JP5236323B2 - Dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
近年、環境への配慮などにより太陽電池が注目を浴び、普及しつつある。しかし、透明性及び導電性の双方の性質を併せ持つ透明電極の材料となるSi系材料が高価であるため、太陽電池は依然高価な商品であり、太陽電池を常時作動させるランニングコストなども莫大であり、これらの要因が未だに太陽電池が十分に普及していない理由の1つになっている。 In recent years, solar cells have attracted attention and are becoming popular due to environmental considerations. However, since the Si-based material that is a material for the transparent electrode having both the properties of transparency and conductivity is expensive, the solar cell is still an expensive product, and the running cost for always operating the solar cell is enormous. These factors are one of the reasons why solar cells are not yet widely used.
そこで、近年、湿式の色素増感型(グレッツェルセル)太陽電池や、乾式の有機膜太陽電池など、Si系材料を使用しない太陽電池の改良が進められている(特許文献1,2参照)。
Thus, in recent years, improvements have been made to solar cells that do not use Si-based materials, such as wet dye-sensitized (Gretzel cell) solar cells and dry organic film solar cells (see
また、特許文献1〜3には、1日の時間帯及び季節による影響を低減して集光効率を高めることで、結果としてコスト低減を図る集光型太陽電池について開示されている(特許文献3〜5)。
色素増感型太陽電池の課題は、Si太陽電池に比べて光電変換効率が低いことである。すなわち、最高で20%を超えるSi太陽電池に比べて、色素増感型太陽電池は高いものでもその半分の10%程度の光電変換効率しかない。そして、吸収されない光はそのまま透過してしまう。 The problem of the dye-sensitized solar cell is that the photoelectric conversion efficiency is lower than that of the Si solar cell. That is, compared with Si solar cells exceeding 20% at the maximum, even dye-sensitized solar cells have a photoelectric conversion efficiency of about 10%, which is half of that. And the light which is not absorbed will pass as it is.
このように、色素増感型太陽電池は光電変換効率が元来低いにもかかわらず、時間帯や季節により太陽の位置が低くなると集光効率が低下してしまい、発電能力がさらに低下してしまうという不具合がある。 In this way, although the dye-sensitized solar cell is originally low in photoelectric conversion efficiency, if the position of the sun is lowered due to the time zone or season, the light collection efficiency is reduced, and the power generation capacity is further reduced. There is a problem that it ends up.
そこで、本発明の目的は、時間帯や季節による集光効率の低下を防止することができる色素増感型太陽電池を、簡単な構成を追加するだけで低製造コストにより製造できるようにすることである。 Accordingly, an object of the present invention is to enable a dye-sensitized solar cell capable of preventing a decrease in light collection efficiency due to time zone or season to be manufactured at a low manufacturing cost only by adding a simple configuration. It is.
(1)本発明は、第1の透明電極と、第2の透明電極と、前記第1の透明電極と第2の透明電極との間に設けられた電解質層と、前記電解質層と前記第1の透明電極との間に設けられ、光を吸収して励起する色素を含んでいる多孔質層と、前記第1の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第2の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち一方側に設けられ、前記多孔質層に入射する光を集光する凸レンズと、を備えていることを特徴とする色素増感型太陽電池である。 (1) The present invention provides a first transparent electrode, a second transparent electrode, an electrolyte layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode, the electrolyte layer, and the first A porous layer provided between the first transparent electrode and containing a dye that absorbs and excites light; a side of the first transparent electrode opposite to the porous layer side; and the second transparent electrode A dye-sensitized solar cell, comprising a convex lens that is provided on one side of the electrode opposite to the electrolyte layer side and collects light incident on the porous layer. is there.
(2)この場合に、前記第1の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第2の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち前記凸レンズが設けられていない側に設けられ、前記多孔質層に向けて光を反射する反射部材をさらに備えていることを特徴とするようにしてもよい。 (2) In this case, the side on which the convex lens is not provided among the side opposite to the porous layer side of the first transparent electrode and the side opposite to the electrolyte layer side of the second transparent electrode And a reflection member that reflects light toward the porous layer may be further provided.
(3)また、この場合に、前記凸レンズの焦点距離は前記反射部材で反射した光が前記各部材の外側で焦点を結ぶ距離であることを特徴とするようにしてもよい。 (3) In this case, the focal length of the convex lens may be a distance at which the light reflected by the reflecting member forms a focal point outside the respective members.
(1)の発明によれば、色素増感型太陽電池に入射する光は凸レンズにより集光されて入射する。これにより、多孔質層への光の集光効率を向上させ、時間帯や季節により太陽の位置が低くなることにより発生する集光効率の低下を防止することができる。このような構成は、色素増感型太陽電池に凸レンズを設けるだけの簡単な構成で実現できるので、製造コストも低く維持することができる。 According to the invention of (1), the light incident on the dye-sensitized solar cell is collected by the convex lens and incident. Thereby, the condensing efficiency of the light to a porous layer can be improved, and the fall of the condensing efficiency generate | occur | produced when the position of the sun becomes low by a time slot | zone or a season can be prevented. Such a configuration can be realized with a simple configuration in which a convex lens is provided in the dye-sensitized solar cell, and thus the manufacturing cost can be kept low.
(2)の発明によれば、色素増感型太陽電池で吸収されずに透過した光は光反射部材で反射され、再度多孔質層に照射され、ある程度多孔質層に吸収されることになるので、時間帯や季節により太陽の位置が低くなることにより発生する集光効率の低下をより一層防止することができる。このような構成は、色素増感型太陽電池にさらに反射部材を設けるだけの簡単な構成で実現できるので、製造コストも低く維持することができる。 According to the invention of (2), the light transmitted without being absorbed by the dye-sensitized solar cell is reflected by the light reflecting member, is irradiated again to the porous layer, and is absorbed by the porous layer to some extent. Therefore, the fall of the condensing efficiency which generate | occur | produces when the position of the sun becomes low by a time zone or a season can be prevented further. Such a configuration can be realized with a simple configuration in which a reflection member is further provided on the dye-sensitized solar cell, so that the manufacturing cost can be kept low.
(3)の発明によれば、反射部材で反射した光は色素増感型太陽電池の外側で焦点を結ぶので、凸レンズで集光された光により過度な熱が色素増感型太陽電池中で発生することがないので、色素増感型太陽電池に塑性変形が発生することを防止することができる。 According to the invention of (3), since the light reflected by the reflecting member is focused outside the dye-sensitized solar cell, excessive heat is generated in the dye-sensitized solar cell by the light collected by the convex lens. Since it does not occur, it is possible to prevent plastic deformation from occurring in the dye-sensitized solar cell.
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態にかかる色素増感型太陽電池パネルの一部を示す部分拡大縦断面図である。 FIG. 1 is a partially enlarged longitudinal sectional view showing a part of a dye-sensitized solar cell panel according to the present embodiment.
この色素増感型太陽電池パネル1は、図1に示す構造がその左右にも連続的に構成されていて、パネル状に形成されている。色素増感型太陽電池パネル1は、透明なガラスやプラスチックなどから構成され、互いに対向している基板2及び基板3を備えている。基板2の内側にはPt蒸着などで形成された透明電極4が設けられ、基板3の内側にはPt蒸着などで形成された透明電極(対向電極)5が設けられている。透明電極4と透明電極5との間には電解質層6が設けられている。電解質層6は例えばホウ素を溶かした電解液である。
The dye-sensitized
電解質層6と透明電極4との間には多孔質層7が形成されている。この多孔質層7は、例えば酸化チタン層であり、ルテニウム錯体など、光を吸収して励起する色素を含んでいる。この多孔質層7において光電変換が行なわれる。
A
基板2の透明電極4側とは反対側の面4aには多数の凸レンズ8aが連続的に形成されたマイクロレンズアレイ8が設けられている。この色素増感型太陽電池パネル1では、太陽光Lを上方から入射させることを想定していて、マイクロレンズアレイ8は太陽光Lを集光して多孔質層7に入射させる。
A
反射部材となるミラー9は、基板3の透明電極5が設けられている面とは反対側の面に反射面9aを多孔質層7側として設けられ、色素増感型太陽電池パネル1を透過した太陽光Lを多孔質層7に向けて反射する。
The mirror 9 serving as a reflecting member is provided on the surface opposite to the surface on which the
また、マイクロレンズアレイ8を構成している各凸レンズ8aは、その焦点距離がミラー9の反射面9aで反射した光が色素増感型太陽電池パネル1の前述の各部材の外側で焦点を結ぶような距離に設定されている。前述の構成では、具体的には、マイクロレンズアレイ8、基板2、透明電極4、多孔質層7、電解質層6、透明電極5、及び基板3の合計の厚みの2倍以上の焦点距離があればよい。
Further, each
次に、色素増感型太陽電池パネル1の動作について説明する。
Next, the operation of the dye-sensitized
多孔質層7に太陽光Lが入射すると、多孔質層7中の色素が可視光を吸収して励起する。この励起した色素から放出された電子が酸化チタンに移動する。この電子が透明電極4を通過して図示しない外部の回路を通過して電子としての仕事を行い、透明電極5に到達する。そして、電子を放出した多孔質層7中の色素は電解質層6のヨウ素イオンから電子を奪って中和する。この電子を奪われたヨウ素イオンが透明電極5に到達した電子と結合して中和する。以上の動作を繰返すことにより、透明電極4,5間に電力を取り出すことができる。
When sunlight L enters the
マイクロレンズアレイ8の凸レンズ8aの機能について、図2〜図4を参照して説明する。
The function of the
図2(a)には、マイクロレンズアレイ8が設けられていない状態の色素増感型太陽電池パネル1の基板2(透明電極4)に太陽光Lが垂直に入射している状態を示している。このように、太陽光Lが垂直に入射しているときが、集光効率が最も高い。ここで、透明電極4に入射する光束Bのうち、光電変換部となる多孔質層7の単位面積当たりの光束をB´とすると、
B´=B/S
となり、通常、この場合が最も効率が良い。
FIG. 2A shows a state in which sunlight L is vertically incident on the substrate 2 (transparent electrode 4) of the dye-sensitized
B '= B / S
Usually, this is the most efficient.
図2(b)には、マイクロレンズアレイ8が設けられていない状態の色素増感型太陽電池パネル1の基板2(透明電極4)に太陽光Lが鋭角に(入射角θ)入射している状態を示している。このように太陽光Lの入射角をθとすると、太陽光Lの多孔質層7への照度は、cosθとなる(ここでは、全反射しない入射角の範囲で説明する)。この場合に、図2(a)の場合と同様に多孔質層7の単位面積当たりの光束をCとすると、
C=B×cosθ
となる。この関係は、色素増感型太陽電池パネル1の発電効率に直接関係する。ここで、透明電極4に入射する光束Cのうち、光電変換部となる多孔質層7の単位面積当たりの光束をC´とすると、
C´=(B×cosθ)/S
となり、
C´=B´×cosθ
という関係が成立する。
In FIG. 2B, sunlight L is incident at an acute angle (incident angle θ) on the substrate 2 (transparent electrode 4) of the dye-sensitized
C = B × cosθ
It becomes. This relationship is directly related to the power generation efficiency of the dye-sensitized
C ′ = (B × cos θ) / S
And
C ′ = B ′ × cos θ
The relationship is established.
次に、図2(c)に示すように、本実施の形態の色素増感型太陽電池パネル1のようにマイクロレンズアレイ8を設ける。このときの多孔質層7の単位面積当たりの光束をDとすると、
D=B×cosθ
(θが前記と同じであるとすると、“D−C”である)
となり、ここで、光電変換部となる多孔質層7における単位面積当たりの光束D´は、
D´=(B×cosθ)/S×(f/(f−g))2)
となる。ここで、図3に示すように、fはマイクロレンズアレイ8の凸レンズ8aの焦点距離であり、gは凸レンズ8aのレンズ面8a1から光電変換面7aまでの距離である。光電変換面7aは多孔質層7中のある面である。
Next, as shown in FIG. 2C, a
D = B × cosθ
(If [theta] is the same as above, it is "DC")
Here, the luminous flux D ′ per unit area in the
D ′ = (B × cos θ) / S × (f / (f−g)) 2 )
It becomes. Here, as shown in FIG. 3, f is the focal length of the
このように集光倍率分D´は、増加し、光束の断面積は減少する。さらに、透過した光の反射光が多孔質層7に集光するので、多孔質層7の部分E(多孔質層7中で光を受けている部分)全体として光電変換効率が向上する。
Thus, the condensing magnification D ′ increases, and the cross-sectional area of the light beam decreases. Furthermore, since the reflected light of the transmitted light is condensed on the
そして、この場合の光電変換面7aの凸レンズ8aからの太陽光Lが直接当たる面積Sは、
S=(1−g/f)2
となり、光束の集光度lは、
l=(f/(f−g))2
となる。
And the area S which the sunlight L from the
S = (1-g / f) 2
And the concentration l of the luminous flux is
l = (f / (f−g)) 2
It becomes.
図4は、焦点距離fを固定し、距離gを変えて、これらの比g/f、面積S、集光度lをそれぞれ計算したときの各値の一覧表である。図5は、g/fの値に応じて変動する面積S、集光度lの変化を示すグラフである。凸レンズ8aのレンズ面8a1から光電変換面7aまでの距離gが焦点距離fに近づくほど、光電変換面7aの凸レンズ8aからの太陽光Lが直接当たる面積Sの範囲は狭まるが、集光度は向上することがわかる。
FIG. 4 is a list of values when the focal length f is fixed and the distance g is changed, and the ratio g / f, area S, and light concentration l are calculated. FIG. 5 is a graph showing changes in the area S and the light collection degree l that vary depending on the value of g / f. As the distance g from the lens surface 8a1 of the
また、発電に寄与することなく多孔質層7をそのまま通過した太陽光Lは、ミラー9の反射面9aで反射して、再び多孔質層7に戻る。これにより、集光効率が低下することを防止できるので、光電変換効率をさらに高く維持することができる。
The sunlight L that has passed through the
よって、色素増感型太陽電池パネル1によれば、マイクロレンズアレイ8とミラー9を設けたことにより、このようなマイクロレンズアレイ8やミラー9を設けない場合に比べ、時間帯や季節により太陽の位置が低くなっても、集光効率が低下することを防止することができて、色素増感型太陽電池パネル1の発電能力を比較的高く維持することができる。しかも、そのためにはマイクロレンズアレイ8やミラー9を設けるだけでよいので、構成が簡単であり、製造コストの増大を招くこともない。
Therefore, according to the dye-sensitized
さらに、この場合に、マイクロレンズアレイ8の凸レンズ8aは、その焦点距離がミラー9の反射面9aで反射した光が色素増感型太陽電池パネル1の外側で焦点を結ぶような距離に設定されている。したがって、凸レンズ8aで集光された光により過度な熱が色素増感型太陽電池1中で発生することがないので、色素増感型太陽電池1に塑性変形が発生することを防止することができる。
Further, in this case, the
なお、前述の例では、太陽光Lは図1の上方からマイクロレンズアレイ8に入射することを想定しているが、図1の下方から入射させるようにしてもよい。その場合は、マイクロレンズアレイ8を基板3の透明電極5側とは反対側の面に設け、ミラー9を基板2の多孔質層7側とは反対側の面に反射面9aを多孔質層7側に向けて設ければよい。
In the above example, it is assumed that the sunlight L is incident on the
また、ミラー9の反射面9aは、色素増感型太陽電池パネル1の横端面にも設けて良い。これにより、当該横端面のミラー9の反射面9aが色素増感型太陽電池パネル1への入射光や図1に示す最下層のミラー9の反射面9aで反射された光を、当該横端面から漏れるのを防止し、当該光を再度反射させて多孔質層7に戻すことができる。よって、このような色素増感型太陽電池パネル1の横端面から漏れる光も有効活用して、集光効率の低下を防止することができる。
Further, the
1 色素増感型太陽電池パネル
4 透明電極
5 透明電極
6 電解質層
7 多孔質層
8a 凸レンズ
9 ミラー
DESCRIPTION OF
Claims (1)
第2の透明電極と、
前記第1の透明電極と第2の透明電極との間に設けられた電解質層と、
前記電解質層と前記第1の透明電極との間に設けられ、光を吸収して励起する色素を含んでいる多孔質層と、
前記第1の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第2の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち一方側に設けられ、前記多孔質層に入射する光を集光する凸レンズと、
前記第1の透明電極の前記多孔質層側とは反対側と前記第2の透明電極の前記電解質層側とは反対側とのうち前記凸レンズが設けられていない側に設けられ、前記多孔質層に向けて光を反射する反射部材とを備え、
前記凸レンズの焦点距離は前記反射部材で反射した光が前記各部材の外側で焦点を結ぶ距離であることを特徴とする色素増感型太陽電池。 A first transparent electrode;
A second transparent electrode;
An electrolyte layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode;
A porous layer provided between the electrolyte layer and the first transparent electrode and containing a dye that absorbs and excites light;
Light that is provided on one side of the first transparent electrode opposite to the porous layer side and the second transparent electrode opposite to the electrolyte layer side and that is incident on the porous layer. A converging convex lens;
Provided on the side of the first transparent electrode opposite to the porous layer side and on the side of the second transparent electrode opposite to the electrolyte layer side on which the convex lens is not provided, the porous A reflective member that reflects light toward the layer ,
2. The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the focal length of the convex lens is a distance at which the light reflected by the reflecting member focuses on the outside of each member .
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