JP6694371B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
透明基板11を構成する材料は、例えば透明な材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、および、ポリエーテルスルフォン(PES)などが挙げられる。透明基板11の厚さは、光電変換素子100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば50〜10000μmの範囲にすればよい。
透明導電層12に含まれる材料としては、例えばスズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化スズ(SnO2)、フッ素添加酸化スズ(FTO)などの導電性金属酸化物が挙げられる。透明導電層12は、単層でも、異なる導電性金属酸化物を含む複数の層の積層体で構成されてもよい。透明導電層12が単層で構成される場合、透明導電層12は、高い耐熱性及び耐薬品性を有することから、FTOを含むことが好ましい。透明導電層12は、ガラスフリットをさらに含んでもよい。透明導電層12の厚さは例えば0.01〜2μmの範囲にすればよい。
酸化物半導体層13は、酸化物半導体粒子で構成される。酸化物半導体粒子は、例えば酸化チタン(TiO2)、酸化シリコン(SiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In3O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タリウム(Ta2O5)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)又はこれらの2種以上で構成される。
第1外部接続端子15a及び第2外部接続端子15bは金属材料を含む。金属材料としては、例えば銀、銅およびインジウムなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合せて用いてもよい。第1外部接続端子15a及び第2外部接続端子15bは例えば金属材料のみからなる焼結体で構成される。
接続端子16は金属材料を含む。接続端子16は、第1外部接続端子15a及び第2外部接続端子15bと同一の材料で構成されても異なる材料で構成されてもよいが、同一の材料で構成されることが好ましい。
集電配線17は金属材料を含む。集電配線17は第1外部接続端子15a及び第2外部接続端子15bと同一の材料で構成されても異なる材料で構成されてもよいが、同一の材料で構成されることが好ましい。
色素としては、例えばビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体、ポルフィリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などの光増感色素や、ハロゲン化鉛系ペロブスカイト結晶などの有機−無機複合色素などが挙げられる。ハロゲン化鉛系ペロブスカイトとしては、例えばCH3NH3PbX3(X=Cl、Br、I)が用いられる。ここで、色素として光増感色素を用いる場合には、光電変換素子100は色素増感光電変換素子となり、光電変換セル20は色素増感光電変換セルとなる。
保護層30は、配線−外部接続端子間領域102との短絡を防止するため、透明基板11側に樹脂材料(絶縁材料)からなる樹脂層を有していればよい。従って、保護層30は、樹脂材料からなる1つの樹脂層のみで構成されてもよいし、樹脂材料からなる複数の樹脂層の積層体で構成されてもよい。また保護層30は、樹脂層に対して透明基板11と反対側に金属層などをさらに有していてもよい。保護層30に含まれる樹脂材料は、絶縁性を有するものであれば特に限定されるものではない。樹脂材料としては、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリルウレタン樹脂及びポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂などが挙げられる。中でもポリイミド樹脂が好ましい。この場合、保護層30の下にある領域の隠蔽性に優れるとともに、より優れた絶縁性を保護層30に付与できる。
対向基板50は、上述したように、基板と電極とを兼ねる金属基板51と、触媒層52とを備える。
金属基板51は、金属で構成されればよいが、この金属は、不動態を形成し得る金属であることが好ましい。この場合、金属基板51が電解質80によって腐食されにくくなるため、光電変換素子100は、より優れた耐久性を有することが可能となる。不動態を形成し得る金属としては、例えばチタン、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ステンレス又はこれらの合金等が挙げられる。金属基板51の厚さは、光電変換素子100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば0.005〜0.1mmとすればよい。
触媒層52は、白金、炭素系材料又は導電性高分子などから構成される。ここで、炭素系材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブが好適に用いられる。
封止部60を構成する材料としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体等を含む変性ポリオレフィン樹脂、紫外線硬化樹脂、及び、ビニルアルコール重合体などの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
絶縁層70は絶縁材料で構成されていればよい。このような絶縁材料としては、樹脂や無機絶縁材料が挙げられるが、中でも、無機絶縁材料が好ましい。この場合、絶縁層70は封止部60の外周縁70cより内側で溝40だけでなく電極12A全体をも覆っており、無機材料は樹脂よりも高い封止能を有するため、溝40からの水分の侵入をより十分に抑制できる。無機絶縁材料としては、例えばガラスが挙げられる。
電解質80は、酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、バレロニトリル、ピバロニトリルなどを用いることができる。酸化還元対としては、ヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオン(例えばI−/I3 −)のほか、臭化物イオン(臭素イオン)/ポリ臭化物イオン、亜鉛錯体、鉄錯体、コバルト錯体などのレドックス対が挙げられる。なお、ヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオンは、ヨウ素(I2)と、アニオンとしてのアイオダイド(I−)を含む塩(イオン性液体や固体塩)とによって形成することができる。アニオンとしてアイオダイドを有するイオン性液体を用いる場合には、ヨウ素のみ添加すればよく、有機溶媒や、アニオンとしてアイオダイド以外のイオン性液体を用いる場合には、LiIやテトラブチルアンモニウムアイオダイドなどのアニオンとしてアイオダイド(I−)を含む塩を添加すればよい。
面積比(A/W)は0.029以上であれば特に制限されるものではないが、0.150以上であることが好ましい。この場合、光電変換素子100は、面積比(A/W)が0.150未満である場合に比べて、光電変換素子100がより優れた耐湿性を有することが可能となる。面積比(A/W)は0.180以上であることがより好ましい。
まず無アルカリガラスからなり、112mm×56mmの寸法を有する厚さ2.2mmの透明基板の上に、厚さ0.7μmのFTOからなる透明導電膜を形成してなる積層体を準備した。次に、図3に示すように、YAGレーザによって透明導電膜に溝40を形成し、透明導電層12を形成した。このとき、透明導電層12は、電極12A、第1電流取出し部12B、分離部12C及び第2電流取出し部12Dが形成されるように形成した。このとき、溝40の幅は0.1mmとした。また電極12Aは、54.4mm×104.5mmの四角形状となるように形成し、第2電流取出し部12Dは、電極12Aの一辺から延出し、四角形状となるように形成した。第2電流取出し部12Dの延出方向の長さは4.3mmとし、第2電流取出し部12Dの幅は27.2mmとした。
発電面積W及び導電部材接触面積Aの値を表1に示す通りにすることによりA/Wを表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
上記のようにして得られた実施例1〜10及び比較例1〜4の光電変換素子について、以下のようにして耐湿性及び温度変化に対する耐久性について評価した。
(耐湿性)
上記のようにして得られた実施例1〜10及び比較例1〜4の光電変換素子について、白色LEDから200ルクスの光を照射して発電性能(最大出力)W1を測定した。その後、JIS C 8938に準じた温湿度サイクル試験(−40/85℃85%RH)を行い、上記と同様にして光電変換素子について再度発電性能(最大出力)W2を測定した。このとき、温湿度サイクル試験は、室温→−40℃→85℃→室温を1サイクルとして10サイクル行った。なお、この温湿度サイクルにおいては、高温(85℃)において湿度を85%RHに設定した。また、発電性能の測定は、測定器の2端子を、光電変換素子の第1外部接続端子15a及び第2外部接続端子15bに接続して行った。そして、温湿度サイクル試験前後の最大出力の結果を用い、下記式に基づいて最大出力残率を算出した。結果を表1に示す。
最大出力残率(%)=100×W2/W1
なお、耐湿性の合格基準は以下の通りとした。
(合格基準) 温湿度サイクル試験後の最大出力残率が90%以上であること
上記のようにして得られた実施例1〜10及び比較例1〜4の光電変換素子について、白色LEDから200ルクスの光を照射して発電性能(最大出力)W3を測定した。その後、JIS C 8938に準じた温度サイクル試験(−40〜85℃)を行い、上記と同様にして光電変換素子について再度発電性能(最大出力)W4を測定した。このとき、温度サイクル試験は、室温→−40℃→85℃→室温を1サイクルとして200サイクル行った。また、発電性能の測定は、耐湿性評価の場合と同様にして行った。そして、温度サイクル試験前後の最大出力の結果を用い、下記式に基づいて最大出力残率を算出した。結果を表1に示す。
最大出力残率(%)=100×W4/W3
結果を表1に示す。
11b…セル設置面(一面)
12A…電極
13…酸化物半導体層
13a…酸化物半導体層の透明基板側の面
16…接続端子
20…光電変換セル
50…対向基板
51…金属基板
60…封止部
90…導電部材
90A…導電部材と金属基板との界面
100…光電変換素子
Claims (2)
- 透明基板と、
前記透明基板の一面上に設けられる少なくとも1つの光電変換セルとを備える光電変換素子であって、
前記光電変換セルが、
前記透明基板の前記一面上に設けられる電極と、
前記電極に対向する対向基板と、
前記電極及び前記対向基板の間に設けられる酸化物半導体層と、
前記透明基板および前記対向基板の間に設けられる環状の封止部とを有し、
前記対向基板が金属基板を有し、
前記光電変換セルの前記金属基板と、前記透明基板の前記一面側で且つ前記封止部の外側に設けられる接続端子とが導電部材によって接続され、
前記酸化物半導体層のうち前記透明基板側の面の面積W(単位:mm2)に対する、前記導電部材と前記金属基板との界面の面積A(単位:mm2)の面積比(A/W)が0.029以上である、光電変換素子。 - 前記導電部材が樹脂を含み、前記面積比(A/W)が0.620以下である、請求項1に記載の光電変換素子。
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