JPWO2011111592A1 - 色素増感太陽電池 - Google Patents
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Abstract
封止にガラスを用いて経年劣化の問題を解決すると共に、容器が管状であっても、対向電極と光電極間の物理的な距離（ギャップ）の大きさを５０μｍ以下に維持し、逆電流の発生を抑制することを可能にした色素増感太陽電池を提供する。本発明は、透明なガラスよりなる管状容器１１の内面に形成された透明導電膜１２と、透明導電膜１１上に形成された、色素が吸着された半導体膜である光電極１３と、光電極１３と絶縁した対向電極１５とを備え、管状容器１１の内部に電解液１４が密封された色素増感太陽電池において、対向電極１５は、金属材からなるコイル状基体と、該コイル状基体の外周面に設けられた電極部と、前記コイル状基体の外周面に前記電極部よりも径方向外方に突出するように形成された絶縁体部を備えることを特徴とする色素増感太陽電池である。
Description
本発明は、色素増感型太陽電池に関する。特に、透光性の管状容器を有する色素増感太陽電池に関する。
従来から、地球環境に対する影響の少ない新たなエネルギー源として太陽電池の開発が行われている。中でも、シリコン半導体を用いた太陽電池は、高い変換効率と優れた光安定性とを有しており、広く一般に普及している。しかしながら、製造に際して高温高真空の条件が必要であり、大面積化が容易ではなく製造コストが高いといった問題がある。
一方、透明な容器の内部に電解液を充填し、色素を吸着させた多孔質半導体からなる光電極と、対向電極とを設け、太陽光が照射された色素が電子を放出して、電気エネルギーを取り出すことができる色素増感型太陽電池が知られている（特許文献１）。この種の太陽電池は、製造のために高真空なチャンバー等が不要であり、設備面での負担が少なく安価に製造できるという利点がある。
図５（ａ）は、特許文献１に示された色素増感型太陽電池の管軸方向で切断した断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＺ−Ｚ’線断面図である。
これらの図に示すように、太陽電池１００は、透明材料からなる管１０１の内面に、透明導電層１０２、色素を吸着させた色素増感多孔質半導体層１０３、及び電解質層１０４が順次設けられており、管１０１の内部には管軸に沿って対極１０５が挿入されている。対極１０５の一端部１０５ｂは管１０１より外方に突出している。管１０１の一端部１０１ｂと対極１０５の一端部１０５ｂとの間、及び管１０１の他端部１０１ａと対極１０５の他端部１０５ａとの間は、例えば、エポキシ樹脂からなる封止部材１０６により、絶縁されると共に封止され、電解質層１０４の電解液が管１０１の外部に漏れないようになっている。対極１０５および透明導電層１０２には、それぞれリード線１０７、１０８が接続されている。
これらの図に示すように、太陽電池１００は、透明材料からなる管１０１の内面に、透明導電層１０２、色素を吸着させた色素増感多孔質半導体層１０３、及び電解質層１０４が順次設けられており、管１０１の内部には管軸に沿って対極１０５が挿入されている。対極１０５の一端部１０５ｂは管１０１より外方に突出している。管１０１の一端部１０１ｂと対極１０５の一端部１０５ｂとの間、及び管１０１の他端部１０１ａと対極１０５の他端部１０５ａとの間は、例えば、エポキシ樹脂からなる封止部材１０６により、絶縁されると共に封止され、電解質層１０４の電解液が管１０１の外部に漏れないようになっている。対極１０５および透明導電層１０２には、それぞれリード線１０７、１０８が接続されている。
この太陽電池１００に太陽光が照射されると、太陽光は、管１０１及び透明導電層１０２を透過して、色素増感多孔質半導体層１０３に到達し、光化学反応が生じて色素が電子を放出し、リード線１０７、１０８間に起電力が発生するものである。特に、この太陽電池１００は、容器が円管状であることにより、光の入射角度に対する発電量の変化を大幅に低減することができる。
しかしながら、特許文献１記載の太陽電池１００では、管１０１の両端を封止する封止部材１０６としてエポキシ等の樹脂が用いられている。このように、管１０１と封止部材１０６が別部材から構成されると、封止の気密性が十分ではない。また、封止部材１０６に用いられるエポキシ樹脂は、太陽光に含まれる紫外線により経年劣化するために長期間にわたって使用することができないという問題がある。また、この太陽電池１００は、色素から放出される電子が、半導体層１０３に輸送されずに、電解質層１０４の電解液や他の色素へ拡散してしまうという、いわゆる逆電流が流れるという従来周知の課題を有している。つまり、逆電流が発生するのは、太陽電池１００の内部インピーダンスが大きいためであり、この内部インピーダンスの大きさは、対極１０５と半導体層１０３間の物理的な距離（ギャップ）の大きさや電解質の材料に依存する。そのため、例えば、容器が平板状であれば、電解液の充填が容易であり、ギャップ長も成膜した絶縁体等を利用して解決することが可能であるが、容器が管状の場合、距離（ギャップ）の大きさは１００μｍ以下が好ましく、さらには５０μｍ以下がより好ましいが、このような微小なギャップを形成することが困難である。
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、ガラス封止構造を用いて経年劣化の問題を解決すると共に、容器が管状であっても、対向電極と光電極間の物理的な距離（ギャップ）の大きさを５０μｍ以下に維持することができ、逆電流の発生を抑制することを可能にした色素増感太陽電池を提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、透明なガラスよりなる管状容器の内面に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された、色素が吸着された半導体膜である光電極と、該光電極と絶縁した対向電極とを備え、前記管状容器の内部に電解液が密封された色素増感太陽電池において、前記対向電極は、金属材からなるコイル状基体と、該コイル状基体の外周面に設けられた電極部と、前記コイル状基体の外周面に前記電極部よりも径方向外方に突出するように形成された絶縁体部を備えることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第２の手段は、第１の手段において、前記絶縁体部は絶縁体粒子よりなり、該絶縁体粒子間にあって前記コイル状基体の表面に存在する、前記絶縁体粒子の粒子径より小径の電極粒子により電極部が形成されていることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第３の手段は、第１の手段において、前記コイル状基体は、帯状部材の幅広の面を外周面として巻回した形状であることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第４の手段は、第３の手段において、前記外周面に形成された前記絶縁体部には、コイル状基体を露出させる溝が形成され、該溝の底面に前記電極部が形成されていることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第１の手段は、透明なガラスよりなる管状容器の内面に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された、色素が吸着された半導体膜である光電極と、該光電極と絶縁した対向電極とを備え、前記管状容器の内部に電解液が密封された色素増感太陽電池において、前記対向電極は、金属材からなるコイル状基体と、該コイル状基体の外周面に設けられた電極部と、前記コイル状基体の外周面に前記電極部よりも径方向外方に突出するように形成された絶縁体部を備えることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第２の手段は、第１の手段において、前記絶縁体部は絶縁体粒子よりなり、該絶縁体粒子間にあって前記コイル状基体の表面に存在する、前記絶縁体粒子の粒子径より小径の電極粒子により電極部が形成されていることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第３の手段は、第１の手段において、前記コイル状基体は、帯状部材の幅広の面を外周面として巻回した形状であることを特徴とする色素増感太陽電池である。
第４の手段は、第３の手段において、前記外周面に形成された前記絶縁体部には、コイル状基体を露出させる溝が形成され、該溝の底面に前記電極部が形成されていることを特徴とする色素増感太陽電池である。
本発明によれば、対向電極が光電極に接近して対向しても、対向電極の光電極側に絶縁体部が設けられているので、対向電極と光電極は短絡することが無い。また、対向電極は熱等によって膨張収縮しても、コイル状に形成されているので、弾性を有し、膨張差を吸収するので、光電極と対向電極間の距離（ギャップ）の大きさを適切な値、例えば１〜５０μｍに保持することができる。
本発明の第１の実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る色素増感太陽電池の平面断面図、図１（ｂ）は本実施形態に係る色素増感太陽電池の正面断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
これらの図に示すように、色素増感太陽電池１は、透光性の管状容器１１の内面に、透明導電膜１２が形成されており、透明導電膜１２上には光電極１３が形成されている。光電極１３で発生した電子が管外に導出されるように、透明導電膜１２は、封止部２０内にまで延在しており、封止部２０内に埋設された金属箔２３に接続され、金属箔２３に接続された外部リード２４を介し電流路が形成されている。一方、光電極１３と離間するように対向電極１５が設けられており、対向電極１５から延びる内部リード１７が封止部１６内に埋設された金属箔１８に接続され、金属箔１８に接続された外部リード１９を介し電流路が管外まで導出されている。また、光電極１３と対向電極１５の間には電解液１４が充填されており、管状容器１１は電解液１４が外部に漏れないように両端にピンチシールされた封止部１６、２０を有している。以下に、色素増感太陽電池１の各構成について詳述する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る色素増感太陽電池の平面断面図、図１（ｂ）は本実施形態に係る色素増感太陽電池の正面断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
これらの図に示すように、色素増感太陽電池１は、透光性の管状容器１１の内面に、透明導電膜１２が形成されており、透明導電膜１２上には光電極１３が形成されている。光電極１３で発生した電子が管外に導出されるように、透明導電膜１２は、封止部２０内にまで延在しており、封止部２０内に埋設された金属箔２３に接続され、金属箔２３に接続された外部リード２４を介し電流路が形成されている。一方、光電極１３と離間するように対向電極１５が設けられており、対向電極１５から延びる内部リード１７が封止部１６内に埋設された金属箔１８に接続され、金属箔１８に接続された外部リード１９を介し電流路が管外まで導出されている。また、光電極１３と対向電極１５の間には電解液１４が充填されており、管状容器１１は電解液１４が外部に漏れないように両端にピンチシールされた封止部１６、２０を有している。以下に、色素増感太陽電池１の各構成について詳述する。
透光性の管状容器１１としては、例えば、ガラス製の管が用いられる。ガラスの材料としては、例えば、石英ガラス、ソーダガラスである。管の断面は、円管状以外にも、断面が楕円形、矩形でもよく、管状容器１１によれば、ほぼ３６０°の方向からの光を受けることができ、太陽の移動によって入射角が変わっても、満遍なく太陽光を入射することができるという利点を有する。
透明導電膜１２の材料としては、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等が用いられる。透明導電膜１２は、管状容器１１の内面に成膜されており、光電極１３まで光を透過させるために透光性能を有し、光電極１３から発生する電流を管外に導出するための電路になっている。管状容器１１の内面に形成された透明導電膜１２は、図１（ｂ）に示すように、一方の封止部２０内に延在して、ピンチシールによって金属箔２３に電気的に接続され、金属箔２３を介して外部リード２４に接続され、管外に導出されている。
光電極１３は、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ジルコニウム等の粒子を含有する半導体粒子堆積層からなり、透明導電膜１２上に形成されている。粒子にはルテニウム錯体等の有機色素からなる光増感色素が付着（担持）されている。
図２（ａ）は、図１（ｂ）に示した符号Ａの箇所を拡大して示した説明図である。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、対向電極１５は、ステンレス鋼等の金属ワイヤー製コイル（弾性体）で構成され、図２（ａ）に示すように、金属ワイヤー製コイル（弾性体）の金属基体１５１の表面には、シリカ（ＳｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）等の絶縁体粒子（絶縁体部）１５２と絶縁体粒子より粒径が小さい触媒機能を有する白金等のイオン化傾向の小さい、電極粒子（電極部）１５３からなる堆積層１５４が金属基体１５１の外周方向の表面の一部に形成されている。絶縁体粒子１５２は、多孔質のもの又は多孔質でないものが利用されるが、多孔質のものを利用した場合には、孔を通って電解液が通り易くなり、レドックス反応を良好化することができる。絶縁体粒子１５２によって形成される光電極１３と金属基体１５１の距離（ギャップ）の大きさは、１〜５０μｍの範囲のものが好ましい。対向電極１５の堆積層１５４が絶縁体粒子１５２を含有することによって、管状容器１１の内面に絶縁体を設けることの困難性を解決することができる。
図２（ｂ）に示すように、金属ワイヤー製コイル（弾性体）からなる金属基体１５１が白金である場合には、基体表面には、シリカ（ＳｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）等の絶縁体粒子１５２を設け、触媒機能を有する白金等の電極粒子を設ける必要はない。
図２（ｂ）に示すように、金属ワイヤー製コイル（弾性体）からなる金属基体１５１が白金である場合には、基体表面には、シリカ（ＳｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）等の絶縁体粒子１５２を設け、触媒機能を有する白金等の電極粒子を設ける必要はない。
金属基体１５１上に堆積層１５４を形成する方法を説明する。初めに、絶縁体粒子例えばアルミナ粒子と、電極粒子例えば白金粒子の２種類の粒子であって、絶縁体粒子の粒径サイズが電極粒子より大きい粒子と液体によりスラリー（懸濁液）をつくる。次に、線状ないし細い棒状部材からなる金属基体１５１の表面の一部にスラリーを塗布する。粒径の小さい電極粒子１５３は絶縁体粒子１５２よりも金属基体１５１表面側に沈着するので、沈着後、焼成する。焼成後、金属基体１５１を、スラリーの塗布面が外周面に位置されるように巻回して金属ワイヤー製コイルを作製する。その他に、金属基体の表面にスラリーの塗布層を形成する方法としては、スラリーをスプレーにて霧状に塗布したり、刷毛で塗布する等の方法がある。
電解液１４としては、例えば、ヨウ素とヨウ化物等を組み合わせた、いわゆるレドックス電解液を使用する。
封止部１６、２０は、管状容器１１の端部を加熱してピンチシールによって形成されており、そのため、管状容器１１の両端部は、封止部１６、２０によって気密に封止されている。
対向電極１５である金属ワイヤー製コイルの一端は、内部リード１７の一端に接続され、内部リード１７の他端は封止部１６において金属箔１８を介して外部リード１９に接続され、管外に導出される。金属ワイヤー製コイルの他端は、絶縁兼支持部材２１を介して内部リード２２、封止部２０における金属箔２３に機械的に接続されて、封止部２０に支持される。
なお、コイル状基体としては、金属製のものの他に、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）等の弾性を有する樹脂材料をコイル状に成型してその表面に金属被膜をコートしたものを用いることもできる。
触媒機能を有する電極粒子の材質は、白金のほかに、イオン化傾向の小さい金、銀、銅、炭素などでもよい。電極粒子をコイル状基体に付着させる場合には、電気的接触を良好にするためにこれらの複数種類の粒子を用いてコイル状基体に付着させてもよい。
次に、本発明の第２の実施形態を図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本実施形態に係る色素増感太陽電池の正面断面図である。
同図に示すように、本実施形態の色素増感太陽電池１は、対向電極２５として、金属ワイヤー製コイルに代えて、帯状の金属製コイルを用いた点で、第１の実施形態の色素増感太陽電池と構成が相違するが、その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。この場合も図１と同様にコイル状基体の表面の一部に、外周方向に絶縁体部が形成されている。
図３は、本実施形態に係る色素増感太陽電池の正面断面図である。
同図に示すように、本実施形態の色素増感太陽電池１は、対向電極２５として、金属ワイヤー製コイルに代えて、帯状の金属製コイルを用いた点で、第１の実施形態の色素増感太陽電池と構成が相違するが、その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。この場合も図１と同様にコイル状基体の表面の一部に、外周方向に絶縁体部が形成されている。
対向電極２５となる帯状の金属製コイルは、帯状の金属材の断面長手方向の面が外周面となるように、円筒状に巻いてコイルを形成する。対向電極２５を帯状の金属製コイルとすることによって、光電極１３と対向する面積が、断面形状が円形状であるワイヤーコイルに比べて大きくなる利点がある。
図４は、対向電極２５上に堆積層を形成する方法を示す図である。
初めに、図４（ａ）に示すように、帯状の金属材２５１を用意し、図４（ｂ）に示すように、帯状の金属材２５１の幅広の面の表面上にアルミナ粒子等からなる絶縁体層（絶縁体部）２５２を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、帯状の金属材２５１の長手方向に沿って金属材２５１を露出させる溝２５３を形成し、図４（ｄ）に示すように、溝２５３の中に溶射、電解鍍金等によって白金層等の電極層（電極部）２５４を溝２５３の底面に形成し、絶縁体層が電極層より外方に突出した状態とする。前記の処理後、帯状の金属材の処理面が外周に位置されるように巻回して帯状の金属製コイルからなる対向電極２５を作製する。なお、帯状の金属材が白金である場合は、白金層等の電極層を形成する必要はない。
初めに、図４（ａ）に示すように、帯状の金属材２５１を用意し、図４（ｂ）に示すように、帯状の金属材２５１の幅広の面の表面上にアルミナ粒子等からなる絶縁体層（絶縁体部）２５２を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、帯状の金属材２５１の長手方向に沿って金属材２５１を露出させる溝２５３を形成し、図４（ｄ）に示すように、溝２５３の中に溶射、電解鍍金等によって白金層等の電極層（電極部）２５４を溝２５３の底面に形成し、絶縁体層が電極層より外方に突出した状態とする。前記の処理後、帯状の金属材の処理面が外周に位置されるように巻回して帯状の金属製コイルからなる対向電極２５を作製する。なお、帯状の金属材が白金である場合は、白金層等の電極層を形成する必要はない。
１ 色素増感太陽電池
１１ 管状容器
１２ 透明導電膜
１３ 光電極
１４ 電解液
１５ 対向電極
１５１ 金属基体
１５２ 絶縁体粒子（絶縁体部）
１５３ 電極粒子（電極部）
１５４ 堆積層
１６、２０ 封止部
１７、２２ 内部リード
１８、２３ 金属箔
１９、２４ 外部リード
２１ 絶縁兼支持部材
２５ 対向電極
２５１ 帯状金属材
２５２ 絶縁体層（絶縁体部）
２５３ 溝
２５４ 電極層（電極部）
１１ 管状容器
１２ 透明導電膜
１３ 光電極
１４ 電解液
１５ 対向電極
１５１ 金属基体
１５２ 絶縁体粒子（絶縁体部）
１５３ 電極粒子（電極部）
１５４ 堆積層
１６、２０ 封止部
１７、２２ 内部リード
１８、２３ 金属箔
１９、２４ 外部リード
２１ 絶縁兼支持部材
２５ 対向電極
２５１ 帯状金属材
２５２ 絶縁体層（絶縁体部）
２５３ 溝
２５４ 電極層（電極部）
Claims (4)
- 透明なガラスよりなる管状容器の内面に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された、色素が吸着された半導体膜である光電極と、該光電極と絶縁した対向電極とを備え、前記管状容器の内部に電解液が密封された色素増感太陽電池において、
前記対向電極は、金属材からなるコイル状基体と、該コイル状基体の外周面に設けられた電極部と、前記コイル状基体の外周面に前記電極部よりも径方向外方に突出するように形成された絶縁体部を備えることを特徴とする色素増感太陽電池。 - 前記絶縁体部は絶縁体粒子よりなり、該絶縁体粒子間にあって前記コイル状基体の表面に存在する、前記絶縁体粒子の粒子径より小径の電極粒子により電極部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池。
- 前記コイル状基体は、帯状部材の幅広の面を外周面として巻回した形状であることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池。
- 前記コイル状基体の外周面に形成された前記絶縁体部には、コイル状基体を露出させる溝が形成され、該溝の底面に前記電極部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の色素増感太陽電池。
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