JPWO2012124655A1 - ２酸化ケイ素ソーラーセル - Google Patents
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Abstract
２酸化ケイ素ソーラーセルの変換効率を高める。導電性を有する２枚の基板が各々の導電面を向かい合わせて配置し、少なくとも一方の基板を透明な光入射側基板とし、この基板と向かい合わせて配置された基板上に２酸化ケイ素粒成形体を配置し、２酸化ケイ素粒成形体と前記光入射側基板との間に電解質を充填する。この構成を採った２酸化ケイ素ソーラーセルは２酸化ケイ素と電解質が混合されたものと比較して短絡電流及び解放電圧が大幅に上昇する。さらに改良型として、２酸化チタンソーラーセルあるいは色素増感２酸化チタンソーラーセルを光入射側基板上に配置することによりさらに短絡電流及び解放電圧が大幅に上昇する。
Description
本発明は、ソーラーセルに関し、特に２酸化ケイ素を用いた２酸化ケイ素ソーラーセルに関する。
シリコン等の半導体を用いた乾式ソーラーセルが実用段階にある。半導体ソーラーセルは変換効率が高い反面、高純度の材料を使用するため高価である。
比較的安価なソーラーセルとして２酸化チタン（ＴｉＯ２）と電解質を用いた湿式ソーラーセルがある。
比較的安価なソーラーセルとして２酸化チタン（ＴｉＯ２）と電解質を用いた湿式ソーラーセルがある。
図１により２酸化チタンソーラーセルの構成を説明する。
図１において、（ａ）は基本的な構成の２酸化チタンソーラーセルであり、（ｂ）に示すのは改良された色素増感型と呼ばれる２酸化チタンソーラーセルである。 （ａ）に示した基本的構成の２酸化チタンソーラーセルにおいて、１はガラス基板であり１方の面にＦＴＯ等の透明導電膜２が形成され、光電極とされる。３は多孔質２酸化チタン焼結体である。４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。５は白金対向電極であり、ＦＴＯ等の導電膜６が形成されたガラス基板７上に形成されている。また、８は封止材、９は抵抗器等の外部負荷である。
図１において、（ａ）は基本的な構成の２酸化チタンソーラーセルであり、（ｂ）に示すのは改良された色素増感型と呼ばれる２酸化チタンソーラーセルである。 （ａ）に示した基本的構成の２酸化チタンソーラーセルにおいて、１はガラス基板であり１方の面にＦＴＯ等の透明導電膜２が形成され、光電極とされる。３は多孔質２酸化チタン焼結体である。４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。５は白金対向電極であり、ＦＴＯ等の導電膜６が形成されたガラス基板７上に形成されている。また、８は封止材、９は抵抗器等の外部負荷である。
ガラス基板１上の透明導電膜２を透過して入射した光は多孔質２酸化チタン焼結体３に吸収される。光を吸収した多孔質２酸化チタン焼結体３は電子的な基底状態から励起状態となり、励起された電子は拡散により透明導電膜２から外部へ取り出され、負荷９を経由して透明導電膜６から白金対向電極５へ導かれる。
しかしながら、２酸化チタンが起電に利用できる光は波長が３８０nm以下の紫外線のみであり、この波長領域の紫外線は太陽光中の４％に過ぎなく、太陽光の利用効率は最大でも４％、実際には１％がせいぜいであるため、ソーラーセルとして太陽光の利用効率はきわめて低い。
利用可能な波長領域が狭い２酸化チタンの欠点を補うため、焼結多孔質酸化チタンにルテニウム錯体色素を吸着させることにより利用可能な光の範囲を紫外線より波長が長い可視光領域まで拡げた色素増感ソーラーセル(ＤＳＳＣ:Dye Sensitized Solar Cell)が知られている。
（ｂ）に色素増感ソーラーセルの基本的な構成を説明する。
この図において、１はガラス基板であり１方の面にＦＴＯ等の透明導電膜２が形成されている。３は多孔質２酸化チタン焼結体であり、空孔表面にルテニウム錯体色素が吸着されている。４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。５は白金対向電極であり、ＦＴＯ等の導電膜６が形成されたガラス基板７上に形成されている。また、８は封止材、９は抵抗器等の外部負荷である。
この図において、１はガラス基板であり１方の面にＦＴＯ等の透明導電膜２が形成されている。３は多孔質２酸化チタン焼結体であり、空孔表面にルテニウム錯体色素が吸着されている。４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。５は白金対向電極であり、ＦＴＯ等の導電膜６が形成されたガラス基板７上に形成されている。また、８は封止材、９は抵抗器等の外部負荷である。
ガラス基板１上のＦＴＯ透明導電膜２を透過して入射した光は多孔質２酸化チタン焼結体３の空孔表面に吸着されたルテニウム錯体色素に吸収される。光を吸収したルテニウム錯体色素は電子的な基底状態から励起状態となり、励起状態のルテニウム錯体色素の電子は、多孔質２酸化チタン焼結体３に注入される。その結果ルテニウム錯体色素は酸化状態となる。このときルテニウム錯体色素の励起電子の多孔質２酸化チタン焼結体３への効果的な注入のためには、ルテニウム錯体色素の励起エネルギー準位が半導体である多孔質２酸化チタン焼結体３の伝導帯エネルギー準位より負でなければならない。多孔質２酸化チタン焼結体３に注入された電子は拡散により透明導電膜２から外部へ取り出され、負荷９を経由して白金対向電極５へ導かれる。一方酸化されたルテニウム錯体色素は、沃素係電解質４中の沃素から電子を受け取り基底状態のルテニウム錯体色素に戻る。
このような構成を有する色素増感ソーラーセルの太陽光利用効率は理論的に３０％であるが、実際には最大で１０％である。
２酸化チタンは光触媒機能を有しており、同様に光触媒機能を有する材料としてハロゲン化水素酸で処理された溶融石英が特開２００４−２９０７４８号公報及び特開２００４−２９０７４７号公報に示されている。
同様に、光触媒能を有する材料としてフッ化水素酸で処理された人工水晶が、国際公開公報ＷＯ２００５／０８９９４１号に示されている。
人工水晶光触媒は、特開２００４−２９０７４８号公報及び特開２００４−２９０７４７号公報に示された溶融石英を原材料とする光触媒よりもさらに広い２００〜８００nmという波長領域で光触媒として機能する。
本発明者等は、２酸化ケイ素である人工水晶又は溶融石英が、光起電能を有することを発見し、国際公開ＷＯ２０１１／０４９１５６号公報に記載された２酸化ケイ素ソーラーセルを提案した。
図２により、国際公開ＷＯ２０１１／０４９１５６号公報に記載されたソーラーセルを説明する。
この図において、１１及び１７は透明導電層ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）層１２及びＦＴＯ層１６が形成された３０mm×３０mmのガラス基板であり、ソーラーセルの大きさは２０mm×２０mmである。
この図において、１１及び１７は透明導電層ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）層１２及びＦＴＯ層１６が形成された３０mm×３０mmのガラス基板であり、ソーラーセルの大きさは２０mm×２０mmである。
光入射側のＦＴＯ層には酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化チタン（ＴｉＯ２）等のｎ型半導体層１３が形成されており、光入射側ＦＴＯ層１２と対向するＦＴＯ層１６上には白金膜１５が形成されている。
ｎ型半導体層２５と白金膜２６の間に０.１５〜０.２０mmの厚さでＳｉＯ２を含むガラスと電解質を混合したソーラーセル材料２０が封入されている。
ソーラーセル材料２７は、ＳｉＯ２を含むガラス等の粒を５％のフッ化水素酸水溶液に５分間浸漬し、水洗後に乾燥させ、粒径が０.２mm以下になるように粉砕したものを用いている。
電解質は、ＬｉＩを０.１mol、Ｉ２を０.０５mol，４−tert-ブチルピリジンを０.５mol，テトラブチルアンモニウムヨージドを０.５molアセトニトリル溶媒に添加したものである。
２酸化ケイ素の光電池機構の詳細は不明であるが、波長が２００〜８００ｎｍである太陽光が照射されると吸収され、２酸化ケイ素側の電極から負荷を経由して対向電極に向かって電子が流れる、いいかえれば、対向電極から２酸化ケイ素側の電極に向かって電流が流れるという現象がある。
ソーラーセル材料としては、人工水晶が最も有用であるが、溶融石英ガラス，ソーダ石灰ガラス，無アルカリガラス，ホウケイ酸ガラスでも、起電する。
１５,０００〜１９，０００luxの蛍光灯を照射したことにより得られた短絡電流及び開放電圧は次のとおりである。
人工水晶 ：短絡電流０.５μＡ、解放電圧３５ｍＶ
溶融石英ガラス ：短絡電流０.５μＡ、解放電圧３０ｍＶ
ソーダ石灰ガラス：短絡電流０.３μＡ、解放電圧１５ｍＶ
無アルカリガラス：短絡電流０.４μＡ、解放電圧３０ｍＶ
ホウケイ酸ガラス：短絡電流０.３μＡ、解放電圧１４ｍＶ
人工水晶 ：短絡電流０.５μＡ、解放電圧３５ｍＶ
溶融石英ガラス ：短絡電流０.５μＡ、解放電圧３０ｍＶ
ソーダ石灰ガラス：短絡電流０.３μＡ、解放電圧１５ｍＶ
無アルカリガラス：短絡電流０.４μＡ、解放電圧３０ｍＶ
ホウケイ酸ガラス：短絡電流０.３μＡ、解放電圧１４ｍＶ
また、フッ化水素酸処理をしていない２酸化ケイ素組成物でも、以下の短絡電流及び開放電圧が得られている。
人工水晶 ：短絡電流０.１μＡ、解放電圧 ３ｍＶ
溶融石英ガラス ：短絡電流０.２μＡ、解放電圧 ３ｍＶ
ソーダ石灰ガラス：短絡電流０.１μＡ、解放電圧 ５ｍＶ
無アルカリガラス：短絡電流０.１μＡ、解放電圧 ５ｍＶ
ホウケイ酸ガラス：短絡電流０.２μＡ、解放電圧１２ｍＶ
人工水晶 ：短絡電流０.１μＡ、解放電圧 ３ｍＶ
溶融石英ガラス ：短絡電流０.２μＡ、解放電圧 ３ｍＶ
ソーダ石灰ガラス：短絡電流０.１μＡ、解放電圧 ５ｍＶ
無アルカリガラス：短絡電流０.１μＡ、解放電圧 ５ｍＶ
ホウケイ酸ガラス：短絡電流０.２μＡ、解放電圧１２ｍＶ
この出願に係る発明は、高い光利用効率を発揮するソーラーセルを得ることを課題とする。
本発明者等は、ハロゲン化水素酸処理をした人工水晶粒及び溶融石英粒は微粉末化することにより、さらに優れたソーラーセル機能を発揮することを発見した。
本発明者等は、光の波長近くにまで微粉砕された人工水晶あるいはガラスがソーラーセル材料としてさらに優れた機能を発揮することを発見した。
本発明者等は２酸化ケイ素ソーラーセルが赤外光によっても起電することを発見した。
この出願に係る発明は、これらの知見に基づき２酸化ケイ素ソーラーセルに２酸化チタンソーラーセルをタンデム構成で組みあわせ、２酸化ケイ素ソーラーセル側の電極と２酸化チタンソーラーセル側の電極とから出力を取り出すことにより、紫外光から赤外光にわたる全ての領域の光によって起電する、ソーラーセルを得る。
タンデム構成される一方の２酸化チタンソーラーセルを色素増感型とすることにより、利用する光の範囲が広くなる。
微粉末化した２酸化ケイ素粒が電解質に拡散し、増感色素に付着することがあり、増感色素に機能を低下させることがある。
その場合には２酸化ケイ素ソーラーセル部と色素増感２酸化チタンソーラーセル部との間に隔壁を設ける。
その場合には２酸化ケイ素ソーラーセル部と色素増感２酸化チタンソーラーセル部との間に隔壁を設ける。
この出願に係る発明は、ハロゲン化水素酸処理した結晶質である人工水晶粒子あるいはハロゲン化水素酸処理した非結晶質である石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス等と沃素係電解質からなる２酸化ケイ素ソーラーセルに色素増感２酸化チタンソーラーセルをタンデム構成で組み合わせた、ソーラーセルである。
この出願に係る発明は、ルテニウム色素等の色素を吸着した２酸化チタンと沃素係電解質からなる色素増感ソーラーセルにハロゲン化水素酸処理した結晶質である人工水晶粒あるいはハロゲン化水素酸処理した非結晶質である石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰等を用いた２酸化ケイ素ソーラーセルをタンデム構成で組み合わせた、ソーラーセルである。
この出願に係る発明は、ルテニウム色素等の色素を吸着した多孔質２酸化チタンと沃素係電解質からなる色素増感ソーラーセルにハロゲン化水素酸処理した結晶質である人工水晶粒あるいはハロゲン化水素酸処理した非結晶質である石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス等を用いた２酸化ケイ素ソーラーセルをタンデム構成で組み合わせ、さらに多孔質２酸化チタンに粉末化した２酸化ケイ素を組み合わせた、ソーラーセルである。
この出願に係る発明の２酸化ケイ素ソーラーセルの具体的な特徴は以下のとおりである。
導電性を有する２枚の基板を各々の導電面を向かい合わせて配置し、基板の少なくとも一方を透明で光入射側基板とし、２酸化ケイ素粒成形体を光入射側基板と向かい合わせて配置された基板上に配置し、２酸化ケイ素粒成形体と光入射側基板との間に電解質を充填する。
導電性を有する２枚の基板を各々の導電面を向かい合わせて配置し、基板の少なくとも一方を透明で光入射側基板とし、２酸化ケイ素粒成形体を光入射側基板と向かい合わせて配置された基板上に配置し、２酸化ケイ素粒成形体と光入射側基板との間に電解質を充填し、さらに、光入射側基板上に多孔質酸化チタン焼結体を配置する。
導電性を有する２枚の基板を各々の導電面を向かい合わせて配置し、基板の少なくとも一方を透明で光入射側基板とし、２酸化ケイ素粒成形体を光入射側基板と向かい合わせて配置された基板上に配置し、２酸化ケイ素粒成形体と光入射側基板との間に電解質を充填し、さらに、光入射側基板上に増感色素を吸着した多孔質酸化チタン焼結体を配置する。
この出願に係る発明は、２酸化ケイ素ソーラーセルに２酸化チタンソーラーセルにをタンデム構成で組みあわせることにより、２酸化チタンソーラーセル側の電極と２酸化ケイ素ソーラーセル側の電極とから出力を取り出す。
この構成により、紫外から赤外にわたる全ての領域の光によって起電することができる。
タンデム構成される一方の２酸化チタンソーラーセルを色素増感型とすることにより、利用する光の範囲が広くなる。
この出願に係るソーラーセルによれば、多孔質２酸化チタンと沃素係電解質からなる従来のソーラーセルよりも高い光−電気変換を得ることができる。
この出願に係る色素増感ソーラーセルによれば、ルテニウム増感色素を吸着した２酸化チタンと沃素係電解質からなる従来の色素増感ソーラーセルよりも高い光−電気変換を得ることができる。
この出願に係る色素増感２酸化チタンソーラーセルは、最大２８６０μＡの短絡電流を得ることができ、従来の色素増感２酸化チタンソーラーセルの２５１０μＡと比して大幅な起電力増加があった。
以下図面を参照して発明を実施するための形態を説明する。
図３に実施例１として図２に示した２酸化ケイ素ソーラーセルを改良した２酸化ケイ素ソーラーセルを示す。
この図において、１１及び１７は各々ＦＴＯ等の透明導電膜１２及びＦＴＯ等の透明導電膜１６を有するガラス基板であり、透明導電膜１２及び透明導電膜１６は電力取り出し電極として機能する。ガラス基板１１上の透明導電膜１２とガラス基板１７上のＦＴＯ膜１６が向かい合うようにガラス基板１１と１２を配置する。
この図において、１１及び１７は各々ＦＴＯ等の透明導電膜１２及びＦＴＯ等の透明導電膜１６を有するガラス基板であり、透明導電膜１２及び透明導電膜１６は電力取り出し電極として機能する。ガラス基板１１上の透明導電膜１２とガラス基板１７上のＦＴＯ膜１６が向かい合うようにガラス基板１１と１２を配置する。
２０は０.１５〜０.２０mmの厚さを有する２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）焼成体であり、光が入射しない側のガラス基板１７上に配置する。
２酸化ケイ素側の透明導電膜１６上には電荷取り出し電極として、白金（Ｐｔ）膜１５を形成してある。
２酸化ケイ素側の透明導電膜１６上には電荷取り出し電極として、白金（Ｐｔ）膜１５を形成してある。
１４は電解質であり、図２に示した先行技術の２酸化ケイ素ソーラーセルでは２酸化ケイ素中に混合されているのとは異なり、２酸化ケイ素焼成体２０と光入射側ガラス基板１１との間の空間に充填されている。
また、１８は封止材であり、１９は外部負荷である。
また、１８は封止材であり、１９は外部負荷である。
電解質１４は、ＬｉＩを０.１mol、Ｉ２を０.０５mol，４−tert-ブチルピリジンを０.５mol，テトラブチルアンモニウムヨージドを０.５molアセトニトリル溶媒に添加したものを用いた。
２酸化ケイ素焼成体２０は２酸化ケイ素の結晶質である人工水晶あるいは非結晶質である石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰等のガラス粒を５％のフッ化水素酸水溶液に５分間浸漬し、水洗後に乾燥し、その後粒径５００nm以下に微粉砕したものを用いた。
浸漬する水溶液にはフッ化水素酸以外に塩化水素酸がハロゲン化水素酸として
浸漬する水溶液にはフッ化水素酸以外に塩化水素酸がハロゲン化水素酸として
人工水晶粒子は、粒径は０．２〜０．５mm程度の大きさでも使用でき、焼成しなくてもエタノールと混合して白金電極１５上に塗布し乾燥させたものも使用できる。
光入射側ガラス基板１１から入射した光は２酸化ケイ素２０に入射して起電する。
ソーラーシミュレータにより太陽常数である１ｋｗ／１m２の光を照射した実施例１のソーラーセルは、人工水晶の粒径が０．２mm以下の場合に、８５μＡの短絡電流、４７０mＶの開放電圧が得られ、粒径が５００nm以下の場合に、３４８μＡの短絡電流、６２０mＶの開放電圧が得られた。
これらの数値は、図２に示した先行技術の２酸化ケイ素ソーラーセルと比較して、測定条件は異なるが短絡電流と解放電圧がともに大幅に増加している。
これらの数値は、図２に示した先行技術の２酸化ケイ素ソーラーセルと比較して、測定条件は異なるが短絡電流と解放電圧がともに大幅に増加している。
それだけでなく、本発明者等は２酸化ケイ素ソーラーセルである人工水晶ソーラーセルについて、紫外領域の成分を含まない光源である３００Ｗの白熱電球により、ほぼ直射日光に等しい照度で短絡電流を測定したところ、それぞれ４００ｍＶの解放電圧及び０.５μＡの短絡電流を観測し、２酸化ケイ素ソーラーセルは赤外光のみによっても起電することを確認した。
このことから、２酸化ケイ素ソーラーセルは代表的な湿式ソーラーセルである色素増感型２酸化チタンソーラーセルでは不可能であった、紫外領域の成分を含まない光によっても起電する。
このことから、２酸化ケイ素ソーラーセルは代表的な湿式ソーラーセルである色素増感型２酸化チタンソーラーセルでは不可能であった、紫外領域の成分を含まない光によっても起電する。
図４により実施例２を説明する。
実施例２のソーラーセルは実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルに図１（ａ）に示した従来技術の２酸化チタンソーラーセルをタンデム型に組み合わせたものである。
この図において、１１はガラスあるいは樹脂からなる透明な基板であり一方の面にＦＴＯ等の透明電極膜１２が形成され、光入射側電極とされる。３は焼結等の手段により固体化された多孔質２酸化チタンである。１４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質を用いる。
実施例２のソーラーセルは実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルに図１（ａ）に示した従来技術の２酸化チタンソーラーセルをタンデム型に組み合わせたものである。
この図において、１１はガラスあるいは樹脂からなる透明な基板であり一方の面にＦＴＯ等の透明電極膜１２が形成され、光入射側電極とされる。３は焼結等の手段により固体化された多孔質２酸化チタンである。１４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質を用いる。
２０は粒径が０．２mm以下の人工水晶粒子であり、エタノールと混合して白金等からなる電極２５上に塗布し乾燥させたものである。
１６はＦＴＯ等の透明電極であり、１７はガラスあるいは樹脂からなる基板である。また、１８は封止材であり、１９は外部負荷である。
１６はＦＴＯ等の透明電極であり、１７はガラスあるいは樹脂からなる基板である。また、１８は封止材であり、１９は外部負荷である。
光入射側透明基板１１から入射した紫外光は多孔質２酸化チタン３に入射して起電し、起電に寄与しなかった紫外光及び可視光は２酸化ケイ素２０に入射して起電する。
このように実施例２のソーラーセルは紫外光〜可視光領域の光により起電することができる。
このように実施例２のソーラーセルは紫外光〜可視光領域の光により起電することができる。
ソーラーシミュレータにより太陽常数である１ｋｗ／１m２の光を照射した実施例１のソーラーセルにより、２０μＡの短絡電流、４１７mＶの開放電圧が得られた。
図５により実施例３を説明する。
実施例３のソーラーセルは実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルに図１（ｂ）に示した従来技術の色素増感２酸化チタンソーラーセルをタンデム型に組み合わせたものである。
この図において、１１はガラスあるいは樹脂からなる透明な基板であり一方の面にＦＴＯ等の透明導電膜１２が形成され、光入射側電極とされる。
１０は焼結等の手段により固体化され、ルテニウム錯体色素等の増感色素を吸着させた多孔質２酸化チタンである。
１４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。
実施例３のソーラーセルは実施例１の２酸化ケイ素ソーラーセルに図１（ｂ）に示した従来技術の色素増感２酸化チタンソーラーセルをタンデム型に組み合わせたものである。
この図において、１１はガラスあるいは樹脂からなる透明な基板であり一方の面にＦＴＯ等の透明導電膜１２が形成され、光入射側電極とされる。
１０は焼結等の手段により固体化され、ルテニウム錯体色素等の増感色素を吸着させた多孔質２酸化チタンである。
１４は電解液であり、一般的には沃化カリウム水溶液に沃素を溶解した沃素系電解質が用いられる。
２０は粒径が５００ｎm以下である人工水晶微粉砕粒子であり、エタノールと混合して白金等からなる電極１５上に塗布し乾燥させたものである。
１６はＦＴＯ等の透明電極であり、１７はガラスあるいは樹脂からなる基板である。また、１８は封止材であり、１９は外部負荷である。
１６はＦＴＯ等の透明電極であり、１７はガラスあるいは樹脂からなる基板である。また、１８は封止材であり、１９は外部負荷である。
光入射側透明基板１１から入射した紫外光〜赤外光の中の紫外光〜可視光は色素増感多孔質２酸化チタン１０に入射して起電し、起電に寄与しなかった紫外光〜赤外光は２酸化ケイ素２０に入射して起電する。
実施例１で説明したように、２酸化チタン及び増感色素が起電しない領域の可視光〜赤外光でも、２酸化ケイ素２０は起電する。
このように実施例３のソーラーセルは紫外光〜赤外光の全領域の光により起電することができる。
実施例１で説明したように、２酸化チタン及び増感色素が起電しない領域の可視光〜赤外光でも、２酸化ケイ素２０は起電する。
このように実施例３のソーラーセルは紫外光〜赤外光の全領域の光により起電することができる。
実施例３のソーラーセルにより、２８５μＡの短絡電流、５１０mＶの開放電圧が得られた。
図６に、２酸化ケイ素を種々変更した場合の色素増感ソーラーセルの電圧−電流特性及び従来技術の色素増感ソーラーセルの電圧−電流特性を示す。
この図において、横軸に電圧を、縦軸に電流を記載してある。
なお、グラフにおいて例えば「１．０Ｅ−０３」との記載は１．０ｍＡを意味している。
特性はソーラーシミュレータを用い、ソーラーセルへの入射光エネルギーが１−Ｓｕｎ（即ち１ｋＷ／ｍ２）となるようにしたときの両ＦＴＯ電極間の電圧・電流を測定した結果である。
図６には６個の試料Ａ〜Ｅ，Ｇ及び比較試料である従来型の色素増感ソーラーセルＦの電圧−電流特性曲線が示してある。
この図において、横軸に電圧を、縦軸に電流を記載してある。
なお、グラフにおいて例えば「１．０Ｅ−０３」との記載は１．０ｍＡを意味している。
特性はソーラーシミュレータを用い、ソーラーセルへの入射光エネルギーが１−Ｓｕｎ（即ち１ｋＷ／ｍ２）となるようにしたときの両ＦＴＯ電極間の電圧・電流を測定した結果である。
図６には６個の試料Ａ〜Ｅ，Ｇ及び比較試料である従来型の色素増感ソーラーセルＦの電圧−電流特性曲線が示してある。
Ａは、粒径を５０〜２００ｎｍと微粉砕した人工水晶粒子を用いたときの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は３０６７μＡ、開放電圧は６６０ｍＶであった。
Ｂは、粒径が０．２ｍｍの人工水晶粒子を用いたときの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は２３４０μＡ、開放電圧は６８０ｍＶであった。
Ｄは、溶融石英を用いたときの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は１２９３μＡ、開放電圧は６８０ｍＶであった。
Ｃは、無アルカリガラスを用いたときの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は１８５０μＡ、開放電圧は６９０ｍＶであった。
Ｅは、ホウケイ酸ガラスを用いたときの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は９３０μＡ、開放電圧は７００ｍＶであった。
Ｆは、図１（ｂ）の従来技術の色素増感ソーラーセルの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は７３３μＡ、開放電圧は６８０ｍＶであった。
Ｇは、ソーダ石灰ガラスを用いたときの電圧−電流特性曲線であり、短絡電流は６２６μＡ、開放電圧は６７０ｍＶであった。
これらの電圧−電流特性曲線から読み取られるように、Ａ〜Ｅの二酸化ケイ素を用いた色素増感ソーラーセルは、従来の物と比較して大きな電流を取り出すことができることが明らかである。
また、全体的には従来の物に劣るように見えるソーダ石灰ガラスを用いた場合でも、一部の電圧領域では従来の物よりも大きな電流を取り出すことができる。
また、全体的には従来の物に劣るように見えるソーダ石灰ガラスを用いた場合でも、一部の電圧領域では従来の物よりも大きな電流を取り出すことができる。
図３に示した実施例１において、使用する人工水晶微粉砕粒子の粒径は５００nm以下と微細であり、白金電極上に塗布・乾燥してから電解液に触れさせると図７に２２で示すように、電解液中に分散・懸濁することがある。
このような状態でも２酸化ケイ素ソーラーセルの電流一電圧関係が大きな影響を受けることはない。
このような状態でも２酸化ケイ素ソーラーセルの電流一電圧関係が大きな影響を受けることはない。
図４に示した実施例２において、使用する人工水晶微粉砕粒子の粒径は５００nm以下と微細であり、白金電極上に塗布・乾燥してから電解液に触れさせると図８に２２で示すように、電解液中に分散・懸濁することがある。
このような状態でも多孔質２酸化チタン焼結体を組み合わせた２酸化ケイ素ソーラーセルの電流一電圧関係が大きな影響を受けることはない。
このような状態でも多孔質２酸化チタン焼結体を組み合わせた２酸化ケイ素ソーラーセルの電流一電圧関係が大きな影響を受けることはない。
図５に示した実施例３において、使用する人工水晶微粉砕粒子の粒径は５００nm以下と微細であり、白金電極上に塗布・乾燥してから電解液に触れさせると図９に２２で示すように、電解液中に分散・懸濁することがある。
このような状態でも色素増感多孔質２酸化チタン焼結体を組み合わせた２酸化ケイ素ソーラーセルの電流一電圧関係が大きな影響を受けることはない。
このような状態でも色素増感多孔質２酸化チタン焼結体を組み合わせた２酸化ケイ素ソーラーセルの電流一電圧関係が大きな影響を受けることはない。
図１０に、実施例５を改良した実施例６の２酸化ケイ素ソーラーセルを示す。
実施例６において、電解液中に分散・懸濁している人工水晶微粉砕粒子は粒径が５００ｎm以下と微細であり、本質的には不良導体であるため多孔質２酸化チタンの孔部に入り込み２酸化チタンの起電能を妨げる可能性がある。
このような事態を防止するために、電解質のみが透過可能な隔膜２３により２酸化ケイ素２２が懸濁した電解質と２酸化ケイ素２２が懸濁していない電解質とを分離する。
実施例６において、電解液中に分散・懸濁している人工水晶微粉砕粒子は粒径が５００ｎm以下と微細であり、本質的には不良導体であるため多孔質２酸化チタンの孔部に入り込み２酸化チタンの起電能を妨げる可能性がある。
このような事態を防止するために、電解質のみが透過可能な隔膜２３により２酸化ケイ素２２が懸濁した電解質と２酸化ケイ素２２が懸濁していない電解質とを分離する。
図１１に実施例６を改良した実施例６の２酸化ケイ素ソーラーセルを示す。
実施例６において、電解液中に分散・懸濁している人工水晶微粉砕粒子は粒径が５００ｎm以下と微細であり、本質的には不良導体であるため多孔質２酸化チタンの孔部に入り込み２酸化チタンの起電能を妨げる可能性がある。
このような事態を防止するために、電解質のみが透過可能な隔膜２３により２酸化ケイ素２２が懸濁した電解質と２酸化ケイ素２２が懸濁していない電解質とを分離する。
実施例６において、電解液中に分散・懸濁している人工水晶微粉砕粒子は粒径が５００ｎm以下と微細であり、本質的には不良導体であるため多孔質２酸化チタンの孔部に入り込み２酸化チタンの起電能を妨げる可能性がある。
このような事態を防止するために、電解質のみが透過可能な隔膜２３により２酸化ケイ素２２が懸濁した電解質と２酸化ケイ素２２が懸濁していない電解質とを分離する。
この出願に係る発明では、基板、透明導電膜、対向電極、電解質等に、各実施例で説明した以外の様々な構造及び材料を使用することができる。
以下に、代替可能な構造及び材料について説明する。
以下に、代替可能な構造及び材料について説明する。
［基板］
各実施例においてソーラーセル材料及び電解質を収容する容器は、光入射側には光透過性の材料が、光が入射しない側には光透過性あるいは光不透過性の材料が用いられる。
光透過性の材料としてガラス，プラスティックス，アモルファスシリコン，ポリエステルフィルムが使用可能であり、光不透過性の材料としてはステンレス、ニッケル等の金属板が用いられる。
各実施例においてソーラーセル材料及び電解質を収容する容器は、光入射側には光透過性の材料が、光が入射しない側には光透過性あるいは光不透過性の材料が用いられる。
光透過性の材料としてガラス，プラスティックス，アモルファスシリコン，ポリエステルフィルムが使用可能であり、光不透過性の材料としてはステンレス、ニッケル等の金属板が用いられる。
［透明導電体］
光透過性材料として用いるガラス及びプラスティックスは導電性を有しないものが殆どであり、導電性を有しない材料を用いた場合には導電性を付与する必要がある。光透過性であり導電性を有する材料として、ＦＴＯあるいはＩＴＯ等の錫の酸化物の他に、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺＮ−Ｏ），カーボンナノチューブ，グラフェン等の炭素系の材料あるいは導電性ＰＥＴフィルム等がＩＴＯ，カーボンナノチューブ，グラフェン等の透明導電材料が用いられ、電極をガラスあるいはプラスティックス等の透明体上に形成したものを使用する。透明電極はソーラーセルの内側に設ける。
光透過性材料として用いるガラス及びプラスティックスは導電性を有しないものが殆どであり、導電性を有しない材料を用いた場合には導電性を付与する必要がある。光透過性であり導電性を有する材料として、ＦＴＯあるいはＩＴＯ等の錫の酸化物の他に、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺＮ−Ｏ），カーボンナノチューブ，グラフェン等の炭素系の材料あるいは導電性ＰＥＴフィルム等がＩＴＯ，カーボンナノチューブ，グラフェン等の透明導電材料が用いられ、電極をガラスあるいはプラスティックス等の透明体上に形成したものを使用する。透明電極はソーラーセルの内側に設ける。
ソーラーセル収納容器の光入射側と対面する側は、光を透過させる必要がある場合にはＦＴＯ，ＩＴＯ，カーボンナノチューブ，グラフェン等の透明電極をガラスあるいはプラスティックス等の透明体上に形成したものを使用し、光を透過させる必要があない場合にはカーボンナノチューブ，グラフェン等の電荷取り出し用導電体を形成した金属板を使用する。電荷取り出し用導電体はソーラーセルの内側に設ける。
プラスティックスを導電性プラスティックスとすることにより、透明導電体を不要とすることもできる。
プラスティックスを導電性プラスティックスとすることにより、透明導電体を不要とすることもできる。
［２酸化ケイ素粒］
ハロゲン化水素酸処理した結晶質人工水晶粒又は非結晶質ガラス粒は以下のようにして調製した。
２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の結晶質である人工水晶あるいは非結晶質である石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰等のガラス粒をフッ化水素酸水溶液に浸漬し、次いで人工水晶粒あるいはガラス粒を水洗後に乾燥し、その後微粉砕粉した。
フッ化水素酸以外に塩化水素酸がハロゲン化水素酸として用いられるが、フッ化水素酸が好ましい。
また、他のハロゲン化水素酸も利用可能である。
ハロゲン化水素酸処理した結晶質人工水晶粒又は非結晶質ガラス粒は以下のようにして調製した。
２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の結晶質である人工水晶あるいは非結晶質である石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰等のガラス粒をフッ化水素酸水溶液に浸漬し、次いで人工水晶粒あるいはガラス粒を水洗後に乾燥し、その後微粉砕粉した。
フッ化水素酸以外に塩化水素酸がハロゲン化水素酸として用いられるが、フッ化水素酸が好ましい。
また、他のハロゲン化水素酸も利用可能である。
２酸化ケイ素粒をハロゲン水素酸による処理を行わない場合には、２酸化ケイ素粒の試料の場合は平均粒径が数１０nmまで微粉末化する。
２酸化ケイ素粒のハロゲン水素酸による処理は、微粉末化前にするのではなく、微粉末化後にすることもできる。
［２酸化ケイ素層］
２酸化ケイ素層は、人工水晶等の粉末を白金粉末とともにエタノールと混合して焼成したでものでも使用できる。
２酸化ケイ素粒子焼成体の粒径は０．５mm程度程度のものまで使用可能である。
２酸化ケイ素層は、人工水晶等の粉末を白金粉末とともにエタノールと混合して焼成したでものでも使用できる。
２酸化ケイ素粒子焼成体の粒径は０．５mm程度程度のものまで使用可能である。
［電解質］
電解質には、支持電解質としてリチウムイオンなどの陽イオンや塩素イオンなどの陰イオンなど種々の電解質を用い、電解質中に存在させる酸化還元対としては、ヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物などの酸化還元対を用いる。
電解質には、支持電解質としてリチウムイオンなどの陽イオンや塩素イオンなどの陰イオンなど種々の電解質を用い、電解質中に存在させる酸化還元対としては、ヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物などの酸化還元対を用いる。
１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド０．４mol，テトラブチルアンモニウムアイオダイド０．４mol，4-tert-butyl pyridine：０．２mol，グアニジウムイソチオシアネート０．１molをプロピレンカーボネート液を溶媒として調製したもの。
この電解質は、ハロゲン分子の濃度が０．０００４mol／Ｌ以下の場合には、可視光領域においてほぼ無色透明である。
この電解質は、ハロゲン分子の濃度が０．０００４mol／Ｌ以下の場合には、可視光領域においてほぼ無色透明である。
ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）０．５mol，金属ヨウ素（Ｉ２）０．０５molをメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに増粘剤を加え、更に開放起電力とフィルファクターを向上させるため4−tert-butyl pyridineを添加したもの。
複合ガラス板が無色透明である必要がない場合には沃素係電解液等有色の電解液を用いることもできる。
無色の電解質として酢酸あるいはクエン酸等の有機酸も使用できる。
無色の電解質として酢酸あるいはクエン酸等の有機酸も使用できる。
［増感色素］
２酸化チタンソーラーセルは増感色素を用いることにより紫外光及び可視光領域で起電することもできるが、２酸化ケイ素ソーラーセルが可視光領域で十分に起電す場合には高価且つ短寿命な増感色素を使用する必要はない。
２酸化チタンソーラーセルは増感色素を用いることにより紫外光及び可視光領域で起電することもできるが、２酸化ケイ素ソーラーセルが可視光領域で十分に起電す場合には高価且つ短寿命な増感色素を使用する必要はない。
増感色素はルテニウム錯体色素の他に、コバルト錯体色素、ポルフィリン系やシアニン系，メロシアニン，フタロシアニン，クマリン，リポフラピン，キサンテン，トリフェニルメタン，アゾ，キノン等、Ｃ６０誘導体やＢＴＳ（スチリル ベンゾチアゾリウム プロピルスルフォネート）,インドリン，ハイビスカスやアメリカンチェリー等の植物からの色素が利用でき、異なる起電特性の色素を採用することによって、起電に利用する光を選択することができる。
［対向電極］
対向電極とする半導体層として，酸化亜鉛（ＺｎＯ）の他に酸化チタン（ＴｉＯ２），酸化銅（ＣｕＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３），窒化炭素、グラフェン等が使用可能である。
対向電極とする半導体層として，酸化亜鉛（ＺｎＯ）の他に酸化チタン（ＴｉＯ２），酸化銅（ＣｕＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３），窒化炭素、グラフェン等が使用可能である。
［入射側面］
これまでに説明した全ての実施例では２酸化ケイ素焼成体は光が入射しない側の面に配置されている。この配置に絶対的な理由はないので、２酸化ケイ素焼成体を光が入射する側の面に配置することもできる。
これまでに説明した全ての実施例では２酸化ケイ素焼成体は光が入射しない側の面に配置されている。この配置に絶対的な理由はないので、２酸化ケイ素焼成体を光が入射する側の面に配置することもできる。
２酸化チタンソーラーセルの容器にさらに２酸化ケイ素ソーラーセルをタンデム構成で組みあわせたこの出願に係る発明により、紫外から赤外にわたる全ての領域の光によって起電でき、有用なソーラーセルが得られる。
１，７，１１，１７ 基板
２，６，１２，１６ 透明導電膜
３ 多孔質酸化チタン焼結体
４，１４ 電解質
５，１５ 対向電極
８，１８ 封止材
９ 外部負荷
１０ 色素増感多孔質酸化チタン焼結体
２０ ２酸化ケイ素粒成形体
２２ ２酸化ケイ素粒
２，６，１２，１６ 透明導電膜
３ 多孔質酸化チタン焼結体
４，１４ 電解質
５，１５ 対向電極
８，１８ 封止材
９ 外部負荷
１０ 色素増感多孔質酸化チタン焼結体
２０ ２酸化ケイ素粒成形体
２２ ２酸化ケイ素粒
Claims (13)
- 導電性を有する２枚の基板が各々の導電面を向かい合わせて配置され、
前記基板の少なくとも一方が透明で光入射側基板とされ、
前記２枚の基板の間に２酸化ケイ素粒成形体と電解質が配置された２酸化ケイ素ソーラーセルであって：
前記２酸化ケイ素粒成形体は前記光入射側基板と向かい合わせて配置された基板上に配置され、
前記２酸化ケイ素粒成形体と前記光入射側基板との間に前記電解質が充填されていることを特徴とする２酸化ケイ素ソーラーセル。 - 前記２酸化ケイ素粒の粒径が５００ｎm以下であることを特徴とする、請求項１の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記２酸化ケイ素粒が人工水晶粒子であることを特徴とする、請求項１又は請求項２の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記２酸化ケイ素粒が溶融石英ガラス粒子であることを特徴とする、請求項１又は請求項２の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記２酸化ケイ素粒が無アルカリガラス粒子であることを特徴とする、請求項１又は請求項２の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記２酸化ケイ素粒がホウケイ酸ガラス粒子であることを特徴とする、請求項１又は請求項２の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記２酸化ケイ素がソーダ石灰ガラスであることを特徴とする
請求項１又は請求項２の２酸化ケイ素ソーラーセル。 - 前記２酸化ケイ素粒がハロゲン化水素酸で処理されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記ハロゲン化水素酸がフッ化水素酸であることを特徴とする、請求項８の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記ハロゲン化水素酸が塩化水素酸であることを特徴とする、請求項８の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記光入射側基板上に多孔質酸化チタン焼結体が配置されていることを特徴とする、請求項１の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記多孔質酸化チタン焼結体に増感色素が吸着されていることを特徴とする、請求項１１の２酸化ケイ素ソーラーセル。
- 前記多孔質酸化チタン焼結体と前記２酸化ケイ素粒子成形体との間に電解質が透過でき、２酸化ケイ素粉末は透過できない隔壁が配置されいることを特徴とする、請求項１１又は請求項１２の２酸化ケイ素ソーラーセル。
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