JP5240902B2

JP5240902B2 - 太陽電池

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Publication number: JP5240902B2
Application number: JP2008030463A
Authority: JP
Inventors: 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2009193702A

Description

本発明は、電解質を介在させて対向配置される導電性基板の対のうち、少なくとも受光側に配置される前記導電性基板が透光性を有するとともに、その内方に色素を備えた酸化物層を設けてなる色素増感型の太陽電池に関する。

従来、色素増感型の太陽電池としては、例えば、透光性を有する導電膜を備えた透明なガラス基板（導電性基板）を、導電膜を内方にして対向配置し、これら導電性基板の対の間に液体又は固体ゲル状の電解質を介在させてなる構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。これら導電性基板のうち、入射光を受ける側（受光側）の導電性基板の内方の面には、ルテニウム等の色素を吸着させたチタニア（ＴｉＯ_２）からなる酸化物層が形成されている。

このような色素増感型の太陽電池は、従来のシリコン系太陽電池（シリコン単結晶、多結晶）に比べ、シリコンを使用せず安価な材料を用いて低価格に製造することができ、また大掛かりな設備投資を必要としていない点で優れている。また、シリコンはコスト面と資源の面とで課題を有しており、代替手段が期待されていた。

また、色素増感型の太陽電池は、従来のシリコン系太陽電池の様に黒色の色素を用いるのみならず、シアン、マゼンタ、黄色等、複数の色素を組み合わせて用いることができるので、カラフルでデザイン性の高い設計が可能である。また、複数の色素を組み合わせることで、入射光の波長に対応した幅広い吸収帯を形成できるので、光エネルギー変換効率（光電変換効率）のさらなる増大が期待されている。
また、形状の自由度が高く、例えば導電性基板としてプラスチック等の樹脂基板を用い、曲面状に形成することも可能である。またこのような樹脂基板を用いることとすれば、大幅な軽量化も可能である。
特開２００２−２８９２７０号公報

しかしながら、これまでの実績では、色素増感型の太陽電池は、光電変換効率の点で未だシリコン系太陽電池に及ばず、さらなる光電変換効率の向上が要望されていた。
また、色素増感型の太陽電池は、導電性基板の対の間に電解質を封止する必要があり、従来は封止材等を用いてこれを行っていたが、実用化に向けては、この封止を長期に亘り安定させ、耐久性を向上する必要がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、集光効率を高めて光電変換効率を向上でき、また耐久性を向上することができる色素増感型の太陽電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明は、電解質を介在させて対向配置される導電性基板の対のうち、少なくとも受光側に配置される前記導電性基板が透光性を有し、前記導電性基板の対の間に色素を備えた酸化物層が設けられてなる色素増感型の太陽電池であって、受光側の前記導電性基板の外方を覆うようにして、凸曲面状に形成され、透光性を有する集光部が配設されており、前記集光部は、膜状の外装体と、前記外装体の内部に封止される前記電解質と、からなることを特徴とする。

この発明に係る太陽電池によれば、透光性を有する集光部が、光源（入射光）のある受光側に凸曲面状に突出するようにして形成されており、球面を有する凸レンズ状とされていて、光の集束効果を備えている。また集光部は、受光側の導電性基板の外方を覆うようにして配設されているので、集束した入射光を該導電性基板に効率よく供給することができる。よって、集光効率が高められるとともに光電変換効率が向上する。

本発明の太陽電池によれば、集光部は、その外装部分が膜状の外装体で形成されており、外装体の内部には、例えば液体や固体ゲル状からなる電解質が封止されている。すなわち、導電性基板の対の間に介在させる電解質を、従来のように、対の間のみに配設し封止材等で封止せず、受光側の導電性基板の外方まで覆うようにして対の外部に亘り配設するとともに集光部のレンズとして用いることとしている。

従って、電解質が酸化還元手段のみに用いられるのではなく、光の集束手段としても用いられて、光電変換効率が高められている。またこの構成によれば、導電性基板の対の間に介在させる電解質と、受光側の導電性基板の外方に配設する電解質とを同一工程で同時に形成できるので、生産性に優れている。

また、本発明の太陽電池において、前記外装体が、化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜からなることとしてもよい。
このようにしてＣＶＤ法を用いてパリレンを形成し電解質全体を気密に封止した場合、従来のように、電解質を封止するための封止材等を設置する面倒な手間がなく、作業性が大幅に向上する。また、パリレンは気密性が高く、ガスバリア性、耐薬品性、耐熱性及び耐寒性等に優れているため、内部の電解質が長期に亘り安定して封止され、耐久性が向上する。

また、本発明の太陽電池において、前記導電性基板の対が少なくとも２組設けられ、互いの前記集光部を外方に向けるようにして背中合わせに配置されていることとしてもよい。
本発明によれば、入射光がいずれの方向に設定されていても効率よく発電することができるので、光電変換効率がより向上し、多種多様な要望に対応することができる。

また、本発明の太陽電池において、前記導電性基板の対が複数設けられ、電気的に直列に接続されていることとしてもよい。
本発明によれば、個々に発電される導電性基板の対が電気的に直列に接続されモジュール化されているので、全体として取り出す出力電圧が増大し、さらに多種多様な要望に対応することができる。

また、本発明の太陽電池において、前記導電性基板の対が、立設して配置され、受光側の前記導電性基板と前記集光部の前記外装体との間に、間隙が設けられており、前記電解質が、液体からなるとともに、前記外装体の内部と前記導電性基板の対の間とを循環可能とされていることとしてもよい。
本発明によれば、液体からなる電解質が、例えば入射光を受光して加熱した導電性基板によって加熱され、集光部の外装体の内部と、導電性基板の対の間との間を自然に対流し循環するようになっている。従って、装置の光電変換効率が長期に亘り安定して維持される。

また、本発明の太陽電池において、前記導電性基板の対のうち、受光側の反対側に配置される前記導電性基板が共通の電極とされており、受光側の前記導電性基板が複数設けられていることとしてもよい。
本発明によれば、導電性基板の対のうち、受光側の反対側に配置される導電性基板が、例えば延在して形成されたり広範囲に形成されたりして共通の電極とされており、該電極に受光側の導電性基板が複数対向配置されている。これによれば、実用化にあたり必要となる複数の太陽電池のモジュール化をより簡便に行うことができ、生産性が向上する。

本発明に係る色素増感型の太陽電池によれば、集光効率を高めて光電変換効率を向上でき、また耐久性を向上することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の概略構成を示す側断面図、図２は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池をモジュール化した状態を示す概略側断面図、図３は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池をモジュール化した状態の変形例を示す概略側断面図、図４は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池を立設した状態を示す概略側断面図である。

第１の実施形態の太陽電池１は、所謂色素増感型の太陽電池１であり、入射光Ｌを受光して、受光した光エネルギーを電力に変換して取り出す構成のものである。
図１に示すように、この太陽電池１は、入射光Ｌを透過する性質（透光性）を有するガラス基板２と、同じく透光性を有しガラス基板２の裏面（図１における下面）に配置されインジウム・スズ複合酸化物（ＩＴＯ）からなる導電膜３と、を積層した導電性基板４を備えている。導電性基板４の裏面には、多孔質のチタニア（ＴｉＯ_２）からなる酸化物層５が積層されており、この酸化物層５には、予めルテニウム（Ｒｕ）系色素が吸着されている。

また、導電性基板４に対向配置されるようにして、ガラス基板６及び導電膜７を備える導電性基板８が配設されている。導電性基板８は、導電性基板４に向く側にその導電膜７を配置している。そして、これら導電性基板４，８の対の間には、絶縁体からなる球状のスペーサー９が配置され僅かな間隙が設けられており、この間隙には、ヨウ素溶液からなる電解液（電解質）１０が充填されている。電解液１０は、適度な粘性を有しており、また透光性を有している。また、導電性基板４の導電膜３には、負極ワイヤ１１が接続されており、導電性基板８の導電膜７には、正極ワイヤ１２が接続されている。

そして、入射光Ｌを受光した酸化物層５が、保持するルテニウム系色素から導電膜３に電子（ｅ⁻）を放出し、これら電子が負極ワイヤ１１から装置の外部へと送り出され、また、正極ワイヤ１２からは導電膜７に電子が取り込まれることによって、電気が流れ電力を取り出せるようになっている。

また、このように配置される導電性基板４，８の対のうち、入射光Ｌの側（以下「受光側」と省略する）に配置される導電性基板４の外方を覆うようにして、凸曲面状の集光部１３が形成されている。集光部１３は、可撓性膜からなる透明な外装体１４と、外装体１４の内部に封止される前記電解液１０とにより形成されている。

集光部１３は、電解液１０の液滴が形成された面上を外装体１４で覆うことにより、電解液１０を液滴の状態で気密に封止した構造を有している。具体的に、この集光部１３は、導電性基板４，８の対の上に適度な粘性を有する電解液１０を適量滴下し、この電解液１０の液滴が表面張力により球面状若しくは略ドーム状に形成された面上に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いてパラキシリレン系樹脂膜（パリレン）からなる可撓性膜の外装体１４を形成することによって、電解液１０を液滴の状態で気密に封止してなる。そして、これら外装体１４と電解液１０とにより形成される集光部１３は、球面を有する凸レンズ状とされ、光の集束効果を備えている。

パラキシリレン系樹脂は、ガスバリア性や、耐薬品性、耐熱性、耐寒性などに優れており、このようなパラキシリレン系樹脂としては、例えば、ポリモノクロロパラキシリレン（パリレンＣ）や、ポリパラキシリレン（パリレンＮ）、ポリジクロロパラキシリレン（パリレンＤ）などを挙げることができる。そして、このＣＶＤ法により形成されるパリレンは、電解液１０を液滴の状態で気密に封止することができ、微小化も容易なことから、外装体１４として非常に適している。

また、集光部１３の外装体１４の内面と、該内面に近い受光側の導電性基板４との間には、若干の間隙が設けられている。また、集光部１３の電解液１０と、導電性基板４，８の対の間に配置される電解液１０とは同一のものであり、互いの領域に連通していて、対流可能な状態とされている。

また、導電性基板４，８の対の間に介在する電解液１０については、前述のようにして集光部１３の電解液１０を滴下した際に、該工程において毛細管現象により前記対の間に自然に入り込むため、特別な追加工程を必要としていない。そして対の間に電解液１０が充満した後は、前述の外装体１４を形成する工程が行われる。

以上説明したように、本実施形態の太陽電池１によれば、透光性を有する集光部１３が、受光側に凸曲面状に突出し、球面を有する凸レンズ状とされていて、光の集束効果を備えている。そして集光部１３は、受光側の導電性基板４の外方を覆うようにして配設されているので、集束した入射光Ｌを導電性基板４に効率よく供給することができる。従って、集光効率が高められるとともに光電変換効率が向上する。

また、集光部１３は、その外装部分がパリレンからなる外装体１４で形成されており、外装体１４の内部には、電解液１０が封止されている。すなわち、導電性基板４，８の対の間に介在させる電解液１０を、従来のように、対の間のみに配設し封止材等で封止せず、受光側の導電性基板４の外方まで覆うようにして対の外部に亘り配設するとともに集光部１３のレンズとして用いることとしている。

従って、電解液１０が電力を発生するための酸化還元手段のみに用いられるのではなく、光の集束手段としても用いられて、光電変換効率が高められている。またこの構成によれば、導電性基板４，８の対の間に介在させる電解液１０と、受光側の導電性基板４の外方に配設する電解液１０とを同一工程で同時に形成できるので、生産性に優れている。

また、集光部１３の外装体１４をパリレンで形成することによって、従来のように、電解液１０を液密に封止するための封止材等を導電性基板４，８の対の周縁部に設置する必要はなく、製造の作業性が大幅に向上する。また、パリレンは気密性が高く、ガスバリア性、耐薬品性、耐熱性及び耐寒性等に優れているため、内部の電解液１０が長期に亘り安定して封止され、耐久性が向上する。

また、このような構成の太陽電池１を実用化するには、複数の太陽電池１を用いて例えばアレイ状に配列し、図２に示すようにモジュール化すればよい。
すなわち、図２において、複数の太陽電池１は、導電性基板８の共通のガラス基板６からなる同一面上に並べられて配置されており、隣り合う太陽電池１同士の負極ワイヤ１１と正極ワイヤ１２とが互いに接続されていて、複数の太陽電池１同士が電気的に直列に接続され、モジュール化された状態となっている。

これによれば、個々に発電する太陽電池１の導電性基板４，８の対が互いに電気的に直列に接続されているので、全体として取り出せる出力電圧が増大し、より多種多様な要望に対応することができる。

また、図３に示す変形例のようにして、複数の太陽電池１を、共通の導電性基板８ａを用いて導電膜７ａを共有して形成し、同一面上に並べて配置することとしてもよい。そして、導電膜７を蒸着等によりガラス基板６上に一括して形成することとすれば、実用化にあたり必要となる複数の太陽電池１のモジュール化をより簡便に行うことができ、生産性が向上する。

また、図４に示すように、太陽電池１を、導電性基板４，８の対を立設して配置することとしてもよい。これによれば、電解液１０が、入射光Ｌを受光して加熱した導電性基板４によって加熱され、導電性基板４，８の対の間と、集光部１３の外装体１４の内部との間を自然に対流し循環する。従って、装置の光電変換効率が長期に亘り安定して維持される。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の概略構成を示す側断面図である。
尚、前述の第１の実施形態の太陽電池１と同一部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、第２の実施形態の太陽電池２１は、立設された導電性基板４，８ｂの対を２組設けており、これらが互いに背中合わせに配置されるようにして形成されている。すなわち、２組の導電性基板４，８ｂは、夫々の集光部１３を外方に向け一方側（図５における左側）と他方側（図５における右側）とに配置しており、２組の導電性基板４，８ｂの間に配置されるガラス基板６ａには、その一方側の面と他方側の面とに夫々導電膜７を形成している。

すなわち、太陽電池２１は、２組の導電性基板４，８ｂを、互いの導電性基板８ｂのガラス基板６ａを共通に用いることで背中合わせに一体化して背向配置している。
この太陽電池２１によれば、入射光Ｌが一方側と他方側とに夫々設定されていても、またはそれ以外のいずれの方向に設定されていても効率よく発電することができるので、光電変換効率がより向上し、さらに多種多様な要望に対応することができる。また、省スペースであっても光電変換効率を高めることができる。

尚、本発明は前述した第１、第２の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、外装体１４は、パリレンに限られるものではない。

また、電解液１０は液体でなくてもよく、例えば透光性を備えた固体ゲル状等であっても構わない。また、電力を発生するための酸化還元手段であればよく、ヨウ素溶液以外であっても構わない。

また、導電性基板４，８，８ａ，８ｂは、ガラス基板２，６，６ａ及びＩＴＯからなる導電膜３，７，７ａを積層させてなるものとして説明したが、この構成に限られるものではない。
すなわち、ガラス基板の代わりに、透光性を備えてなる例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン、ポリアミド、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフィン又はポリメチルメタクリレート等を用いることとしてもよい。ただし、チタニアを焼き付ける都合上、５００℃程度の加熱に対する耐熱性を備えた本実施形態のガラス基板がより好ましい。
また、ＩＴＯからなる導電膜の代わりに、例えばフッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることとしても構わない。

また、受光側の反対側に配置される導電性基板８，８ａ，８ｂについては、必ずしも透光性を備えるものでなくともよく、例えばフッ素樹脂やポリテトラフルオロエチレン等を用いることとしても構わない。
また、導電性基板８，８ａ，８ｂの内方の面に触媒層を設けることとしてもよく、触媒層の材料として例えばＰｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃ等を用いることとしても構わない。

また、酸化物層５は、Ｒｕ系色素が吸着されたチタニア（ＴｉＯ_２）からなるとして説明したが、この構成に限られるものではない。
すなわち、色素の種類としては、受光して電子を放出する性質を備えてなる例えばＣ^６０誘導体、スチリルベンゾチアゾリウムプロピルスルフォネート（ＢＴＳ）又は植物系色素等を用いることもでき、色としては、例えばシアン、マゼンタ、黄色の三原色を合成してデザインすることもできる。ここで、色素の選択は、入射光Ｌの波長に合わせ種々に選択可能である。また本実施形態のようにＲｕ系色素を用いることとすれば、入射光Ｌから広範囲の波長を吸収できるので、より好ましい。
また、チタニアの代わりに、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等を用いることとしても構わない。

また、第１の実施形態の図２において、複数の太陽電池１を電気的に直列に接続し、全体として取り出す出力電圧を増大させるとして説明したが、これに限らず、例えば昇圧回路を用いて出力電圧を増大させるよう構成しても構わない。

また、第２の実施形態の図５において、２組の導電性基板４，８ｂの対が互いに共通のガラス基板６ａを用いて一方側と他方側とに夫々形成されることとして説明したが、これに限らず、例えば別々のガラス基板６を背中合わせに積層させるとともに、図１に示す導電性基板４，８の対を２組背向配置して、太陽電池２１を形成することとしても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の概略構成を示す側断面図である。本発明の第１の実施形態に係る太陽電池をモジュール化した状態を示す概略側断面図である。本発明の第１の実施形態に係る太陽電池をモジュール化した状態の変形例を示す概略側断面図である。本発明の第１の実施形態に係る太陽電池を立設した状態を示す概略側断面図である。本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の概略構成を示す側断面図である。

符号の説明

１，２１太陽電池
４，８，８ａ，８ｂ導電性基板
５酸化物層
７ａ導電膜
１０電解液（電解質）
１３集光部
１４外装体
Ｌ入射光

Claims

電解質を介在させて対向配置される導電性基板の対のうち、少なくとも受光側に配置される前記導電性基板が透光性を有し、前記導電性基板の対の間に色素を備えた酸化物層が設けられてなる色素増感型の太陽電池であって、
受光側の前記導電性基板の外方を覆うようにして、凸曲面状に形成され、透光性を有する集光部が配設されており、
前記集光部は、
膜状の外装体と、
前記外装体の内部に封止される前記電解質と、からなることを特徴とする太陽電池。
請求項１に記載の太陽電池であって、
前記外装体が、化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜からなることを特徴とする太陽電池。
請求項１又は請求項２に記載の太陽電池であって、
前記導電性基板の対が少なくとも２組設けられ、互いの前記集光部を外方に向けるようにして背中合わせに配置されていることを特徴とする太陽電池。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記導電性基板の対が複数設けられ、電気的に直列に接続されていることを特徴とする太陽電池。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記導電性基板の対が、立設して配置され、
受光側の前記導電性基板と前記集光部の前記外装体との間に、間隙が設けられており、
前記電解質が、液体からなるとともに、前記外装体の内部と前記導電性基板の対の間とを循環可能とされていることを特徴とする太陽電池。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記導電性基板の対のうち、受光側の反対側に配置される前記導電性基板が共通の電極とされており、
受光側の前記導電性基板が複数設けられていることを特徴とする太陽電池。