JP7410117B2 - 色素増感型太陽電池ユニット、色素増感型太陽電池ユニットを含む光起電力充電器および前記太陽電池ユニットの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感太陽電池ユニットに関する。本発明はさらに、色素増感太陽電池ユニットを含む電子機器の充電用に特別に適応された光起電力充電器に関する。
太陽電池は、光のエネルギーを電気に変換するために長い間使用されてきた。太陽電池パネルは、太陽光をエネルギー源として吸収して発電するために使用されている。太陽電池パネルは、直列に接続された複数の太陽電池を含んでいる。多数の太陽電池パネルがしばしば電力供給網への電気を生産するための大規模なソーラーパークに一緒に配置されている。
本発明の目的は、上記の問題点を少なくとも部分的に克服することであり、消費者用途の電子機器を充電するのに適した改良された色素増感太陽電池および光起電力充電器、特に電子機器の充電式電池を充電するのに適した改良された色素増感太陽電池および光起電力充電器を提供することである。
‐多孔質光吸収層を備えた作用電極と、
‐前記光吸収層から光生成電子を取り出すための導電性材料を含む多孔質第1導電層であって、前記光吸収層が前記第1導電層の上に配置された多孔質第1導電層と、
‐絶縁材料からなる多孔質絶縁層であって、前記多孔質絶縁層の一方の面に前記第1導電層が形成された前記多孔質絶縁層と、
‐前記多孔質絶縁層の反対面に形成された多孔質触媒導電層を備えた対向電極と、
‐前記対向電極から前記作用電極に電子を移動させるためのイオン性電解質であって、前記多孔質第1導電層、前記多孔質触媒導電層、および前記多孔質絶縁層の孔内に配置された前記イオン性電解質とを備え:
前記第1導電層は、前記導電性材料の表面に形成された絶縁性酸化物層を備え、前記多孔質触媒導電層は、導電性材料と、前記導電性材料から前記電解質への電子の移動を改善するために前記導電性材料中に分散した触媒粒子とを含む。
‐多孔質光吸収層を備えた作用電極と、
‐前記光吸収層から光生成電子を取り出すための導電性材料を含む第1導電層であって、前記光吸収層が前記第1導電層の上に配置された第1導電層と、
‐絶縁材料からなる多孔質絶縁層であって、前記多孔質絶縁層の一方の面に前記第1導電層が形成された多孔質絶縁層と、
‐i.導電性材料を含む第2導電層、および
ii.前記多孔質絶縁層および前記第2導電層の間に配置され、前記第2導電層と電気的に接触する多孔質触媒導電層を備えた対向電極と、
‐前記対向電極から前記作用電極に電子を移動させるために、前記第1導電層、前記触媒導電層、および前記多孔質絶縁層の孔内に配置されたイオン性電解質とを備え:前記第1導電層は、前記導電性材料の表面に形成された絶縁性酸化物層を備え、前記第2導電層は、実質的に非触媒性(essentially non-catalytic)であり、前記触媒性導電層は、導電性材料と、前記導電性材料から電解質への電子の移動を改善するために前記導電性材料中に分散した触媒粒子とを含む。
この方法は、
‐導電性粒子を含む第1インクを調製する工程と、
‐導電性粒子および触媒粒子の混合物を含む第2インクを調製する工程と、
‐多孔質絶縁基板を設ける工程と、
‐前記多孔質絶縁基板の第1面上に前記第1インクの第1層を堆積させる工程と、
‐前記多孔質絶縁基板の第2面上に前記第2インクの第2層を堆積させる工程と、
‐堆積層を有する前記多孔質絶縁基板を焼結して、前記第1層を多孔質の第1導電層に、前記第2層を多孔質の触媒導電層に変化させる工程と、
‐前記多孔質絶縁基板を、焼結した第1導電層とともに空気中で加熱して前記第1導電層の表面に酸化チタンを形成する工程と:
を有する。
本開示の態様は、以下、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。本明細書に開示される色素増感太陽電池ユニットおよび光起電力充電器は、しかしながら、多くの異なる形態で実現することができ、本明細書に記載される態様に限定されるものと解釈されるべきではない。図面中の同様の数字は、全体を通して同様の要素を指す。
2)導電性粒子および触媒粒子の混合物を含む第2インクを調製する工程。導電性粒子は、例えば、水素化チタン(TiH2)からなり、触媒粒子は、例えば、白金化炭素粒子である。
3)多孔質絶縁性基材、例えばガラス布を設ける工程。
4)例えば、多孔質絶縁基板の一面に水素化チタン粒子を含む第1インクを印刷することにより、多孔質絶縁基板の一面に導電性粒子を堆積させる工程。
5)その後、印刷された第1インクを空気中で乾燥させ、
6)例えば、多孔質絶縁基板のもう一方の面に水素化チタン粒子および白金化炭素粒子を含む第2インクを印刷して、多孔質絶縁基板のもう一方の面に触媒粒子および導電性粒子の混合物を堆積させる工程。
7)その後、印刷された第2インクを空気中で乾燥させ、
8)例えば、触媒粒子および導電性粒子の混合物の層の上に水素化チタン粒子を含む第1インクを印刷することによって、触媒導電性層の上に導電性粒子を堆積させる工程。
9)その後、印刷された第1インクを空気中で乾燥させ、
10)その後、印刷された層を有する多孔質絶縁基板を、例えば600℃で1時間、真空焼結する工程。焼結工程では、水素化チタンがチタンに変化する。その結果、焼結チタンを含む第1導電層、焼結チタンを含む第2導電層、および焼結チタンと、焼結チタン間の孔内に配置された白金化炭素粒子とを含む触媒導電層が焼結工程中に形成される。
11)焼結導電層を有する多孔質絶縁基板を空気中で加熱して、第1導電層の焼結チタンの表面に酸化チタンを形成する工程。
12)第1導電層の上にTiO2系インクが印刷され、次いで乾燥される工程。層を有するガラス布は、例えば600℃に加熱される。その結果、堆積したTiO2層が焼結される。
13)焼結TiO2層は、色素増感されて光吸収層を形成し、
14)イオン性電解質、例えば、ヨウ化物/三ヨウ化物(I-/I3)-系のレドックス電解質が多孔質層に浸透する工程。
15)太陽電池が、例えば、透明な封止体によって封止される工程。
Claims (16)
- ‐多孔質光吸収層(10)を備えた作用電極と、
‐前記多孔質光吸収層(10)から光生成電子を取り出すための第1導電性材料を含む多孔質第1導電層(12)であって、前記多孔質光吸収層(10)が前記多孔質第1導電層(12)の上に配置された前記多孔質第1導電層(12)と、
‐絶縁材料からなる多孔質絶縁層(105)であって、前記多孔質絶縁層(105)の一方の面に前記多孔質第1導電層(12)が形成された前記多孔質絶縁層(105)と、
‐前記多孔質絶縁層(105)の反対面に形成された多孔質触媒導電層(106;106’)を備えた対向電極と、
‐前記対向電極から前記作用電極に電子を移動させるためのイオン性電解質であって、前記多孔質第1導電層(12)、前記多孔質触媒導電層(106;106’)、および前記多孔質絶縁層(105)の孔内に配置された前記イオン性電解質とを備え、前記多孔質第1導電層(12)は、前記多孔質第1導電層(12)の表面に形成された絶縁性酸化物層(109)を備え、前記多孔質触媒導電層(106;106’)は、多孔質マトリックスを形成する第2導電性材料(107’)と、前記第2導電性材料(107’)から前記電解質への電子の移動を改善するために前記第2導電性材料(107’)の前記多孔質マトリックス中に分散した触媒粒子(107”)とを含み、
前記多孔質触媒導電層(106;106’)は、前記絶縁材料からなる多孔質基板(114)の第1の部分(114a)を含み、前記多孔質絶縁層(105)は、前記多孔質基板(114)の第2の部分(114b)を含み、
前記第2導電性材料(107’)は、前記多孔質基板(114)の前記第1の部分(114a)の絶縁材料を通して焼結によって互いに接着された非触媒性の導電性粒子のネットワークを含む前記多孔質マトリックスを形成し、
前記導電性粒子および前記触媒粒子(107”)は、前記多孔質基板(114)の孔のサイズよりも小さく、前記多孔質基板(114)の前記第1の部分(114a)の孔内に配置され、前記第2導電性材料(107’)の前記多孔質マトリックスが前記触媒粒子(107”)を収容して所定の位置に保持し、
前記対向電極が前記多孔質触媒導電層(106;106’)と電気的に接触する第3導
電性材料を含む第2導電層(16)を備え、前記第2導電層(16)が非触媒性であり、前記多孔質触媒導電層(106;106’)が前記多孔質絶縁層(105)と前記第2導電層(16)との間に配置されている、色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。 - 前記導電性粒子は、前記導電性粒子の間に配置された前記触媒粒子(107”)間の接着剤として作用することにより、前記触媒粒子(107”)を所定の位置に保持する、請求項1に記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記触媒粒子(107”)が前記多孔質触媒導電層(106;106’)の前記第2導電性材料(107’)中に均一に分散している、請求項1または2に記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記多孔質触媒導電層(106;106’)が1~50重量%の前記触媒粒子(107”)を含む、請求項1~3のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記多孔質第1導電層(12)の前記第1導電性材料がチタンであり、前記絶縁性酸化物層(109)が前記チタンの表面に形成された酸化チタンである、請求項1~4のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記触媒粒子(107”)が白金化炭素粒子である、請求項1~5のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記多孔質触媒導電層(106;106’)の前記第2導電性材料(107’)がチタンである、請求項1~6のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記多孔質触媒導電層(106;106’)の前記第2導電性材料(107’)がチタンであり、前記触媒粒子(107”)が白金化炭素粒子であり、前記多孔質触媒導電層(106;106’)が50~90重量%のチタン、少なくとも5重量%の炭素、および少なくとも0.001重量%の白金を含む、請求項1~7のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記触媒粒子(107”)の少なくとも80%が50nm未満の直径を有する、請求項1~8のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記絶縁性酸化物層(109)の厚さが10nm~200nmである、請求項1~9のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記絶縁性酸化物層(109)の厚さが20nm~50nmである、請求項1~9のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記多孔質光吸収層(10)が受光する光強度が200ルクスであるときに少なくとも5μW/cm2を生成し、前記多孔質光吸収層(10)が受光する光強度が20000ル
クスであるときに少なくとも600μW/cm2を生成する、請求項1~11のいずれか
1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。 - 前記多孔質光吸収層(10)が受光する光強度が200~50000ルクスの間で変化するときに40%未満で変化する電圧を生成する、請求項1~12のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。
- 前記多孔質光吸収層(10)が受光する光強度が200ルクスであるときに少なくとも15μA/cm2の電流を生成し、前記色素増感太陽電池ユニット(1;1’)によって
生成され
る電流が、前記多孔質光吸収層(10)が受光する光強度が200から20000ルクスに増加するときに直線的に増加する、請求項1~13のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)。 - 電子機器の充電用に特別に適応された光起電力充電器(200)であって、
‐請求項1に記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)と、
‐前記色素増感太陽電池ユニット(1;1’)を封止する封止体(5)と、
‐前記多孔質第1導電層(12)に電気的に接続された第1導電体(18)と、
‐第2導電層(16)に電気的に接続された少なくとも1つの第2導電体(20)と:
を備え、光起電力充電器(200)が単一の前記色素増感太陽電池ユニット(1;1’)のみと、第1および第2導電体(18,20)に電気的に接続された昇圧コンバータ(22)とを含み、前記昇圧コンバータは、前記色素増感太陽電池ユニット(1;1’)からの電流を小さくする一方で、前記色素増感太陽電池ユニット(1;1’)からの電圧を昇圧するように適応された光起電力充電器(200)。 - ‐前記第1導電性材料を含む第1インクを調製する工程と、
‐前記第2導電性材料(107’)および前記触媒粒子(107”)の混合物を含む第2インクを調製する工程と、
‐前記多孔質基板(114)を設ける工程と、
‐前記多孔質基板(114)の第1面上に前記第1インクの第1層を堆積させる工程と、‐前記多孔質基板(114)の第2面上に前記第2インクの第2層を堆積させる工程と、‐前記第2インクの第2層上に前記第1インクの第3層を堆積させる工程と、
‐堆積層を有する前記多孔質基板(114)を焼結して、前記第1層を前記多孔質第1導電層(12)に変化させ、前記第2層を前記多孔質マトリックスが形成された前記第1の部分(114a)を含む前記多孔質触媒導電層(106;106’)に変化させ、前記第3層を前記第2導電層(16)に変化させる工程と、
‐前記多孔質基板(114)を、焼結した多孔質第1導電層(12)とともに空気中で加熱して前記多孔質第1導電層(12)の表面に酸化チタンを形成する工程と:
を有する請求項1に記載の色素増感太陽電池ユニット(1;1’)の製造方法。
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