16を形成してもよい。   On the transparent substrate 12, the photoelectric conversion layer 18 including the transparent conductive layer 14, the metal oxide layer 16, and the porous semiconductor layer 18 a is formed in this order for each DSC 100 a. The photoelectric conversion layer 18 is covered with a porous insulating layer 22, and a counter electrode 34 is formed on the photoelectric conversion layer 18 with the catalyst layer 24 interposed therebetween. The counter electrode 34 is extended onto the metal oxide layer 16 of the adjacent DSC 100 a, and thereby electrically connected in series with the adjacent DSC 100 a. The metal oxide layer 16 may be formed so that the sealing material 45 is in direct contact with the transparent conductive layer 14.

DSCモジュール200内で直列に接続されるDSC100aの数は、要求される出力電圧に応じて適宜設定される。例えば、後に実験例で示すDSCモジュールは7つのDSCセルを直列に接続したもので、約3.5Vの出力電圧を有する。DSCモジュール200は、金属酸化物層16の形成方法を除けば、公知の方法で製造され得る。例えば、国際公開公報第2014/038570号に記載の方法で製造することができる。   The number of DSCs 100 a connected in series in the DSC module 200 is appropriately set according to the required output voltage. For example, a DSC module, which will be described later in the experimental example, has seven DSC cells connected in series and has an output voltage of about 3.5V. The DSC module 200 can be manufactured by a known method except for the method of forming the metal oxide layer 16. For example, it can be produced by the method described in WO 2014/038570.

本発明の実施形態によるソーラー充電器が有するDSCは、上述したDSC100のように、多孔質半導体層18aの電気抵抗よりも小さく、かつ、透明導電層14の電気抵抗よりも大きい電気抵抗を有する金属酸化物層16を備えている。その結果、DSC100は、高照度から低照度までの広い照度範囲において、十分に高い出力電圧で、電力をモバイル電子機器に供給することができる。   The DSC included in the solar charger according to the embodiment of the present invention has a metal having an electrical resistance smaller than the electrical resistance of the porous semiconductor layer 18a and larger than the electrical resistance of the transparent conductive layer 14 as in the DSC 100 described above. An oxide layer 16 is provided. As a result, the DSC 100 can supply power to the mobile electronic device with a sufficiently high output voltage in a wide illumination range from high illumination to low illumination.

本発明の実施形態1によるソーラー充電器200Aは、例えば、図3および図4に示す様に、モバイル電子機器300に電気的に直接接続され且つ一体化される。ソーラー充電器200Aはモバイル電子機器300から容易に着脱可能であり、取り外した状態においても充電器として機能し得る。また、ソーラー充電器200Aはモバイル電子機器300と一体化されており、通常の使用形態においてソーラー充電器200Aをユーザーが取り外しできない構造を有してもよい。なお、このとき、ソーラー充電器200Aを含む機器全体もモバイル電子機器400と呼ぶことがある。モバイル電子機器300は、例えば、電子書籍端末、携帯電話、スマートフォン、タブレットPCである。ここでは、モバイル電子機器300として、電子書籍端末を用いる場合を例示する。   The solar charger 200A according to embodiment 1 of the present invention is electrically connected directly to and integrated with the mobile electronic device 300, as shown, for example, in FIGS. The solar charger 200A is easily detachable from the mobile electronic device 300, and can function as a charger even in a detached state. In addition, the solar charger 200A may be integrated with the mobile electronic device 300, and may have a structure in which the user can not remove the solar charger 200A in a normal use mode. At this time, the entire device including the solar charger 200A may also be referred to as the mobile electronic device 400. The mobile electronic device 300 is, for example, an electronic book reader, a mobile phone, a smartphone, and a tablet PC. Here, the case of using an electronic book reader as the mobile electronic device 300 is illustrated.

図3および図4に示すように、電子書籍端末300にソーラー充電器200Aを装着すると、ソーラー充電器200Aの出力が電子書籍端末300の蓄電素子の入力に接続されるように構成されている。ソーラー充電器200Aは、電子書籍端末300の裏面および側面を保護する筺体250aを備えている。ここで、蓄電素子は、いわゆる蓄電池(2次電池)だけでなく、大容量キャパシターを含む。ソーラー充電器200Aがモバイル電子機器300と一体的にモバイル電子機器400として用いられるとき、モバイル電子機器300は、蓄電素子を有さなくてもよい。   As shown in FIG. 3 and FIG. 4, when the solar charger 200A is attached to the electronic book terminal 300, the output of the solar charger 200A is connected to the input of the storage element of the electronic book terminal 300. The solar charger 200 </ b> A includes a housing 250 a that protects the back surface and the side surface of the electronic book terminal 300. Here, the storage element includes not only a so-called storage battery (secondary battery) but also a large capacity capacitor. When the solar charger 200A is used as the mobile electronic device 400 integrally with the mobile electronic device 300, the mobile electronic device 300 may not have a storage element.

図3に示す様に、電子書籍端末300を使用する状態においては、表示部300Dは使用者側に向けられる。このとき、図4に示す様に、電子書籍端末300の裏面側では、DSCモジュール200aの受光面が露出している。DSCモジュール200aは、例えば、図2に示したDSCモジュール200と同様の構造を有している。   As shown in FIG. 3, in the state of using the electronic book terminal 300, the display unit 300D is directed to the user side. At this time, as shown in FIG. 4, the light receiving surface of the DSC module 200 a is exposed on the back surface side of the electronic book terminal 300. The DSC module 200a has, for example, the same structure as the DSC module 200 shown in FIG.

電子書籍端末300を使用している状態では、表示部300Dは太陽光や照明光を直接受けるように配置され、DSCモジュール200aの受光面に太陽光や照明光が直接入射することはまれで、使用者の周囲、特に電子書籍端末300の下方にある物体によって反射または散乱された光が入射する。したがって、電子書籍端末300の裏面に露出されたDSCモジュール200aの受光面に入射する光は弱く、DSCモジュール200aの受光面上での照度は低い(例えば表示部の照度80μW/cm2(約300Lux)の屋内環境において、モジュールの受光面は10μW/cm2(約40Lux)以下)。DSCモジュール200aは、低照度から高照度に至るまで効率良く発電することが可能なので、このような使用状態においても、反射光・散乱光を受けて、発電することができる。また、電子書籍端末300を使用しない場合には、表示部300Dを裏に向けて、DSCモジュール200aの受光面が直接、太陽光や照明光を受光するようにしてもよい。 In the state where the electronic book reader 300 is used, the display unit 300D is disposed to directly receive sunlight or illumination light, and it is rare that sunlight or illumination light directly enters the light receiving surface of the DSC module 200a. Light reflected or scattered by an object around the user, in particular below the electronic book reader 300 is incident. Therefore, the light incident on the light receiving surface of the DSC module 200a exposed on the back surface of the electronic book terminal 300 is weak, and the illuminance on the light receiving surface of the DSC module 200a is low (for example, the illuminance of the display portion 80 μW / cm 2 (about 300 Lux In the indoor environment), the light receiving surface of the module is less than 10 μW / cm 2 (about 40 Lux)). Since the DSC module 200a can efficiently generate power from low illuminance to high illuminance, it can generate power by receiving reflected light / scattered light even in such a use state. When the electronic book terminal 300 is not used, the light receiving surface of the DSC module 200a may directly receive sunlight or illumination light with the display unit 300D facing the back.

電子書籍端末300は、消費電力が低いディスプレイを有しているものが多く、一旦フル充電すると、数週間連続して使用することができる。このように長期間にわたって充電する必要が無い電子書籍端末300を充電操作は、使用者にとって非常に煩わしいものとなる。例えば、専用の充電器や充電ケーブルを探すことすら煩わしく感じるものである。また、電子書籍端末300の充電が必要になるタイミングによっては、専用の充電器や充電ケーブルがないこともある。   Many electronic book terminals 300 have displays with low power consumption, and once fully charged, they can be used continuously for several weeks. As described above, the operation of charging the e-book reader 300 which does not need to be charged over a long period of time is very troublesome for the user. For example, even finding a dedicated charger or charging cable can be annoying. Further, depending on the timing at which the electronic book reader 300 needs to be charged, there may be no dedicated charger or charging cable.

DSCモジュール200aは、電子書籍端末300を使用している状態においても発電することができる。したがって、ソーラー充電器200Aを装着しておけば、電子書籍端末300の日々の使用において消費した僅かな電力を、使用している間に充電することができる。電子書籍端末300は通常明るい環境下で使用されるので、DSCモジュール200aの受光面を露出している限り、例えば机の上にDSCモジュール200aの受光面を下にして置かない限り、ソーラー充電器200Aは電子書籍端末300を充電することができる。DSCモジュール200aの発電量は少ないので、完全に放電した電子書籍端末300をフル充電するためには長時間を要するが、電子書籍端末300にソーラー充電器200Aを装着しておけば、電子書籍端末300の使用時にも充電することができるので、日常的に消費される電力を補充するには十分である。電子書籍端末300の蓄電素子としてはメモリー効果の無い、リチウムイオン電池が好ましい。   The DSC module 200a can generate power even when the electronic book terminal 300 is in use. Therefore, if the solar charger 200A is attached, a small amount of power consumed in daily use of the electronic book reader 300 can be charged while being used. Since the electronic book reader 300 is usually used in a bright environment, as long as the light receiving surface of the DSC module 200a is exposed, for example, unless the light receiving surface of the DSC module 200a is placed on a desk, the solar charger 200A can charge the electronic book terminal 300. Since the power generation amount of the DSC module 200a is small, it takes a long time to fully charge the fully discharged electronic book terminal 300. However, if the solar charger 200A is attached to the electronic book terminal 300, the electronic book terminal Since it can be charged at the time of use of 300, it is sufficient to supplement the power consumed on a daily basis. As a storage element of the electronic book terminal 300, a lithium ion battery without a memory effect is preferable.

本発明の実施形態によるソーラー充電器の例を図5〜図7を参照して説明する。   Examples of solar chargers according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5に、本発明の実施形態1によるソーラー充電器200Aの構成を模式的に示す。ソーラー充電器200Aは、DSCモジュール200aの出力を、モバイル電子機器300に直接出力するように構成されている。DSCモジュール200aは、低照度から高照度まで安定して、十分な出力電圧で発電することができるので、電圧安定化回路、例えば、必要に応じて昇圧または降圧を行うDC/DCコンバータや、最適動作点を追従する制御を行うMPPT回路を省略することができる。もちろん、必要に応じて、電圧安定化回路を設けてもよい。   FIG. 5 schematically shows the configuration of a solar charger 200A according to Embodiment 1 of the present invention. The solar charger 200A is configured to output the output of the DSC module 200a directly to the mobile electronic device 300. Since the DSC module 200a can generate power with sufficient output voltage stably from low illuminance to high illuminance, it is possible to use a voltage stabilization circuit, for example, a DC / DC converter that boosts or steps down as required, or an optimum. The MPPT circuit that performs control to follow the operating point can be omitted. Of course, if necessary, a voltage stabilization circuit may be provided.

図6に、本発明の実施形態2によるソーラー充電器200Bの構成を模式的に示す。ソーラー充電器200Bは、DSCモジュール200bの出力と、モバイル電子機器300との間に電圧安定化回路220として、DC/DCコンバータを有する。また、図7に、本発明の実施形態3によるソーラー充電器200Cの構成を模式的に示す。ソーラー充電器200Cは、DSCモジュール200cの出力と、モバイル電子機器300との間に電圧安定化回路240として、DC/DCコンバータおよびMPPT回路を有する。もちろん、電圧安定化回路240として、MPPT回路だけを設けてもよい。   In FIG. 6, the structure of the solar charger 200B by Embodiment 2 of this invention is shown typically. The solar charger 200B has a DC / DC converter as a voltage stabilization circuit 220 between the output of the DSC module 200b and the mobile electronic device 300. Further, FIG. 7 schematically shows the configuration of a solar charger 200C according to Embodiment 3 of the present invention. The solar charger 200C has a DC / DC converter and an MPPT circuit as a voltage stabilization circuit 240 between the output of the DSC module 200c and the mobile electronic device 300. Of course, only the MPPT circuit may be provided as the voltage stabilization circuit 240.

一般に、従来の太陽電池には、出力電圧の安定化や、出力電力の最大化のために、DC/DCコンバータやMPPT回路などが設けられている。しかしながら、太陽電池からの出力電圧が低下すると、これらの回路が駆動しなくなったり、または正しく動作しなくなったりすることがある。本発明の実施形態2および3のソーラー充電器200Bおよび200Cが有するDSCモジュール200bおよび200cは、上述のDSCモジュール200と同様の構成を有しており、低照度から高照度まで安定して、十分な出力電圧で発電することができる。したがって、ソーラー充電器200Bおよび200Cが有する電圧安定化回路220および240が正しく動作しないという問題が発生しない。   In general, a conventional solar cell is provided with a DC / DC converter, an MPPT circuit, etc. in order to stabilize the output voltage and maximize the output power. However, when the output voltage from the solar cell decreases, these circuits may stop driving or may not operate properly. The DSC modules 200b and 200c included in the solar chargers 200B and 200C according to the second and third embodiments of the present invention have the same configuration as the DSC module 200 described above, and are stable from low illuminance to high illuminance, sufficiently Power can be generated with various output voltages. Therefore, the problem that the voltage stabilizing circuits 220 and 240 of the solar chargers 200B and 200C do not operate properly does not occur.

以下に、実験例を示して、本発明の実施形態によるソーラー充電器に好適に用いられるDSC100を詳細に説明する。上述のDSCモジュール200a〜200cはいずれも図2に示したDSCモジュール200と同様の構成を有し、単位セルとして、図1に示したDSC100と同様の構成を有している。なお、7個のDSCセルを連続して設けたDSCモジュールを試作した例も併せて説明する。   Below, an experimental example is shown and DSC100 suitably used for the solar charger by embodiment of this invention is demonstrated in detail. The above-described DSC modules 200a to 200c all have the same configuration as the DSC module 200 shown in FIG. 2, and have the same configuration as the DSC 100 shown in FIG. 1 as a unit cell. An example in which a DSC module in which seven DSC cells are continuously provided is manufactured will be described together.

実験には、以下の構成を有するDSCを試作した。
透明基板12および透明導電層14:日本板硝子社製(TEC A9X)FTO層付きガラス基板、厚さ4mm、大きさ20mm×70mm(DSCモジュールでは、大きさ70mm×70mm)、電気抵抗値9Ω/sq
多孔質半導体層18:多孔質酸化チタン、酸化チタンペーストD/SP(Solaronix社製)を用いて、7mm×50mm×厚さ24μmの矩形(DSCモジュールでは、1.2mmの間隔を開けて7個連続するパターン)、電気抵抗値(一般的な物性値として10-13〜10-14mho/cm)、増感色素A(商品名:Ruthenium620−1H3TBA(Solaronix社製)、担持量:約7×10- 8mol/cm 2
多孔質絶縁層22:多孔質酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムペーストZr−Nanoxide Z/SP(Solaronix社製)を用いて、7.2mm×50.2mm×13μmの矩形(DSCモジュールでは、1mmの間隔を開けて7個連続するパターン)
対極34:多孔質絶縁層22の表面に、スパッタ法により、触媒層として、Ptを約50nm成膜し、多孔質絶縁層22、透明導電層14および金属酸化物層16上に導電層として、Ti層を約2μm成膜したものを用いた。ここでは、触媒層およびTi層をまとめて対極と呼ぶが、Ti層だけを指して対極34と呼ぶこともある。対極34の電気抵抗値は0.6Ω/sqであった(DSCモジュールでは、隣接するDSCセルの対極同士は電気的に数百キロΩ以上絶縁されるようにパターニングして形成した。)。
基板32:青板ガラス基板(松浪硝子社製)、厚さ1mm、大きさ10mm×70mm(DSCモジュールでは、大きさ60mm×70mm)
封止部(不図示):紫外線硬化樹脂(型番:31X−101(スリーボンド社製))、シール幅1mm
電解液42:I3 -の濃度0.05M、溶媒アセトニトリル、厚さ50μm(ギャップ)
金属酸化物層16の厚さが、1nm、2nm、4nm、8nm、12nmのDSCを作製し、照度差による出力電圧変化量および短絡電流密度Jscの減少量を評価した。高照度条件の照度を1.5mW/cm2とし、低照度条件の照度を0.09mW/cm2とした。金属酸化物層16として酸化チタン層を形成した。酸化チタン層は、以下の方法で形成した。
For the experiment, a DSC having the following configuration was made on a trial basis.
Transparent substrate 12 and transparent conductive layer 14: Glass substrate with FTO layer made by Nippon Sheet Glass Co., Ltd. (TEC A9X), thickness 4 mm, size 20 mm × 70 mm (in DSC module, size 70 mm × 70 mm), electric resistance value 9 Ω / sq
Porous semiconductor layer 18: 7 mm × 50 mm × 24 μm thick rectangle (with a spacing of 1.2 mm in the DSC module, seven pieces) using porous titanium oxide, titanium oxide paste D / SP (manufactured by Solaronix) Continuous pattern), electric resistance value (general physical property value: 10 −13 to 10 −14 mho / cm), sensitizing dye A (trade name: Ruthenium 620-1H3TBA (manufactured by Solaronix), supported amount: about 7 × 10 - 8 mol / cm 2
Porous insulating layer 22: A 7.2 mm × 50.2 mm × 13 μm rectangle (in the case of a DSC module, an interval of 1 mm is opened using a porous zirconium oxide or zirconium oxide paste Zr-Nanoxide Z / SP (manufactured by Solaronix) 7 consecutive patterns)
Counter electrode 34: As a catalyst layer, about 50 nm of Pt is deposited on the surface of the porous insulating layer 22 by sputtering, and a conductive layer is formed on the porous insulating layer 22, the transparent conductive layer 14 and the metal oxide layer 16. A layer of about 2 μm of a Ti layer was used. Here, the catalyst layer and the Ti layer are collectively referred to as the counter electrode, but may be referred to as the counter electrode 34 by referring only to the Ti layer. The electric resistance value of the counter electrode 34 was 0.6 Ω / sq (in the DSC module, the counter electrodes of adjacent DSC cells were formed by patterning so as to be electrically insulated by several hundred kiloΩ or more).
Substrate 32: Blue plate glass substrate (manufactured by Matsunami Glass Co., Ltd.), thickness 1 mm, size 10 mm × 70 mm (in DSC module, size 60 mm × 70 mm)
Sealed part (not shown): UV curable resin (model number: 31X-101 (manufactured by Three Bond)), seal width 1 mm
Electrolyte 42: I 3 - concentration 0.05 M, solvent acetonitrile, a thickness of 50 [mu] m (gap)
The thickness of the metal oxide layer 16 produced DSC of 1 nm, 2 nm, 4 nm, 8 nm, 12 nm, and evaluated the reduction amount of the output voltage change amount and the short circuit current density Jsc by illumination difference. The illuminance at high illuminance conditions was 1.5 mW / cm 2, and the illuminance at low illuminance conditions was 0.09 mW / cm 2 . A titanium oxide layer was formed as the metal oxide layer 16. The titanium oxide layer was formed by the following method.

シンクロン製スパッタ装置(CSS−2MT−1200R)を用いて、FTO層を有する基板表面に、厚さが約2nmのチタン層を形成した(ターゲット電力1100W、Ar流量120sccm、搬送速度100mm/s)。その後、空気中で、500℃で、1h保持し、チタン層を熱酸化することによって、厚さが約2nmの酸化チタン層を得た。なお、金属酸化物層の厚さは、通過製膜のスパッタ装置で形成する場合は搬送速度を変えることで膜厚を制御できる。例えば搬送速度のみを50mm/sとすることで厚さが約4nmの酸化チタン層が得られる。   A titanium layer having a thickness of about 2 nm was formed (target power 1100 W, Ar flow rate 120 sccm, transfer speed 100 mm / s) on a substrate surface having an FTO layer using a synchrotron sputtering apparatus (CSS-2MT-1200R). Thereafter, the titanium layer was thermally oxidized at 500 ° C. for 1 h in air to obtain a titanium oxide layer having a thickness of about 2 nm. In the case where the metal oxide layer is formed by a sputtering apparatus for passage film formation, the film thickness can be controlled by changing the transport speed. For example, a titanium oxide layer with a thickness of about 4 nm can be obtained by setting only the transport speed to 50 mm / s.

評価結果を下記の表1に示す。なお、表1中の「透過率減少分からのJsc減少分」とは、金属酸化物層を形成しないセルのJsc出力値から、同一照射光量における金属酸化物層を形成したセルのJsc出力値を引くことによって求められる。   The evaluation results are shown in Table 1 below. Note that “the decrease in Jsc from the decrease in transmittance” in Table 1 refers to the Jsc output from cells in which the metal oxide layer is formed at the same irradiation light amount from the Jsc output from cells in which the metal oxide layer is not formed. It is obtained by pulling.

金属酸化物層16を有しないDSCは、照度差による電圧変化量が大きいのに対し、金属酸化物層16を設けることによって、厚さが1nmであっても照度差による電圧変化量が小さくなる。また、金属酸化物層16の厚さが12nm以上になると、照度差による電圧変化量が大きくなる。また、透過率減少分からのJsc減少分は、金属酸化物層16の厚さが12nmとなると、急激に増大している。   While a DSC that does not have the metal oxide layer 16 has a large amount of voltage change due to a difference in illuminance, providing the metal oxide layer 16 reduces the amount of voltage change due to a difference in illuminance even if the thickness is 1 nm. . In addition, when the thickness of the metal oxide layer 16 is 12 nm or more, the amount of voltage change due to the illuminance difference becomes large. Further, the decrease in Jsc from the decrease in transmittance is rapidly increased when the thickness of the metal oxide layer 16 is 12 nm.

上記のことから、金属酸化物層16の厚さは1nm以上12nm未満であることが好ましく、さらに8nm以下であることが好ましい。このような金属酸化物層16を設けることによって、DSCの出力(W)を高く保ちつつ、照度による出力電圧(V)の変化を抑制することができる。   From the above, the thickness of the metal oxide layer 16 is preferably 1 nm or more and less than 12 nm, and more preferably 8 nm or less. By providing such a metal oxide layer 16, a change in output voltage (V) due to illuminance can be suppressed while keeping the output (W) of the DSC high.

Figure 0006542019
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図8に、金属酸化物層(非多孔質酸化チタン層、単に「TiO2層」と記載することがある。)16の厚さが2nm、8nm、10nm、12nm、16nmおよび32nmの、波長範囲が300nm〜1100nmの光に対する透過率の差分の波長依存性を示す。透過率の差分とは、金属酸化物層16を形成しない場合の透過率(基板12および透明導電層14のみの透過率)を基準とした透過率である。 In FIG. 8, the metal oxide layer (nonporous titanium oxide layer, sometimes referred to simply as "TiO 2 layer") 16 has a thickness of 2 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm, 16 nm and 32 nm in the wavelength range Shows the wavelength dependence of the difference in transmittance for light of 300 nm to 1100 nm. The difference in transmittance is the transmittance based on the transmittance when the metal oxide layer 16 is not formed (the transmittance of only the substrate 12 and the transparent conductive layer 14).

図8からわかるように、金属酸化物層(TiO2層)16の厚さが増大するにつれて、透過率の差分が大きくなる。したがって、金属酸化物層(TiO2層)16の厚さが増大するにつれて、光電変換層18に到達する光のエネルギー量は透過率の差分だけ減少することになる。十分な出力電力を得るためには、金属酸化物層16の厚さが10nmを超えないことが好ましく、4nm以下であることがさらに好ましい。 As can be seen from FIG. 8, as the thickness of the metal oxide layer (TiO 2 layer) 16 increases, the difference in transmittance increases. Therefore, as the thickness of the metal oxide layer (TiO 2 layer) 16 increases, the amount of energy of light reaching the photoelectric conversion layer 18 is reduced by the difference in transmittance. In order to obtain sufficient output power, the thickness of the metal oxide layer 16 is preferably not more than 10 nm, and more preferably 4 nm or less.

特許文献1には、厚さが5nm以下であればTi層が残存してもよいと記載されているが、残存するTi層の厚さは、4nm未満であることが好ましい。図9に示す、Ti層の厚さの違いによる透過率の差分の波長依存性を示すグラフからわかるように、厚さが4nmのTi層の透過率は、350nm付近で10%程度、500〜1100nmの広い範囲で6%程度減少している。残存するTi層による透過率の減少を抑制するためには4nm未満であることが好ましく、更に好ましくは2nm以下であり、1nm以下であることが最も好ましい。   Although it is described in Patent Document 1 that the Ti layer may remain if the thickness is 5 nm or less, the thickness of the remaining Ti layer is preferably less than 4 nm. As can be seen from the graph showing the wavelength dependency of the difference in transmittance due to the difference in thickness of the Ti layer shown in FIG. 9, the transmittance of the Ti layer having a thickness of 4 nm is about 10% around 350 nm, 500 to It is reduced by about 6% in a wide range of 1100 nm. In order to suppress the decrease in transmittance due to the remaining Ti layer, the thickness is preferably less than 4 nm, more preferably 2 nm or less, and most preferably 1 nm or less.

図10は、金属酸化物層16の有無による透過率の差分(左軸)の波長依存性を示すグラフおよび色素Aの量子効率(右軸)の波長依存性を示すグラフである。金属酸化物層16の厚さは4nmである。なお、図10に示す規格化した量子効率は、色素の量子効率スペクトルの最大値をとる波長における量子効率を1として、各波長の量子効率を算出することにより規格化した。   FIG. 10 is a graph showing the wavelength dependence of the difference in the transmittance (left axis) depending on the presence or absence of the metal oxide layer 16 and a graph showing the wavelength dependence of the quantum efficiency (right axis) of the dye A. The thickness of the metal oxide layer 16 is 4 nm. The normalized quantum efficiency shown in FIG. 10 was normalized by calculating the quantum efficiency of each wavelength, with the quantum efficiency at the wavelength taking the maximum value of the quantum efficiency spectrum of the dye being 1.

DSCから出力される電流は、[各波長における外部量子効率(規格化前の値)×各波長の光のエネルギー量]を全波長域にわたって積分した値に比例する。図10に示す色素Aは、300nm〜800nmの範囲で比較的高い外部量子効率を有している。したがって、金属酸化物層(非多孔質酸化チタン層)16の厚さが増すにつれて、透過率(特に短波長側(300−500nmの透過率))の減少が大きくなると、その結果、電流の減少も比例して多くなる。   The current output from the DSC is proportional to a value obtained by integrating [external quantum efficiency (value before normalization) at each wavelength × energy amount of light of each wavelength] over the entire wavelength range. Dye A shown in FIG. 10 has relatively high external quantum efficiency in the range of 300 nm to 800 nm. Therefore, as the thickness of the metal oxide layer (nonporous titanium oxide layer) 16 increases, the decrease in the transmittance (particularly on the short wavelength side (the transmittance of 300 to 500 nm)) increases, and as a result, the current decreases. It also increases proportionally.

次に、上記色素Aに代えて、色素Bおよび色素Cを用いた場合の結果を表2に示す。色素Bは、色素Aよりも短波長の吸収が少ない色素であり、色素Cは、色素Aよりも短波長の吸収が多い色素である。表2には、色素Aを用いた場合の結果を併せて示している。短絡電流密度Jscのマスにおける()内の数値は、上段の数値との差であり、短絡電流密度Jscの金属酸化物層16の厚さによる変化を表している。   Next, Table 2 shows the results when dye B and dye C were used instead of dye A above. Dye B is a dye having less absorption of short wavelength than dye A, and dye C is a dye having more absorption of short wavelength than dye A. Table 2 also shows the results when dye A was used. The numerical value in () in the mass of the short circuit current density Jsc is the difference from the numerical value of the upper stage, and represents the change of the short circuit current density Jsc due to the thickness of the metal oxide layer 16.

Figure 0006542019
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表2の結果からも明らかなように、金属酸化物層16の厚さが12nm以上になると、色素の種類によって程度は異なるものの、短絡電流密度Jscの減少量が急激に増大している。したがって、色素の種類によらず、金属酸化物層16の厚さは1nm以上12nm未満であることが好ましく、さらに8nm以下であることが好ましいと言える。また、このような金属酸化物層16を設けることによって、DSCの出力(W)を高く保ちつつ、照度による出力電圧(V)の変化を抑制することができる。   As apparent from the results of Table 2, when the thickness of the metal oxide layer 16 is 12 nm or more, the reduction amount of the short circuit current density Jsc increases rapidly although the degree varies depending on the type of the dye. Therefore, regardless of the type of dye, the thickness of the metal oxide layer 16 is preferably 1 nm or more and less than 12 nm, and more preferably 8 nm or less. Further, by providing such a metal oxide layer 16, it is possible to suppress a change in output voltage (V) due to illuminance while keeping the output (W) of the DSC high.

DSC100の電解質媒体(キャリア輸送層)は、I-とI3 -とを含み、I3 -の濃度は0.02M超0.05M以下であることが好ましい。金属酸化物層16を形成するとともに、電解質媒体に含まれるI3 -濃度を0.02M超0.05M以下にすることによって、電圧の低下が抑えられ、低照度から高照度に至るまで効率良く発電することが可能になる。 The electrolyte medium (carrier transport layer) of the DSC 100 preferably includes I 2 and I 3 −, and the concentration of I 3 is preferably more than 0.02 M and 0.05 M or less. By forming the metal oxide layer 16 and setting the I 3 - concentration contained in the electrolyte medium to more than 0.02 M and 0.05 M or less, the voltage drop is suppressed, and efficiently from low illuminance to high illuminance. It becomes possible to generate electricity.

上記実験例と同様にしてDSC100を作製し、電解液中に含まれるI3 -の濃度を調整した。金属酸化物層16としては、厚さ2nmの酸化チタン層を形成した。試作した各DSCの変換効率を低照度条件(0.09mW/cm2、LED照明)と高照度条件(3mW/cm2、擬太陽光)とで、以下の様にして求めた。 To prepare a DSC100 in the same manner as Experimental Example, I 3 contained in the electrolytic solution - to adjust the concentration of. As the metal oxide layer 16, a titanium oxide layer having a thickness of 2 nm was formed. The conversion efficiency of each of the produced DSCs was determined as follows under low illumination conditions (0.09 mW / cm 2 , LED illumination) and high illumination conditions (3 mW / cm 2 , pseudo-sunlight).

低照度条件においては、光源にLEDソーラーシミュレータIris−06(株式会社セルシステム製)を用い、一般的なLED照明の昼白色スペクトルの光を各種の減光フィルター(例えば開口率を変えたメッシュフィルター)を組み合わせて所望の光量に減光し、その時の光量を分光放射計MSR−7000N(株式会社オプトリサーチ製)を用いて測定した。高照度条件においては、400nm〜800nmにおいてAM1.5に近似した分光特性±10%以内かつ照射範囲の照度分布±5%以内の照射条件で、各種の減光フィルターを組み合わせて所望の光量に減光し、その時の光量を分光放射計MSR−7000Nを用いて測定した。DSCに外部配線を接続してIVトレーサADCMT6246(株式会社エーディーシー製)により得られた各種特性(短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、曲線因子FF)と、分光放射計で得られた照射エネルギーから変換効率を求めた。結果を表3に示す。   Under low illumination conditions, using the LED solar simulator Iris-06 (manufactured by Cell System Co., Ltd.) as the light source, various daylighting filters (for example, mesh filters with different aperture ratios) of ordinary white light of general LED lighting ) To reduce the light amount to a desired light amount, and the light amount at that time was measured using a spectroradiometer MSR-7000N (manufactured by Opt Research Co., Ltd.). Under high illumination conditions, various light reduction filters are combined to reduce the desired amount of light under irradiation conditions within ± 10% of spectral characteristics approximating AM1.5 at 400 nm to 800 nm and within ± 5% of illumination distribution within the irradiation range The light was emitted and the amount of light at that time was measured using a spectroradiometer MSR-7000N. External wiring is connected to DSC and various characteristics (short circuit current density Jsc, open circuit voltage Voc, curve factor FF) obtained by IV tracer ADCMT6246 (manufactured by ADCC) and irradiation energy obtained by spectroradiometer The conversion efficiency was determined. The results are shown in Table 3.

Figure 0006542019
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表3の結果からわかるように、I3 -濃度が高くなるにつれて、低照度における変換効率が低下する。低照度における変換効率の観点からは、I3 -濃度は0.05M以下であることが好ましい。I3 -濃度が低い方が、低照度における変換効率が高いのは、光アノードから酸化還元対(I-とI3 -)への逆電子移動が発生する頻度が低いからである。その結果、低照度においても比較的高い開放電圧Vocを得ることが可能になる。一方、高照度における変換効率はI3 -濃度が0.02Mを下回ると低下する。高照度においても高い変換効率を得るためには、I3 -濃度は0.02M超であることが好ましいと言える。これらのことから、低照度から高照度にわたる広い照度範囲で、効果的に動作するDSCを得るためには、電解質媒体中のI3 -濃度が0.02M超0.05M以下であることが好ましいことが分かる。また、電解質媒体中のI3 -濃度が0.02Mのとき、金属酸化物層の厚さが8nmのDSCは、金属酸化物層の厚さが2nmのDSCとほぼ同じ優れた性能を有していることが分かる。 As can be seen from the results in Table 3, the conversion efficiency at low illuminance decreases as the I 3 - concentration increases. From the viewpoint of conversion efficiency at low illuminance, the I 3 - concentration is preferably 0.05 M or less. I 3 - it is low concentration, the conversion efficiency in the low illuminance is high, the photoanode redox couple (I - and I 3 -) frequency reverse electron transfer occurs to is because low. As a result, it is possible to obtain a relatively high open circuit voltage Voc even at low illuminance. On the other hand, the conversion efficiency at high illuminance decreases when the I 3 - concentration falls below 0.02M. In order to obtain high conversion efficiency even at high illuminance, it can be said that the I 3 concentration is preferably more than 0.02M. From these facts, in order to obtain a DSC that operates effectively in a wide illumination range from low illumination to high illumination, it is preferable that the I 3 - concentration in the electrolyte medium be 0.02 M or more and 0.05 M or less I understand that. Also, when the I 3 - concentration in the electrolyte medium is 0.02 M, the DSC with a metal oxide layer thickness of 8 nm has almost the same excellent performance as the DSC with a metal oxide layer thickness of 2 nm Know that

次に、表4〜表8および図11を参照して、本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるDSCセルおよびモジュールの出力電圧(動作電圧)の照度依存性を説明する。図11は、DSCモジュールの出力電圧(動作電圧)の照度依存性を示すグラフである。ここで用いたDCSモジュールは、DSC100を7個、直列に接続した構造を有している。したがって、DSCモジュールの出力電圧は、DSCモジュールを構成するDSCセルの出力電圧の7倍である。   Next, with reference to Tables 4 to 8 and FIG. 11, the illuminance dependency of the output voltage (operating voltage) of the DSC cell and module used in the solar charger according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a graph showing the illuminance dependency of the output voltage (operating voltage) of the DSC module. The DCS module used here has a structure in which seven DSCs 100 are connected in series. Therefore, the output voltage of the DSC module is seven times the output voltage of the DSC cell that constitutes the DSC module.

表4は金属酸化物層を有しない通常のDSC、表5は金属酸化物層(厚さ4nm)を有するDSC、表6はI3 -濃度の濃度を調整(0.02M)したDSC、表7は、金属酸化物層(厚さ4nm)およびI3 -濃度の調整(0.02M)を行ったDSCについて、種々の照度における出力電圧を示している。表5〜7には、従来のDSCの出力電圧との差を併せて示している。表8には、各DSCについて、照度が4mW/cm2のときの出力電圧と照度が0.3mW/cm2のときの出力電圧との差(ΔV(@4−0.3mW/cm2)を示している。 Table 4 shows ordinary DSC without metal oxide layer, Table 5 shows DSC with metal oxide layer (thickness 4 nm), Table 6 shows DSC with adjusted concentration of I 3 - concentration (0.02 M), table 7, the metal oxide layer (thickness 4 nm) and I 3 - the DSC was performed to adjust the concentration (0.02 M), shows the output voltage at various illuminance. Tables 5 to 7 also show the difference from the output voltage of the conventional DSC. Table 8 shows, for each DSC, the difference between the output voltage when the illuminance is 4 mW / cm 2 and the output voltage when the illuminance is 0.3 mW / cm 2 (ΔV (@ 4-0.3 mW / cm 2 ) Is shown.

表4と表5〜7の比較、表8および図11から、金属酸化物層を設けることによって、または、I3 -濃度を上記の所定の範囲内に調整することによって、出力電圧の照度依存性を低減できることが分かる。すなわち、低照度における出力電圧の低下を抑制できる。さらに、金属酸化物層を設けるとともにI3 -濃度を上記の所定の範囲内に調整することよって、低照度における出力電圧の低下を一層抑制できることがわかる。表7に示したように、金属酸化物層を設けるとともにI3 -濃度を上記の所定の範囲内に調整したDSCのΔVop(V)の値は、金属酸化物層を設けたDSCのΔVopMO(表5参照)とI3 -濃度を上記の所定の範囲内に調整したDSCのΔVopIC(表6参照)との単純な和(ΔVopMO+ΔVopICに比べて、照度が4mW/cm2の場合を除いて、大きな値をとっている。すなわち、金属酸化物層を設けるとともにI3 -濃度を上記の所定の範囲内に調整することによって、相乗効果が得られ、それぞれ単独で適用した場合よりも、出力電圧の低下を抑制する効果が大きいことが分かる。 From the comparison of Tables 4 and 5-7, from Table 8 and FIG. 11, the illuminance dependence of the output voltage by providing a metal oxide layer or by adjusting the I 3 - concentration within the above-mentioned predetermined range It can be seen that the sex can be reduced. That is, a drop in output voltage at low illuminance can be suppressed. Furthermore, it is understood that the decrease of the output voltage at low illuminance can be further suppressed by providing the metal oxide layer and adjusting the I 3 - concentration within the above-mentioned predetermined range. As shown in Table 7, the value of ΔVop (V) of DSC in which the metal oxide layer is provided and the I 3 - concentration is adjusted within the above-mentioned predetermined range is ΔVop MO of DSC in which the metal oxide layer is provided. Compared to the simple sum (ΔVop MO + ΔVop IC ) of the DSC ΔVop IC (see Table 6) with I 3 - concentration adjusted within the above given range (refer to Table 5), the illuminance is 4 mW / cm 2 In all cases, a large value is taken, that is, by providing the metal oxide layer and adjusting the I 3 - concentration within the above-mentioned predetermined range, synergistic effects can be obtained, each applied alone It can be seen that the effect of suppressing the decrease in output voltage is greater than that.

Figure 0006542019
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上記の実施形態では、モノリシック集積構造を有するDSCモジュールを用いたソーラー充電器を例示したが、本発明の実施形態によるソーラー充電器には、他のタイプの集積構造を有するDSCモジュールを用いることができる。例えば、シャープ技報、第100号、2010年2月、第32〜35頁には、モノリシック集積構造とともに、W集積構造およびZ集積構造を有するDSCモジュールが開示されている。図12および図13を参照して、W集積構造を有するDSCモジュール200WおよびZ集積構造を有するDSCモジュール200Zに、金属酸化物層16を設けた構成を説明する。なお、図12および13において、図2に示したDSCモジュール200の構成要素と実質的に同じ機能を有する構成要素は、共通の参照符号を付して、その説明を省略する。   Although the above embodiment illustrates a solar charger using a DSC module having a monolithic integrated structure, the solar charger according to an embodiment of the present invention may use a DSC module having another type of integrated structure it can. For example, Sharp Giken Report No. 100, February 2010, pages 32-35 discloses a DSC module having a W integrated structure and a Z integrated structure together with a monolithic integrated structure. The configuration in which the metal oxide layer 16 is provided to the DSC module 200 W having the W integrated structure and the DSC module 200 Z having the Z integrated structure will be described with reference to FIGS. 12 and 13. 12 and 13, components having substantially the same functions as the components of the DSC module 200 shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図12は、本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられる他のDSCモジュール200Wの構造を模式的に示す断面図である。   FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the structure of another DSC module 200W used in a solar charger according to an embodiment of the present invention.

DSC200Wは、W集積構造を有している。W型集積構造は、所定の場所にTCOおよび/または導電層(透明導電層14および/または対極34)が形成された2枚の基板12および32上に1つ置きに光電変換層18を形成し、2枚の基板12および32上の光電変換層18が互い違いになるように2枚の基板12および32を貼り合わせることにより、複数のDSCセルが直列に接続された構造を有している。このモジュールの断面において、直列に接続されたDSCセルの接続形態がアルファベットのWに似ていることから、W型集積構造と呼ぶ。DSC200Wも、TCOおよび/または導電層(透明導電層14および/または対極34)と光電変換層18との間に金属酸化物層16を有している。金属酸化物層16は、上述の特徴を有しており、リーク電流の発生を抑制するとともに、出力電流が必要以上に低下することを抑制する。   The DSC 200 W has a W integrated structure. The W-type integrated structure forms the photoelectric conversion layer 18 alternately on two substrates 12 and 32 on which TCO and / or conductive layer (transparent conductive layer 14 and / or counter electrode 34) are formed at predetermined locations. Have a structure in which a plurality of DSC cells are connected in series by bonding the two substrates 12 and 32 so that the photoelectric conversion layers 18 on the two substrates 12 and 32 are alternately arranged. . In the cross section of this module, since the connection form of the DSC cells connected in series resembles W of the alphabet, it is called a W-type integrated structure. The DSC 200 W also has the metal oxide layer 16 between the TCO and / or the conductive layer (the transparent conductive layer 14 and / or the counter electrode 34) and the photoelectric conversion layer 18. The metal oxide layer 16 has the above-mentioned features, and suppresses the generation of the leak current and the output current from being reduced more than necessary.

図13は、本発明の実施形態によるソーラー充電器に用いられるさらに他のDSCモジュール200Zの構造を模式的に示す断面図である。   FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the structure of still another DSC module 200Z used for a solar charger according to an embodiment of the present invention.

DSC200Zは、Z集積構造を有している。Z型集積構造は、TCO(透明導電層14)が形成された基板12または32上に光電変換層18を形成し、もう1枚のTCOが形成された基板32または12に対極34を形成し、光電変換層18が形成された基板12または32と貼り合わせることにより、複数のDSCセルが直列に接続された構造を有している。なお、基板12または32のいずれか一方または両方に接続層35が形成されており、接続層35を介して、隣接するDSCセルが直列に接続される。接続層35は、透明導電層14または対極34と同じ材料、若しくは一般的な電気配線に用いられる各種導電性材料(例えば銀、銅、カーボン)で形成され得る。このモジュールの断面において、直列に接続されたDSCセルの接続形態がアルファベットのZに似ていることから、Z型集積構造と呼ぶ。DSC200Zも、TCO(透明導電層14)と光電変換層18との間に金属酸化物層16を有している。金属酸化物層16は、上述の特徴を有しており、リーク電流の発生を抑制するとともに、出力電流が必要以上に低下することを抑制する。   The DSC 200Z has a Z integrated structure. In the Z-type integrated structure, the photoelectric conversion layer 18 is formed on the substrate 12 or 32 on which the TCO (transparent conductive layer 14) is formed, and the counter electrode 34 is formed on the substrate 32 or 12 on which another TCO is formed. A plurality of DSC cells are connected in series by bonding the substrate 12 or 32 on which the photoelectric conversion layer 18 is formed. A connection layer 35 is formed on one or both of the substrates 12 and 32, and adjacent DSC cells are connected in series via the connection layer 35. The connection layer 35 can be formed of the same material as the transparent conductive layer 14 or the counter electrode 34, or various conductive materials (for example, silver, copper, carbon) used for general electrical wiring. In the cross section of this module, since the connection form of the DSC cells connected in series resembles the letter Z, it is called a Z-type integrated structure. The DSC 200 </ b> Z also has the metal oxide layer 16 between the TCO (transparent conductive layer 14) and the photoelectric conversion layer 18. The metal oxide layer 16 has the above-mentioned features, and suppresses the generation of the leak current and the output current from being reduced more than necessary.

DSC200WまたはDSC200Zにおいては、2枚のFTO層付きガラス基板を用いて、FTO層(透明導電性酸化物層)の上に触媒層24を形成し、触媒層24上に導電層(例えばTi層)34を形成してもよい。   In the DSC 200 W or DSC 200 Z, the catalyst layer 24 is formed on the FTO layer (transparent conductive oxide layer) using two FTO layer-attached glass substrates, and the conductive layer (for example, Ti layer) on the catalyst layer 24 34 may be formed.

本明細書は下記の項目1〜10に記載のソーラー充電器を開示している。   This specification discloses the solar charger according to the items 1 to 10 below.

[項目1]
複数の色素増感太陽電池を備える色素増感太陽電池モジュールと、
モバイル電子機器に電気的に直接接続され且つ一体化される構造であって、前記モバイル電子機器に一体化され、前記モバイル電子機器を使用する状態において、前記色素増感太陽電池モジュールの受光面を露出させる構造とを有し、
前記色素増感太陽電池モジュールは、基板と、電解質媒体と、前記基板の前記電解質媒体側に設けられた透明導電層と、前記透明導電層の前記電解質媒体側に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の前記電解質媒体側に設けられた多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層に担持された増感色素とを有し、
前記金属酸化物層の電気抵抗は、前記多孔質半導体層の電気抵抗よりも小さく、かつ、前記透明導電層の電気抵抗よりも大きい、ソーラー充電器。
[項目2]
前記金属酸化物層は、非多孔質層である、項目1に記載のソーラー充電器。
[項目3]
前記金属酸化物層の厚さは10nmを超えない、項目1または2に記載の項目1に記載のソーラー充電器。
[項目4]
前記金属酸化物層は熱酸化膜である、項目1から3のいずれかに記載のソーラー充電器。
[項目5]
前記金属酸化物層は酸化チタン層である、項目1から4のいずれかに記載のソーラー充電器。
[項目6]
前記電解質媒体は、I-とI3 -とを含み、I3 -の濃度は0.02M超0.05M以下である、項目1から5のいずれかに記載のソーラー充電器。
[項目7]
前記色素増感太陽電池モジュールの出力と、前記モバイル電子機器との間に電圧安定化回路をさらに有する、項目1から6のいずれかに記載のソーラー充電器。
[項目8]
前記色素増感太陽電池モジュールの出力を、前記モバイル電子機器に直接出力するように構成されている、項目1から6のいずれかに記載のソーラー充電器。
[項目9]
前記複数の色素増感太陽電池は、直列に接続された2以上の色素増感太陽電池を含む、項目1から8のいずれかに記載のソーラー充電器。
[項目10]
前記複数の色素増感太陽電池は、前記基板を共有する、項目1から9のいずれかに記載のソーラー充電器。
[Item 1]
A dye-sensitized solar cell module comprising a plurality of dye-sensitized solar cells;
A structure electrically connected directly to and integrated with a mobile electronic device, the light receiving surface of the dye-sensitized solar cell module being integrated with the mobile electronic device and using the mobile electronic device Have a structure to expose,
The dye-sensitized solar cell module includes a substrate, an electrolyte medium, a transparent conductive layer provided on the electrolyte medium side of the substrate, and a metal oxide layer formed on the electrolyte medium side of the transparent conductive layer. A porous semiconductor layer provided on the electrolyte medium side of the metal oxide layer, and a sensitizing dye supported on the porous semiconductor layer,
A solar charger, wherein the electric resistance of the metal oxide layer is smaller than the electric resistance of the porous semiconductor layer and larger than the electric resistance of the transparent conductive layer.
[Item 2]
The solar charger according to item 1, wherein the metal oxide layer is a non-porous layer.
[Item 3]
The solar charger according to Item 1 or 2, wherein the thickness of the metal oxide layer does not exceed 10 nm.
[Item 4]
The solar charger according to any one of Items 1 to 3, wherein the metal oxide layer is a thermal oxide film.
[Item 5]
5. Solar charger according to any of the preceding claims, wherein the metal oxide layer is a titanium oxide layer.
[Item 6]
The electrolyte medium, I - and I 3 - and a, I 3 - concentration is less 0.02M ultra 0.05 M, solar charger as described in any one of 1 to 5.
[Item 7]
7. A solar charger according to any of the preceding claims, further comprising a voltage stabilization circuit between the output of the dye-sensitized solar cell module and the mobile electronic device.
[Item 8]
7. A solar charger according to any of the preceding claims, wherein the solar charger is configured to output the output of the dye-sensitized solar cell module directly to the mobile electronic device.
[Item 9]
9. A solar charger according to any of items 1 to 8, wherein the plurality of dye-sensitized solar cells comprises two or more dye-sensitized solar cells connected in series.
[Item 10]
The solar charger according to any one of Items 1 to 9, wherein the plurality of dye-sensitized solar cells share the substrate.

本発明のソーラー充電器は、携帯電話、スマートフォン、タブレットPC、電子書籍端末に代表されるモバイル電子機器を充電するために好適に用いられる。   The solar charger of the present invention is suitably used to charge mobile electronic devices represented by mobile phones, smart phones, tablet PCs, and electronic book terminals.

12、32 基板
14 透明導電層
34 対極
15 光アノード
16 金属酸化物層
18a 多孔質半導体層
18 光電変換層
42 電解質媒体
100、100a、100b、100c DSC
200、200a、200b、200c DSCモジュール
200A、200B、200C ソーラー充電器
300 モバイル電子機器(電子書籍端末)
12, 32 substrate 14 transparent conductive layer 34 counter electrode 15 photoanode 16 metal oxide layer 18a porous semiconductor layer 18 photoelectric conversion layer 42 electrolyte medium 100, 100a, 100b, 100c DSC
200, 200a, 200b, 200c DSC module 200A, 200B, 200C Solar charger 300 Mobile electronic device (e-book terminal)

Claims (4)

複数の色素増感太陽電池を備える色素増感太陽電池モジュールと、
モバイル電子機器に電気的に直接接続され且つ一体化される構造であって、前記モバイル電子機器に一体化され、前記モバイル電子機器を使用する状態において、前記色素増感太陽電池モジュールの受光面を露出させる構造とを有し、
前記色素増感太陽電池モジュールは、基板と、電解質媒体と、前記基板の前記電解質媒体側に設けられた透明導電層と、前記透明導電層の前記電解質媒体側に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の前記電解質媒体側に設けられた多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層に担持された増感色素とを有し、
前記金属酸化物層の電気抵抗は、前記多孔質半導体層の電気抵抗よりも小さく、かつ、前記透明導電層の電気抵抗よりも大きく、
前記電解質媒体は、I - とI 3 - とを含み、I 3 - の濃度は0.02M超0.05M以下である、ソーラー充電器。
A dye-sensitized solar cell module comprising a plurality of dye-sensitized solar cells;
A structure electrically connected directly to and integrated with a mobile electronic device, the light receiving surface of the dye-sensitized solar cell module being integrated with the mobile electronic device and using the mobile electronic device Have a structure to expose,
The dye-sensitized solar cell module includes a substrate, an electrolyte medium, a transparent conductive layer provided on the electrolyte medium side of the substrate, and a metal oxide layer formed on the electrolyte medium side of the transparent conductive layer. A porous semiconductor layer provided on the electrolyte medium side of the metal oxide layer, and a sensitizing dye supported on the porous semiconductor layer,
The electrical resistance of the metal oxide layer, the porous semiconductor layer smaller than the electrical resistance of, and much larger than the electric resistance of the transparent conductive layer,
The electrolyte medium, I - and I 3 - and a, I 3 - concentration is less 0.02M ultra 0.05 M, solar charger.
前記金属酸化物層の厚さは10nmを超えない、請求項1に記載のソーラー充電器。   The solar charger according to claim 1, wherein the thickness of the metal oxide layer does not exceed 10 nm. 前記色素増感太陽電池モジュールの出力と、前記モバイル電子機器との間に電圧安定化回路をさらに有する、請求項1または2に記載のソーラー充電器。 An output of the dye-sensitized solar cell module, further comprising, solar charger according to claim 1 or 2 a voltage stabilizing circuit between said mobile electronic device. 前記色素増感太陽電池モジュールの出力を、前記モバイル電子機器に直接出力するように構成されている、請求項1からのいずれかに記載のソーラー充電器。 The solar charger according to any one of claims 1 to 3 , wherein the output of the dye-sensitized solar cell module is configured to be output directly to the mobile electronic device.
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