JP6594313B2 - 光電変換素子およびこれを含む光電変換素子モジュール - Google Patents

光電変換素子およびこれを含む光電変換素子モジュール Download PDF

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Description

本発明は、光電変換素子およびこれを含む光電変換素子モジュールに関し、特に、湿式の光電変換素子およびこれを含む光電変換素子モジュールに関する。
光電変換素子を構成する層の剥離を抑制した光電変換素子を開示した先行文献として、特開２０１１−１７６２８８号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された光電変換素子は、電気絶縁層を備える絶縁層付基板と、電気絶縁層上に形成された少なくとも１層の応力緩和層と、応力緩和層上に形成された下部電極と、下部電極上に形成され、化合物半導体層から構成される光電変換層と、光電変換層上に形成された上部電極とを有する。
特開２０１１−１７６２８８号公報
特許文献１に記載された光電変換素子においては、電気絶縁層と下部電極(第１電極)との剥離の抑制が図られている。湿式の光電変換素子においては、上部電極(第２電極)が剥離することがある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、第２電極の剥離を抑制できる、光電変換素子およびこれを含む光電変換素子モジュールを提供することを目的とする。
本発明に基づく光電変換素子は、受光面を有する透光性基板と、透光性基板に対向して配置されるカバー部と、透光性基板のカバー部に対向する側の面上に形成された複数の第１電極と、複数の第１電極とカバー部との間に配置され、内側の空間を規定する枠状の絶縁性封止部と、上記空間内において複数の第１電極のうちの一の第１電極の上面に形成された光電変換部と、上記空間内において、光電変換部の上面およびカバー部の下面の各々に対向する平板部および平板部の端部から複数の第１電極のうちの一の第１電極に隣接する他の第１電極に向けて曲折した曲折部を含み、他の第１電極と電気的に接続された第２電極と、光電変換部と第２電極との間に位置し、光電変換部と第２電極との間を絶縁する多孔質絶縁部と、光電変換部の外周の少なくとも一部と接触し、第１電極と第２電極との間を絶縁するセル間絶縁部と、上記空間の内部に充填されたキャリア輸送部と、多孔質絶縁部とカバー部との間に少なくとも一部が位置し、セル間絶縁部および平板部の一部の各々に接触してセル間絶縁部と第２電極とを接合させる絶縁性接合部とを備える。
本発明の一形態においては、絶縁性接合部が、第１電極と接触している。
本発明の一形態においては、絶縁性接合部が、光電変換部と接触している。
本発明の一形態においては、絶縁性接合部の一部が、平板部上に位置する。
本発明に基づく光電変換素子モジュールは、上記のいずれかに記載の複数の光電変換素子が互いに電気的に直列または並列に接続されてなる。
本発明によれば、第２電極の剥離を抑制できる。
本発明の実施形態１に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図１中の矢印ＩＩ方向から見た図である。 本発明の実施形態１に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図４の光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印Ｖ方向から見た平面図である。 本発明の実施形態３，４に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図６の本発明の実施形態３に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＶＩＩ方向から見た平面図である。 図６の本発明の実施形態４に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＶＩＩＩ方向から見た平面図である。 比較例１に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態５に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態６に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態７に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 実施例８に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 実施例９に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 比較例２に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 実施例１０に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 実施例１１に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 実施例１２に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態８に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図１９の光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＸＸ方向から見た平面図である。 本発明の実施形態９に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 比較例３に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。 本発明の実施形態１０に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図２３の光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＸＸＩＶ方向から見た平面図である。 実施例１６に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図２５の光電変換素子の絶縁性接合部のパターンを矢印ＸＸＶＩ方向から見た平面図である。 本発明の実施形態１１に係る光電変換素子モジュールの外観を示す平面図である。 本発明の実施形態１１に係る光電変換素子モジュールの構成を示す断面図である。
以下、本発明の各実施形態に係る、光電変換素子およびこれを含む光電変換素子モジュールについて図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。また、図中の長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
(実施形態１)
＜光電変換素子の構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。図２は、図１中の矢印ＩＩ方向から見た図である。
図１，２に示すように、光電変換素子１００は、受光面を有する透光性基板１１０と、透光性基板１１０に対向して配置されるカバー部１１１と、透光性基板１１０のカバー部１１１に対向する側の面上に形成された複数の第１電極１２０とを備える。複数の第１電極１２０の各々は、スクライブライン１０により互いに分離されている。
また、光電変換素子１００は、第１電極１２０とカバー部１１１との間に配置され、内側の空間を規定する枠状の絶縁性封止部１９０と、上記空間内において複数の第１電極１２０のうちの一の第１電極１２０の上面に形成された光電変換部１３０と、上記空間内において、光電変換部１３０の上面およびカバー部１１１の下面の各々に対向する平板部１６１および平板部１６１の端部から複数の第１電極１２０のうちの一の第１電極１２０に隣接する他の第１電極１２０に向けて曲折した曲折部１６２を含み、他の第１電極１２０と電気的に接続された第２電極１６０とを備える。
さらに、光電変換素子１００は、光電変換部１３０と第２電極１６０との間に位置し、光電変換部１３０と第２電極１６０との間を絶縁する多孔質絶縁部１４０と、光電変換部１３０の外周の少なくとも一部と接触し、第１電極１２０と第２電極１６０との間を絶縁するセル間絶縁部１８０と、上記空間の内部に充填されたキャリア輸送部１１とを備える。
光電変換部１３０は多孔質半導体層を含んでおり、多孔質半導体層、多孔質絶縁部１４０および第２電極１６０のそれぞれの空隙部分にはキャリア輸送材料が充填されている。第２電極１６０の表面には、保護膜１７０が形成されている。本実施形態においては、多孔質絶縁部１４０と第２電極１６０との間に、触媒層１５０が設けられている。
光電変換素子１００は、多孔質絶縁部１４０とカバー部１１１との間に少なくとも一部が位置し、セル間絶縁部１８０および第２電極１６０の平板部１６１の一部の各々に接触してセル間絶縁部１８０と第２電極１６０とを接合させる絶縁性接合部１４１をさらに備える。
以下、光電変換素子１００の各構成について詳細に説明する。
＜透光性基板＞
透光性基板１１０としては、たとえば、ソーダガラス、無アルカリガラス、溶融石英ガラス若しくは結晶石英ガラスなどのガラス基板、または、可撓性フィルムなどの耐熱性樹脂板などであってもよい。ただし、透光性基板１１０は、少なくとも後述の色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過する(当該光の透過率がたとえば８０％以上、好ましくは９０％以上)ものであればよく、必ずしも全ての波長の光に対して透過性を有する必要はない。
可撓性フィルム(以下、「フィルム」ともいう)を構成する材料としては、たとえばテトラアセチルセルロース(ＴＡＣ)、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)、ポリフェニレンスルファイド(ＰＰＳ)、ポリカーボネート(ＰＣ)、ポリアリレート(ＰＡ)、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、フェノキシ樹脂、またはポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)などが挙げられる。
加熱を伴って透光性基板１１０上に他の層を形成する場合、たとえば２５０℃程度の加熱を伴って透光性基板１１０上に多孔質半導体層を形成する場合には、上記のフィルムを構成する材料の中でも２５０℃以上の耐熱性を有するポリテトラフルオロエチレンを用いることが特に好ましい。
透光性基板１１０は、完成した光電変換素子１００を他の構造体に取り付けるときに利用できる。たとえば、金属加工部品およびねじを用いることにより、ガラス基板などである透光性基板１１０の周辺部を他の支持体に容易に取り付けることができる。
透光性基板１１０の厚さは特に限定されないが、光透過性などを考慮すれば、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下程度であることが好ましい。
＜第１電極＞
第１電極１２０を構成する透明導電層の材料は、少なくとも後述の色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過するものであればよく、必ずしも全ての波長の光に対して透過性を有する必要はない。たとえば、第１電極１２０の材料としては、インジウム錫複合酸化物(ＩＴＯ)、酸化錫(ＳｎＯ2)、フッ素をドープした酸化錫(ＦＴＯ)、酸化亜鉛(ＺｎＯ)、または、タンタルもしくはニオブをドープした酸化チタンなどが挙げられる。
第１電極１２０を構成する透明導電層の膜厚は、特に限定されないが、０．０２μｍ以上５μｍ以下程度であることが好ましい。第１電極１２０を構成する透明導電層の膜抵抗は、低いほど好ましく、４０Ω／ｓｑ以下であることが好ましい。
透光性基板として、たとえば、ソーダ石灰フロートガラスからなる透光性基板１１０上にＦＴＯからなる第１電極１２０が予め積層された市販品を用いてもよい。
＜スクライブライン＞
スクライブライン１０は、第１電極１２０となる透明導電層を光電変換素子毎に分離するために設けられる。スクライブライン１０の形成方法は、特に限定されない。たとえば、第１電極１２０を構成する透明導電層を透光性基板１１０の上面全体に形成してから、レーザースクライブ法などにより透明導電層のうちスクライブライン１０となる部分を除去してもよい。または、透光性基板１１０の上面のうちスクライブライン１０となる部分にマスクを設けてから、透光性基板１１０の上面のうちマスクが設けられていない部分に第１電極１２０を形成し、その後、そのマスクを除去してもよい。
＜光電変換部＞
光電変換部１３０は、多孔質半導体層に、色素または量子ドットなどが吸着され、かつキャリア輸送材料が充填されて構成されている。本実施形態に係る光電変換部１３０は、矩形状の外形を有し、光電変換部１３０の短辺の長さは、たとえば５ｍｍである。
−多孔質半導体層−
多孔質半導体層を構成する半導体材料としては、一般に光電変換材料に使用されるものであれば特に限定されない。このような材料としては、たとえば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム、硫化鉛、硫化亜鉛、リン化インジウム、銅−インジウム硫化物(ＣｕＩｎＳ2)、ＣｕＡｌＯ2、またはＳｒＣｕ2Ｏ2などの化合物が挙げられる。多孔質半導体層を構成する半導体材料として、これらの化合物を単独で用いてもよいし、これらの化合物を組み合せて用いてもよい。これらの化合物の中でも、安定性および安全性の点から、多孔質半導体層を構成する半導体材料として酸化チタンを用いることが好ましい。
多孔質半導体層を構成する材料として酸化チタンを用いる場合、酸化チタンは、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、またはオルソチタン酸などの各種の狭義の酸化チタンであってもよいし、水酸化チタンであってもよいし、含水酸化チタンであってもよい。多孔質半導体層を構成する半導体材料として、これらの酸化チタンを単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。アナターゼ型酸化チタンとルチル型酸化チタンとについては、製法または熱履歴によりどちらの形態にもなり得るアナターゼ型酸化チタンが一般的である。
光増感剤の吸着の容易性という観点からは、多孔質半導体層を構成する材料としては、アナターゼ型酸化チタンの含有率の高いものを用いることが好ましく、アナターゼ型酸化チタンの含有率が８０％以上であるものを用いることがより好ましい。酸化チタンの製造方法は、特に限定されず、気相法、または液相法(水熱合成法もしくは硫酸法)などの公知の方法であればよく、デグサ(Ｄｅｇｕｓｓａ)社が開発した、塩化物を高温加水分解により酸化チタンを得る方法であってもよい。
多孔質半導体層の形態としては、単結晶または多結晶のいずれでもよい。しかし、安定性、結晶成長の困難さ、および製造コストなどの点では、多孔質半導体層は、多結晶焼結体であることが好ましく、微粉末(ナノスケールからマイクロスケール)からなる多結晶焼結体であることが特に好ましい。
多孔質半導体層は、大きさが同一の化合物半導体材料からなる粒子を用いて構成されてもよいし、大きさが互いに異なる化合物半導体材料からなる粒子を用いて構成されてもよい。相対的に大きな粒子は、入射光を散乱させるため、光捕捉率の向上に寄与すると考えられる。相対的に小さな粒子を用いれば光増感剤の吸着点がより多くなるので、相対的に小さな粒子は光増感剤の吸着量の向上に寄与すると考えられる。
相対的に大きな粒子の平均粒径は、相対的に小さな粒子の平均粒径に対して１０倍以上であることが好ましい。たとえば、相対的に大きな粒子の平均粒径は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、相対的に小さな粒子の平均粒径は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。大きさが互いに異なる粒子は、同一の材料からなってもよいし、異なる材料からなってもよい。大きさが互いに異なる粒子が異なる材料からなる場合、相対的に小さな粒子を吸着作用の強い材料で構成することが好ましい。
なお、上記平均粒径は、Ｘ線回折測定から得られるスペクトル(ＸＲＤ(Ｘ線回折)の回折ピーク)を用いて算出されてもよいし、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)で直接観察を行なうことにより求められてもよい。
多孔質半導体層の厚さは、特に限定されず、たとえば０．１μｍ以上１００μｍ以下程度が適当である。また、多孔質半導体層には光増感剤が吸着されるため、多孔質半導体層の表面積は大きいことが好ましく、たとえば多孔質半導体層のＢＥＴ比表面積は１０ｍ2／ｇ以上２００ｍ2／ｇ以下程度であることが好ましい。
−光増感剤−
光増感剤は、光電変換素子に入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するために設けられるものである。多孔質半導体層に吸着して光増感剤として機能する色素としては、可視光領域および赤外光領域の少なくとも一方の領域に吸収をもつ有機色素または金属錯体色素などが挙げられる。光増感剤として、これらの色素を単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。
有機色素は、たとえば、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、フタロシアニン系色素、またはナフタロシアニン系色素などである。有機色素の吸光係数は、一般的に、金属錯体色素の吸光係数よりも大きい。
金属錯体色素は、遷移金属に分子(配位子)が配位結合されて構成されている。遷移金属は、たとえばＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｇａ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｒｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ａｓ、Ｓｃ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ａｕ、Ａｃ、Ｔｃ、Ｔｅ、またはＲｈなどである。金属錯体色素としてはポルフィリン系金属錯体色素、フタロシアニン系金属錯体色素、ナフタロシアニン系金属錯体色素またはルテニウム系金属錯体色素が挙げられ、中でも、フタロシアニン系金属錯体色素またはルテニウム系金属錯体色素が好ましく、下記化学式(１)〜(３)で表されるルテニウム系金属錯体色素がさらに好ましい。
市販のルテニウム系金属錯体色素として、たとえば、Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社製の商品名Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ５３５色素、Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ５３５−ｂｉｓＴＢＡ色素、またはＲｕｔｈｅｎｉｕｍ６２０−１Ｈ３ＴＢＡ色素などが挙げられる。
Figure 0006594313
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多孔質半導体層に光増感剤を吸着させる方法としては、たとえば色素を溶解した溶液(色素吸着用溶液)に多孔質半導体層を浸漬させる方法が代表的なものとして挙げられる。このとき、色素吸着用溶液を多孔質半導体層の微細孔の奥部まで浸透させるという点において、色素吸着用溶液を加熱することが好ましい。
多孔質半導体層に色素を強固に吸着させるためには、色素が分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、またはホスホニル基などのインターロック基を有することが好ましい。インターロック基は、色素の励起状態と半導体材料の伝導帯との間の電子の移動を容易にする電気的結合を提供する機能を有する。
多孔質半導体層に吸着して光増感剤として機能する量子ドットとしては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ、またはＰｂＳｅなどが挙げられる。
＜多孔質絶縁部＞
多孔質絶縁部１４０は、光電変換部１３０から触媒層１５０および第２電極１６０への電子注入によるリークを低減するために、光電変換部１３０上に設けられている。ここで、多孔質絶縁部１４０の多孔質とは、空孔率が２０％以上であることを言い、比表面積が１０ｍ2／ｇ以上１００ｍ2／ｇ以下であることを言う。このような多孔質絶縁部１４０の細孔径は５０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい。
別の言い方をすると、多孔質絶縁部１４０は、平均粒径が５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の粒子からなることが好ましく、平均粒径が１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の粒子からなることがより好ましい。これにより、多孔質絶縁部１４０がキャリア輸送材料を保持できる。なお、多孔質絶縁部１４０の細孔径は、たとえばＢＥＴ法にしたがって測定されることが好ましい。多孔質絶縁部１４０の空孔率および多孔質絶縁部１４０を構成する粒子の平均粒径の各測定方法は上記の＜光電変換層＞にて記載した方法であることが好ましい。
多孔質絶縁部１４０の材料は特に限定されず、ガラスであってもよいし、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、またはチタン酸バリウムなどの伝導帯準位の高い絶縁材料のうちの１種または２種以上を選択的に用いることができる。これらの２種以上を用いる場合は、２種以上の材料を混合して単層で、または、それぞれの材料からなる層を積層して複層で多孔質絶縁部１４０を構成してもよい。好ましくは、多孔質絶縁部１４０が、酸化ジルコニウムまたは平均粒径が１００ｎｍ以上の酸化チタンを含む。
多孔質絶縁部１４０の膜厚は、特に限定されないが、絶縁性という観点から、２μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下である。
なお、光電変換部を構成する多孔質半導体層が少なくとも２層以上の光散乱性の異なる層からなり、かつ、この２層以上の多孔質半導体層が光散乱性の低い層から光散乱性の高い層の順に光電変換素子の受光面側から積層されている場合は、多孔質絶縁部が設けられなくてもよい。この場合、平均粒径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度に粒径の大きな半導体材料からなる多孔質半導体層を含む光電変換部上に、触媒層または第２電極が直接設けられる。
多孔質半導体層の光散乱性は、半導体材料の平均粒径により調整することができる。具体的には、平均粒径の大きい半導体粒子で形成された多孔質半導体層は、光散乱性が高い。平均粒径の小さい半導体粒子で形成した多孔質半導体層は、光散乱性が低い。平均粒径の大きい半導体粒子で形成された多孔質半導体層は、入射光をより散乱させるため光捕捉率が高い。平均粒径の小さい半導体粒子で形成した多孔質半導体層は、色素の吸着点がより多くなるため色素の吸着量が多い。
光散乱性の最も高い多孔質半導体層は、平均粒径が５０ｎｍ以上(好ましくは５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下)の半導体粒子から形成され、かつ他の多孔質半導体層は、少なくとも平均粒径５ｎｍ以上５０ｎｍ未満(好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下)の半導体粒子から形成さているのが好ましい。
光散乱性の低い層から光散乱性の高い層の順に光電変換素子の受光面側から積層することにより、入射光を光電変換に有効利用できる。受光面と反対側に位置する多孔質半導体層においては、半導体粒子の粒子径が大きいため、色素の吸着量が少ない。そのため、入射光は、受光面と反対側に位置する多孔質半導体層において半導体粒子によって吸収または反射のみされる。多孔質半導体層が酸化チタン粒子からなる場合、その光吸収波長域は、約４００ｎｍ以下である。そのため、入射光は、受光面側の多孔質半導体層の酸化チタン粒子またはヨウ素などの酸化還元種が溶解しているキャリア輸送材料で吸収され、受光面と反対側に位置する多孔質半導体層にはほとんど到達しない。したがって、このような構成では、基本的なエネルギー準位の差によるリークは起こらず、リークが想定される光電変換層と触媒層との界面において光電変換がほとんど起こらないため、多孔質絶縁層を設けなくてもよい。
＜触媒層＞
本実施形態においては、触媒層１５０が、多孔質絶縁部１４０と第２電極１６０との間に挟まれるように設けられている。触媒層１５０を構成する材料としては、その表面で電子の受け渡しができる材料であれば特に限定されず、たとえば、白金、パラジウムなどの貴金属材料、または、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンなどのカーボン系材料を用いることができる。ただし、触媒層１５０を第２電極１６０と一体(単層)で設けてもよいし、触媒能を有する第２電極１６０を設けた場合には触媒層１５０を設けなくてもよい。
なお、蒸着法により触媒層１５０を形成した場合のように、形成された触媒層１５０の膜強度がそれほど強くない場合には、多孔質絶縁部１４０上に形成された触媒層１５０上に第２電極１６０を形成すると、第２電極１６０が触媒層１５０と共に多孔質絶縁部１４０から剥離することがある。
＜第２電極＞
第２電極１６０は、光電変換部１３０と対向する平板部１６１と、平板部１６１の端部から他の第１電極１２０に向けて曲折した曲折部１６２とを含む。具体的には、曲折部１６２の一端は平板部１６１と繋がっており、曲折部１６２の他端は、平板部１６１と対向する光電変換部１３０と接触している一の第１電極１２０に隣接する他の第１電極１２０と接触している。
第２電極１６０を構成する材料は、導電性を有するものであれば特に限定されず、たとえば、インジウムと錫との複合酸化物(ＩＴＯ)、酸化錫(ＳｎＯ2)、フッ素がドープされた酸化錫(ＦＴＯ)、または酸化亜鉛(ＺｎＯ)などの金属酸化物であってもよいし、チタン、ニッケル、タングステンおよびタンタルのなかの少なくとも１種以上の金属材料を含んでいてもよい。第２電極１６０の形成方法は、蒸着法、スパッタ法またはスプレー法などの公知の方法であればよい。
第２電極１６０の厚さは、特に限定されない。しかし、第２電極１６０の厚さが薄すぎると第２電極１６０の電気抵抗が高くなり、第２電極１６０の厚さが厚すぎるとキャリア輸送材料の移動の妨げとなる。これらを考慮して第２電極１６０の厚さを適宜選択することが好ましく、第２電極１６０の厚さは、０．０２μｍ以上５μｍ以下程度であることが好ましい。第２電極１６０を構成する導電層のシート抵抗は、低いほど好ましく、４０Ω／ｓｑ以下であることが好ましい。
蒸着法により第２電極１６０を形成する場合、第２電極１６０自体が多孔質になるため、色素溶液またはキャリア輸送材料などが移動するための孔を、第２電極１６０に別途形成しなくてもよい。蒸着法により第２電極１６０を形成した場合、第２電極１６０に自動的に形成される孔の孔径は約１ｎｍ以上２０ｎｍ以下となる。この第２電極１６０上に触媒層１５０を形成しても、触媒層１５０を構成する材料が第２電極１６０に形成された孔の内部を通って多孔質絶縁部１４０、さらには多孔質半導体層(光電変換部１３０)に到達するおそれがないことが確認されている。
第２電極１６０に孔を意図的に形成する場合、たとえばレーザー光を照射して第２電極１６０を部分的に蒸発させることが好ましい。このように形成される孔の径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１μｍ〜５０μｍである。また、孔同士の間隔は、１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上３０μｍ以下である。
第２電極１６０にストライプ状の開口部を形成することによっても上記孔と同様な効果が得られる。この場合、ストライプ状の開口部同士の間隔は、１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上３０μｍ以下である。
本実施形態においては、第２電極１６０からのリーク電流を低減するために、第２電極１６０の表面に保護膜１７０を形成する。保護膜１７０としては、リーク電流を低減できるものであれば特に限定されないが、たとえば、金属酸化物からなる膜、または、有機化合物からなる膜が挙げられる。金属酸化物としては、第２電極１６０を構成する金属の酸化物などが挙げられる。この場合、第２電極１６０を加熱して酸化させることにより保護膜１７０を形成する。
有機化合物としては、ＴＢＰ(４‐tert‐ブチルピリジン)などのピリジン系化合物、アルキルイミダゾール、メチルベンズイミダソールなどのイミダゾール系化合物、または、グアニジンチオシアネート、テトラブチルアンモニウムチオシアネートなどのイオン性化合物が挙げられる。この場合、第２電極１６０に有機化合物が溶解した溶液を塗布することにより保護膜１７０を形成する。
これらの有機化合物を溶解する溶媒としては、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトニトリルなどの窒素化合物類、クロロホルムなどのハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、または、水などが挙げられる。これらの溶剤は、単独で用いられてもよいし、２種類以上混合して用いられてもよい。
上記のように第２電極１６０を加熱した際に、第２電極１６０が剥離することがある。この場合、光電変換素子の歩留まりが低下するため好ましくない。この第２電極１６０の剥離の発生を抑制するために、第２電極１６０とセル間絶縁部１８０とを互いに接合させる絶縁性接合部１４１が設けられている。
なお、第２電極１６０には、必要に応じて、図示しない取り出し電極が設けられる。取り出し電極により、光電変換素子から外部へ電流を取り出すことができる。取り出し電極の材料としては、導電性を有する材料であれば特に限定されない。
＜セル間絶縁部＞
セル間絶縁部１８０は、第１電極１２０と第２電極１６０との間を絶縁するために設けられている。具体的には、セル間絶縁部１８０は、光電変換部１３０が上面に形成された一の第１電極１２０と、第２電極１６０の曲折部１６２との間を絶縁する。
セル間絶縁部１８０は、多孔質絶縁部１４０よりも緻密な層であることが好ましい。このようなセル間絶縁部１８０を構成する材料は、たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ホットメルト樹脂、またはガラスフリットなどが挙げられる。これらを単独で用いてセル間絶縁部１８０を形成してもよいし、これら２種類以上の材料を２層以上に積層してセル間絶縁部１８０を形成してもよい。
多孔質半導体層および多孔質絶縁部１４０を形成する前にセル間絶縁部１８０を形成する場合、セル間絶縁部１８０は、多孔質半導体層および多孔質絶縁部１４０を形成する際の加熱温度に耐える耐熱性を有する必要がある。また、セル間絶縁部１８０は、受光した光に含まれる紫外線に曝されるため、紫外線に対する耐性を有する必要がある。上記の観点から、セル間絶縁部１８０を構成する材料としては、ガラス系材料が好ましく、ビスマス系ガラスペーストを用いることがさらに好ましい。
上記のガラス系材料においては、たとえば、ガラスペーストまたはガラスフリットとして市販されているものがある。その中では、キャリア輸送材料との反応性および環境問題を考慮して、鉛を含まないガラス系材料が好ましい。さらに、ガラス基板からなる透光性基板１１０上にセル間絶縁部１８０を形成する場合、セル間絶縁部１８０の焼成温度が５５０℃以下であることが好ましい。
図２に示すように、本実施形態においては、セル間絶縁部１８０は、平面視矩形状の光電変換部１３０の周囲を囲むように形成されている。このように、セル間絶縁部１８０を光電変換部１３０の外周の全周と接触させることにより、セル間絶縁部１８０と光電変換部１３０との接合強度を高くすることができる。
すなわち、光電変換部１３０は第１電極１２０を間に挟んで透光性基板１１０に固着しているため、セル間絶縁部１８０と光電変換部１３０との接触面積を大きくすることにより、光電変換部１３０を通じたセル間絶縁部１８０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。
＜カバー部＞
カバー部１１１は、キャリア輸送部１１を光電変換素子１００の内部に保持し、かつ、外部からの水などの浸入を防ぐ機能を有している。光電変換素子１００を屋外に設置する場合を考慮すると、カバー部１１１として強化ガラスなどを用いることが好ましい。
カバー部１１１においては、透光性基板１１０上の各構成に接触していないことが好ましい。このようにすることにより、光電変換素子１００の内部に十分な量のキャリア輸送部１１を保持することができる。
また、カバー部１１１は、キャリア輸送部１１を構成するキャリア輸送材料を注入するための注入口を備えることが好ましい。カバー部１１１に注入口を設けることにより、真空注入法または真空含浸法などを用いてキャリア輸送材料を光電変換素子１００内に注入することができる。
この場合、上記のようにカバー部１１１と透光性基板１１０上の各構成とが接触していないことにより形成される隙間がキャリア輸送材料の流入路となるため、注入口からキャリア輸送材料を注入するときの注入速度を速くすることができる。それにより、光電変換素子１００および光電変換素子モジュールの製造タクトを短縮することができる。
＜絶縁性封止部＞
絶縁性封止部１９０は、透光性基板１１０とカバー部１１１とを結合させるために設けられる。また、絶縁性封止部１９０は、キャリア輸送部１１を光電変換素子１００の内部に保持し、かつ、外部からの水などの浸入を防ぐ機能を有している。
絶縁性封止部１９０を構成する材料としては、紫外線硬化性樹脂または熱硬化性樹脂などが挙げられ、たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、アイオノマー樹脂などのホットメルト樹脂、またはガラスフリットなどが挙げられる。これらの材料を２種以上用いて絶縁性封止部１９０を構成する場合には、２種以上の材料を混合してもよいし、各材料からなる層を積層または並列に配置してもよい。
紫外線硬化樹脂としては、スリーボンド社製、型番：３１Ｘ−１０１を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、スリーボンド社製、型番：３１Ｘ−０８８、または一般に市販されているエポキシ樹脂などを用いることができる。
＜キャリア輸送部＞
「キャリア輸送部」とは、絶縁性封止部１９０の内側に位置し、かつ第１電極１２０とカバー部１１１とで挟まれた領域に、キャリア輸送材料が注入されて構成されている。したがって、少なくとも光電変換部１３０および多孔質絶縁部１４０にもキャリア輸送材料が充填される。
キャリア輸送材料は、イオンを輸送可能な導電性材料であることが好ましく、たとえば液体電解質、固体電解質、ゲル電解質、または溶融塩ゲル電解質などであることが好ましい。
液体電解質は、酸化還元種を含む液状物であることが好ましく、一般に電池または太陽電池などにおいて使用できるものであれば特に限定されない。具体的には、液体電解質は、酸化還元種と酸化還元種を溶解可能な溶剤からなるもの、酸化還元種と酸化還元種を溶解可能な溶融塩からなるもの、または酸化還元種と上記溶剤と上記溶融塩からなるものであることが好ましい。
酸化還元種としては、たとえばＩ-／Ｉ3-系、Ｂｒ2-／Ｂｒ3-系、Ｆｅ2+／Ｆｅ3+系、またはキノン／ハイドロキノン系などが挙げられる。具体的には、酸化還元種は、ヨウ化リチウム(ＬｉＩ)、ヨウ化ナトリウム(ＮａＩ)、ヨウ化カリウム(ＫＩ)、またはヨウ化カルシウム(ＣａＩ2)などの金属ヨウ化物とヨウ素(Ｉ2)との組み合わせであってもよい。酸化還元種は、テトラエチルアンモニウムアイオダイド(ＴＥＡＩ)、テトラプロピルアンモニウムアイオダイド(ＴＰＡＩ)、テトラブチルアンモニウムアイオダイド(ＴＢＡＩ)、またはテトラヘキシルアンモニウムアイオダイド(ＴＨＡＩ)などのテトラアルキルアンモニウム塩とヨウ素との組み合わせであってもよい。酸化還元種は、臭化リチウム(ＬｉＢｒ)、臭化ナトリウム(ＮａＢｒ)、臭化カリウム(ＫＢｒ)、または臭化カルシウム(ＣａＢｒ2)などの金属臭化物と臭素との組み合わせであってもよい。これらの中でも、ＬｉＩとＩ2との組み合わせが特に好ましい。
酸化還元種を溶解可能な溶媒としては、たとえば、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、アセトニトリルなどのニトリル化合物、エタノールなどのアルコール類、水、または非プロトン極性物質などが挙げられる。これらの中でも、カーボネート化合物またはニトリル化合物が特に好ましい。これらの溶媒を２種類以上混合して用いることもできる。
固体電解質は、電子、ホール、またはイオンを輸送できる導電性材料であり、光電変換素子の電解質として用いることができ、かつ流動性がないものであることが好ましい。具体的には、固体電解質は、ポリカルバゾールなどのホール輸送材、テトラニトロフロオルレノンなどの電子輸送材、ポリロールなどの導電性ポリマー、液体電解質を高分子化合物により固体化した高分子電解質、ヨウ化銅、チオシアン酸銅などのｐ型半導体、または溶融塩を含む液体電解質を微粒子により固体化した電解質などが挙げられる。
ゲル電解質は、通常、電解質とゲル化剤からなる。電解質は、たとえば上記液体電解質であってもよいし、上記固体電解質であってもよい。
ゲル化剤としては、たとえば、架橋ポリアクリル樹脂誘導体、架橋ポリアクリロニトリル誘導体、ポリアルキレンオキシド誘導体、シリコーン樹脂類、または側鎖に含窒素複素環式四級化合物塩構造を有するポリマーなどの高分子ゲル化剤などが挙げられる。
溶融塩ゲル電解質は、通常、上記のようなゲル電解質と常温型溶融塩とからなる。常温型溶融塩としては、たとえばピリジニウム塩類またはイミダゾリウム塩類などの含窒素複素環式四級アンモニウム塩類などが挙げられる。
上記の電解質は、必要に応じて、次に示す添加剤を含むことが好ましい。添加剤としては、ｔ−ブチルピリジン(ＴＢＰ)などの含窒素芳香族化合物であってもよいし、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(ＤＭＰＩＩ)、メチルプロピルイミダゾールアイオダイド(ＭＰＩＩ)、エチルメチルイミダゾールアイオダイド(ＥＭＩＩ)、エチルイミダゾールアイオダイド(ＥＩＩ)、またはヘキシルメチルイミダゾールアイオダイド(ＨＭＩＩ)などのイミダゾール塩であってもよい。
電解質の濃度は、０．００１モル／リットル以上１．５モル／リットル以下の範囲が好ましく、０．０１モル／リットル以上０．７モル／リットル以下の範囲が特に好ましい。ただし、本発明に係る光電変換素子において受光面側に第２電極１６０の触媒層がある場合には、入射光がキャリア輸送部内の電解液を通って多孔質半導体層(多孔質半導体層には色素が吸着されている)に達し、キャリアが励起される。そのため、受光面側に触媒層がある光電変換素子では、光電変換素子の性能が電解質の濃度に依存することがある。この点を考慮して、電解質の濃度を設定することが好ましい。
＜絶縁性接合部＞
絶縁性接合部１４１は、セル間絶縁部１８０と第２電極１６０とを接合するために設けられる。絶縁性接合部１４１は、多孔質絶縁部１４０よりも緻密な層であることが好ましい。このような絶縁性接合部１４１を構成する材料は、たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ホットメルト樹脂、またはガラスフリットなどが挙げられる。これらを単独で用いて絶縁性接合部１４１を形成してもよいし、これら２種類以上の材料を２層以上に積層して絶縁性接合部１４１を形成してもよい。
絶縁性接合部１４１は、受光した光に含まれる紫外線に曝されるため、紫外線に対する耐性を有する必要がある。上記の観点から、絶縁性接合部１４１を構成する材料としては、ガラス系材料が好ましく、ビスマス系ガラスペーストを用いることがさらに好ましい。
上記のガラス系材料においては、たとえば、ガラスペーストまたはガラスフリットとして市販されているものがある。その中では、キャリア輸送材料との反応性および環境問題を考慮して、鉛を含まないガラス系材料が好ましい。さらに、ガラス基板からなる透光性基板１１０上に絶縁性接合部１４１を形成する場合、絶縁性接合部１４１の焼成温度が５５０℃以下であることが好ましい。
図３は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図３においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図３には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図２，３に示すように、本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１は、平面視にて、光電変換部１３０の長辺の各々に沿って間隔を置いて位置している。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、平面視にて、セル間絶縁部１８０の外周上に中心を有する半円形の外形を有している。複数の絶縁性接合部１４１は、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。
図１に示すように、本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０の上面からセル間絶縁部１８０の上面に亘って設けられている。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
複数の絶縁性接合部１４１をセル間絶縁部１８０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、セル間絶縁部１８０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
なお、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、第１電極１２０と接触していてもよい。この場合、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０の上面から第１電極１２０の上面に亘って設けられている。複数の絶縁性接合部１４１を第１電極１２０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１および第１電極１２０を通じて第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
複数の絶縁性接合部１４１の各々は、キャリア輸送材料と接触するため、キャリア輸送材料の注入を妨害しないように設けられていることが好ましい。本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１を上記のように配置することにより、複数の絶縁性接合部１４１とキャリア輸送材料の注入方向１とが交差する長さを短くして、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。また、複数の絶縁性接合部１４１の各々を半円形の形状とすることによっても、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１を、平面視にて、光電変換部１３０の短辺の２等分線２に対して線対称に位置させることにより、キャリア輸送材料の注入ムラを生じにくくすることができる。
また、光電変換素子１００の光電変換効率の観点から、平面視にて、複数の絶縁性接合部１４１と光電変換部１３０とが重なる面積が小さい方が好ましい。ただし、複数の絶縁性接合部１４１と第２電極１６０との接触面積が小さすぎると、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を十分に高くすることができなくなる。そのため、第２電極の剥離の発生を抑制できる範囲で、複数の絶縁性接合部１４１と光電変換部１３０とが重なる面積を小さくすることが好ましい。
なお、絶縁性接合部１４１の形状および配置は、上記に限られず、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる形状および配置であればよい。
＜光電変換素子の製造方法＞
図１〜３に示す光電変換素子１００の製造方法について説明する。
透光性基板１１０上に第１電極１２０を構成する透明導電層を形成する。ここで、透明導電層の形成方法は、特に限定されず、たとえば公知のスパッタ法または公知のスプレー法などであることが好ましい。また、透明導電層に図示しない金属リード線を設ける場合には、たとえば、公知のスパッタ法または公知の蒸着法などにより透光性基板１１０上に金属リード線を形成してから、得られた金属リード線を含む透光性基板１１０上に透明導電層を形成してもよいし、透光性基板１１０上に透明導電層を形成してから、透明導電層上に金属リード線を形成してもよい。
次に、レーザースクライブ法により透明導電層の一部を切断してスクライブライン１０を形成する。これにより、複数の第１電極１２０が形成される。
続いて、第１電極１２０上に多孔質半導体層を形成する。多孔質半導体層の形成方法は、特に限定されず、スクリーン印刷法またはインクジェット法などにより粒子状の半導体材料を含有するペーストを第１電極１２０上に塗布した後、焼成してもよいし、焼成の代わりに、ゾル−ゲル法または電気化学的な酸化還元反応を利用してもよい。これらの方法の中で、厚膜の多孔質半導体層を低コストで形成できるという観点から、ペーストを用いたスクリーン印刷法が特に好ましい。
半導体材料として酸化チタンを用いた場合の多孔質半導体層の形成方法を以下に具体的に示す。
まず、チタンイソプロポキシド(キシダ化学株式会社製)１２５ｍＬを０．１Ｍの硝酸水溶液(キシダ化学株式会社製)７５０ｍＬに滴下して加水分解させてから、８０℃で８時間加熱する。これにより、ゾル液が調製される。得られたゾル液をチタン製オートクレーブ中において２３０℃で１１時間加熱して酸化チタン粒子を成長させ、超音波分散を３０分間行ない、平均粒径(平均一次粒径)１５ｎｍの酸化チタン粒子を含むコロイド溶液を調製する。得られたコロイド溶液に当該コロイド溶液の２倍容量のエタノールを加え、これを回転数５０００ｒｐｍで遠心分離する。これにより、酸化チタン粒子を得る。
次いで、得られた酸化チタン粒子を洗浄する。その後、酸化チタン粒子をエチルセルロースとテルピネオールとを無水エタノールに溶解させたものと混合して攪拌する。これにより、酸化チタン粒子が分散する。その後、上記混合液を真空条件下で加熱してエタノールを蒸発させ、酸化チタンペーストを得る。最終的な組成としてたとえば酸化チタン固体濃度が２０ｗｔ％、エチルセルロース濃度が１０ｗｔ％、かつテルピネオール濃度が６４ｗｔ％となるように、各濃度を調整する。
ここで、酸化チタンペーストを調製するために用いる溶剤としては、上記以外にエチレングリコールモノメチルエーテルなどのグライム系溶剤、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶剤、イソプロピルアルコール／トルエンなどの混合溶剤、または水などが挙げられる。酸化チタン以外の半導体粒子を含むペーストを調製する場合にも、これらの溶剤を用いることができる。
次いで、上記の方法により酸化チタンペーストを透明導電層上に塗布し、乾燥させてから焼成する。これにより、酸化チタンからなる多孔質半導体層が得られる。ここで、乾燥条件および焼成条件、たとえば温度、時間、または雰囲気などの条件は、使用する支持体の材料または半導体材料により適宜調整される。焼成は、たとえば、大気雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で、５０℃以上８００℃以下程度の範囲内で、１０秒以上１２時間以下程度で行なわれることが好ましい。また、乾燥および焼成は、それぞれ、単一の温度で１回行なわれてもよいし、温度を変化させて２回以上行なわれてもよい。
続いて、スクライブライン１０上にセル間絶縁部１８０を設ける。セル間絶縁部１８０の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法が挙げられる。具体的には、スクリーン印刷法またはインクジェット法などによりセル間絶縁部１８０を構成する絶縁材料を含有するペーストをスクライブライン１０上に塗布してから焼成する方法であってもよいし、焼成の代わりにゾル−ゲル法または電気化学的な酸化還元反応を利用してもよい。これらの方法の中で、セル間絶縁部１８０を低コストで形成できるという観点から、ペーストを用いたスクリーン印刷法が特に好ましい。
続いて、多孔質半導体層上に多孔質絶縁部１４０を形成する。多孔質絶縁部１４０の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法が挙げられる。具体的には、スクリーン印刷法またはインクジェット法などにより多孔質絶縁部１４０を構成する絶縁材料を含有するペーストを多孔質半導体層上に塗布してから焼成する方法であってもよいし、焼成の代わりにゾル−ゲル法または電気化学的な酸化還元反応を利用した方法などを行なってもよい。これらの方法の中で、多孔質絶縁部１４０を低コストで形成できるという観点から、ペーストを用いたスクリーン印刷法が特に好ましい。
続いて、多孔質絶縁部１４０上からセル間絶縁部１８０上に亘って絶縁性接合部１４１を設ける。絶縁性接合部１４１の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法が挙げられる。具体的には、スクリーン印刷法またはインクジェット法などにより絶縁性接合部１４１を構成する絶縁材料を含有するペーストを多孔質絶縁部１４０上およびセル間絶縁部１８０上に塗布してから焼成する方法であってもよいし、焼成の代わりにゾル−ゲル法または電気化学的な酸化還元反応を利用してもよい。これらの方法の中で、多孔質絶縁部１４０を低コストで形成できるという観点から、ペーストを用いたスクリーン印刷法が特に好ましい。
続いて、多孔質絶縁部１４０上および絶縁性接合部１４１上に第２電極１６０を形成する。第２電極１６０の形成方法は、特に限定されず、蒸着法または印刷法などであればよい。蒸着法により第２電極１６０を作製すると、第２電極１６０自体が多孔質になるため、色素溶液またはキャリア輸送材料が移動可能な孔を別途、第２電極１６０に形成しなくてよい。なお、この孔を第２電極１６０に形成する場合には、レーザー光照射により第２電極１６０を部分的に蒸発させる方法を用いることが好ましい。
次に、第２電極１６０の表面に保護膜１７０を形成する。保護膜の形成方法は特に限定されず、第２電極１６０の表面の少なくとも一部に保護膜を形成可能な方法であればよい。
具体的には、金属酸化物からなる保護膜を形成する方法としては、第２電極１６０を加熱することにより表面に金属酸化物を形成させる方法、金属イオンおよび金属アルコキシドなどを含む溶液を第２電極１６０に塗布した後、第２電極１６０を加熱する方法、加熱した第２電極１６０に金属イオンおよび金属アルコキシドなどを含む溶液を塗布する方法などが挙げられる。
これらの金属酸化物からなる保護膜の形成方法の中では、プロセスの容易性から、第２電極１６０を加熱して表面を酸化させることにより金属酸化物を形成する方法が好ましい。この場合、形成される金属酸化物は、第２電極を構成する金属の酸化物となる。なお、保護膜を形成するための加熱条件については、温度、時間、雰囲気などを目的に応じて適宜選択することができる。
また、有機化合物からなる保護膜を形成する方法としては、有機化合物を溶解させた溶液に第２電極１６０を浸漬して乾燥させることにより保護膜を形成する方法、加熱した第２電極１６０に有機化合物を溶解させた溶液を塗布する方法などが挙げられる。なお、第２電極１６０を溶液に浸漬させる際には、基板ごと溶液に浸漬させてよい。
続いて、多孔質半導体層に色素を吸着させる。色素の吸着方法としては、たとえば色素が溶解された溶液(色素吸着用溶液)に多孔質半導体層を浸漬する方法が挙げられる。色素を溶解させる溶剤としては、色素を溶解可能な溶剤であることが好ましく、具体的には、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトニトリルなどの窒素化合物類、クロロホルムなどのハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチルなどのエステル類、または水などが挙げられる。これらの溶剤を２種類以上混合して用いてもよい。
色素吸着用溶液中の色素濃度は、使用する色素および溶剤の種類により適宜調整することができる。しかし、多孔質半導体層への色素の吸着機能を向上させるためには、この色素濃度は、できるだけ高濃度である方が好ましく、たとえば５×１０-4モル／リットル以上であることが好ましい。
続いて、絶縁性封止部１９０を所定の位置に設ける。具体的には、まず、透光性基板１１０上に形成された積層体(積層体は、光電変換部１３０、多孔質絶縁部１４０および第２電極１６０が積層されて構成されたもの)の周囲を囲う形に熱融着フィルムまたは紫外線硬化樹脂などを切り出して、絶縁性封止部１９０を作製する。
絶縁性封止部１９０の材料としてシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、またはガラスフリットを使用する場合には、ディスペンサーにより絶縁性封止部１９０のパターンを形成することができる。絶縁性封止部１９０の材料としてホットメルト樹脂を使用する場合には、ホットメルト樹脂からなるシート部材にパターニングした穴を開けることにより、絶縁性封止部１９０を形成することができる。
このようにして形成された絶縁性封止部１９０を、透光性基板１１０とカバー部１１１とを貼り合わせるように、透光性基板１１０上の第１電極１２０とカバー部１１１との間に配置する。そして、加熱または紫外線照射により、絶縁性封止部１９０と透光性基板１１０およびカバー部１１１とを固定する。
続いて、カバー部１１１に予め設けてあった注入用孔からキャリア輸送材料を注入する。絶縁性封止部１９０の内側であって第１電極１２０とカバー部１１１とで挟まれた部分にキャリア輸送材料を充填した後、紫外線硬化樹脂を用いて注入用孔を封止する。キャリア輸送材料の充填により、第２電極１６０上にはキャリア輸送部１１が形成され、またキャリア輸送材料が光電変換部１３０および多孔質絶縁部１４０に保持される。これにより、図１〜３に示す光電変換素子１００が製造される。
以下、本発明の実施形態２に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態２)
図４は、本発明の実施形態２に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。図５は、図４の光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印Ｖ方向から見た平面図である。図５においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図５には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図４，５に示すように、本発明の実施形態２に係る光電変換素子１００ａにおいては、１つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の短辺同士を繋ぐように直線状に設けられ、光電変換部１３０の短辺の２等分線２上に位置している。
図４に示すように、本実施形態においては、１つの絶縁性接合部１４１は、多孔質絶縁部１４０の上面に設けられている。１つの絶縁性接合部１４１は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
１つの絶縁性接合部１４１を第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、多孔質絶縁部１４０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
本実施形態においては、１つの絶縁性接合部１４１を、キャリア輸送材料の注入方向１に平行な直線状に設けることによって、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態３に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態３)
図６は、本発明の実施形態３，４に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。図７は、図６の本発明の実施形態３に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＶＩＩ方向から見た平面図である。図７においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図７には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図６，７に示すように、本発明の実施形態３に係る光電変換素子１００ｂにおいては、２つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の短辺同士を繋ぐように互いに平行に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１は、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。
図６に示すように、本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１は、多孔質絶縁部１４０の上面に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
２つの絶縁性接合部１４１を第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、多孔質絶縁部１４０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１を、キャリア輸送材料の注入方向１に平行な直線状に設けることによって、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態４に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態４)
図８は、図６の本発明の実施形態４に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＶＩＩＩ方向から見た平面図である。図８においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図８には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図６，８に示すように、本発明の実施形態４に係る光電変換素子１００ｃにおいては、複数の絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の長辺の各々に沿って間隔を置いて位置している。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、平面視にて、セル間絶縁部１８０上から、光電変換部１３０の中央側に向かうに従ってキャリア輸送材料の注入方向１の先端側に位置するように傾斜している。複数の絶縁性接合部１４１は、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。
本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０の上面からセル間絶縁部１８０の上面に亘って設けられている。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
複数の絶縁性接合部１４１をセル間絶縁部１８０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、セル間絶縁部１８０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
なお、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、第１電極１２０と接触していてもよい。この場合、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０の上面から第１電極１２０の上面に亘って設けられている。複数の絶縁性接合部１４１を第１電極１２０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１および第１電極１２０を通じて第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１を、上記のように傾斜するように設けることによって、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
ここで、上記の実施形態１〜４に係る実施例１〜４の光電変換素子および比較例１の光電変換素子の各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例１について説明する。なお、非剥離率は、光電変換素子にて第２電極の剥離が発生した確率である。
(実験例１)
実験例１においては、実施例１〜４および比較例１に係る光電変換素子を下記のように作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した。
＜実施例１＞
＜光電変換素子の作製＞
ガラスからなる透光性基板１１０上に第１電極１２０を構成するＳｎＯ2からなる透明導電層が形成された透明電極基板(日本板硝子株式会社製、ＳｎＯ2膜付ガラス)を用意した。透明電極基板の透明導電層の一部(幅が２００μｍ)をレーザースクライブにより切断した。
次に、セル間絶縁部１８０のパターン(図２，３に示す配置となるように、７ｍｍ×５４ｍｍの矩形状開口部に５ｍｍ×５０ｍｍの閉口部を含む)を有するスクリーン版と、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型番：ＬＳ−３４ＴＶＡ)とを用いて、第１電極１２０上に市販のガラスペースト(ノリタケ社製、平均粒径は１８ｎｍ)を塗布し、室温で１時間レベリングした。その後、得られた塗膜を８０℃に設定したオーブンで２０分間乾燥してから、５００℃に設定した焼成炉(株式会社デンケン製、型番：ＫＤＦ Ｐ−１００)を用いて空気中で６０分間焼成した。
次に、５ｍｍ×５０ｍｍの開口部を有するスクリーン版を用いて、ガラスペーストと同様に市販の酸化チタンペースト(Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社製、商品名：Ｄ／ＳＰ)を塗布し、室温で１時間レベリングした。その後、得られた塗膜を８０℃に設定したオーブンで２０分間乾燥してから、５００℃に設定した焼成炉を用いて空気中で６０分間焼成した。この酸化チタンペーストの塗布および焼成を各３回ずつ繰り返した後、粒径の大きい(平均粒径が１００ｎｍ)の市販の酸化チタンペースト(Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社製、商品名：Ｒ／ＳＰ)を用いて同様の条件で塗布、レベリング、乾燥および焼成することにより、膜厚２５μｍの多孔質半導体層を得た。
次に、パターン(５.１ｍｍ×５０.１ｍｍの開口部を含む)を有するスクリーン版とスクリーン印刷機とを用いて、多孔質半導体層上にジルコニア粒子(平均粒経５０ｎｍ)を含むペーストを塗布し、室温で１時間レベリングした。その後、得られた塗膜を８０℃に設定したオーブンで２０分間乾燥してから、５００℃に設定した焼成炉を用いて空気中で６０分間焼成した。これにより、膜厚５μｍの多孔質絶縁部１４０、および、図２，３に示す形状を有する膜厚１３μｍのパターン化された絶縁性接合部１４１を得た。
絶縁性接合部１４１が設けられた多孔質絶縁部１４０上に、多孔質絶縁部１４０と同じ平面形状となるように５ｍｍ×５０ｍｍの開口部を有するマスクを設置して、蒸着機(アルバック社製、機種名：ｅｉ−５)を用い、白金を０．１Å／Ｓの蒸着速度で蒸着させて約５ｎｍの厚さの触媒層１５０を形成した。
その後、触媒層１５０が形成された多孔質絶縁部１４０上、および、他の光電変換素子１００の透明導電層(第１電極１２０)上に、蒸着機を用いて、チタンを０．１Å／Ｓの蒸着速度で蒸着させて、約２μｍの厚さの第２電極１６０を形成した。
第２電極１６０は、第１電極１２０との短絡を防ぐために、セル間絶縁部１８０の長手方向の長さ(５４ｍｍ)未満で、セル間絶縁部１８０に接する面積ができる限り多くなるように形成されるのが好ましい。仮に、第１電極１２０と第２電極１６０とが短絡した場合は、レーザースクライブなどの方法で第２電極１６０の一部を除去することによりリワークすることができる。
なお、実施例１に係る光電変換素子においては、第１電極１２０と第２電極１６０との短絡の可能性を低減し、リワークを容易に行なえるようにするために、第２電極１６０を、セル間絶縁部１８０の４つの角部のうちのスクライブライン１０から最も離れて位置する２つの角部から０．６ｍｍだけスクライブライン１０側に位置する２点を起点にして、スクライブライン１０側に向けて、スクライブライン１０の中央位置から１５ｍｍだけスクライブライン１０を超えて離れた位置まで形成した(２０．５ｍｍ×５２．８ｍｍの矩形状)。
濃度が４×１０-4モル／リットルとなるように上記化学式(１)の色素(Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社製、商品名：Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ６２０ １Ｈ３ＴＢＡ)を、体積比が１：１であるアセトニトリル(アルドリッチ社製)とｔ−ブチルアルコール(アルドリッチ社製)との混合溶剤に溶解させて、色素吸着用溶液を調製した。
次に、これらの積層体が形成された基板を、色素吸着用溶液に積層体を約４０℃で２０時間浸漬した。その後、積層体をエタノール(アルドリッチ社製)で洗浄した後、乾燥させた。これにより、多孔質半導体層に色素を吸着させた。
電解液は、３−メトキシプロピオニトリル(アルドリッチ社製)に、０．１５モル／リットルの濃度のヨウ素(アルドリッチ社製)、０．８モル／リットルの濃度のジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(四国化成工業社製)、０．５モル／リットルの濃度の３−メチルピラゾール(アルドリッチ社製)、０．１モル／リットルの濃度のヨウ化リチウム、０．１モル／リットルの濃度のチオシアン酸グアニジンを溶解させて作製した。
なお、高い変換効率が得られ、色素増感太陽電池において現段階で一般的なレドックス対であるヨウ素レドックスを用いたが、非腐食性のフェリシニウム／フェロセン、またはＣｏ 2+ ／Ｃｏ 3+ ポリピリジル複合体などの非ヨウ素系レドックス対を用いたとしても、電解液の注入時の流動抵抗の増加を抑制することができる。
次に、１３ｍｍ×７５ｍｍの大きさのガラス基板(Ｃｏｒｎｉｎｇ７０５９)からなるカバー部１１１に、紫外線硬化材(スリーボンド社製、型番：３１Ｘ−１０１)を塗布し、積層体が形成された透明電極基板とカバー部１１１とを貼り合せた。紫外線照射ランプ(ＥＦＤ社製、Ｎｏｖａｃｕｒｅ)を用いて、紫外線硬化剤の塗布部分に紫外線を照射することにより、透明電極基板とカバー部１１１とを互いに固定した。
次に、カバー部１１１に予め形成されていた電解液注入用孔から、電解液を注入した。透明電極基板とカバー部１１１と絶縁性封止部１９０とで形成される空間内に電解液が充填された後、紫外線硬化樹脂(スリーボンド社製、型番：３１Ｘ−１０１)を用いて電解液注入用孔を封止した。これにより、光電変換素子(単セル)が完成した。
得られた光電変換素子の透明電極基板上にＡｇペースト(藤倉化成株式会社製、商品名：ドータイト)を塗布して集電電極部を形成した。以上のようにして、実施例１の光電変換素子を作製した。
＜実施例２＞
実施例２においては、絶縁性接合部１４１を図４，５に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例３＞
実施例３においては、絶縁性接合部１４１を図６，７に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例４＞
実施例４においては、絶縁性接合部１４１を図６，８に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜比較例１＞
図９は、比較例１に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図９においては、多孔質絶縁部１４０およびセル間絶縁部１８０のみ図示している。また、図９には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。比較例１においては、絶縁性接合部１４１を形成しないこと以外は実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜評価方法および結果＞
実施例１〜４および比較例１の光電変換素子に１ｋＷ／ｍ2の強度の光(ＡＭ１．５ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。なお、光電変換効率は、短絡電流値Ｉｓｃの値を光電変換素子のアパチャーエリア(光電変換素子の外枠を結んで囲むエリア)の面積で除したものに、開放電圧(Ｖｏｃ)およびフィルファクタ(ＦＦ)を乗じたものとした。
表１は、実施例１〜４および比較例１の各々における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１のパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１が占める面積、絶縁性接合部１４１の占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。なお、絶縁性接合部１４１の占有率は、全ての絶縁性接合部１４１のパターンの面積を多孔質絶縁部１４０上およびセル間絶縁部１８０上に位置している第２電極１６０の面積で除した値である。光電変換素子の評価は、比較例１の光電変換素子よりも優れている場合をｇｏｏｄ、比較例１の光電変換素子と同等である場合をｓａｍｅ、比較例１の光電変換素子よりも劣っている場合をｂａｄで示している。
Figure 0006594313
表１に示すように、光電変換効率は、実施例１〜４に係る光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。このことから、平面視にて、光電変換部１３０と絶縁性接合部１４１との重なる面積が小さい場合は、光電変換効率への影響がほとんど無いことが確認できた。非剥離率は、絶縁性接合部１４１同士の間隔が最も狭い実施例２が最も低かったが、実施例１〜４に係る光電変換素子はいずれも比較例１に係る光電変換素子より低かった。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、キャリア輸送材料の流動抵抗が比較的大きい実施例４に係る光電変換素子は比較例１に係る光電変換素子より大きかったが、実施例１〜３に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。
以下、本発明の実施形態５に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態５)
図１０は、本発明の実施形態５に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１０においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１０には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図１０に示すように、本発明の実施形態５に係る光電変換素子においては、１つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の短辺同士を繋ぐように直線状に設けられ、光電変換部１３０の短辺の２等分線２とはずれて位置している。
本実施形態においては、１つの絶縁性接合部１４１は、多孔質絶縁部１４０の上面に設けられている。１つの絶縁性接合部１４１は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
１つの絶縁性接合部１４１を第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、多孔質絶縁部１４０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
本実施形態においては、１つの絶縁性接合部１４１を、キャリア輸送材料の注入方向１に平行な直線状に設けることによって、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態６に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態６)
図１１は、本発明の実施形態６に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１１においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１１には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図１１に示すように、本発明の実施形態６に係る光電変換素子においては、複数の絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の長辺と斜めに交差して光電変換部１３０の長辺同士を結ぶストライプ状に設けられている。
本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０の上面からセル間絶縁部１８０の上面に亘って設けられている。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
複数の絶縁性接合部１４１をセル間絶縁部１８０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、セル間絶縁部１８０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態７に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態７)
図１２は、本発明の実施形態７に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１２においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１２には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図１２に示すように、本発明の実施形態７に係る光電変換素子においては、複数の絶縁性接合部１４１は、平面視にて、光電変換部１３０の長辺の各々に沿って間隔を置いて位置している。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、平面視にて、セル間絶縁部１８０の外周上に中心を有する半円形の外形を有している。複数の絶縁性接合部１４１は、平面視にて、ジグザグ状に位置している。
本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０の上面からセル間絶縁部１８０の上面に亘って設けられている。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
複数の絶縁性接合部１４１をセル間絶縁部１８０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、セル間絶縁部１８０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
ここで、上記の実施形態５〜７に係る実施例５〜７の光電変換素子および比較例１の光電変換素子の各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例２について説明する。
(実験例２)
実験例２においては、実施例５〜７に係る光電変換素子を実施例１と同様に作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して実験例１と同様に評価した。
＜実施例５＞
実施例５においては、絶縁性接合部１４１を図１０に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例６＞
実施例６においては、絶縁性接合部１４１を図１１に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例７＞
実施例７においては、絶縁性接合部１４１を図１２に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
表２は、実施例５〜７の各々における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１のパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１が占める面積、絶縁性接合部１４１の占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。
Figure 0006594313
表２に示すように、光電変換効率は、実施例５〜７に係る光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。このことから、平面視にて、光電変換部１３０と絶縁性接合部１４１との重なる面積が小さい場合は、光電変換効率への影響がほとんど無いことが確認できた。非剥離率は、実施例５〜７に係る光電変換素子はいずれも比較例１に係る光電変換素子より非剥離率が低かった。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、キャリア輸送材料の流動抵抗が比較的大きい実施例６に係る光電変換素子は比較例１に係る光電変換素子より大きかったが、実施例５，７に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。
ここで、実施例２，３に係る光電変換素子および比較例１に係る光電変換素子とは光電変換部の短辺の長さのみそれぞれ異なる、実施例８，９に係る光電変換素子および比較例２に係る光電変換素子の各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例３について説明する。実施例８，９に係る光電変換素子および比較例２に係る光電変換素子の各々においては、光電変換部１３０の短辺の長さは、１０ｍｍである。
(実験例３)
実験例３においては、実施例８，９および比較例２に係る光電変換素子を実施例１と同様に作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して実験例１と同様に評価した。
＜実施例８＞
図１３は、実施例８に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１３においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１３には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。実施例８においては、絶縁性接合部１４１を図１３に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例９＞
図１４は、実施例９に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１４においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１４には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。実施例９においては、絶縁性接合部１４１を図１４に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜比較例２＞
図１５は、比較例２に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１５においては、多孔質絶縁部１４０およびセル間絶縁部１８０のみ図示している。また、図１５には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。比較例２においては、絶縁性接合部１４１を形成しないこと、および、光電変換部１３０の短辺の長さを１０ｍｍとした点以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
表３は、実施例８，９および比較例２の各々における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１のパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１が占める面積、絶縁性接合部１４１の占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。
Figure 0006594313
表３に示すように、光電変換効率は、実施例８，９に係る光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子と同様であり、比較例２に係る光電変換素子は比較例１に係る光電変換素子より低下した。比較例２に係る光電変換素子の光電変換効率が低下した理由は、光電変換部１３０を電子が流れる距離が増加したことによりＦＦが低下したためである。非剥離率は、実施例８，９に係る光電変換素子はいずれも比較例１に係る光電変換素子より低かった。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、実施例８，９に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。
ここで、実施例９に係る光電変換素子とは絶縁性接合部の幅のみそれぞれ異なる、実施例１０〜１２に係る光電変換素子に係る光電変換素子の各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例４について説明する。
(実験例４)
実験例４においては、実施例１０〜１２に係る光電変換素子を実施例１と同様に作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して実験例１と同様に評価した。
＜実施例１０＞
図１６は、実施例１０に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１６においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１６には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。実施例１０においては、絶縁性接合部１４１を図１６に示す配置として、１本の絶縁性接合部１４１の幅を０．０９ｍｍになるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例１１＞
図１７は、実施例１１に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１７においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１７には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。実施例１１においては、絶縁性接合部１４１を図１７に示す配置として、１本の絶縁性接合部１４１の幅を０．１８ｍｍになるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例１２＞
図１８は、実施例１２に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図１８においては、多孔質絶縁部１４０およびセル間絶縁部１８０のみ図示している。また、図１８には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。実施例１２においては、絶縁性接合部１４１を図１８に示す配置として、１本の絶縁性接合部１４１の幅を０．３ｍｍになるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
表４は、実施例１０〜１２の各々における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１のパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１が占める面積、絶縁性接合部１４１の占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。
Figure 0006594313
表４に示すように、光電変換効率は、実施例１０，１１に係る光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子と同様であり、実施例１２に係る光電変換素子は比較例１に係る光電変換素子より低下した。このことから、絶縁性接合部１４１の占有率が３０％以下であれば、光電変換効率への影響が大きくないことが確認できた。非剥離率は、実施例１０〜１２に係る光電変換素子はいずれも比較例１に係る光電変換素子より低かった。よって、実施例８〜１２に係る光電変換素子のように光電変換部１３０の短辺の長さが１０ｍｍ以下の場合、絶縁性接合部１４１の占有率が８％以上であれば非剥離率を低減できることが確認できた。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、実施例１０〜１２に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子より大きかった。
以下、本発明の実施形態８に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態８)
図１９は、本発明の実施形態８に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。図２０は、図１９の光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＸＸ方向から見た平面図である。図１９においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図１９には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図１９，２０に示すように、本発明の実施形態８に係る光電変換素子１００ｄにおいては、４つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の長辺と斜めに交差して光電変換部１３０の長辺同士を結ぶストライプ状に設けられている。
本実施形態においては、複数の絶縁性接合部１４１の各々は、保護膜１７０の上面からセル間絶縁部１８０の上面に亘って設けられている。すなわち、複数の絶縁性接合部１４１の各々において、絶縁性接合部１４１の一部が、第２電極１６０の平板部１６１上に位置している。複数の絶縁性接合部１４１の各々は、保護膜１７０を挟んで第２電極１６０の平板部１６１と間接的に接触している。
本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、多孔質絶縁部１４０および第２電極１６０を設けた後で、絶縁性接合部１４１を設けること以外は、実施形態１に係る光電変換素子１００の製造方法と同様である。
第２電極１６０上に、第２電極１６０より熱膨張率の低い絶縁性接合部１４１を設けることにより、第２電極１６０の熱収縮を抑えることができる。複数の絶縁性接合部１４１をセル間絶縁部１８０および第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、セル間絶縁部１８０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態９に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンのみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態９)
図２１は、本発明の実施形態９に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図２１においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図２１には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図２１に示すように、本発明の実施形態９に係る光電変換素子においては、２つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の一方の短辺から他方の短辺に向けて延びるように互いに平行に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１の各々は、平面視にて、光電変換部１３０の一方の短辺とのみ繋がっている。２つの絶縁性接合部１４１は、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。
本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１は、多孔質絶縁部１４０の上面に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
２つの絶縁性接合部１４１を第２電極１６０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１、多孔質絶縁部１４０および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。
本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１を、キャリア輸送材料の注入方向１に平行な直線状に設けることによって、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
ここで、上記の実施形態８，９に係る実施例１３，１４の光電変換素子および比較例３の光電変換素子の各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例５について説明する。実施例１３，１４に係る光電変換素子および比較例３に係る光電変換素子の各々においては、光電変換部１３０の短辺の長さは、５ｍｍである。
(実験例５)
実験例５においては、実施例１３，１４に係る光電変換素子および比較例３の光電変換素子を実施例１と同様に作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して実験例１と同様に評価した。
＜実施例１３＞
実施例１３においては、絶縁性接合部１４１を図１９，２０に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例１４＞
実施例１４においては、絶縁性接合部１４１を図２１に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜比較例３＞
図２２は、比較例３に係る光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを示す平面図である。図２２においては、多孔質絶縁部１４０およびセル間絶縁部１８０のみ図示している。また、図２２には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。比較例３においては、２つの絶縁性接合部１４１ｂが、平面視にて、光電変換部１３０の一方の短辺から他方の短辺に向けて延びるように互いに平行に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１の各々は、平面視にて、光電変換部１３０の両短辺と繋がっていない。２つの絶縁性接合部１４１ｂは、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。比較例３においては、絶縁性接合部１４１ｂを図２２に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
表５は、実施例１３，１４および比較例３の各々における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１，１４１ｂのパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１，１４１ｂが占める面積、絶縁性接合部１４１，１４１ｂの占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。
Figure 0006594313
表５に示すように、光電変換効率は、実施例１３に係る光電変換素子が比較例１に係る光電変換素子より高く、実施例１４および比較例３に係る光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。非剥離率は、比較例３に係る光電変換素子は比較例１に係る光電変換素子と同様であったが、実施例１３，１４に係る光電変換素子はいずれも比較例１に係る光電変換素子より低かった。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、第２電極１６０とカバー部１１１との間に絶縁性接合部１４１が位置することによりキャリア輸送材料の流動抵抗が比較的大きい実施例１３に係る光電変換素子は比較例１に係る光電変換素子より大きかったが、実施例１４および比較例３に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。
なお、第２電極１６０がＴｉで形成されている場合は、保護膜１７０の厚さが３００Å以上４００Å以下の範囲までは、絶縁性接合部１４１と第２電極１６０との間に保護膜１７０が位置していても、第２電極１６０の剥離を抑制できた。
以下、本発明の実施形態１０に係る光電変換素子について説明する。なお、本実施形態に係る光電変換素子は、絶縁性接合部のパターンおよび配置のみ実施形態１に係る光電変換素子１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態１０)
図２３は、本発明の実施形態１０に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。図２４は、図２３の光電変換素子の絶縁性接合部の平面視におけるパターンを矢印ＸＸＩＶ方向から見た平面図である。図２４においては、多孔質絶縁部１４０、セル間絶縁部１８０および絶縁性接合部１４１のみ図示している。また、図２４には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。
図２３，２４に示すように、本発明の実施形態１０に係る光電変換素子１００ｅにおいては、２つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の短辺同士を繋ぐように互いに平行に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１は、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。
図２３に示すように、本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１の各々は、多孔質絶縁部１４０を貫通して光電変換部１３０の内部に到達するように設けられている。すなわち、多孔質絶縁部１４０は、光電変換部１３０と接触している。２つの絶縁性接合部１４１は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
本実施形態に係る光電変換素子の製造方法では、光電変換部１３０を設ける工程において、粒径の大きな粒子を含む４回目の酸化チタンペーストの印刷の際に、絶縁性接合部１４１の形成位置に対応する位置が閉口したスクリーンを用いて多孔質半導体層を設ける。同様に、縁性接合部１４１の形成位置に対応する位置が閉口したスクリーンを用いて多孔質絶縁部１４０を設ける。さらに、図２４に示すパターンが開口したスクリーンを用いて絶縁性接合部１４１を設ける。その後、第２電極１６０を設ける。本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、これらの工程以外は、実施形態１に係る光電変換素子１００の製造方法と同様である。
２つの絶縁性接合部１４１を第２電極１６０および光電変換部１３０に接触させることにより、絶縁性接合部１４１および光電変換部１３０を通じて、第２電極１６０の透光性基板１１０に対する接合強度を高くすることができる。よって、第２電極１６０の剥離の発生を抑制することができる。特に、光電変換部１３０の内部において、相対的に小さい粒子からなる多孔性半導体層と接するように絶縁性接合部１４１を設けることによって、光電変換部１３０と絶縁性接合部１４１との接合力を高くすることができる。
本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１を、キャリア輸送材料の注入方向１に平行な直線状に設けることによって、キャリア輸送材料の流動抵抗の増加を抑制している。その結果、キャリア輸送材料の注入時間の増加を抑制することができる。
ここで、上記の実施形態１０に係る実施例１５の光電変換素子、および、実施例１２に係る光電変換素子とは光電変換部の短辺の長さのみ異なる実施例１６に係る光電変換素子に係る光電変換素子の各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例６について説明する。実施例１５，１６に係る光電変換素子光電変換素子の各々においては、光電変換部１３０の短辺の長さは、５０ｍｍである。
(実験例６)
実験例６においては、実施例１５，１６に係る光電変換素子を実施例１と同様に作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して実験例１と同様に評価した。
＜実施例１５＞
実施例１５においては、絶縁性接合部１４１を図２３，２４に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
＜実施例１６＞
図２５は、実施例１６に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。図２６は、図２５の光電変換素子の絶縁性接合部のパターンを矢印ＸＸＶＩ方向から見た平面図である。図２６においては、多孔質絶縁部１４０およびセル間絶縁部１８０のみ図示している。また、図２６には、キャリア輸送材料の注入方向１、および、光電変換部１３０の短辺の２等分線２を図示している。実施例１６においては、絶縁性接合部１４１を図２５，２６に示す配置となるように形成した以外は、実施例１に準じて光電変換素子を作製した。
図２５，２６に示すように、実施例１６に係る光電変換素子１００ｆにおいては、２つの絶縁性接合部１４１が、平面視にて、光電変換部１３０の短辺同士を繋ぐように互いに平行に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１は、平面視にて、２等分線２に対して線対称に位置している。
図２５に示すように、本実施形態においては、２つの絶縁性接合部１４１は、多孔質絶縁部１４０の上面に設けられている。２つの絶縁性接合部１４１は、第２電極１６０の平板部１６１と接触している。
表６は、実施例１５，１６の各々における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１のパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１が占める面積、絶縁性接合部１４１の占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。
Figure 0006594313
表６に示すように、光電変換効率は、実施例１５，１６に係る光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子より低下した。実施例１５に係る光電変換素子の光電変換効率が低下した理由は、絶縁性接合部１４１が光電変換部１３０の内部に達するように設けられたことにより、多孔質半導体層の体積が減少して多孔質半導体層の色素吸着量が減少したためである。
非剥離率は、実施例１５，１６に係る光電変換素子はいずれも比較例１に係る光電変換素子より低かった。ただし、実施例１６に係る光電変換素子１００ｆにおいては、第２電極１６０の剥離は認められなかったが、第１電極１２０での剥離が認められた。実施例１５に係る光電変換素子１００ｅにおいては、第１電極１２０および第２電極１６０の両方の剥離が認められなかった。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、実施例１５，１６に係る光電変換素子は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。
以下、上記の実施形態１〜１０のいずれかの光電変換素子を含む、本発明の実施形態１１に係る光電変換素子モジュールについて説明する。
(実施形態１１)
＜光電変換素子モジュール＞
図２７は、本発明の実施形態１１に係る光電変換素子モジュールの外観を示す平面図である。図２８は、本発明の実施形態１１に係る光電変換素子モジュールの構成を示す断面である。図２７においては、本発明の実施形態１１に係る光電変換素子モジュール２００の透光性基板１１０および光電変換部１３０のみ図示している。図２８においては、実施形態３に係る光電変換素子を含む場合の光電変換素子モジュールの断面図を図示している。図２７，２８においては、光電変換部の短辺の長さＳ、および、光電変換部の長辺の長さＬを図示している。図２８においては、実施形態３に係る光電変換素子を含む場合の光電変換素子モジュールの断面図を図示している。
図２７，２８に示すように、光電変換素子モジュール２００においては、上記の実施形態１〜１０のいずれかの７つの光電変換素子が直列接続されている。詳細には、１枚の透光性基板１１０上に８つの第１電極１２０がスクライブライン１０を隔てて設けられている。各第１電極１２０上には、多孔質半導体層に色素などが吸着されて構成された光電変換部１３０、多孔質絶縁部１４０、触媒層１５０、第２電極１６０、およびキャリア輸送部１１が設けられている。スクライブライン１０上にはセル間絶縁部１８０が設けられている。
このような光電変換素子モジュール２００では、隣り合う光電変換素子のうちの一の光電変換素子の第２電極１６０はセル間絶縁部１８０上を通って他の光電変換素子の第１電極１２０へ向かって延び、当該第１電極１２０に電気的に接続されている。これにより、隣り合う光電変換素子が直列に接続される。
図２７，２８に示すように、光電変換素子モジュール２００では、第２電極１６０上には、１枚のカバー部１１１が透光性基板１１０に対向して設けられており、透光性基板１１０とカバー部１１１との間には、絶縁性封止部１９０が設けられている。光電変換素子は、透光性基板１１０、カバー部１１１および絶縁性封止部１９０で囲まれた領域内に封入されている。
透光性基板１１０、カバー部１１１および絶縁性封止部１９０で囲まれた領域にはキャリア輸送材料が充填されてキャリア輸送部１１が形成されているが、互いに隣り合う光電変換素子は絶縁性封止部１９０により区画されているため、キャリア輸送材料が隣り合う光電変換素子の間を行き来することは防止されている。このように、絶縁性封止部１９０は、互いに隣り合う光電変換素子を区画する機能を有する。
光電変換素子モジュール２００においては、透光性基板１１０上のうち絶縁性封止部１９０の外側に集電電極が設けられていることが好ましく、この集電電極は両端に位置する光電変換素子の第１電極１２０に接していることが好ましい。これにより、電流を光電変換素子モジュール２００から外部へ容易に取り出すことが出来る。
なお、光電変換素子モジュール２００においては、当該光電変換素子モジュール２００を構成する光電変換素子の個数は７つに限定されない。また、複数の光電変換素子が互いに電気的に並列に接続されていてもよい。さらに、光電変換素子モジュール２００が光電変換素子を３つ以上含む場合には、互いに直列に接続された光電変換素子、および、互いに並列に接続された光電変換素子を光電変換素子モジュール２００が含んでいてもよい。また、光電変換素子モジュール２００においては、必ずしも上記構成を有する光電変換素子のみを含む場合に限られず、少なくとも上記構成を有する光電変換素子を１つ含んでいればよい。すなわち、光電変換素子モジュール２００が、上記構成とは異なる構成を有する光電変換素子を含んでいてもよい。
ここで、実施例９の光電変換素子が７つ直列に接続されて構成された実施例１７の光電変換素子モジュール、および、比較例２の光電変換素子が７つ直列に接続されて構成された比較例４に係る光電変換素子モジュールの各々について、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して評価した実験例７について説明する。
(実験例７)
実験例７においては、実施例１７に係る光電変換素子モジュールおよび比較例４に係る光電変換素子モジュールを実施例１と同様に作製して、光電変換効率、非剥離率、および、キャリア輸送材料の注入時間の増加率に関して実験例１と同様に評価した。
＜実施例１７＞
実施例１７においては、実施例９に係る光電変換素子を７つ直列に接続して実施例１７に係る光電変換素子モジュールを作製した。
＜比較例４＞
比較例４においては、比較例２に係る光電変換素子を７つ直列に接続して実施例１７に係る光電変換素子モジュールを作製した。
表７は、実施例１７および比較例４の各々の光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子における、光電変換部１３０の面積、絶縁性接合部１４１のパターンのサイズおよび数、全ての絶縁性接合部１４１が占める面積、絶縁性接合部１４１の占有率、並びに、光電変換素子の評価結果をまとめたものである。
Figure 0006594313
表７に示すように、光電変換効率は、比較例４に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子では、比較例１に係る光電変換素子より低下したが、実施例１７に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子では、比較例１に係る光電変換素子より高かった。比較例４に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子の光電変換効率が低下した理由は、目視可能な剥離に至らないマイクロクラックが多く存在することにより、触媒層１５０と光電変換部１３０とのギャップの増加、または、光電変換部１３０側への保護膜１７０の過剰形成が生じることによって、光電変換素子の等価直列抵抗が増加したことによる。実施例１７に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子の光電変換効率が高くなった理由は、絶縁性接合部１４１によって光電変換素子の光電変換効率のばらつきが抑制されたことによる。
非剥離率は、比較例４に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子では、比較例１に係る光電変換素子より高かったが、実施例１７に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子では、比較例１に係る光電変換素子より低かった。キャリア輸送材料の注入時間の増加率は、実施例１７および比較例４に係る光電変換素子モジュールに含まれる光電変換素子の各々は、比較例１に係る光電変換素子と同様であった。
実施形態１〜１０のいずれかに係る光電変換素子または実施形態１１に係る光電変換素子モジュールは、種々のシステムに組み込まれて様々なサービスに提供される。たとえば、光電変換素子モジュールは、駅のホームまたは入室規制のエリア境界において、接近者に注意を促す音を発する装置などの人感センサシステムに組み込まれて使用される。
人感センサシステムは、実施形態１〜１０のいずれかに係る光電変換素子または実施形態１１に係る光電変換素子モジュールと、電圧調整部とを含む電力発生部と、電力発生部で得られた電力で駆動する赤外線感知センサと、電力発生部で得られた電力で駆動し、赤外線感知センサで得られた信号を処理する信号処理部と、信号処理部で処理した信号を出力するインターフェースとを備えている。
他の例として、たとえば、光電変換素子モジュールは、ＦｅｌｉＣａ(登録商標)をカードキーとした電気錠付きの扉などの情報処理システムに組み込まれて使用される。
情報処理システムは、実施形態１〜１０のいずれかに係る光電変換素子または実施形態１１に係る光電変換素子モジュールと、電圧調整部とを含む電力発生部と、電力発生部で得られた電力で駆動する無線信号受信部と、電力発生部で得られた電力で駆動し、無線信号受信部で得られた信号を処理する信号処理部と、電力発生部で得られた電力で駆動し、信号処理部で処理した信号を出力する無線信号出力部と、無線信号出力部が出力した信号を受け取り、機械動作を実行する駆動部とを備える。
実施形態１〜１０のいずれかに係る光電変換素子または実施形態１１に係る光電変換素子モジュールを含む上記のシステムは、光電変換素子および光電変換素子モジュールにおける第２電極の剥離による不良率が低減されていることにより、システムの信頼性が向上されている。
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ スクライブライン、１１ キャリア輸送部、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ 光電変換素子、１１０ 透光性基板、１１１ カバー部、１２０ 第１電極、１３０ 光電変換部、１４０ 多孔質絶縁部、１４１，１４１ｂ 絶縁性接合部、１５０ 触媒層、１６０ 第２電極、１６１ 平板部、１６２ 曲折部、１７０ 保護膜、１８０ セル間絶縁部、１９０ 絶縁性封止部、２００ 光電変換素子モジュール。

Claims (5)

  1. 受光面を有する透光性基板と、
    前記透光性基板に対向して配置されるカバー部と、
    前記透光性基板の前記カバー部に対向する側の面上に形成された複数の第１電極と、
    前記複数の第１電極と前記カバー部との間に配置され、内側の空間を規定する枠状の絶縁性封止部と、
    前記空間内において前記複数の第１電極のうちの一の第１電極の上面に形成された光電変換部と、
    前記空間内において、前記光電変換部の上面および前記カバー部の下面の各々に対向する平板部および該平板部の端部から前記複数の第１電極のうちの前記一の第１電極に隣接する他の第１電極に向けて曲折した曲折部を含み、前記他の第１電極と電気的に接続された第２電極と、
    前記光電変換部の外周の少なくとも一部と接触し、前記第１電極と前記第２電極との間を絶縁するセル間絶縁部と、
    前記光電変換部と前記第２電極との間に位置し、かつ、一部が前記セル間絶縁部と接しており、前記光電変換部と前記第２電極との間を絶縁する多孔質絶縁部と、
    前記空間の内部に充填されたキャリア輸送部と、
    少なくとも一部が前記第２電極に覆われており、前記多孔質絶縁部と前記セル間絶縁部との界面の一部を覆いつつ前記セル間絶縁部と前記第２電極とを接合させる絶縁性接合部とを備える、光電変換素子。
  2. 前記絶縁性接合部が、前記第１電極と接触している、請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 前記絶縁性接合部が、前記光電変換部と接触している、請求項１に記載の光電変換素子。
  4. 前記絶縁性接合部の一部が、前記平板部上に位置する、請求項１または２に記載の光電変換素子。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の複数の光電変換素子が互いに電気的に直列または並列に接続されてなる、光電変換素子モジュール。
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