JP5758400B2 - 色素増感太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態1の色素増感太陽電池モジュールにおいて、光の入射面である支持体またはカバー体上で各太陽電池セルの接続を行わず、太陽電池セル間のセル間絶縁部上で各太陽電池セルの接続が行われる。これにより、色素増感太陽電池モジュールの集積密度が高くなるため、太陽電池セルの高い光電変換効率が実現される。したがって、色素増感太陽電池モジュールの光電変換効率が向上する。以下、図面を参照しながら、実施の形態1の色素増感太陽電池モジュールの一例について説明する。
図1は、実施の形態1の色素増感太陽電池モジュールの構造の一例を模式的に示す断面図である。図1において、色素増感太陽電池モジュール(以下、「モジュール」ともいう。)100は、対向する支持体1とカバー体2との間に、直列に接続された複数の色素増感太陽電池セル(以下、「セル」ともいう。)10を有する。モジュール100は、さらに、支持体1上に形成され、後述する複数の積層体15のそれぞれを分割するセル間絶縁部3と、該セル間絶縁部3とカバー体2との間に形成され、セル間絶縁部3とカバー体2との間隔を保持する接続部4と、を有する。
支持体1は、少なくとも受光面となる部分には光透過性が必要となるため、光透過性の材料からなる必要がある。ただし、少なくとも後述する色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過させる材料であればよく、必ずしもすべての波長領域の光に対して透過性を有する必要はない。また、厚さは0.2〜5mm程度のものが好ましい。
カバー体2は、キャリア輸送材料層16を保持でき、また外部からモジュール100内への水などの浸入を防ぐことができるものであればよい。ただし、カバー体2がモジュール100の受光面となる場合は、光透過性が必要となるため、ソーダガラス、溶融石英ガラス、結晶石英ガラスなどのガラス基板などを用いることが好ましい。特に、屋外設置などを考慮すると、強化ガラスなどを好適に用いることができる。
セル間絶縁部3は、セル10同士を電気的に絶縁できる材料であればよく、紫外線硬化性樹脂および熱硬化性樹脂などを用いることができる。また、支持体1上に所望の形状に形成し易い材料を用いることが好ましい。具体的には、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ホットメルト樹脂、ガラス系材料などが好ましく、これらの2種類以上を用いて複数層構造にしてもよい。
図2は、図1における領域Aを模式的に示す拡大図である。図2において、光電変換層11の厚さがセル間絶縁部3の高さよりも小さいため、光電変換層11上に形成される第1電極12は、セル間絶縁部3の側面3aに沿うように延設される。また、1つのセル10の構成要素である第1電極12と、該セル10と隣り合う他のセル10の構成要素である第2電極14とが、セル間絶縁部3の上面3b上で接触している。なお、上面3bで第1電極12と第2電極14とが重なっていてもよい。
接続部4は、セル間絶縁部3とカバー体2との間に形成されて、セル間絶縁部3とカバー体2との間隔を保持する。すなわち、支持体1とカバー体2との間隔を一定に保持する。この構成により、積層体15とカバー体2との間には間隔が保持され、落下物などによる応力(衝撃)や長期の使用によってモジュール100に発生しがちなたわみなどを、接続部4によって吸収することができる。
光電変換層11は、色素を吸着した多孔性半導体層からなり、キャリア輸送材料が層内外を移動することができる。以下に、多孔性半導体層および色素についてそれぞれ説明する。
多孔性半導体層を構成する半導体の種類は、当該分野で一般に光電変換材料に使用されるものであれば特に限定されない。たとえば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム、硫化鉛、硫化亜鉛、リン化インジウム、銅−インジウム硫化物(CuInS2)、CuAlO2、SrCu2O2などの半導体化合物およびこれらの組み合わせが挙げられる。これらの中でも、安定性および安全性の点から、酸化チタンが特に好ましい。
多孔性半導体層に吸着して光増感剤として機能する色素としては、可視光領域または赤外光領域に吸収をもつ種々の有機色素、金属錯体色素などが挙げられ、これらの色素の1種または2種以上を選択的に用いることができる。
第1電極12としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、光透過性を有していても有していなくてもよい。ただし、カバー体2を受光面にする場合は光透過性が必要となる。
多孔性絶縁層13は、1つのセル10内における第1電極12と第2電極14を電気的に絶縁する機能を有する層であり、1つのセル10内において、第1電極12と第2電極14の間に形成される。また、隣り合うセルでの第1電極12同士の間を埋めるように形成することが好ましい。多孔性絶縁層13は多孔性であるため、キャリア輸送材料は多孔性絶縁層13層内外を移動することができる。
第2電極14としては、第1電極12と同様な材料および同様な手法を用いて形成することができる。また、光透過性については、カバー体2が受光面となる場合には不可欠となる。また、第2電極14の構成が緻密な場合には、第1電極12と同様に、小孔を設けることが好ましい。
キャリア輸送材料層16は、図1に示すように、支持体1、カバー体2、セル間絶縁部3および接続部4によって囲まれた領域であって、積層体15とカバー体2との間の領域のことであり、キャリア輸送材料が充填されている領域をいう。
以下に、図1、図4および図5を用いて、実施の形態1のモジュール100の製造方法の一例ついて説明する。図4は、実施の形態1の色素増感太陽電池モジュールの製造方法の好ましい一例のフローチャートであり、図5は、実施の形態1において、格子形状のセル間絶縁部が形成された支持体の模式的な上面図である。
まず、図4のステップS1において、支持体1上にセル間絶縁部3を形成する。
次に、図4のステップS2において、セル間絶縁部3で分割された領域bに、積層体15を形成する。積層体15は、多孔性半導体層(色素未吸着の光電変換層11)、第1電極12、多孔性絶縁層13および第2電極14の順に形成され、多孔性半導体層に色素を吸着させることによって光電変換層11を完成させることによって作製される。以下、順に説明する。
まず、支持体1の領域b上に光電変換層11を構成する多孔性半導体層が形成される。多孔性半導体層は、たとえば、上述の半導体微粒子を含有する懸濁液を領域bに塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行うことによって形成される。
次に、多孔性半導体層(色素未吸着の光電変換層11)上に第1電極12を形成する。第1電極12の一端は、後に形成される第2電極14の一端と接続するために、セル間絶縁部3の表面にまで延在するように形成される。なお、形成方法は特に制限されず、たとえば、スパッタ法、スプレー法などの公知の方法を用いることができる。第1電極12の構造が緻密である場合には、小孔を形成してもよい。また、レーザスクライブ法などを用いて、電極形状をストライプ形状や格子形状にしてもよい。
次に、第1電極12上に多孔性絶縁層13を形成する。多孔性絶縁層13は多孔性半導体層と同様の方法によって形成することができる。すなわち、微粒子状の絶縁物を適当な溶剤に分散し、さらにエチルセルロース、ポリエチレングリコール(PEG)などの高分子化合物を混合してペーストを得、得られたペーストを第1電極12上に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行う。これにより、第1電極12上に多孔性の多孔性絶縁層13を容易に形成することができる。
多孔性絶縁層13と第2電極14との間に、触媒層を配置する場合には、第2電極14を形成する前に、多孔性絶縁層13の表面に触媒層を形成する。触媒層の形成方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。具体的には、触媒層として白金を用いる場合、スパッタ法、塩化白金酸の熱分解、電着などの方法を用いて、多孔性絶縁層13上に形成することができる。また、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンなどのカーボンを用いる場合には、溶剤に分散してペースト状にしたカーボンをスクリーン印刷法などを用いて多孔性絶縁層13に塗布することにより形成することができる。
次に、多孔性絶縁層13上に第2電極14を形成する。第2電極14の形成方法には、第1電極12の形成方法と同様の方法を用いることができる。第2電極14の構造が緻密である場合には、小孔を形成してもよい。また、レーザスクライブ法などを用いて、電極形状をストライプ形状や格子形状にしてもよい。
次に、多孔性半導体層に色素を吸着させて、光電変換層11を完成させる。多孔性半導体層に上記色素を吸着させる方法としては、たとえば、色素を溶解した溶液(色素吸着用溶液)を多孔性半導体層に浸透させる方法が挙げられる。この際、色素吸着用溶液を多孔性半導体層内の微細孔奥部まで浸透させるために、色素吸着用溶液を加熱してもよい。
次に、図4のステップS3において、セル間絶縁部3上に接続部4を形成する。接続部4の形成方法は、セル間絶縁部3の形成方法と同様の方法を用いることができる。特に、接続部4は、第1電極12と第2電極14との接続領域を覆うように、セル間絶縁部3上に形成されることが好ましい。
次に、図4のステップS4において、接続部4上にカバー体2を配置して接続部4を硬化させることによって、カバー体2と接続部4とを固着させる。なお、この段階でのカバー体2には、支持体1、カバー体2、セル間絶縁部3および接続部4によって分割される各領域にキャリア輸送材料を注入できるように、注入口が形成されている。
次に、図4のステップS5において、積層体15とカバー体2との間に、キャリア輸送材料層16を形成する。具体的には、カバー体2の各注入口より、各領域内にキャリア輸送材料を注入する。これにより、積層体15とカバー体2との間の領域にキャリア輸送材料が充填され、キャリア輸送材料層16が形成される。なお、多孔性である光電変換層11および多孔性絶縁層13の孔内、また、第1電極12や第2電極14の小孔内にもキャリア輸送材料が充填される。
そして、最後に、図4のステップS6において、カバー体2の注入口を樹脂などで塞ぐことによって、キャリア輸送材料をセル10内に封止して、モジュール100を完成させる。
本実施の形態2の色素増感太陽電池モジュールにおいて、従来のような透明導電膜付ガラス基板を用いず、各色素増感太陽電池セルの分割を新規な構成で行なう。この構成により、集積密度に影響を及ぼすことなく、各色素増感太陽電池セルの安定的な分割が可能となり、もって、色素増感太陽電池モジュールの光電変換効率が向上する。以下、図面を参照しながら、実施の形態2の色素増感太陽電池モジュールの一例について説明する。
図7は、実施の形態2の色素増感太陽電池モジュールの構造の一例を模式的に示す断面図である。図7において、色素増感太陽電池モジュール(以下、「モジュール」ともいう。)200は、対向する支持体1とカバー体2との間に、直列に接続された複数の色素増感太陽電池セル(以下、「セル」ともいう。)20を有する。モジュール200は、さらに、支持体1上に形成され、後述する複数の積層体15のそれぞれを分割するセル間絶縁部3と、該セル間絶縁部3とカバー体2との間に形成され、セル間絶縁部3とカバー体2との間隔を保持する接続部4と、を有する。
セル間絶縁部3の厚さ(高さ)は、光電変換層11の厚さと同一であることが好ましい。この構成により、光電変換層11の表面に沿ってセル間絶縁部3の表面に延設される第1電極12の形成が容易となり、第1電極12の欠損、断裂などによる光電変換効率の低下を抑制することができる。なお、「同一」とは、実質的に同一であることをいい、第1電極12の形成に大きく影響しない程度の差異を含む意味である。
図8は、図7における領域Bを模式的に示す拡大図である。第1電極12と第2電極14とは、セル間絶縁部3の表面上で接触するが、図8に示すように、セル間絶縁部3がフラットな上面3aを有することが好ましい。この場合、第1電極12と第2電極14とを、上面3a上で容易に接触させることができる。また、第1電極12と第2電極14との接続をセル間絶縁部3の表面上で行なうことにより、支持体1の受光領域において光電変換層11を配置することができる領域を大きくすることができる。すなわち、この構成により、モジュール100の集積密度を大きくすることができ、もって、モジュール100の光電変換効率を大きくすることができる。また、このような上面3aを有することにより、接続部4との固着も容易となる。
図8に示すように、接続部4は、第1電極12と第2電極14との接続領域を覆うように設けられる。具体的には、セル間絶縁部3の表面上に延設される第1電極12の端部と、多孔性絶縁層13の側面に沿って延設される第2電極14の端部とを覆う。
光電変換層11は、色素を吸着した多孔性半導体層からなり、キャリア輸送材料が層内外を移動することができる。なお、多孔性半導体層の厚さ、すなわち光電変換層11の厚さは、セル間絶縁部3の高さと同一であることが好ましい。
本実施の形態2において、多孔性絶縁層13の形状は、図8に示すように、第2電極14が延設される側面13aがセル間絶縁部3の上面3aに対して傾斜していることが好ましい。この理由について、図9を用いて説明する。
本実施の形態2において、多孔性絶縁層13の側面13aが傾斜していることにより、第2電極14が多孔性絶縁層13の一部(たとえば、領域e)に浸透して多孔性絶縁層13の下に位置する第1電極12の表面に到達することができる。この場合、第1電極12と第2電極14との接触領域を実質的に広くすることができ、直列接続の不具合による短絡や抵抗増加によるモジュール性能の低下を抑制することができる。
以下に、図5、図7および図10を用いて、実施の形態2のモジュール200の製造方法ついて説明する。図10は、実施の形態2の色素増感太陽電池モジュールの製造方法の好ましい一例のフローチャートである。
まず、図10のステップS11において、支持体1上にセル間絶縁部3を形成する。
次に、図10のステップS12において、セル間絶縁部3で分割された領域b(図5参照)に、積層体15を形成する。積層体15は、多孔性半導体層(色素未吸着の光電変換層11)、第1電極12、多孔性絶縁層13および第2電極14の順に形成され、多孔性半導体層に色素を吸着させることによって光電変換層11を完成させることによって作製される。以下、順に説明する。
まず、支持体1の領域b上に光電変換層11を構成する多孔性半導体層が形成される。具体的な多孔性半導体層の形成方法の例は、実施の形態1と同様である。
次に、多孔性半導体層(色素未吸着の光電変換層11)上に第1電極12を形成する。第1電極12の一端は、後に形成される第2電極14の一端と接続するために、セル間絶縁部3の表面にまで延在するように形成される。なお、具体的な第1電極12の形成方法の例は、実施の形態1と同様であるため、その説明は繰り返さない。
次に、第1電極12上に多孔性絶縁層13を形成する。具体的な多孔性絶縁層13の形成方法の例は、実施の形態1と同様である。また、たとえば、ペーストを用いて多孔性絶縁層13を形成する場合、ペーストの粘性係数を調整し、ペースト塗布後のレベリング工程の温度、時間などや、塗布後の乾燥工程の温度、時間などを調整することによって、第2電極14が延設される側面13aをセル間絶縁部3の上面3aに対して傾斜させることができる。あるいは、乾燥または焼成後の多孔性絶縁層13の一部をレーザなどによって削り取ることにより、傾斜する側面13aを形成させることもできる。
多孔性絶縁層13と第2電極14との間に、触媒層を配置する場合には、第2電極14を形成する前に、多孔性絶縁層13の表面に触媒層を形成する。具体的な触媒層の形成方法の例は、実施の形態1と同様である。
次に、多孔性絶縁層13上に第2電極14を形成する。具体的な第2電極14の形成方法の例は、実施の形態1と同様である。
次に、多孔性半導体層に色素を吸着させて、光電変換層11を完成させる。具体的な色素の吸着方法の例は、実施の形態1と同様である。以上の工程により、セル間絶縁部3で分割された領域bに、積層体15が形成される。
次に、図10のステップS13において、セル間絶縁部3上に接続部4を形成する。具体的な接続部4の吸着方法の例は、実施の形態1と同様である。
次に、図10のステップS14において、接続部4上にカバー体2を配置して接続部4を硬化させることによって、カバー体2と接続部4とを固着させる。なお、この段階でのカバー体2には、実施の形態1と同様に、支持体1、カバー体2、セル間絶縁部3および接続部4によって分割される各領域にキャリア輸送材料を注入できるように、注入口が形成されている。
次に、図10のステップS15において、積層体15とカバー体2との間に、キャリア輸送材料層16を形成する。具体的なキャリア輸送材料層16の形成方法の例は、実施の形態1と同様である。
そして、最後に、図10のステップS16において、カバー体2の注入口を樹脂などで塞ぐことによって、キャリア輸送材料をセル20内に封止して、モジュール200を完成させる。
実施例1として、図1に示すモジュール100と同様の構成であって、高さ方向の断面形状が台形のセル間絶縁部を有するモジュールを製造した。すなわち、実施例1において、支持体の表面とセル間絶縁部の側面とが成す角度は90度未満である。以下、モジュールの製造方法について説明する。
支持体として、51mm×70mm×厚さ1mmのガラス基板(コーニング社7059)を用意し、該支持体上に、焼成後の形状が1mm×50mm×16μmとなる短冊形状を5mm間隔で並ぶスクリーン印刷版を配置した。そして、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型式:LS−34TVA)を用いてガラスペースト(ノリタケカンパニーリミテド製、商品名:ガラスペースト)を塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、焼成炉を用いて500℃で60分間焼成し、セル間絶縁部を形成した。なお、形成されたセル間絶縁部の形状は、図6に示す形状と同様である。
1.多孔性半導体層の形成
まず、支持体上に、焼成後の形状が5mm×50mm×12μmとなるように、短冊形状が1mm間隔で並ぶスクリーン印刷版を用意し、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型式:LS−34TVA)を用いて酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti−Nanoxide T/SP、平均粒径13nm)を塗布し、室温で1時間レベリングを行った。次いで、得られた塗膜を80℃で20分間予備乾燥した後、450℃で1時間焼成し、この工程を2回繰り返して多孔性半導体層(酸化チタン膜)をセル間絶縁部で分割された領域に形成した。
次に、5.9mm×50mmの開口部が5個並ぶメタルマスクを用意し、多孔性半導体層とセル間絶縁部の上面全てがメタルマスクの開口部と一致するように配置し、チタンを電子ビーム蒸着器ei−5(アルバック株式会社製)を用いて蒸着速度5Å/Sで成膜して厚さ約500nmの第1電極を形成した。そして、形成した第1電極をYAGレーザー(基本波長:1.06μm)を搭載したレーザースクライブ装置(西進商事株式会社製)を用いて、レーザー光を照射してチタンを蒸発させた。これにより、スクライブライン(50μm)を100μm間隔で作製し、ストライプ形状の第1電極を完成させた。
次に、酸化ジルコニウムの微粒子(粒径100nm、シーアイ化成株式会社製)をテルピネオールに分散させ、さらにエチルセルロースを混合してペーストを調製した。なお、酸化ジルコニウム微粒子とテルピネオールとエチルセルロースの重量比は、酸化ジルコニウム微粒子:テルピネオール:エチルセルロース=65:30:5であった。そして、焼成後の形状が5mm×50mm×3.5μmとなるように、短冊形状が1mm間隔で並ぶスクリーン印刷版を用意し、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型式:LS−34TVA)を用いて得られたペーストを第1電極上に塗布し、室温で1時間レベリングを行った。レベリング後、得られた塗膜を80℃で20分間予備乾燥した後、450℃で1時間焼成して、多孔性絶縁層(酸化ジルコニウム膜)を形成した。
次に、多孔性絶縁層と第2電極との界面に触媒層を形成すべく、多孔性絶縁層上に触媒層を形成した。具体的には、5mm×50mmの開口部が5個並ぶメタルマスクを用意し、多孔性絶縁層上に白金を電子ビーム蒸着器ei−5(アルバック株式会社製)を用いて蒸着速度5Å/Sで成膜した。これにより、厚さ約20nmの白金からなる触媒層を形成した。
次に、5.9mm×50mmの開口部が5個並ぶメタルマスクを用意し、多孔性絶縁層上と、セル間絶縁部上に形成された第1電極上に形成されるようにメタルマスクを配置し、チタンを電子ビーム蒸着器ei−5(アルバック株式会社製)を用いて蒸着速度5Å/Sで成膜した。これにより、多孔性絶縁層上および露出しているセル間絶縁部上の第1電極上に厚さ約500nmの第2電極を形成した。これにより、ストライプ形状の第2電極が形成された。
まず、色素(Solaronix社製、商品名:Ruthenium620−1H3TBA)を、濃度4×10-4mol/Lになるように、体積比1:1のアセトニトリル(Aldrich Chemical Company製)とt−ブチルアルコール(Aldrich Chemical Company製)の混合溶剤に溶解させて色素吸着用溶液を得た。そして、前記工程を経て得られた積層体(色素未吸着)を色素吸着用溶液に40℃の温度条件で20時間浸漬し、色素を多孔質半導体層に吸着させた。その後、積層体をエタノール(Aldrich Chemical Company製)で洗浄し、約80℃で約10分間乾燥させた。
次に、第1電極と第2電極の接触領域に紫外線硬化性樹脂(スリーボンド社製、型番:31X−101)を塗布、さらに、後で注入する電解質が隣り合うユニットセルに流れ出ないように、短冊形状に形成されたセル配置用領域の端部にも紫外線硬化性樹脂を塗布した。そして、カバー体として用意した31mm×55mm×1.0mmの支持体と同等なガラスを接続部上に配置して、支持体とカバー体とを貼り合せた。なお、カバー体には予め電解質注入用の注入口を設けておいた。次いで、紫外線照射ランプ(EFD社製、商品名:Novacure)を用いて紫外線を照射し、紫外線硬化性樹脂を硬化させてカバー体を固定した。
まず、キャリア輸送材料となる電解質を調製した。具体的には、溶剤としてのアセトニトリルに、酸化還元種としてLiI(Aldrich Chemical Company製)が濃度0.1mol/L、I2(東京化成工業株式会社製)が濃度0.01mol/Lとなるように、さらに添加剤としてt−ブチルピリジン(TBP、Aldrich Chemical Company製)が濃度0.5mol/L、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(DMPII、四国化成工業株式会社製)が濃度0.6mol/Lとなるように添加し、溶解させて電解質を調製した。
次に、実施例2として、セル間絶縁部の高さ方向の断面形状が直方体となるように形成した以外は実施例1と同様の方法によって、モジュールを作製した。すなわち、実施例2において、支持体の表面とセル間絶縁部の側面とが成す角度は90度である。以下、実施例1と異なる工程のみ説明する。
セル間絶縁部の側面と支持体の表面との成す角度が90度となるように、ドクターブレード法を用いてガラスペーストを塗布した。具体的には、1mm間隔の2本のテープを支持体上に平行に配置して、テープ間の一部(端部)にセル間絶縁部の材料となるペーストを塗布した。そして、ガラス棒を用いてペーストをテープ間全域に引き伸ばして、1mm×50mm×16μmのストライプ状にした。乾燥後、テープをはがし、焼成することにより高さ方向の断面形状が直方体のセル間絶縁部を形成した。
実施例1のモジュールに対して1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、太陽電池特性を測定した。実施例1のモジュールにおいて、短絡電流値が2.5mA/cm2、開放電圧値が3.5V、FFが0.695、光電変換効率が6.1%であり、高い光電変換効率が得られることが分かった。
セル間絶縁部および多孔性半導体層を以下の工程で行った以外は、実施例1と同様の方法によって図1の構造のモジュールを作製した。以下、実施例1と異なる工程についてのみ説明する。
支持体として、51mm×70mm×厚さ1mmのガラス基板(コーニング社7059)を用意し、該支持体上に、支持体との接触面の焼成後の形状が5mm×50mmの短冊状の領域を環囲するとともに、セル間絶縁部の幅が1mm、高さが16μmとなるようなスクリーン印刷版を用意した。そして、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型式:LS−34TVA)を用いてガラスペースト(ノリタケカンパニーリミテド製、商品名:ガラスペースト)を塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、焼成炉を用いて500℃で60分間焼成し、セル間絶縁部を形成した。なお、形成されたセル間絶縁部の形状は、図5に示す形状と同様である。
積層体の形成における多孔性半導体層の形成工程を以下のように行なった。なお、積層体の形成における他の工程は、実施例1と同様とした。
第1電極および第2電極を以下の工程で行なった以外は、実施例3と同様の方法によって図1の構造のモジュールを作製した。以下、実施例3と異なる工程についてのみ説明する。
第1電極および第2電極の材料としてITOを用い、スパッタ装置(ULVAC DCスパッタ装置MLH−6300型)を用いて、トレイスピード10mm/分として設定し、約600nmのITOの成膜を行うことにより、第1電極および第2電極を形成した。
実施例3のモジュールについて、実施例1と同様に太陽電池特性を測定したところ、短絡電流値が2.7mA/cm2、開放電圧値が3.45V、FFが0.685、光電変換効率が6.4%であった。したがって、光電変換層をセル間絶縁部などの絶縁部によって環囲される領域内全域に形成することによって、集電密度が向上し、光電変換効率が向上することがわかった。
実施例5として、図7に示すモジュール200と同様の構成のモジュールを製造した。以下、モジュールの製造方法について説明する。
まず、実施例1と同様の方法により、51mm×70mm×厚さ1mmのガラス基板(コーニング社7059)からなる支持体上にセル間絶縁部を形成した。なお、形成されたセル間絶縁部の形状は、図6に示す形状と同様である。
1.多孔性半導体層の形成
次に、焼成後の形状が5mm×50mm×12μmとなるように、短冊形状が1mm間隔で並ぶスクリーン印刷版を用意し、実施例1と同様の方法により、多孔性半導体層(酸化チタン膜)をセル間絶縁部で分割された領域に形成した。
次に、40mm×50mmの開口部を有するメタルマスクを用意し、多孔性半導体層とセル間絶縁部の上面全てがメタルマスクの開口部と一致するように配置し、チタンを上記電子ビーム蒸着器を用いて蒸着速度5Å/Sで成膜して厚さ約500nmのチタン膜を形成した。そして、形成した第1電極を上記レーザースクライブ装置を用いて、セル間絶縁部上のチタン膜をセル間絶縁部と平行に50μm幅で蒸発させた。これにより、膜にスクライブライン(50μm)を100μm間隔で作製し、ストライプ形状の第1電極を完成させた。
次に、実施例1と同様の方法により、ペーストを調製した。そして、焼成後の形状が5.75mm×50mm×3.5μmとなるように、短冊形状が0.5mm間隔で並ぶスクリーン印刷版を用意し、上記スクリーン印刷機を用いて得られたペーストを第1電極上に塗布し、室温で1時間レベリングを行った。レベリング後、得られた塗膜を80℃で20分間予備乾燥した後、450℃で1時間焼成して、多孔性絶縁層(酸化ジルコニウム膜)を形成した。
次に、絶縁層と第2電極との界面に触媒層を形成すべく、絶縁層上に触媒層を形成した。具体的には、5mm×50mmの開口部が5個並ぶメタルマスクを用意し、絶縁層上に白金を上記電子ビーム蒸着器を用いて蒸着速度5Å/Sで成膜した。これにより、厚さ約20nmの白金からなる触媒層を形成した。
次に、5.5mm×50mmの開口部が5個並ぶメタルマスクを用意し、多孔性絶縁層上と、セル間絶縁部上に形成された第1電極上に形成されるようにメタルマスクを配置し、実施例1と同様の方法により、多孔性絶縁層上および露出しているセル間絶縁部上の第1電極上に厚さ約500nmの第2電極を形成した。これにより、ストライプ形状の第2電極が形成された。
実施例1と同様の方法により、上記色素を多孔質半導体層に吸着させた。
実施例1と同様の方法により、接続部を形成し、また、紫外線硬化性樹脂を硬化させてカバー体を固定した。そして、実施例1と同様の方法により、電解質を調製した。そして、カバー体に設けられた注入口から電解質を注入した後、該注入口を樹脂にて封止することにより、図7のモジュール200に相当するモジュールを完成した。
セル間絶縁部および多孔性半導体層を以下の工程で行った以外は、実施例5と同様の方法によって図7の構造のモジュールを作製した。以下、実施例5と異なる工程についてのみ説明する。
支持体として、51mm×70mm×厚さ1mmのガラス基板(コーニング社7059)を用意し、該支持体上に、支持体との接触面の焼成後の形状が5mm×50mmの短冊状の領域を環囲するとともに、セル間絶縁部の幅が1mm、高さが12μmとなるようなスクリーン印刷版を配置した。そして、実施例5と同様の方法によってセル間絶縁部を形成した。なお、形成されたセル間絶縁部の形状は、図5に示す形状と同様である。
積層体の形成において、実施例3と同様の方法によって多孔性半導体層を形成した。なお、積層体の形成における他の工程は、実施例5と同様とした。
実施例4と同様の方法によって第1電極および第2電極を以下の工程で行なった以外は、実施例5と同様の方法によって図7の構造のモジュールを作製した。
実施例5〜7で作製したモジュールに対して1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、太陽電池特性を測定した。実施例5のモジュールにおいて、短絡電流値が2.45mA/cm2、開放電圧値が3.3V、FFが0.70、光電変換効率が5.7%であり、高い光電変換効率が得られることが分かった。
Claims (15)
- 対向する支持体(1)とカバー体(2)との間に、直列に接続された複数の色素増感太陽電池セル(10)が配置された色素増感太陽電池モジュール(100)であって、
前記色素増感太陽電池セル(10)は、前記支持体(1)上に、色素を吸着した多孔性半導体からなる光電変換層(11)、第1電極(12)、多孔性絶縁層(13)、第2電極(14)の順に積層された積層体(15)を有し、
前記色素増感太陽電池モジュール(100)は、
前記支持体(1)上に形成され、前記複数の積層体(15)のそれぞれを分割するセル間絶縁部(3)と、
前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間に形成され、前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間隔を保持する接続部(4)を有し、
隣り合う積層体(15)のうち、一方の積層体(15)の第1電極(12)および他方の積層体(15)の第2電極(14)は、両積層体(15)の間に配置されたセル間絶縁部(3)の表面上にまで延設されて該表面上で互いに接触し、
前記光電変換層(11)の厚さが前記セル間絶縁部(3)の高さよりも小さい、色素増感太陽電池モジュール(100)。 - 前記セル間絶縁部(3)の側面と前記支持体(1)の表面との成す角度が90度未満である、請求項1に記載の色素増感太陽電池モジュール(100)。
- 前記セル間絶縁部(3)の高さ方向における断面が台形状である、請求項1または2に記載の色素増感太陽電池モジュール(100)。
- 前記接続部(4)の一部は、前記第1電極(12)と前記第2電極(14)とが接触する接触領域を覆うことによって前記セル間絶縁部(3)と固着し、
前記接続部(4)の他の一部は、前記カバー体(2)と固着する、請求項1から3のいずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール(100)。 - 対向する支持体(1)とカバー体(2)との間に、直列に接続された複数の色素増感太陽電池セル(20)が配置された色素増感太陽電池モジュール(200)であって、
前記色素増感太陽電池セル(20)は、前記支持体(1)上に、色素を吸着した多孔性半導体からなる光電変換層(11)、第1電極(12)、多孔性絶縁層(13)、第2電極(14)の順に積層された積層体(15)を有し、
前記色素増感太陽電池モジュール(200)は、
前記支持体(1)上に形成され、前記複数の積層体のそれぞれを分割するセル間絶縁部(3)と、
前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間に形成され、前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間隔を保持する接続部(4)を有し、
隣り合う積層体(15)のうち、一方の積層体の第1電極(12)が、両積層体(15)の間に配置されたセル間絶縁部(3)の表面上にまで延設され、他方の積層体(15)の第2電極(14)が、多孔性絶縁層(13)の側面に沿って両積層体(15)の間に配置されたセル間絶縁部(3)の前記表面上にまで延設されることによって、当該セル間絶縁部(3)上で当該第1電極(12)と当該第2電極(14)とが接触し、
前記接続部(4)は、前記第1電極(12)と前記第2電極(14)とが接触する接触領域を覆う、色素増感太陽電池モジュール(200)。 - 前記第2電極(14)が延設される前記多孔性絶縁層(13)の側面は傾斜しており、
前記接続部(4)は、前記多孔性絶縁層(13)の側面上の前記第2電極(14)を覆う、請求項5に記載の色素増感太陽電池モジュール(200)。 - 前記セル間絶縁部(3)の高さと、前記光電変換層(11)の厚さとが同一である、請求項5または6に記載の色素増感太陽電池モジュール(200)。
- 前記第2電極(14)の一部は、前記多孔性絶縁層(13)の一部に浸透している、請求項5から7のいずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール(200)。
- 前記積層体(15)と前記カバー体(2)との間に形成されるキャリア輸送材料層(16)を有し、
前記接続部(4)は、隣り合う前記太陽電池セル(10,20)の前記キャリア輸送材料層(16)同士を隔絶する隔壁を兼ねる、請求項1から8のいずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール(100,200)。 - 前記光電変換層(11)と前記セル間絶縁部(3)が接触している、請求項1から9のいずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール(100,200)。
- 前記セル間絶縁部(3)がガラス材料からなる、請求項1から10のいずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール(100,200)。
- 前記第1電極(12)および前記第2電極(14)は、チタン、ニッケル、タンタル、タングステン、SnO2およびITOのうちの少なくとも1種からなる、請求項1から11のいずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール(100,200)。
- 対向する支持体(1)とカバー体(2)との間に、直列に接続された複数の色素増感太陽電池セル(10)が配置された色素増感太陽電池モジュール(100)であって、前記色素増感太陽電池セル(10)は、前記支持体(1)上に、色素を吸着した多孔性半導体からなる光電変換層(11)、第1電極(12)、多孔性絶縁層(13)、第2電極(14)の順に積層された積層体(15)を有し、前記色素増感太陽電池モジュール(100)は、前記支持体(1)上に形成され、前記複数の積層体(15)のそれぞれを分割するセル間絶縁部(3)と、前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間に形成され、前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間隔を保持する接続部(4)を有し、隣り合う積層体(15)のうち、一方の積層体(15)の第1電極(12)および他方の積層体(15)の第2電極(14)は、両積層体(15)の間に配置されたセル間絶縁部(3)の表面上にまで延設されて該表面上で互いに接触し、前記光電変換層(11)の厚さが前記セル間絶縁部(3)の高さよりも小さい、色素増感太陽電池モジュール(100)の製造方法において、
前記支持体(1)上に前記セル間絶縁部(3)を形成した後に前記積層体(15)を形成する、色素増感太陽電池モジュール(100)の製造方法。 - 対向する支持体(1)とカバー体(2)との間に、直列に接続された複数の色素増感太陽電池セル(20)が配置された色素増感太陽電池モジュール(200)であって、前記色素増感太陽電池セル(20)は、前記支持体(1)上に、色素を吸着した多孔性半導体からなる光電変換層(11)、第1電極(12)、多孔性絶縁層(13)、第2電極(14)の順に積層された積層体(15)を有し、前記色素増感太陽電池モジュール(200)は、前記支持体(1)上に形成され、前記複数の積層体(15)のそれぞれを分割するセル間絶縁部(3)と、前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間に形成され、前記セル間絶縁部(3)と前記カバー体(2)との間隔を保持する接続部(4)を有し、隣り合う積層体(15)のうち、一方の積層体(15)の第1電極(12)が、両積層体(15)の間に配置されたセル間絶縁部(3)の表面上にまで延設され、他方の積層体(15)の第2電極(14)が、多孔性絶縁層(13)の側面に沿って両積層体(15)の間に配置されたセル間絶縁部(3)の前記表面上にまで延設されることによって、当該セル間絶縁部(3)上で当該第1電極(12)と当該第2電極(14)とが接触し、前記接続部(4)は、前記第1電極(12)と前記第2電極(14)とが接触する接触領域を覆う、色素増感太陽電池モジュール(200)の製造方法において、
前記支持体(1)上に前記セル間絶縁部(3)を形成した後に前記積層体(15)を形成する、色素増感太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記積層体を形成した後に、さらに前記接続部を形成する、請求項13または14に記載の色素増感太陽電池モジュール(200)の製造方法。
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