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

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 Download PDF

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Description

技術分野
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。
背景
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。
太陽電池はますます効率が良くなり、生産コストも安くなってきている。そのため、当然のことながら、企業は、少なくとも一部を太陽電池で駆動するあらゆる種類の消費者向け製品を製造している。今日、多くの携帯用電子機器には、エネルギーを蓄える内蔵充電式電池と、電池に電力を供給して充電するために設けられた光起電力充電器が備え付けられている。光起電力充電器または太陽電池充電器は、機器に電力を供給し、電池を充電するために太陽エネルギーを利用する。このような携帯機器の例としては、タブレット、携帯電話、ヘッドフォンおよび電卓などがある。太陽電池を使用する場合は、外部からの充電が必要になる前に、機器の電池を補充して使用時間を長くできる。光起電力充電器の効率と機器の消費電力によっては、外部電源で機器を充電する必要性がなくなるため、太陽エネルギーのみで機器の電力が供給される。例えば、小型の電卓は、光起電力充電器のみで駆動されることが多い。
現在市場に出回っている光起電力充電器は、効率が７～１５％の薄膜パネルから、効率が１８％までのやや高効率の単結晶パネルまで、さまざまな種類のソーラーパネルを使用している。効率は通常、ソーラーパネルのテスト条件の業界標準である標準試験条件（Standard Testing Conditions、ＳＴＣ）を用いてテストされる。ＳＴＣにおいて、照射量が１０００Ｗ／ｍ2、温度が２５℃およびエアマスが１．５である。一例として、出力２００Ｗ／ｍ2のソーラーパネルの効率は２０％である。これらの条件は、雲のない夏の日の屋外での太陽光パネルの効率がどのようになるかをシミュレーションしたものである。室内光の波長スペクトルと屋外光の波長スペクトルは異なる。例えば、ガラス窓は紫外線をフィルタリングし、室内灯は主に可視域の光を生成するため、可視域外の波長は室内光では欠けることが多い。このように、屋外の条件で測定した太陽光パネルの効率を屋内の条件に適用することはできない。典型的な人間の目は約３９０～７００ｎｍの波長に反応し、室内光はほとんどが可視スペクトル内にある。
Georgia Apostolou氏らの記事「簡易モデルによる商用光起電力製品１２製品の室内性能の比較」では、室内照明と屋外照明の違いが説明されている。この記事の著者は、二重ガラスの断熱窓の場合、窓から１ｍおよび５ｍの位置での放射電力の減少率は、それぞれ７０％および９７％前後になると述べている。この記事では、ソーラーパネルは今日、屋内照明でその効率の多くを失うことを示している。したがって、それらのソーラーパネルの欠点は、低光強度で効率が低いことである。
電子機器に電力を供給するための既存のソーラーパネルの他の欠点は、それらのいくつかは有毒であり、機械的特性が悪く、高価であることである。
OnBeat Ltd.によるGB2510451(A)は、太陽電池を動力源とする一対のヘッドフォンを示している。ヘッドバンドの外面とイヤーピースには、柔軟性のあるソーラーパネルが設けられている。このヘッドフォンは、蓄積された太陽エネルギーで外部機器に電力を供給することも可能である。OnBeatのヘッドバンドが太陽電池のパネルで覆われていることは、見る者には視覚的に明らかであるが、太陽電池の種類は特定されていない。
消費者向け製品の電力供給に使用されるソーラーパネルへの需要は、大規模なソーラーパークでの発電に使用される固定式のソーラーパネルとは全く異なる。例えば、消費者向け製品のソーラーパネルは、より頑丈で柔軟性があり、衝撃に耐えられるものである必要がある。さらに、屋内外を問わず、さまざまな光の条件で発電できなければならない。また、ソーラーパネルの部分的な遮光により、ソーラーパネルの異なる部分の光条件が異なることにより、ソーラーパネルの効率が低下することもある。また、ソーラーパネルは、ユーザーの目に見えるため、美観的な魅力を有することも望まれる。
携帯用電子機器に電力を供給するために直列に接続された複数の太陽電池を含むソーラーパネルを有する光起電力充電器の多くの例があることに留意すべきである。しかし、携帯用電子機器に電力を供給する既知のソーラーパネルには、いくつかの問題がある：それらは、光の強度と入射光の角度に非常に敏感である。直列に接続された太陽電池を有するソーラーパネルは、１つの太陽電池が電流を生成していない場合は、一連の太陽電池において電気の生成が止まるため、部分的な陰影に敏感である。それらは非常に敏感で、容易に壊れる。例えば、結晶シリコン太陽電池は脆く、携帯用電子機器で使用すると割れてしまう可能性がある。さらに、ユーザーは、電流コレクタが上面に見えるグリッドを有するソーラーパネルによって製品の大部分が覆われている場合、その美観に同意しないかもしれない。このように、携帯型電子機器で使用するには、光起電力充電器を改善する必要性がある。
ＷＯ２０１３／１４９７８７は、互いに隣接して配置され、直列に接続された複数の色素増感太陽電池ユニットを備えた直列構造を有する色素増感太陽電池モジュールを開示している。各電池ユニットは、作用電極と、前記作用電極から光生成電子を取り出すための第１導電層と、第２導電層を含む対向電極と、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電解液と、隣接する電池ユニットの作用電極に前記対向電極を電気的に接続するための直列接続素子とを含む。前記太陽電池モジュールは、多孔質絶縁基板を備え、前記第１導電層は、前記多孔質絶縁基板の一方の面に形成された多孔質導電層であり、前記第２導電層は、前記多孔質絶縁基板の反対面に形成された多孔質導電層であり、前記直列接続素子は、前記多孔質絶縁基板を貫通して前記電池ユニットの一つの前記第１導電層と、隣接する電池ユニットの前記第２導電層との間に延びる導電層であり、それにより、前記電池ユニットの一つの第１導電層と、前記隣接する電池ユニットの第２導電層とが電気的に接続されている。
ＷＯ２０１４／１８４３７９は、多孔質絶縁基板の絶縁材料を介して導電性ネットワークを形成する導電性粒子を有する色素増感太陽電池を開示している。粒子は、絶縁性基板の絶縁材料を介して１つ以上の導電性の経路を形成する。また、導電性粒子は触媒であり得る。絶縁性基板の導電性ネットワークにより、対向電極と光吸収層との間の距離は、多孔質基板の厚さにもはや依存しない。このように、絶縁部の厚さを薄くすることができ、それにより、対向電極と光吸収層との距離を小さくできる。したがって、導電媒体の抵抗損失が低減される。また、対向電極と光吸収層との距離が多孔質基板全体の厚さにもはや依存せず、絶縁部の厚さのみに依存することにより、機械的に安全に取り扱うことができる十分な厚さの基板を使用することも可能である。
要約
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。
この目的は、請求項１で定義された色素増感太陽電池によって実現される。
色素増感太陽電池ユニットは、
‐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。
イオン性電解質は、電子のキャリアとしてのイオンを含む電解質を意味する。イオン性電解質を使用する利点は、太陽電池の性能を長期的に安定させることができることである。もう一つの利点は、太陽電池ユニットの効率が安定しているか、または温度の上昇に伴って増加することである。したがって、太陽電池ユニットは、広い温度範囲で良好に動作する。
電解質は、光吸収層、第１導電層、触媒導電層、および多孔質絶縁層の孔内に配置されている。電解質は、対向電極から作用電極の光吸収層に電子を輸送するイオンを含む。絶縁性酸化物層は、第１導電層の導電性材料に電気的に絶縁性の層を提供し、この酸化物層は、導電性材料と第１導電層の孔内に配置された電解質との間の電子の移動を少なくとも部分的に防止する。したがって、より多くの電子が光吸収層に到達し、それによって太陽電池ユニットの効率が向上する。
触媒粒子は、触媒導電層の導電性材料とは異なる材料からなる。触媒粒子は、触媒として機能し、導電性材料から触媒導電層の孔内の電解質への電子の移動を促進する。触媒導電層の導電性材料は、実質的に非触媒性であり、すなわち、せいぜい取るに足らない触媒反応のみが導電性材料中で発生してもよい。電子は、触媒導電層中の電解質中のイオンによって得られる。触媒粒子を導電性材料中に分散させることで、導電性材料からの電子の移動が改善され、したがって、太陽電池ユニットの効率が向上する。また、触媒粒子をできるだけ作用電極に近い位置に配置することで、電解質中のイオンが作用電極に到達するまでの距離を短くできる。したがって、作用電極および対向電極の間の有効距離が短くなり、それに応じて電解質の抵抗損失が減少し、太陽電池ユニットの高効率化につながる。距離が短くなることによって得られるさらなる利点は、イオン性液体電解質のような導電性の低い導電媒体の使用を可能にすることである。
第１導電層の孔内に、導電性材料から電解質への電子が漏れることを防止する絶縁性酸化物層と、導電性材料中に分散した触媒粒子を含む触媒導電層を備えた対向電極とを組み合わせることで、対向電極中の電解質への電子の移動を改善させることができ、効率の良い太陽電池ユニットを実現できる。
さらに、太陽電池ユニットの製造中に、太陽電池ユニットを空気中で熱処理すると、触媒導電層の導電性材料だけでなく、第１導電層の導電性材料にも酸化物層が形成されることになる。触媒導電層の導電性材料に酸化物層が形成されることにより、電子が導電性材料から触媒導電層の孔内に配置された電解質に移動するのを防ぐことができると推察される。驚くべきことに、導電性材料中に分散している白金化炭素粒子などの触媒粒子は、導電性材料上の酸化物層にもかかわらず、導電性材料から電解質への電子の移動を可能にしていることが判明している。
触媒導電層は、触媒性だけでなく導電性も有する。電解液は、触媒導電層全体の孔内に配置してもよいし、触媒導電層の上部のみに配置してもよい。
一態様において、対向電極は、触媒導電層と電気的に接触する導電性材料を含む第２導電層を備え、第２導電層は実質的に非触媒性であり、多孔質触媒導電層は、多孔質絶縁層および第２導電層の間に配置されている。
この態様において、色素増感太陽電池ユニットは、
‐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。
第２導電層は、導電性材料からなる。第２導電層は、多孔質であっても非多孔質であってもよい。好ましくは、第２導電層は触媒粒子を含まない。第２導電層はそれ自体が実質的に非触媒性であり、すなわち、せいぜい取るに足らない触媒反応のみが第２導電層中で発生してもよい。第２導電層は微量の触媒物質を含んでいてもよい。しかし、触媒反応は、触媒導電層に集中する。作用電極までの距離が短いため、触媒導電層の電解質に電子が移動することが好ましい。
第２導電層が実質的に非触媒性であるという事実のために、第２導電層の導電性は、触媒性導電層の導電性よりも高くなりうる。したがって、触媒粒子を含む触媒導電層と、実質的に非触媒性である第２導電層とを組み合わせることにより、対向電極から電解質への電子の移動が効率的に行われるとともに、対向電極の高い導電性が得られる。さらに、第２導電層が実質的に非触媒性であることにより、第２導電層中の電解質への電子の移動がより困難になる。
太陽電池ユニットを使用中であるとき、第２導電層が外部回路から電子を受け取り、その電子を触媒導電層に分配する。触媒粒子は触媒として働き、第２導電層から受け取った電子を触媒導電層の孔内の電解質に移動させるのを容易にする。触媒粒子をできるだけ作用電極の近くに配置することで、電解液中のイオンが作用電極に到達するまでの距離を短くできる。したがって、太陽電池ユニットの電力損失が減少し、その結果、太陽電池ユニットの効率がさらに増加する。第２導電層は触媒導電層への電子の効率的な分散を確保する。
特に、導電性材料から第１導電層の孔内の電解質に電子が漏れることを防止する絶縁性酸化物層と、触媒性導電層を備えた対向電極と、対向電極の効率を改善する非触媒性の第２導電層との組み合わせにより、広範囲の異なる光条件で発電できる効率の良い太陽電池ユニットを得ることができる。この太陽電池ユニットは、優れた照明条件下だけでなく、劣悪な照明条件下、例えば、屋内の人工的な光の中、屋外の影の中、強い日差しにさらされているときにも動作する。
一態様において、第２導電層の導電性材料は、チタンまたはその合金である。一態様において、第１および第２導電層は、チタンまたはその合金を有する。チタンを使用することは、耐食性が高く、高温に耐えることができるため有利であり、これは太陽電池ユニットの製造中に有利である。
触媒粒子は、触媒材料、例えば、グラフェンまたはグラファイトまたはカーボンブラックまたはカーボンナノチューブなどの炭素系材料、白金またはそれらの組み合わせからなる。触媒粒子は、触媒性だけでなく導電性があってもよい。一態様において、触媒粒子の導電性は、第２導電層の導電性よりも低い。
例えば、電解質はイオン性液体電解質である。
一態様において、触媒粒子は、触媒導電層中に実質的に均一に分散（distributed）している。「実質的に均一に分散している」という用語は、触媒粒子が触媒導電層の全領域にわたって分散していることを意味する。したがって、触媒粒子は、触媒導電層の一部または数個の部分のみに集中しているわけではない。触媒粒子の濃度は、触媒導電層の領域にわたって変動することがあるが、触媒粒子が存在しない大きな領域はない。また、多孔質の触媒導電層の孔内は電解液で満たされている。触媒粒子を触媒導電層中に実質的に均一に分散させることにより、触媒導電層の導電性材料から電解質への電子の移動が触媒導電層の全域にわたって実現され、したがって、触媒粒子から電解質への電子の移動が改善される。
一態様において、多孔質触媒導電層の導電性材料が多孔質マトリックスを形成し、触媒粒子が前記多孔質マトリックス内に分散している。多孔質マトリックスとは、多孔質層を通して（through）導電路を形成する相互接続された導電性粒子のネットワークを含む多孔質層を意味する。好ましくは、触媒粒子は、多孔質マトリックス中に均一に分散している。触媒粒子は、多孔質マトリックスに埋め込まれている。例えば、多孔質マトリックスは、焼結した導電性粒子の層であり、触媒粒子は、導電性粒子の間に配置されている。多孔質マトリックスは、触媒粒子を収容し、触媒粒子を所定の位置に保持する。多孔質マトリックスは、触媒粒子間の接着剤として作用し、触媒粒子を所定の位置に保持するものであってもよい。
一態様において、第１導電層の導電性材料は多孔質チタンであり、絶縁性酸化物層は多孔質チタンの表面に形成された酸化チタンである。第１導電層は、多孔質チタンの表面に形成され、多孔質チタンの表面を覆う酸化チタン層を備える。酸化チタン層は、第１導電層中の多孔質チタンから第１導電層の孔内の電解質に電子が漏れることを防止し、したがって太陽電池ユニットの効率を増加させる。一態様において、多孔質チタンは、焼結チタン粒子を含み、焼結チタン粒子の表面は、酸化チタン層によって覆われている。
一態様において、触媒導電層は、１～５０重量％の触媒粒子を含む。導電性材料から電解質への電子の効率的な移動を実現するために必要な触媒粒子の重量％は、触媒粒子のサイズおよび形状、および触媒粒子中の材料の種類、および導電性材料の種類に依存する。
別の態様において、触媒導電層は、触媒粒子を１～３０重量％の範囲で含む。この範囲は、例えば、導電性粒子がチタンからなり、触媒粒子が白金化炭素からなる場合に好適である。ただし、前述したように、触媒粒子の重量％は粒子のサイズに依存する。
一態様において、触媒導電層は、少なくとも１重量％の触媒粒子を含む。一態様において、触媒導電層は、少なくとも５重量％の触媒粒子を含む。一態様において、触媒導電層は、少なくとも１０重量％の触媒粒子を含む。
一態様において、触媒導電層は、５０重量％より多い導電性材料、および５０重量％未満の触媒粒子を含む。
ここで、「ＮＮ重量％」という用語は、粒子が導電性および触媒粒子の合計重量のＮＮ重量％を表す。触媒／導電性粒子の実際の重量％は、触媒および導電性粒子の間のサイズの違い、および触媒および導電性粒子中の材料の種類に依存する。
触媒導電層の導電性材料としては、例えば、金属、金属合金、金属酸化物、または他の導電性材料、例えば、チタン、チタン合金、ニッケル、またはニッケル合金、インジウムまたはインジウム酸化物があげられる。
一態様において、触媒導電層の導電性材料はチタンである。例えば、触媒導電層の導電性材料は、焼結チタン粒子を含む。
一態様において、触媒粒子は、炭素を含む。炭素は、触媒材料である。炭素は、安価であり、環境に優しい。
一態様において、触媒粒子は、白金化炭素粒子を含む。白金は、炭素よりも優れた触媒であるが、高価である。白金と炭素の組み合わせを使用することにより、低コストで良好な触媒が得られる。
一態様において、触媒導電層の導電性材料はチタンであり、触媒粒子は白金化炭素粒子である。“白金化炭素粒子”という用語は、白金の層で覆われた炭素のコアを有する粒子を意味する。白金は良い触媒である。しかし、白金の問題点は、チタンへの接着が難しい点である。白金は炭素に容易に接着できる。しかし、炭素の問題点は、機械的強度が悪いという点である。これらの問題は、チタンのマトリックス中に白金化炭素粒子を分散させることによって解決される。チタンは良好な機械的強度を有し、白金化炭素粒子を触媒導電層中の所定の位置に保持する。このように、炭素、白金およびチタンを併用することで、機械的強度が高く、電解質への電子移動能力の高い触媒導電層が得られる。
一態様において、触媒導電層は、５０～９０重量％のチタンを含む。一態様において、触媒導電層は、少なくとも５重量％の炭素を含み、好ましくは少なくとも１０重量％の炭素を含む。一態様において、触媒導電層は、少なくとも０．００１重量％の白金を含む。
一態様において、触媒導電層は、導電性粒子および触媒粒子の混合物を含む。導電性粒子は、第２導電層と電気的に接触している。触媒粒子は、導電性粒子から電解質への電子の移動を改善するために、導電性粒子と混合されている。導電性粒子は、導電性材料からなる。好ましくは、導電性粒子は非触媒性であり、触媒材料を除く。導電性粒子および触媒粒子の混合物は、触媒導電層から電解質への電子の効率的な移動をもたらす。触媒粒子は、導電性粒子の間に分散している。導電性粒子は、触媒粒子を収容して所定の位置に保持するマトリックスを形成してもよい。
一態様において、触媒粒子は、導電性粒子の間に実質的に均一に分散している。触媒粒子を触媒導電層中に実質的に均一に分散させることにより、導電性粒子から電解質への電子の移動が改善される。
一態様において、導電性粒子は、例えば、焼結によって互いに接着される。導電性粒子は、触媒粒子を収容するマトリックスを形成してもよい。触媒粒子は、導電性粒子のマトリックス中に埋め込まれている。例えば、触媒導電層は、焼結導電性粒子と、導電性粒子の間に配置された触媒粒子とを含む。導電性粒子は、触媒粒子間の接着剤として機能し、触媒粒子を導電性粒子間の所定の位置に保持する。
一態様において、導電性粒子のサイズは、触媒粒子のサイズよりも大きい。触媒材料が導電性材料よりも高価であるとき、コストを節約するためには、触媒粒子のサイズが導電性粒子のサイズよりも小さいことが有利である。
一態様において、触媒粒子の少なくとも８０％は、５０ｎｍ未満の直径を有する。このような小さな粒子は、大きな表面／体積比を有し、触媒材料の体積が小さい効率的な触媒化を提供する。触媒材料が白金である場合、触媒材料のコストを低減する。
一態様において、導電性粒子の少なくとも８０％は、１００ｎｍよりも大きい直径を有する。好ましくは、導電性粒子のサイズは０．１～１５μｍである。
一態様において、触媒導電層は、チタン粒子および白金化炭素粒子の混合物を含む。好ましくは、チタン粒子は、例えば焼結によって、互いに接着している。
一態様において、多孔質触媒導電層の導電性材料は、第２導電層に用いられているのと同じ材料である。
一態様において、触媒導電層の厚さは、１００μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満である。一態様において、触媒導電層の厚さは、少なくとも１μｍ、好ましくは少なくとも５μｍ、最も好ましくは少なくとも１０μｍである。
一態様において、第２導電層の厚さは、少なくとも１μｍ、好ましくは少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも２０μｍである。
また、第１導電層の厚さは、光吸収層と触媒導電層と対向電極との間の距離を短くするために、薄く保たれるのが有利である。第１導電層の厚さは、０．１～４０μｍ、好ましくは０．３～２０μｍであり得る。
一態様において、多孔質絶縁層は、絶縁材料からなる多孔質基板を備える。
一態様において、多孔質触媒導電層は、絶縁材料からなる多孔質基板を備え、触媒導電層の導電性粒子は、多孔質基板の絶縁材料を通して導電性ネットワークを形成する。導電性粒子および触媒粒子は、多孔質基板の孔内に配置されている。導電性ネットワークは、多孔質基板中に延びる対向電極を拡張する。
「導電性粒子が絶縁材料を介して導電性ネットワークを形成する」という用語は、粒子が多孔質基板の絶縁材料を通して１以上の電気的に導電性の経路を形成することを意味する。
一態様において、色素増感太陽電池ユニットは、絶縁材料からなる多孔質基板を備え、多孔質絶縁層は、前記多孔質基板の第１の部分であり、触媒導電層の導電性粒子は、前記多孔質基板の第２の部分を通して導電性ネットワークを形成する。多孔質基板の導電性ネットワークにより、対向電極および光吸収層間の距離は、多孔質基板の厚さにもはや依存しなくなる。したがって、絶縁層の厚さを薄くすることができ、それによって対向電極および光吸収層間の距離を小さくできる。
多孔質絶縁層は、第１導電層と触媒導電層との間の短絡を防止する。触媒導電層の導電性粒子は、基板の絶縁材料を通して導電性ネットワークを形成する。この導電性ネットワークは、対向電極の第２導電層と電気的に接触しているため、対向電極の導電性のある表面領域を大幅に増加させることができる。
一態様において、電解質は、ヨウ化物／三ヨウ化物電解質、銅錯体系電解質、もしくはコバルト錯体系電解質、またはそれらの組み合わせのいずれかである。
一態様において、導電媒体は、ヨウ化物（Ｉ-）と三ヨウ化物（Ｉ３ -）を含み、導電媒体中の三ヨウ化物の含有量は、１ｍＭ～２０ｍＭである。この実施形態によれば、低い光強度において高い発電力を実現することが可能となる。
一態様において、多孔質基板は、太陽電池ユニットの全体を通って延びるマイクロファイバー織物を含むシートである。例えば、マイクロファイバー織物は、ガラス繊維からなる。太陽電池ユニット全体を通って延びるマイクロファイバー織物を含むシートは、柔軟性があってねじることができ、耐衝撃性に優れた光起電力充電器を提供することに寄与する。
一態様において、多孔質光吸収層は、染色されたＴｉＯ２を含む。染色されたＴｉＯ２を含む多孔質光吸収層はもろくなく、入射光の角度に依存しない。
一態様において、光吸収層は、有機色素を吸着した多孔質ＴｉＯ２ナノ粒子層である。有機色素の例としては：Ｎ７１９、Ｎ９０７、Ｂ１１、Ｃ１０１である。また、他の有機色素を使用することもできる。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００ルクス（ＬＵＸ）であるときに少なくとも５μＷ／ｃｍ２を生成し、光吸収層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。太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスであるとき、活性太陽電池領域上の測定で５μＷ／ｃｍ２より多くを生成する。本発明による太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスであるときに５μＷ／ｃｍ２より多くの光強度を生成できることが試験によって証明されている。ルクスは、人間の目によって知覚される光の強度を測定するため、光強度を測定するのに適した単位である。ルクスは、一般的に室内光の強度を測定するために使用されており、そのほとんどが人間の目に見える電磁スペクトルの一部の範囲内にある。したがって、太陽電池ユニットの効率をルクスで測定された光強度に関連付けるのが適切である。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスであるとき、５．５μＷ／ｃｍ２より多くを生成する。本発明による太陽電池ユニットは、光吸収層が受光した光強度が２００ルクスであるときに５．５μＷ／ｃｍ２より多くを生成できることが試験によって証明されている。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が５０００ルクスであるときに、少なくとも１５０μＷ／ｃｍ２を生成する。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層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、好ましくは少なくとも７００μＷ／ｃｍ２を生成する。より詳細には、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２０００～２００００ルクスであるときに、少なくとも５～６００μＷ／ｃｍ２を生成できる。太陽電池ユニットによって生成される電力は、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスから２００００ルクスまで増加するときに実質的に直線的に増加する。したがって、太陽電池ユニットは、広範囲の異なる照明条件で電力を生成できる。太陽電池ユニットは、優れた照明条件下だけでなく、劣悪な照明条件下、例えば、屋内の人工的な光の中、屋外の影の中、強い日差しにさらされているときにも動作する。
実質的に直線的であるということは、少なくとも２００ルクスと２０，０００ルクスの間の主要部分では、生成された電力が光強度の増加とともに直線的に増加することを意味する。例えば、生成された電力は、２００～１０００ルクスの強度で直線的な増加とはわずかに異なる場合がある。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００～５０，０００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。例えば、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００～５００００ルクスの間で変化するときに０．４Ｖ未満、好ましくは０．３Ｖ未満で変化する電圧を生成する。太陽電池ユニットによって生成される電圧は、２００～５０，０００ルクスの間で非常に均一である。これは、生成される電圧が光強度にかなり依存しないことを意味する。光吸収層が受光する光強度が２００～５００００ルクスの間で変化するときに太陽電池ユニットから出力される電圧が少ししか変化しないという事実のために、昇圧コンバータを用いて、変換中に広範な損失を生じることなく、広範囲の異なる光強度に対して電圧を昇圧することが可能である。
生成される電圧のレベルは、電解質中のイオンに依存する。例えば、電解質が銅イオンを含むなら、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で約１Ｖの電圧を生成することができ、電解質がヨウ化物イオンおよび三ヨウ化物イオンを含む場合、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で０．６５Ｖの電圧を生成できる。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスであるときに開回路で少なくとも０．３Ｖの電圧を生成する。
さらに、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で１．２Ｖ未満の電圧を生成する。
一態様において、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスから２００００ルクスに増加するとき、太陽電池ユニットによって生成される電流は直線的に増加する。
一態様において、太陽電池ユニットは、光吸収層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、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスから２００００ルクスに増加するとき、太陽電池ユニットによって生成される電流は直線的に増加する。直線性、および光強度がゼロであるときには電流を生成せず、光強度が２００ルクスであるときには少なくとも１５μＡ／ｃｍ２の電流を生成するという事実のために、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときには約１５００μＡ／ｃｍ２の電流を生成する。このように、本発明の太陽電池ユニットは、広範囲の光強度において、電子機器の電池を充電するのに十分な電力を生成できる。
本発明の太陽電池ユニットは、好ましくは、モノリシック型色素増感太陽電池である。モノリシック型色素増感太陽電池は、同じ１枚の多孔質基板上に全層が直接または間接的に成膜されていることを特徴とする。
第１および第２導電層は、光吸収層の影側、すなわち受光側とは反対面に配置されている。このように、第１および第２導電層は、光吸収層の同じ側に配置されている。
本発明の別の目的は、電子機器の充電用に特別に適応された光起電力充電器を提供することである。
この目的は、本発明による色素増感太陽電池ユニットと、前記太陽電池ユニットを封止する封止体と、第１導電層に電気的に接続された第１導電体と、第２導電層に電気的に接続された少なくとも１つの第２導電体とを備えた光起電力充電器であって、前記光起電力充電器は、単一の太陽電池ユニットのみと、第１および第２導電体に電気的に接続された昇圧コンバータとを含み、前記昇圧コンバータは、前記太陽電池ユニットからの電流を小さくする一方で、前記太陽電池ユニットからの電圧を昇圧するように適応されている光起電力充電器によって実現される。
本発明による光起電力充電器は、光条件が非常に劣悪なときに電子機器を充電できる。例えば、光起電力充電器は、光源がランプしかないときに電子機器を充電できる。これにより、夜間に屋内で電子機器を充電することが可能となる。
また、本発明の光起電力充電器は、単一の太陽電池ユニットのみを有するため、部分的な遮光による問題はない。また、太陽電池ユニットの表面の一部が遮光されていても、遮光されていない部分は電流を生成する。したがって、本発明による光起電力充電器は、光起電力充電器の活性領域が部分的に遮光されているときであってもなお、電子機器を充電できる。活性領域とは、太陽電池ユニットが光に曝されたときに電力を生成することに寄与する太陽電池ユニットの領域を意味する。
第１導電体は、集電体として機能し、第１導電層から電流を集める。第２導電体は、電流分配器として機能し、第２導電層に電流を分配する。光起電力充電器は、携帯用電子機器の任意の形状またはサイズに適応させることができる単一の拡大縮小可能な太陽電池を有する。光起電力充電器の可視側に配置された複数の集電体を必要とせず、目に見える集電体がないため、視覚的に均一な表面が得られる。このように、光起電力充電器は、携帯型電子機器のデザインに影響を与えることなく、携帯型電子機器に使用できる。言いかえれば、携帯型電子機器は、傍観者に見えない光起電力充電器によって電力を供給できる。太陽電池ユニットの表面上に配置された多数の接続要素を持たないことの別の利点は、入射光を遮る複数の集電体がないため、太陽電池ユニットのより多くの領域を発電に使用できる点である。
光起電力充電器のさらなる利点としては、低コスト、耐衝撃性、柔軟性、および入射光の角度の非依存性などがある。
さらに、単一の太陽電池ユニットのサイズは拡大縮小可能であり、それゆえ、光起電力充電器のサイズおよび電力は、充電すべき異なる機器のサイズおよび電力需要に適応させることができる。太陽電池ユニットの領域を増やすことにより、光起電力充電器によって生成される電力が増加する。
光起電力充電器は、第１および第２導電体に電気的に接続された昇圧コンバータを備え、前記昇圧コンバータは、太陽電池ユニットからの電流を小さくする一方で、太陽電池ユニットからの電圧を昇圧するように適応されている。このように、光起電力充電器は、広範囲の異なる光条件で電子機器を充電するために十分な電圧レベルを生成できる。異なる種類の電池は、異なる電圧レベルを必要とする。昇圧コンバータを使用することで、電子機器の充電式電池に、電池の種類に応じて必要とされる電圧レベルを供給することが可能となる。単一の太陽電池ユニットによって生成される電圧は、特定の種類または電池、例えば約３．６Ｖを必要とするリチウム電池を充電するには低すぎる。先行技術では、必要な電圧は、直列に接続された複数の太陽電池ユニットを配置することによって実現される。本発明によれば、必要な電圧は、単一の太陽電池ユニットに昇圧コンバータを接続することによって実現される。したがって、異なる電圧レベルを必要とする電池を充電できる単一の太陽電池ユニットのみを有する光起電力充電器を提供することが可能となる。
一態様において、昇圧コンバータは、太陽電池ユニットからの電圧を１～１０Ｖの間の電圧に変換するように構成されている。それゆえ、光起電力充電器は、リチウムまたはニッケル系電池などの民生用の多くの種類の電子機器に使用される電池を充電できる。
一態様において、昇圧コンバータは、０．２５～１Ｖの電圧を３Ｖより大きい電圧、好ましくは３．５Ｖより大きい電圧に変換するように構成されている。それゆえ、光起電力充電器は、３Ｖより大きい負荷電圧を有するバッテリ、例えば、バッテリの負荷の大きさに応じて３～４，５Ｖの負荷電圧を一般的に必要とするリチウムバッテリなどのバッテリを充電するために使用できる。
一態様において、昇圧コンバータは、１５～９０００ｍＡ／ｃｍ２の電流を扱うことができる。それゆえ、昇圧コンバータは、完全な太陽光である２００ルクス～１２００００ルクスの太陽電池ユニットからの電流を扱うことができる。
一態様において、封止体は、透明なプラスチックからなる。この特徴は、柔軟性があってねじることができ、耐衝撃性に優れた光起電力充電器を提供することに寄与する。
いくつかの態様によれば、単一の太陽電池ユニットの形状およびサイズは、それが電力を供給する携帯用電子機器のサイズおよび形状に適応される。さらに、太陽電池ユニットの活性領域は、機器を充電するのに必要な電力に適応される。
一態様において、太陽電池ユニットの活性領域の側面から側面への最短距離は、１ｃｍよりも大きく、好ましくは１．５ｃｍよりも大きい。
一態様において、太陽電池ユニットの活性領域の側面から側面への最短距離は１．５よりも大きく、太陽電池ユニットの活性領域は２５ｃｍ２よりも大きい。このような光起電力充電器は、例えば、ヘッドフォンの充電に有用である。
一態様において、太陽電池ユニットの活性領域の側面から側面への最短距離は、１０ｃｍよりも大きい。それゆえ、太陽電池ユニットの活性領域は、１００ｃｍ２よりも大きい。このような光起電力充電器は、例えば、タブレットの充電に有用である。
例えば、電子機器は、ヘッドフォン、タブレット、携帯電話のいずれかである。例えば、電子機器は、着用者の頭にかけるためのヘッドバンドを備え、ヘッドバンドの上面に光起電力充電器が配置されたヘッドフォンである。例えば、電子機器はタブレットであり、光起電力充電器がタブレットに組み込まれているか、あるいはタブレットのケースに組み込まれている。例えば、携帯用電子機器が携帯電話であり、光起電力充電器が携帯電話か、あるいは携帯電話のケースに組み込まれている。
本発明の別の目的は、太陽電池ユニットの製造方法を提供することである。
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。
この方法は、多孔質第１導電層の上に多孔質光吸収層を配置し、多孔質層中にイオン性電解質を浸透させ、太陽電池ユニットを封止する工程をさらに有する。
本発明の方法の少なくともいくつかの工程は、異なる順序で実施することができ、例えば、前記第２層を前記第１層の前に堆積させることができる。空気中での加熱は、例えば、多孔質第１導電層の上に光吸収層を生成すると同時に行うことができる。
図１は、色素増感太陽電池ユニットの第１実施例を示す。 図２は、色素増感太陽電池ユニットの第２実施例を示す。 図３は、本発明の１以上の実施形態による光起電力充電器を上から見た図を示す。 図４は、図３に示す光起電力充電器の断面図を示す。 図５は、ヨウ化物イオンおよび三ヨウ化物イオンを含む電解質を有する太陽電池ユニットの第３実施例に係る光強度２００～２００００ルクスの生成電圧（ｍＶ）の測定値の図を示す。 図６は、第３実施例の太陽電池ユニットの光強度２００～２００００ルクスの生成電流（μＡ／ｃｍ２）の測定値に基づく図を示す。 図７は、ヨウ化物イオンおよび三ヨウ化物イオンを含む電解質を有する太陽電池ユニットの第３実施例に係る光強度２００～２００００ルクスの面積当たりの生成電力（μＷ／ｃｍ２）の測定値に基づく図を示す。 図８は、銅イオンを含む電解質を有する太陽電池ユニットの第３実施例に係る光強度２００～５００００ルクスの生成電圧（ｍＶ）の測定値に基づく図を示す。 図９は、銅イオンを含む電解質を有する太陽電池ユニットの第３実施例に係る光強度２００～５００００ルクスの生成電流（μＡ／ｃｍ２）の測定値に基づく図を示す。 図１０は、銅イオンを含む電解質を有する太陽電池ユニットの第３実施例に係る光強度２００～５００００ルクスの面積当たりの生成電力（μＷ／ｃｍ２）の測定値に基づく図を示す。
本発明の好ましい実施形態の詳細な説明
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。
本明細書で使用される用語は、本開示の特定の態様を説明することのみを目的とするものであり、本発明を限定することを意図するものではない。
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての用語は、本開示が属する技術分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
図１は、色素増感型太陽電池ユニット１の一例を示す。太陽電池ユニット１は、光吸収層１０と、光吸収層１０から光生成電子を取り出すための多孔質の第１導電層１２とを備える作用電極を備える。好ましくは、光吸収層１０は多孔質である。光吸収層１０は、第１導電層１２の上に配置される。太陽電池ユニット１は、絶縁材料からなる多孔質絶縁層１０５をさらに備え、第１導電層１２は、多孔質絶縁層１０５の上に配置されている。例えば、多孔質絶縁層１０５は、多孔質基板である。
太陽電池ユニット１は、多孔質触媒導電層１０６の孔内に配置された電解質１１０への電子の移動を改善するために、多孔質導電性材料１０７’および多孔質導電性材料１０７’内に分散した触媒粒子１０７”を含む多孔質触媒導電層１０６を備えた対向電極を有する。一態様において、多孔質触媒導電層１０６の導電性材料１０７’は、導電性粒子１０７’を含む。例えば、多孔質触媒導電層１０６は、図１の右の拡大図に示すように、導電性粒子１０７’および触媒粒子１０７”の混合物を含む。好ましくは、触媒粒子１０７”は、触媒導電層１０６の導電性材料１０７’中に実質的に均一に分散している。
多孔質触媒導電層１０６は、第１導電層と比べて絶縁層とは反対面で多孔質絶縁層１０５に隣接して配置される。
一態様において、太陽電池ユニット１の対向電極は、導電性材料を含む第２導電層１６を備える。多孔質触媒導電層１０６は、多孔質絶縁層１０５と第２導電層１６との間に配置されている。触媒導電層１０６は、第２導電層１６と電気的に接触している。第２導電層１６は、実質的に非触媒性である。第１導電層１２、触媒性導電層１０６、および絶縁層１０５は多孔質であり、電解質が層を通って光吸収層１０に到達することを可能にする。一態様では、第２導電層もまた多孔質である。別の実施形態では、第２導電層１６を省略できる。
また、太陽電池ユニット１は、対向電極および作用電極の間で電荷を移動させるためのイオン性電解質１１０を含む。例えば、イオン性電解質は、液体またはゲルである。イオン性系電解質は、多孔質第１導電層１２、触媒導電層１０６、多孔質絶縁層１０５、光吸収層１０などの多孔質層の孔内に配置される。また、イオン性電解質は、第２導電層が多孔質である場合には、第２導電層１６の孔内に配置されていてもよい。
また、多孔質の触媒導電層１０６の導電性材料は、対向電極の一部である。その結果、触媒導電層１０６と第２導電層１６とが電気的に接触しているため、光吸収層１０と第２導電層１６との間の有効距離が短くなり、導電媒体の抵抗損失が低減される。さらに、触媒粒子１０７”は、多孔質触媒導電層の導電性材料１０７’から電解質１１０への電子の移動を容易にする。
一態様において、触媒導電層１０６は、導電性粒子１０７’および触媒粒子１０７”の混合物を含む。導電性粒子は、第２導電層１６と電気的に接触している。好ましくは、導電性粒子は非触媒性であり、触媒物質を除く。導電性粒子および触媒粒子の混合物は、触媒性導電層から電解質への電子の効率的な移動をもたらす。
触媒導電層の導電性粒子は、導電性材料を含み、第２導電層１６と電気的に接触している。触媒粒子は、導電性粒子の間に分散している。導電性粒子は、触媒粒子を保持するものとして機能し、触媒粒子を所定の位置に保持する。導電性粒子は、触媒粒子を収容し、所定の位置に保持するためのマトリックスを形成してもよい。例えば、マトリックスは、焼結金属粒子を含む。
一態様において、触媒粒子は、導電性粒子の間に実質的に均一に分散している。触媒粒子を触媒導電層中に実質的に均一に分散させることにより、導電性粒子から電解質への電子の移動が改善される。一態様において、導電性粒子は、例えば、焼結によって互いに接着される。導電性粒子は、触媒粒子を収容するマトリックスを形成してもよい。触媒粒子は、導電性粒子のマトリックスに埋め込まれる。例えば、触媒導電層は、焼結導電性粒子を含み、触媒粒子は、導電性粒子の間に配置される。導電性粒子は、触媒粒子間の接着剤として作用し、触媒粒子を導電性粒子間の所定の位置に保持する。
一態様において、触媒粒子１０７”の少なくとも８０％は、５０ｎｍ未満の直径を有する。このような小さな粒子は、大きな表面／体積比を有し、触媒材料の体積が小さい効率的な触媒化を提供する。触媒材料が白金である場合、触媒材料のコストを低減する。一態様において、導電性粒子の少なくとも８０％は、１００ｎｍよりも大きい直径を有する。好ましくは、導電性粒子のサイズは０．１～１５μｍである。
第１および第２導電層１２，１６の導電性材料は、例えば、金属、金属合金、金属酸化物、または他の導電性材料、例えば、チタン、チタン合金、ニッケル、またはニッケル合金でありうる。好適には、第１および第２の導電層１２，１６は、チタンまたはその合金を含む。例えば、第１および第２の導電層の導電性材料は、チタンである。例えば、第１の導電層１２は、多孔質となるように、焼結チタン粒子を含むものであってもよい。チタンは耐食性が高く、イオン性電解質はしばしばとても腐食性があるため、チタンを使用することは有利である。
触媒導電層１０６内の導電性材料１０７’は、例えば、金属、金属合金、金属酸化物、または他の導電性材料、例えば、チタン、チタン合金、ニッケルまたはニッケル合金、インジウムまたはインジウム酸化物で作られうる。触媒粒子１０７”は、例えば、グラフェンまたはグラファイトまたはカーボンブラックまたはカーボンナノチューブ、白金またはそれらの組み合わせなどの炭素系材料で作られている。
一態様において、触媒粒子１０７”は、炭素粒子を含む。炭素は、安価で環境に優しい。より好ましくは、触媒粒子１０７”は、白金化炭素粒子を含む。白金は、炭素よりも優れた触媒であるが、高価である。白金と炭素の組み合わせを使用することで、より安価に良好な触媒が得られる。触媒粒子は、触媒としての機能だけでなく、導電性を有するものでありうる。例えば、炭素は、触媒と同じく導電性を有する。しかし、炭素は、チタンなどの他の導電性材料に比べて導電性が悪い。
第１および第２導電層１２，１６の導電性は、触媒導電層１０６の導電性よりも高くなりうる。導電性材料および触媒粒子の混合物を有する触媒導電層１０６と、触媒粒子を実質的に含まない第２導電層１６との組み合わせは、対向電極の高い導電性だけでなく、対向電極の導電性粒子１０７’から電解質への電子の効率的な移動をもたらす。
好ましくは、触媒導電層は、１～５０重量％の触媒粒子を含む。導電性材料から電解質への電子の効率的な移動を実現するために必要な触媒粒子の重量％は、触媒粒子のサイズおよび形状、および触媒粒子中の材料の種類および導電性材料の種類に依存する。例えば、触媒導電層は、５～３０重量％の触媒粒子を含むものであってもよい。この範囲は、例えば、導電性粒子がチタンからなり、触媒粒子が白金化炭素からなるときに好適である。ただし、前述したように、触媒粒子の重量％は粒子のサイズに依存する。
例えば、触媒導電層１０６の導電性材料１０７’がチタンであり、触媒粒子１０７”が白金化炭素を含み、触媒粒子１０７”のサイズが導電性粒子１０７’の大きさよりも小さい場合、触媒導電層は電解質への電子の効率的な移動を提供するために、５～３０重量％の触媒粒子１０７”を含むものであってもよい。例えば、触媒導電層は、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。チタンは良好な機械的強度を有し、白金化炭素粒子を触媒導電層中の所定の位置に保持する。このように、炭素、白金およびチタンは、高い機械的強度を有し電解質への電子の移動能力が高い触媒導電層を提供できる。
一態様において、触媒導電層１０６の厚さｔ１は、少なくとも１μｍ、好ましくは少なくとも５μｍ、最も好ましくは少なくとも１０μｍである。一態様において、触媒導電層１０６の厚さｔ１は、１００μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満である。一態様において、多孔質絶縁層１０５の厚さｔ２は、０．１μｍ～２０μｍ、好ましくは０．５μｍ～１０μｍである。一態様において、第２導電層１６の厚さｔ４は、少なくとも１μｍであり、好ましくは少なくとも１０μｍであり、より好ましくは少なくとも２０μｍである。
第１導電層１２は、図１の左の拡大図に示すように、導電性材料の表面に形成された絶縁性の酸化物層１０９を備える。この酸化物層１０９は、例えば、第１導電層の導電性材料を酸化することにより形成される。導電性材料は、好適には、金属または金属合金を含み、例えば、チタンである。導電性材料の表面は、空気に触れると酸化される。酸化層１０９は、導電性材料が酸化されるように、酸化環境下で第１導電層の熱処理を行うことにより形成できる。絶縁性酸化物層１０９は、導電性材料上に電気的に絶縁性の層を設け、第１導電層１２と第１導電層１２の孔内に配置された電解質との間の電子の移動を少なくとも部分的に防止する。
一態様において、第１導電層１２は、多孔質チタンを含み、酸化物層１０９が第１導電層の多孔質チタンを電気的に絶縁し、それによって第１導電層の多孔質チタンから第１導電層の孔内の電解質に電子が漏れることを防止するように、多孔質チタンの表面に形成された酸化チタン層１０９を備える。したがって、太陽電池ユニットの効率を向上させることができる。例えば、第１導電層１２は、焼結チタン粒子１０７を含み、図１の左の拡大図に示すように、焼結チタン粒子１０７の表面は、酸化チタン層１０９で覆われている。一態様において、酸化チタン層の厚さは、５ｎｍよりも大きく、好ましくは１０ｎｍよりも大きく、より好ましくは２０ｎｍよりも大きい。一態様において、酸化チタン層の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ～５０ｎｍである。
特に、第１導電層から液体系電解質への電子の漏洩を防止する絶縁性酸化物層１０９と、多孔質導電性材料１０７中に分散された触媒粒子１０７”を含む触媒導電層１０６を備えた対向電極と、対向電極の効率を改善する非触媒導電層１６とを組み合わせることで、広範囲の異なる光条件で発電できる効率の良い太陽電池ユニットが得られる。この太陽電池ユニットは、優れた照明条件下だけでなく、劣悪な照明条件下、例えば、屋内の人工的な光の中、屋外の影の中、強い日差しにさらされているときにも動作する。
一態様において、電解質は、ヨウ化物／三ヨウ化物電解質、銅錯体系電解質、またはコバルト錯体系電解質、またはそれらの組み合わせのいずれかである。一態様において、電解質は、ヨウ化物（Ｉ－）および三ヨウ化物（Ｉ３ －）を含み、導電媒体中の三ヨウ化物の含有量は、１ｍＭ～２０ｍＭである。この実施形態は、低光強度において高い発電を実現することを可能にする。
多孔質絶縁層１０５の絶縁材料は、例えば、第１導電層１２および触媒導電層１０６の間に配置され、第１導電層１２および触媒導電層１０６を互いに絶縁する無機材料である。多孔質絶縁層１０５は、例えば、ガラス繊維、セラミックマイクロファイバー、または二次元材料やナノシートなどの層状結晶を層間剥離して得られる材料である。
太陽電池ユニット１は、多孔質基板を備えるものであってもよい。多孔質絶縁層１０５は、図１に示すように、基板全体を含むものであってもよいし、図２に示すように、多孔質基板１１４の一部１１４ａのみを含むものであってもよい。一態様によれば、多孔質基板は、太陽電池ユニットの全体を通って延びるマイクロファイバー織物を含むシートである。例えば、マイクロファイバー織物は、ガラス繊維からなる。
図２は、絶縁材料からなる多孔質基板１１４を備えた色素増感太陽電池１’の一例を示す。なお、図１および図２中の同様または対応する部分には、同様の数字を付して示している。太陽電池１’および１の相違点は、多孔質触媒導電層１０６’が多孔質基板１１４の第１の部分１１４ａを含み、多孔質絶縁層１０５が多孔質基板１１４の第２の部分１１４ｂを含む点である。触媒導電層１０６’は、多孔質基板１１４の第１の部分１１４ａの孔内に配置された導電性粒子１０７’および触媒粒子１０７”を含む。触媒導電層１０６の導電性粒子１０７’は、多孔質基板１１４の部分１１４ａの絶縁材料を通して導電性ネットワーク２０９を形成する。導電性ネットワーク２０９は、多孔質基板１１４の第１の部分１１４ａの絶縁材料を通る１以上の電気的に導電性の経路を形成する。導電性粒子１０７’および触媒粒子１０７’は、多孔質基板１１４の孔内に配置される。好ましくは、粒子のサイズは、太陽電池の製造中に基板内に浸透できるように、多孔質基板の孔のサイズよりも小さい。導電性ネットワーク２０９は、多孔質基板１１４内に延びる第２の導電層を拡張する。多孔質基板の導電性ネットワークにより、対向電極および光吸収層間の距離は、多孔質基板の厚さにもはや依存しなくなる。したがって、絶縁層の厚さを薄くすることができ、それによって対向電極および光吸収層間の距離を小さくできる。したがって、電解液の抵抗損失が低減される。
以下、本発明の太陽電池ユニット１の製造方法の一例について簡単に説明する。
１）電気的に導電性材料からなる導電性粒子を含む第１インクを調製する工程。導電性粒子は、例えば、水素化チタンからなる。
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。
あるいは、ステップ１１は、ステップ１２のＴｉＯ２層の焼結と同時に行ってもよい。
多孔質導電層は、スクリーン印刷、スロットダイコーティング、スプレー、または湿式堆積のいずれかの方法で多孔質基板上に堆積させることができる。
ステップ１１の熱処理中に、触媒導電層上に酸化チタンも形成される。触媒導電層上に酸化物層が形成されていれば、導電性材料と触媒導電層の孔内に配置された電解質との間で電子が移動するのを防ぐことができると推測される。驚くべきことに、触媒粒子、例えば、白金化炭素粒子は、触媒導電層の導電性材料上に酸化物層があるにもかかわらず、導電性材料から電解質への電子の移動を可能にすることが発見されている。
図３は、光起電力充電器２００の一例を上から見た図を示す。光起電力充電器２００は、イヤホン、ラップトップ、タブレット、携帯電話、および遠隔操作装置など、屋外だけでなく屋内でも使用可能な携帯電子機器の電力供給に特別に適応されている。また、光起電力充電器２００は、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ（ＩｏＴ）と呼ばれる、車両や家電製品などの他の物理的な装置に組み込まれた小型の電子機器の電力供給にも使用できる。
光起電力充電器２００は、太陽電池ユニット１と、太陽電池ユニット１を囲む封止体５と、第１導電体１８と、第２導電体２０とを備える。光起電力充電器は、光起電力充電器２００を電子機器に接続するための接続要素（図示せず）をさらに備えたものであってもよい。太陽電池ユニット２００は、モノリシック型のＤＳＣである。モノリシック型のＤＳＣは、単一の基板上に複数の層が配置されて作成される点で、標準的なＤＳＣとは異なる。
封止体は、光起電力装置を外部機器に接続するための第１および第２導電体に接続された複数の貫通部を含む。言いかえれば、光起電力装置によって生成された電力にアクセスするための貫通部が封止体内に存在する。何らかの配線が貫通部を通ることになる。例えば、外部機器に電力を供給するための配線に接続するために、貫通部を通って第１および第２導電体が封止体から延びていてもよい。あるいは、封止体の外側からの配線が貫通部を通り、第１および第２導電体に電気的に接続される。貫通部は、ガスまたは液体が貫通部を通ることができないように、封止体を通る配線の周りに密着している。例えば、貫通部は、封止体を通る配線の周囲に密着した封止体の開口部である。
封止体５は、光起電力装置１を外部機器に接続するため、およびそれによって光起電力装置によって生成された電力にアクセスするために、第１導電体１８および第２導電体２０に接続して配置された複数の貫通部７ａ～ｂを含む。例えば、貫通部は、封止体の貫通開口部である。何らかの配線が開口部を通ることになる。例えば、第１および第２導電体１８、２０は、図３に示すように、外部機器に電力を供給するための配線に接続するために、貫通部７ａ-ｂを通って封止体の外に延びていてもよい。あるいは、封止体の外部からの配線が貫通部を通って、第１および第２の導電体に電気的に接続されていてもよい。貫通部は、ガスや液体が通らないように配線の周囲に密着している。貫通部は、封止体を太陽電池ユニット１上に配置するときに、貫通すべき配線や導電体を所定の位置に配置させることにより形成できる。封止体は、上部シート５ａおよび底部シート５ｂからなり、例えば、太陽電池ユニット１の上に重ねて接着される粘着フィルムである。あるいは、上部シートおよび底部シートを可撓性のあるプラスチック材料で形成し、そのプラスチック材料を溶融させることにより、上部シートおよび底部シートの端部同士を接着する。接着前にすでにシート間に配線／導電体が所定の位置に配置されており、シートの端部に突出している場合は、接着時に貫通部が形成される。あるいは、貫通部は、太陽電池ユニットを封止した後に形成された封止体の貫通孔を含む。貫通孔は、配線／導電体が貫通孔内に配置された後に封止される。貫通部の位置は、第１および第２導電体の位置によって異なる。貫通部の数はさまざまである。第１および第２導電体のそれぞれに少なくとも１つの貫通部がある。しかし、第１および第２導電体のそれぞれに対して複数の貫通部を有することも可能である。
図４は、図３に示す光起電力充電器２００の一部を通る断面拡大図を示す。光起電力充電器２００は、１つの太陽電池ユニット１、または太陽電池ユニット１’を備えるが、これについては、図１および図２を参照してより詳細に説明する。例えば、光吸収層１０は、染色されたＴｉＯ２を含む。当該技術分野で知られている従来の色素を使用できる。色素は、特に銅系の導電媒体との組み合わせで、太陽電池の良好な効率を与えるために選択される。光吸収層１０は、第１導電層１２の上に配置されている。多孔質光吸収層１０は、第１導電層１２上に堆積された多孔質ＴｉＯ２層である。ＴｉＯ２層は、ＴｉＯ２粒子の表面に色素分子を吸収させて染色したＴｉＯ２粒子を含む。光吸収層１０は、太陽電池ユニット１の上面に配置される。上面は、光が作用電極の色素分子に当たるように、光に対向しているべきである。
第１導電層１２は、光吸収層１０と電気的に直接接触している。この例では、第２導電層１６は多孔質である。しかし、別の実施形態では、第２導電層１６は多孔質である必要はない。例えば、第２導電層は、金属箔からなるものでありうる。この例では、多孔質絶縁層１０５は、多孔質基板の少なくとも一部を構成する。多孔質基板は、第１導電層１２と触媒導電層１０６との間に電気的絶縁を提供する。第１導電層１２および触媒導電層１０６は、多孔質基板によって物理的にも電気的にも分離されている。多孔質基板の多孔性により、絶縁層１０５を介したイオン輸送が可能となる。第１導電層１２と触媒導電層１０６の多孔性により、対向電極および作用電極の間でイオン輸送が可能となる。
光起電力充電器２００は、単一の太陽電池ユニット１のみを含む。少なくとも第１導電層１２および多孔質基板は、太陽電池ユニットの全体を通って連続的に延びている。光吸収層１０および第２導電層１６は、少なくとも太陽電池ユニットの主要部分を通って連続的に延びている。
太陽電池ユニット１は、対向電極および光吸収層１０の間に電荷を移動させるための電解質で満たされている。電解質としては、例えば、従来のＩ－／Ｉ－３系電解質またはそれに類する電解質、すなわち銅（Ｃｕ）系電解質、コバルト（Ｃｏ）錯体系電解質があげられる。電解質は、イオン、例えば、ヨウ化物イオン（Ｉ－）、三ヨウ化物イオン（Ｉ３－）、または銅イオン（Ｃｕ２＋およびＣｕ＋）を含む。太陽光が色素によって捕集されて光励起された電子を生成し、それがＴｉＯ２粒子の伝導帯に入射し、さらに第１導電層によって収集される。同時に、電解液中のイオンが第２導電層から光吸収層１０に電子を輸送する。第１導電体１８は、第１導電層からの電子を収集し、第２導電体は、太陽電池ユニットが入射した光子から連続的に電力を生成できるように、第２導電層に電子を供給する。
電解液は、光吸収層１０、第１導電層１２、多孔質絶縁層１０５、第２導電層１６および触媒導電層１０６の孔を貫通して、光吸収層１０および第２導電層１６の間でイオンを移動させ、それによって作用電極から光吸収層に電子を移動させる。
使用できる多くの色素があり、いくつかの態様によれば、色素は、ドナー-πブリッジ-アクセプター（Ｄ-π-Ａ）型およびドナー-アクセプター-πブリッジ-アクセプター（Ｄ-Ａ-π-Ａ）型の色素のいずれか、またはそれらの混合物を含むトリアリールアミン有機色素を含む。このような色素は、特に銅系の導電媒体との組み合わせで、太陽電池の良好な効率を与える。第１級の光増感剤としては、例えば、置換（ジフェニルアミノフェニル）-チオフェン-２-シアノアクリル酸または置換（ジフェニルアミノフェニル）シクロペンタ-ジチオフェン-２-シアノアクリル酸があげられる。第２級のものとしては、例えば、置換(((ジフェニルアミノフェニル)ベンゾチア-ジアゾリル)-シクロペンタジチオフェニル)アリール／ヘテロアリール-２-シアノアクリル酸または(((ジフェニル-アミノフェニル)-シクロペンタジチオフェニル)ベンゾチアジアゾリル)アリール／ヘテロアリール-２-シアノアクリル酸があげられる。
第１導電体１８は第１導電層１２に電気的に接続され、第２導電体２０は第２導電層１６に電気的に接続されている。例えば、第１および第２導電体は、高い導電性を実現するために金属からなる。
封止体５は、太陽電池ユニット１の上面を覆う上部シート５ａと、太陽電池ユニットの底面を覆う下部シート５ｂとを備える。封止体５は、太陽電池ユニットおよび電解液を囲み、電解液の液体バリアとして機能するとともに、電解液が光起電力充電器２００から漏れることを防止する。上部シート５ａは透明であるか、または、少なくとも太陽電池ユニット１の活性領域を覆う部分が透明である。太陽電池ユニット１の上面の上部シート５ａは光吸収層１０を覆い、光を透過させる。上部および下部シート５ａ-ｂは、例えば、高分子材料からなる。高分子材料は、頑丈で耐衝撃性に優れ、柔軟性に優れた材料である。上部および下部シート５ａ-ｂは、周囲の大気から太陽電池ユニットを保護するために、また、太陽電池ユニットの内部からの電解液の蒸発や漏れを防止するために、端部で封止されている。
一実施例において、多孔質基板は、マイクロファイバーを織って作った織物を含むシートである。マイクロファイバーは、直径が１０μｍ未満で１ｎｍより大きい繊維である。マイクロファイバーを織って作った織物は、非常に薄く、機械的に非常に強いものになりうる。マイクロファイバーを織って作った織物は、織られた糸の間に穴がある。多孔質基板は、さらに、糸の間の穴を少なくとも部分的に遮断するために、マイクロファイバー織物上に配置された１以上の不織マイクロファイバー層を含んでいてもよい。さらに、不織層は、印刷によって基板上に平滑な導電層を塗布するのに適した、基板上の平滑な表面を提供する。
基板は、例えば、ガラス、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、アルミノシリケートまたは石英からなる。多孔質基板の不織布および織布マイクロファイバーはガラス繊維からなるのが適切であり、これにより頑丈で柔軟性のある基板が得られる。マイクロファイバー織物の布の厚さは、対向電極および作用電極の間のイオンの迅速な輸送を可能にするのに十分な薄さであると同時に、必要な機械的強度を提供するために、４μｍ～３０μｍが適切であり、好ましくは４μｍ～２０μｍである。
一態様において、光吸収層１０および第１導電層１２は、非透過性である。本実施例では、図３に示すように、太陽電池ユニット１の上面は均一に黒色である。また、光吸収層のＴｉＯ２は黒色である。先行技術の太陽電池パネルのように、太陽電池ユニット１の表面に延びる導電体は存在しない。これは、光起電力充電器２００が、先行技術の光起電力充電器で使用されている太陽電池パネルのように、直列に接続された複数の太陽電池ユニットではなく、単一の太陽電池ユニット１のみを含んでいるためである。
太陽電池ユニットのサイズ、すなわち、太陽電池ユニットの長さおよび幅は、それが充電するように適応されている機器に応じて変化してもよい。したがって、太陽電池ユニットの活性領域は、充電する機器のための電力の必要性に応じて変化してもよい。太陽電池ユニットの可能な形状およびサイズに制限はない。例えば、太陽電池ユニットのサイズは、活性領域が１ｃｍ２の１×１ｃｍと、活性領域が１ｍ２の１×１ｍの間で変化してもよい。また、太陽電池ユニットの長さや幅に上限はない。しかし、１×１ｍよりも大きい太陽電池ユニットでは、太陽電池ユニットの製造中に取り扱いがかさばることがある。
光起電力充電器２００は、単一の太陽電池ユニット１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とを備える。昇圧コンバータは、ステップアップコンバータまたはステップアップレギュレータとも呼ばれ、入力から出力への電流を小さくする（stepping down）一方で、電圧を昇圧（steps up）するＤＣ-ＤＣ電力変換器である。単一の太陽電池ユニットによって生成される電圧は、特定の種類または電池、例えば、少なくとも３．６Ｖを必要とするリチウム電池を充電するには低すぎる。昇圧コンバータは、太陽電池ユニット１からの電流を小さくする一方で、太陽電池ユニット１からの電圧を昇圧するように適応されている。必要な電圧レベルは、昇圧コンバータを単一の太陽電池ユニットに接続することによって実現される。したがって、異なる電圧レベルを必要とする電池を充電できる単一の太陽電池ユニット１のみを有する光起電力充電器を提供することが可能である。
光起電力充電器２００は、充電している電子機器のバッテリに光起電力充電器を接続するための接続要素３，４を備える。昇圧コンバータ２２は、第１および第２導電体１８，２０に電気的に接続された入力端子と、接続要素３，４に電気的に接続された出力端子とを備える。
生成される電圧のレベルは、電解質中のイオンに依存する。例えば、電解質が銅イオンを含む場合、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で約１Ｖの電圧を生成し、電解質がヨウ化物イオンおよび三ヨウ化物イオンを含む場合、太陽電池ユニットは、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で約０．６５Ｖの電圧を生成する。しかし、太陽電池ユニット１は、光吸収層が受光する光強度が２００～２００００ルクスの間で変化するときに開回路で最大０．４Ｖの変動電圧を生成する。昇圧コンバータの電圧変換に関する要件は、充電式電池の所要電圧に依存する。消費者用途の電子機器に使用されるほとんどの種類の充電式電池は、１～１０Ｖの電圧を必要とする。昇圧コンバータは、充電式電池が必要とするレベルで安定した電圧を生成することを可能にする。好ましくは、昇圧コンバータ２２は、太陽電池ユニットからの出力電圧および電流を、１～１０Ｖの間の電圧レベルに変換できる。必要な出力電圧に応じて異なる昇圧コンバータを使用できる。したがって、光起電力充電器は、リチウム電池（３．６Ｖ）、ＮｉＣｄおよびＮｉＭＨ電池（１．２５Ｖ）などの多くの種類の電子機器に使用される電池を充電できる。
試験から、太陽電池ユニットは、光吸収層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の電流を生成でき、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに少なくとも１５００μＡ／ｃｍ２の電流を生成できることが示されている。したがって、本発明の太陽電池ユニットは、広範囲の光強度において、電子機器のバッテリを充電するのに十分な電力を生成できる。
いくつかの態様によれば、少なくとも第１導電層１２および多孔質基板１１４は、太陽電池ユニット１の全体を通って連続的に延びている。光吸収層１０および第２導電層１６は、少なくとも太陽電池ユニットの主要部分を通って連続的に延びている。
単一の太陽電池ユニット１を含む本発明の光起電力充電器の一例について、異なる光条件に対する面積当たりの生成電力の測定が行われた。この実施例では、太陽電池ユニット１は１４．５×２３．４ｃｍのサイズ、３４０ｃｍ２の活性領域を有する。太陽電池ユニット１の電解質は、ヨウ化物イオンおよび三ヨウ化物イオンを含み、第１および第２導電層はチタン（Ｔｉ）からなる。無負荷の太陽光発電充電器を２００～２００００ルクス（１平方メートル当たりのルーメン）の光にさらし、光起電力充電器からの出力電圧および出力電流を測定した。測定結果を以下の表１に示す。測定した電流と電圧に基づいて総発電電力を決定し、総発電電力を太陽電池ユニットの活性領域で割って面積当たりの発電電力を決定する。
表１は、ヨウ化物イオン（Ｉ-）および三ヨウ化物イオン（Ｉ３ -）を含む電解質を有する太陽電池ユニット１について、２００～２００００ルクスの光強度に対する活性面積あたりの生成電力、活性面積あたりの電流、電圧および曲線因子（フィルファクター）（ｆｆ）の測定値である。三ヨウ化物の含有量は、１ｍＭ～２０ｍＭである。ヨウ化物は酸化剤（Ｏｘ）として機能し、三ヨウ化物は還元剤（Ｒｅｄ）として機能する。
異なる光強度（ルクス単位で測定される強度）における太陽電池ユニット１の性能の測定は、太陽電池ユニットに光を当て、同時に太陽電池ユニットを通した印加電圧を走査（scan）し、太陽電池の電流-電圧応答を測定して収集することによって行うことができる。測定は、光源として暖白色ＬＥＤを使用して行った。
照明下で収集したＩＶ曲線は、開回路電圧、短絡電流、曲線因子、電力および電力変換効率に関する情報を提供する。異なる光強度でＩＶ曲線を収集することにより、開回路電圧、短絡電流、曲線因子、電力および電力変換効率の光強度依存性に関する情報を収集できる。
表１の結果は、太陽電池ユニット１の一サンプルでの測定結果である。この種の異なる太陽電池ユニットでの測定値は異なる場合がある。例えば、面積当たりの生成電力は、５μＷ／ｃｍ２～８μＷ／ｃｍ２の場合がある。
太陽電池に光を当てるために使用する光源は、太陽電池の用途によって異なりうる。屋内で使用する場合は、蛍光灯や屋内ＬＥＤ照明を使用すると便利である。屋外の光を使用する太陽電池の用途では、人工的な太陽光を生成するためにソーラーシミュレータを使用して太陽電池に光を当てることが有用でありうる。
光源の光強度は異なる方法で測定することができ、例えば、光源に対して太陽電池ユニットと同じ位置に配置されたルクスメーターまたは分光放射計を用いて測定しうる。本実施例では、ルクスメーターを使用して光強度を測定した。
表１は、ルクス（lux）で測定された異なる光強度について、１平方センチメートルあたりのマイクロワット（μＷ／ｃｍ２）で決定された電力を示している。表からわかるように、太陽電池ユニット１が受光した光強度が２００ルクスであるときに６．２μＷ／ｃｍ２を生成し、太陽電池ユニット１が受光した光強度が５０００ルクスであるときに２０８μＷ／ｃｍ２を生成し、太陽電池ユニット１が受光した光強度が２００００ルクスであるときに７３０μＷ／ｃｍ２を生成している。これは、本発明の光起電力充電器が、光吸収層が受光する光強度が２００ルクスであるときに５μＷ／ｃｍ２よりも大きい値、さらには５．５μＷ／ｃｍ２より多くを生成させることができることを示す。これはまた、光起電力充電器が、光吸収層が受光する光強度が２００００ルクスであるときに７００μＷ／ｃｍ２より多くを生成できることを示す。したがって、太陽電池ユニット１は、光吸収層が受光する光強度が２００～２００００ルクスであるときに少なくとも５，５～７００μＷ／ｃｍ２を生成できる。光起電力充電器によって生成される電力は、光吸収層が受光する光強度が２００から２００００ルクスに増加するときに実質的に直線的に増加する。したがって、光起電力充電器は、広範囲の異なる光条件で電力を生成できる。
図５は、表１の測定値に基づいて、光強度が２００～２００００ルクスのときの生成電圧（ｍＶ）の図を示す。この図および表１からわかるように、太陽電池ユニット１は、太陽電池ユニット１が受光する光強度が２００ルクスであるときに開回路で４８０ｍＶの電圧を生成できる。さらに、光起電力充電器２００は、太陽電池ユニット１が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で６５０ｍＶの電圧を生成できる。この図からわかるように、生成電圧の増加は２００～３０００ルクスの間で最も大きくなる。生成電圧は、３０００～２００００ルクスで実質的に直線的である。表１からわかるように、２００および２００００ルクスの間の生成電圧差は１６７ｍＶしかない。したがって、太陽電池ユニット１は、光吸収層が受光する光強度が２００～２００００ルクスの間で変化するときに開回路で０．２Ｖ未満で変化する電圧を生成する。したがって、２００および２００００ルクスの間の生成電圧差は約３５％である。
図６は、表１の測定値に基づいて、光強度が２００～２００００ルクスで生成される電流（μＡ／ｃｍ２）の図を示す。この図からわかるように、電流は直線的に増加する。
図７は、表１の電圧と電流の測定値に基づいて計算された２００～２００００ルクスの光強度に対する面積当たりの生成電力（μＷ／ｃｍ２）の図を示す。この図からわかるように、測定された電力は、２００～２００００ルクスの間の入射光強度に実質的に比例する。
本発明の光起電力充電器の別の実施例について、異なる光条件に対する面積当たりの生成電力のさらなる測定が行われた。この実施例では、太陽電池ユニット１の電解質は、銅イオン（Ｃｕ＋およびＣｕ２＋）を含み、測定した光起電力充電器の間の唯一の違いである。測定条件は同じであった。無負荷の光起電力充電器２００を２００～２００００ルクス（１平方メートル当たりのルーメン）の光にさらし、光起電力充電器からの出力電圧および出力電流を測定した。測定結果を以下の表２に示す。
表２は、銅イオン；還元剤（Ｒｅｄ）としてのＣｕ＋および酸化剤（Ｏｘ）としてのＣｕ２＋を含む電解質を有する太陽電池ユニット１について、２００～２０００００ルクスの光強度に対する面積当たりの生成電力、面積当たりの電流、電圧、曲線因子（フィルファクター）（ｆｆ）を測定した結果である。
表２からわかるように、太陽電池ユニット１が受光する光強度が２００ルクスであるときに１２．８μＷ／ｃｍ２を生成し、太陽電池ユニット１が受光する光強度が５０００ルクスであるときに４９８μＷ／ｃｍ２を生成し、太陽電池ユニット１が受光する光強度が２００００ルクスであるときに２０２０μＷ／ｃｍ２を生成する。これは、本実施形態の光起電力充電器２００が、光吸収層１０が受光する光強度が２００ルクスであるときに１２μＷ／ｃｍ２よりも多くを生成できることを示す。これはまた、光起電力充電器２００が、光吸収層１０が受光する光強度が２００００ルクスであるときに２０００μＷ／ｃｍ２より多くを生成できることを示す。光起電力充電器によって生成される電力は、光吸収層が受光する光強度が２００から２００００ルクスに増加するときに実質的に直線的に増加する。したがって、光起電力充電器２００は、広範囲の異なる光条件で電力を生成できる。
図８は、表２の測定値に基づいて、光強度が２００ルクス～５００００ルクスのときの生成電圧（ｍＶ）の図を示す。この図および表２からわかるように、太陽電池ユニット１は、太陽電池ユニット１が受光する光強度が２００ルクスであるときに開回路で６９９ｍＶの電圧を生成できる。さらに、光起電力充電器２００は、太陽電池ユニット１が受光する光強度が２００００ルクスであるときに開回路で９４３ｍＶの電圧を生成できる。この図からわかるように、生成電圧は３０００～５００００ルクスで実質的に直線的である。表２からわかるように、２００および２００００ルクスの間の生成電圧差はわずか２４４ｍＶである。したがって、２００および２００００ルクスの間の生成電圧差は約３５％である。また、２００および５００００ルクスの間の生成電圧差は２５９ｍＶに過ぎない。したがって、太陽電池ユニット１は、光吸収層が受光する光強度が２００～５００００ルクスの間で変化するときに開回路で３００ｍＶ未満で変化する電圧を生成する。したがって、２００および５００００ルクスの間の生成電圧差は約３７％である。
図９は、表２の測定値に基づいて、光強度が２００～５００００ルクスで生成される電流（μＡ／ｃｍ２）の図を示す。この図からわかるように、電流は直線的に増加する。
図１０は、表１の電圧と電流の測定値に基づいて計算された２００～５００００ルクスの光強度に対する面積当たりの生成電力（μＷ／ｃｍ２）の図を示す。この図からわかるように、測定された電力は、２００～２００００ルクスの間の入射光強度に実質的に比例する。
本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の範囲内で変形、修正されてもよい。例えば、第２導電層１６を省略しうる。第２導電層を省略することによって、太陽電池ユニットが機器に電力を供給するのに十分な電力を生成できる異なる光条件の範囲を減少させてもよい。しかし、いくつかの用途では、光条件はそれほど変化せず、より小さい範囲で電力を生成できる太陽電池ユニットで十分である。

Claims (16)

  1. ‐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’）。
  2. 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’）。
  3. 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’）。
  4. 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’）。
  5. 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’）。
  6. 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’）。
  7. 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’）。
  8. 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’）。
  9. 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’）。
  10. 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’）。
  11. 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’）。
  12. 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’）。
  13. 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’）。
  14. 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’）。
  15. 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）。
  16. ‐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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