KR102276767B1 - 광전 변환 소자 및 광전 변환 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 전극 기판에 반도체층이 형성된 광 전극과, 상기 제1 전극 기판에 대향 배치되는 제2 전극 기판을 구비한 대향 전극과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극 사이를 밀봉하는 밀봉재와, 이 밀봉재의 내측에 배치되는 전해질을 구비하고, 상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판 중 적어도 어느 한쪽에는, 서로 대향하는 상기 제1 전극 기판의 표면과 상기 제2 전극 기판의 표면의 이격 치수를 확대하는 공간 확대 벽부가 설치되어, 상기 밀봉재의 내측에 확대 공간을 형성하고, 상기 전해질은 상기 확대 공간의 내측에서 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판 사이에 유지되고, 상기 밀봉재에 상기 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자에 관한 것이다.
Description
본 발명은 광전 변환 소자 및 광전 변환 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 본원은 2013년 8월 22일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2013-172561호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근, 화석 연료를 대신하는 클린 에너지의 발전 장치로서 태양 전지가 주목받고 있고, 실리콘(Si)계 태양 전지 및 색소 증감형 태양 전지의 개발이 진행되고 있다. 특히, 색소 증감형 태양 전지는 저렴하고 양산하기 쉬운 것으로서, 그의 구조 및 제조 방법이 널리 연구 개발되고 있다(예를 들어, 하기 특허문헌 1).
도 7에 도시한 바와 같이, 특허문헌 1에 기재된 색소 증감 태양 전지(100)는 투명 기판(101)의 판면에 투명 도전막(102)이 성막되고, 투명 도전막(102)의 표면에 색소를 담지시킨 반도체층(103)이 형성된 광 전극(104)과, 대향 기판(105)에, 투명 도전막(102)에 대향하도록 설치된 대향 도전막(106)이 성막된 대향 전극(107)과, 반도체층(103)을 둘러쌈과 함께, 광 전극(104)의 외주 벽부와 대향 전극(107)의 외주 벽부를 접합하여 내부 공간(S)을 형성하고 이 내부 공간(S)을 밀봉하는 밀봉재(108)와, 상기 내부 공간(S)에 주입된 전해액(109)을 구비하고 있다.
그런데, 색소 증감 태양 전지(100)에서는, 내부 공간(S)에 전해액(109)이 주입된 경우에, 밀봉재(108)와 전해액(109)이 접촉하여, 밀봉재(108)를 열화시켜 태양 전지(100)의 품질을 저하시켜 버린다는 문제가 있었다. 밀봉재(108)가 열화되면, 밀봉재(108)의 배리어성 저하에 의해 전해액(109)이 밀봉재(108)의 내부에 침투하거나, 또는 밀봉재(108)의 접착 강도 저하에 의해 밀봉재(108)와 반도체층(103) 등의 계면이 박리되는 등, 단락이 발생할 우려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기 과제를 감안하여, 밀봉재와 전해액이 접촉하는 것을 억제 가능한 광전 변환 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 광전 변환 소자는 제1 전극 기판에 반도체층이 형성된 광 전극과, 상기 제1 전극 기판에 상기 반도체층을 통해 대향 배치되는 제2 전극 기판을 구비한 대향 전극과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극 사이를 밀봉하는 밀봉재와, 이 밀봉재의 내측에 배치되는 전해질을 구비하고, 상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판 중 적어도 어느 한쪽에는, 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판의 이격 치수를 확대하는 공간 확대 벽부가 설치되어, 상기 밀봉재의 내측에 확대 공간을 형성하고, 상기 전해질은 상기 확대 공간의 내측에서 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판 사이에 유지되고, 상기 밀봉재에 상기 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 밀봉재에 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부가 형성되어 있으므로, 전해질에 의한 밀봉재의 열화를 방지할 수 있고, 그것에 의해 단락의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본원에 있어서 나타내는 「전해질」에는 전해액, 겔상의 전해질 및 고체상의 전해질이 포함된다.
상기 확대 공간 또는 상기 밀봉재의 내부에는 제1 전극 기판 및 제2 전극 기판으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 전극 기판 상에 배치되는 배선이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 확대 공간에 단면적이 큰 상기 배선을 배치할 수 있다.
본 발명의 상기 공간 확대 벽부는 상기 이격 치수를 상기 밀봉재를 향해 점차 확대시키는 경사면을 구비한 것이어도 된다.
이 구성에 의하면, 공간 확대 벽부에 의해 형성되는 확대 공간에 전해질을 유지하여 밀봉재에 전해질이 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기 밀봉재의 두께(연직 방향의 높이) 치수와, 상기 반도체층이 형성된 영역의 상기 제1 전극 기판의 표면 및 상기 제2 전극 기판의 표면 사이의 치수의 차가 30㎛ 이상 200㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 밀봉재의 내부에 단면적을 가급적 크게 한 배선을 매립할 수 있어, 배선 저항을 저하시킬 수 있다. 또한, 200㎛ 이하로 함으로써, 밀봉재 주변에 데드 스페이스가 많아지는 것에 의한 발전 유효 면적의 저하를 초래하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 광전 변환 소자의 제조 방법은 광 전극에 구비된 제1 전극 기판 상의 반도체층에 전해질을 배치하는 전해질 배치 공정과, 상기 제1 전극 기판의 단부 및 제2 전극 기판의 단부 중 적어도 어느 하나에 밀봉재를 배치하는 밀봉재 배치 공정과, 상기 광 전극에, 제2 전극 기판을 구비한 대향 전극을 적층하는 적층 공정과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극을 가압하고, 상기 전해질을 상기 반도체층에 배치하면서 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판 사이에서 유지시키고, 또한 상기 밀봉재의 근방에 있어서의 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판의 이격 치수를 확대하는 공간 확대 벽부를 형성하고, 상기 밀봉재에 상기 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부를 형성하는 전해질 연신 공정과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극을 밀봉하는 밀봉 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 상기에 기재된 광전 변환 소자를 간편하게 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 적층 공정과 상기 전해질 연신 공정과 상기 밀봉 공정이, 상기 광 전극과 상기 대향 전극의 가압에 의해 동시에 행해지는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 상기에 기재된 광전 변환 소자의 제조 공정이 한층 더 심플해진다.
본 발명의 상기 공간 확대 벽부는 상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판 중 적어도 한쪽에 가요성이 있는 수지 기재를 사용하고, 상기 광 전극과 상기 대향 전극을 가압할 때에 상기 가요성이 있는 수지 기재를 변형시켜 형성하는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 광 전극과 대향 전극의 적층 및 가압을 동시에 행할 수 있고, 나아가 밀봉재에 전해질을 접촉시키지 않는 비접촉부를 형성하는 구성을 가압 시에 성형할 수 있다.
본 발명에 따르면, 밀봉재와 전해질이 접촉하는 것을 억제하여 광전 변환 소자의 품질 열화를 방지할 수 있다는 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명의 광전 변환 소자의 제조 방법에 의하면, 본 발명의 광전 변환 소자를 간편하고 효율적으로 제조할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정의 일부를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정의 일부를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에서 도시한 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정을 Y1-Y2선에서 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 다른 예를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 종래의 광전 변환 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정의 일부를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정의 일부를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에서 도시한 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 제조 공정을 Y1-Y2선에서 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 광전 변환 소자의 다른 예를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 종래의 광전 변환 소자를 도시한 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 광전 변환 소자의 각 실시 형태에 대해, 광전 변환 소자가 색소 증감 태양 전지인 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 전해질로서 전해액을 사용하여 광전 변환 소자가 제조된 경우를 예로 들어 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1에 도시한 바와 같이, 색소 증감 태양 전지(광전 변환 소자)(이하, 「태양 전지」라고 칭함)(1A)는 제1 전극 기판(2) 상에 반도체층(4)이 형성된 광 전극(5)과, 제1 전극 기판(2)에 간격을 두고 대향 배치된 제2 전극 기판(6)을 구비한 대향 전극(8)을 구비하고 있다.
그리고, 광 전극(5)과 대향 전극(8) 사이가, 제1 전극 기판(2)의 외측 단부(2p)와 제2 전극 기판(6)의 외측 단부(6p)에 있어서 밀봉재(10) 및 초음파 용착 등에 의해 광 전극(5) 및 대향 전극(8)의 외주를 둘러싸도록 프레임 형상으로 밀봉되고, 밀봉된 내부 공간(S) 및 반도체층(4) 내의 공극(도시하지 않음)에 전해액(11)이 충전되어 있다. 도 1에 있어서는, 상기와 같은 구성을 갖는 태양 전지가 단위 셀로서 좌우에 연속해서 형성되어 있다. 상기 단위 셀의 형상은 특별히 제한되지 않고, 삼각형, 사각형, 이들 이외의 다각형, 원형, 타원형 등을 예시할 수 있지만, 제조 효율 등의 관점에서 도 4에 도시한 바와 같이 띠상인 것이 바람직하다.
상기 밀봉재(10)는 단위 셀(태양 전지)의 테두리부의 적어도 일부에 설치된다. 즉, 상기 밀봉재(10)는 단위 셀을 완전히 둘러싸도록 설치되어 있어도 되고, 본 발명에서 목적으로 하는 효과를 달성할 수 있는 한, 단위 셀의 테두리부의 일부에만 설치하고 테두리부의 나머지 부분을 다른 수단으로 밀봉해도 된다. 또한, 상기 밀봉재(10)를 단위 셀의 테두리부의 일부에만 설치하는 경우, 복수의 상기 밀봉재(10)가 단속적으로 단위 셀의 테두리부에 설치되어 있어도 된다.
예를 들어, 단위 셀이 도 4에 도시한 바와 같이 띠상의 형상인 경우에 있어서의 밀봉재(10)의 배치 방법의 구체예로서는 이하의 것을 들 수 있다: (1) 밀봉재(10)를, 단위 셀이 대향하는 한 쌍의 긴 변부의 한쪽에만 설치하고, (2) 밀봉재(10)를, 단위 셀이 대향하는 한 쌍의 긴 변부의 양쪽에 설치하고, (3) 밀봉재(10)를, 단위 셀이 대향하는 한 쌍의 긴 변부의 양쪽과, 다른 한 쌍의 짧은 변부의 한쪽에도 설치함으로써, 밀봉재(10)를 역ㄷ자형으로 배치하고, (4) 밀봉재(10)를, 단위 셀의 4변 모두에 설치하여 단위 셀을 밀봉재(10)로 완전히 둘러싼다.
여기서, 제1 전극 기판(2)은 밀봉재(10)가 배치된 외측 단부(2p)의 내측에 있어서 경사면(15a)을 구비한 공간 확대 벽부(15)를 갖고 있다.
또한, 제2 전극 기판(6)도 제1 전극 기판(2)과 마찬가지로, 외측 단부(6p)의 내측에 있어서 경사면(15a)을 갖는 공간 확대 벽부(15)를 갖고 있다. 그리고, 이 공간 확대 벽부(15, 15)는 밀봉재(10)의 근방에 있어서, 제1 전극 기판(2)의 표면과 제2 전극 기판(6)의 표면의 이격 거리(L1)를 외측 단부(2p)의 내측으로부터 외측, 즉 밀봉재(10)를 향해 점차 크게 하여, 내부 공간(S)의 일부가 넓어진 확대 공간(E)을 형성하고 있다.
그 사이 확대 벽부(15, 15)에 끼인 영역(X2)에 위치하는 확대 공간(E)은 반도체층(4) 및 그 근방의 영역(X1)으로부터 비어져나온 전해액(11)을 충분히 유지할 수 있고, 전해액(11)과 밀봉재(10) 사이를 가급적 밀어내어 분리할 수 있도록 되어 있다.
또한, 전해액(11)과 밀봉재(10) 사이에, 밀봉재(10)의 열화 방지 부재(도시하지 않음)를 설치하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 광 전극(5)과 대향 전극(8) 사이의 전해액(11)이 존재하는 공간과 상기 확대 공간(E)과 구획하도록 열화 방지 부재를 설치하는 것이 바람직하다. 이 열화 방지 부재는, 예를 들어 내용매성 및/또는 내요오드성을 갖는 불소 수지 등의 고체에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 열화 방지 부재를 설치함으로써, 태양 전지에 위로부터 압력이 가해짐으로써 상기 전해액(11)이 존재하는 공간이 압축되어도, 전해액(11)이 밀봉재(10)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
제1 전극 기판(2) 및 제2 전극 기판(6)은, 각각 예를 들어, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 투명한 열가소성 수지 재료를 주재료로 하는 수지 기재(P1, P2)의 표면에 도전막(3, 7)이 성막된 것이다. 또한, 수지 기재(P1, P2)는 필름상으로 형성된 것이어도 된다.
제1 전극 기판(2) 및 제2 전극 기판(6)(수지 기재(P1 및 P2))의 형상에 대해서는, 특별히 제한은 없지만, 도 4에 도시한 바와 같은 띠상인 것이 바람직하다.
제1 전극 기판(2)에 구비된 도전막(3) 또는 제2 전극 기판(6)에 구비된 도전막(7) 중 어느 한쪽 또는 양쪽은 투명 도전막에 의해 형성되어 있다.
도전막(3, 7)의 재료로는, 예를 들어 주석 도핑 산화인듐(ITO), 산화아연, 불소 도핑 산화주석(FTO), 알루미늄 도핑 산화아연(AZO), 산화주석(SnO), 안티몬 도핑 산화주석(ATO), 산화인듐/산화아연(IZO), 갈륨 도핑 산화아연(GZO) 등이 사용되어 있다.
반도체층(4)은 후술하는 증감 색소로부터 전자를 수취하여 수송하는 기능을 갖는 것이고, 금속 산화물을 포함하는 반도체에 의해 도전막(3)의 표면에 성막되어 있다. 금속 산화물로서는, 예를 들어 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 등이 사용된다.
반도체층(4)은 증감 색소를 담지하고 있다. 증감 색소는 유기 색소 또는 금속 착체 색소로 구성되어 있다. 유기 색소로서는, 예를 들어 쿠마린계, 폴리엔계, 시아닌계, 헤미시아닌계, 티오펜계 등의 각종 유기 색소를 사용할 수 있다. 금속 착체 색소로서는, 예를 들어 루테늄 착체 등이 적절하게 사용된다.
이와 같이, 제1 전극 기판(2)의 한쪽의 판면에 형성된 반도체층(4)을 설치하여 광 전극(5)이 구성되어 있다.
제2 전극 기판(6)에 구비된 도전막(7)으로서는, 촉매층의 역할을 갖지 않고 도전막으로서의 역할을 갖는 재료나, 촉매층 및 도전막의 양쪽의 역할을 할 수 있는 재료 중 어느 하나가 채용되어 있다. 전자의 경우에는 도전막(7) 상에 촉매층이 더 성막되어 있고, 후자의 경우에는 도전막(7)만이 수지 기재(P2)에 성막되어 있다.
또한, 도전막(7)의 표면에 성막되는 촉매층으로서는, 카본 페이스트, 플라티나 등이 채용되어 있다.
이와 같이 구성된 제2 전극 기판(6)을 구비하여 대향 전극(8)이 구성되어 있다.
이 대향 전극(8)은 도전막(7)을 도전막(3)에 대향시켜 광 전극(5)과 대향 배치되어 있다.
밀봉재(10)로서는, 핫 멜트 수지 등이 사용되어 있다.
이 밀봉재(10)는 한 쌍의 외측 단부(2p, 2p) 및/또는 한 쌍의 외측 단부(6p, 6p)에 배치되고, 가열 프레스되어 광 전극(5)과 대향 전극(8) 사이를 접착하고 있다. 또한, 밀봉재(10)가 배치된 외측 단부(2p, 6p)에 교차하는 단부(지면 전방측 및 안측에 설치되는 단부)는 밀봉재(10)를 사용하지 않고 초음파 용착 등에 의해 밀봉되어 있다.
배선(20)은 도전막(3)의 표면에 배치되어 태양 전지(1A)에서 발생하는 전기를 집전하여 인출할 수 있도록 되어 있다. 이 배선(20)은 확대 공간(E)에 있어서 두껍게 배치된 밀봉재(10) 내에 단면적을 크게 하여 매설되어 있다. 그리고, 단면적이 크게 형성된 배선(20)이 배치되어 있음으로써, 태양 전지(1A)에 설치된 배선(20)의 저저항화가 도모되어 있다.
또한, 배선(20)의 단면 형상은 가늘고 길게 형성되고, 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)의 사이 방향으로 두껍고, 이것에 교차하는 방향(밀봉재(10, 10)끼리의 사이 방향)으로 얇아지도록 배치되어 있다. 배선(20)이 이와 같이 배치되어 있음으로써, 밀봉재(10) 내에 매설되기 쉽게 되어 있다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 확대되는 경사면의 높이는 밀봉재 내부의 배선의 높이의 쪽보다도 큰(즉, 상기 밀봉재의 연직 방향의 높이가 상기 배선의 연직 방향의 높이분보다 큰) 것이 바람직하다. 그것에 의해, 두께 방향으로 압축되는 힘이 가해진 경우에, 밀봉제 부분이 우선적으로 변형되어, 배선부의 변형을 억제하는 효과가 얻어진다. 이에 의해, 두께 방향으로 압축되는 힘이 가해진 경우에 있어서, 발전 전력의 공급을 계속하는 것이 가능해진다.
전해액(11)은 반도체층(4)의 내부에 침투하여, 대략 그 표면 전체에 도공되어 있음과 함께, 확대 공간(E)을 통해 밀봉재(10)보다도 내측의 영역(X1) 부근에 유지되어 있다.
이 전해액(11)은 소정의 점성을 갖고 있음과 함께 표면 장력을 갖고 있으므로, 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)의 각각에 밀착되어 있다. 따라서, 전해액(11)은 영역(X1) 및 그 근방으로부터 밀봉재(10)측으로 용이하게 유동하지 않도록 되어 있다.
그리고 이것에 의해, 전해액(11)과 밀봉재(10) 사이에는 이들 사이를 이격시키는 확대 공간(E)이 밀봉재(10)의 내측에 형성되고, 밀봉재(10)에 전해액(11)이 접촉하지 않는 비접촉부(N)를 형성하고 있다.
이 비접촉부(N)에 대해서는, 전해질에 대향하는 상기 밀봉재(10)의 표면 전체가 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부(N)로 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 확대 공간(E)의 체적(a)은 상기 전해액(11)(전해질)의 체적(b)에 대한 비(a/b)로서, 1/3보다 큰 것이 바람직하고, 1/2 이상인 것이 더욱 바람직하고, 1 이상인 것이 특히 바람직하다.
또한 전해액(11)으로서는, 예를 들어 아세토니트릴, 프로피오니트릴 등의 비수계 용제; 요오드화디메틸프로필이미다졸륨 또는 요오드화부틸메틸이미다졸륨 등의 이온 액체 등의 액체 성분에, 요오드화리튬 등의 지지 전해액과 요오드가 혼합된 용액 등이 사용되어 있다. 또한, 전해액(11)은 역전자 이동 반응을 방지하기 위해, t-부틸피리딘을 포함하는 것이어도 된다.
다음에, 태양 전지(1A)의 제조 방법에 대해 도 2∼도 5를 사용하여 설명한다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 사용할 수 있는 부품이나 재료 등에 관해서는, 광전 변환 소자에 관하여 상술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
제1 실시 형태의 태양 전지(1A)의 제조 방법은, (I) 광 전극(5)에 구비된 제1 전극 기판(2) 상의 반도체층(4)에 전해액(11)을 배치하는 전해질 배치 공정과, (II) 제1 전극 기판(2)의 외측 단부(2p, 2p) 및 제2 전극 기판(6)의 외측 단부(6p, 6p) 중 어느 한쪽에 밀봉재(10)를 배치하는 밀봉재 배치 공정과, (III) 광 전극(5)에 대향 전극(8)을 적층하는 적층 공정과, (IV) 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 가압하여, 전해액(11)을 반도체층(4)에 침투시키면서 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6) 사이에서 유지시키고, 또한 반도체층(4)과 밀봉재(10) 사이에 있어서의 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)의 이격 치수를 확대시키는 공간 확대 벽부(15)를 형성하여 밀봉재(10)에 전해액(11)과 접촉하지 않는 비접촉부(N)를 형성하는 전해질 연신 공정과, (V) 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 밀봉하는 밀봉 공정을 구비하고 있다.
이하, 각 공정에 대해 설명한다.
<광 전극(5) 및 대향 전극(8)의 준비>
도 4에 도시한 바와 같이, 전해질 배치 공정 전에, 먼저, 롤 형상으로 권회해 둔 수지 기재(P1)를 일 방향(화살표 L 방향)으로 인출하고, 그 한쪽의 판면에 도전막(3)을 성막하여 제1 전극 기판(2)으로 하고, 도전막(3)의 표면에 반도체층(4)을 형성하고 색소를 담지시켜 광 전극(5)으로 한다. 반도체층(4)으로의 색소의 담지는, 예를 들어 스프레이 도포에 의해 행할 수 있다. 또한, 미리, 수지 기재(P1)의 한쪽의 판면에 도전막(3)이 형성된 롤 형상의 수지 기재를 사용해도 된다.
또한, 롤 형상으로 권회해 둔 수지 기재(P2)를, 예를 들어 제1 전극 기판(2)의 위쪽에서 일 방향과 반대의 방향으로 인출하고, 그 한쪽의 판면에 도전막(7)을 성막하여 대향 전극(8)으로 한다. 그 후, 대향 전극(8)의 판면을 반전시키고 도전막(7)을 도전막(3)에 대향시켜, 광 전극(5)과 동일 방향으로 연장시킨다.
(I) <전해질 배치 공정>
도 2에 도시한 바와 같이, 전해질 배치 공정에서는 인출된 광 전극(5)의 반도체층(4)의 표면에 전해액(11)을 적하한다. 이때, 전해액(11)의 총 용량은 반도체층(4)의 표면을 충분히 덮음과 함께 태양 전지(1A)의 내부 공간(S)의 용적보다도 작게 해 둔다.
(II) 밀봉재 배치 공정
도 3, 도 4에 도시한 바와 같이, 밀봉재 배치 공정에서는 반도체층(4)의 외측 단부로부터 간격을 둔 외측 단부(2p, 2p)의 위치에서 반도체층(4)을 사이에 두고 밀봉재(10)를 배치한다. 이때, 밀봉재(10)는, 집전을 행하는 단부에 있어서, 단면적이 큰 배선(20)을 배치한 후에 배선(20) 상에 배치하고, 밀봉재(10) 내에 배선(20)을 매설시켜도 된다.
또한, 전해질 배치 공정과 밀봉재 배치 공정이란, 어떤 것을 먼저 행하든 상관없다.
(III) 적층 공정
적층 공정에서는, 도 4에 도시한 바와 같이 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 롤러(R, R)로 중첩되도록 유도하고, 반도체층(4)과 도전막(7)을 대향시켜 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 적층한다.
(IV) <전해질 연신 공정>
전해질 연신 공정은 상기한 적층 공정과 대략 동시에 행해진다. 구체적으로는, 적층 공정에서 서로 중첩되도록 유도된 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 중첩하는 것과 동시에, 도 5에 도시한 바와 같이 제1 전극 기판(2)의 외측의 표면(2b)과 제2 전극 기판(6)의 외측의 표면(6b)의 양쪽으로부터 롤러(R, R)에 의해 가압한다. 여기서, 롤러(R)로서는, 예를 들어 그 표층부(R1)가 탄성 변형 가능한 고무 등의 재료에 의해 형성되고, 소정의 압 이상의 가압력으로 탄성 변형되고, 소정의 압 이하의 가압력으로 탄성 복귀할 수 있는 것을 사용한다.
그렇게 하면, 밀봉재(10)는 소정의 두께(연직 방향의 높이) 치수를 갖고 있어 거의 탄성 변형되지 않으므로, 롤러(R, R)의 표층부(R1)에 소정의 압 이상의 가압력이 가해져 표층부(R1)가 탄성 변형된다. 따라서, 밀봉재(10)가 배치된 외측 단부(2p, 6p)에 있어서, 밀봉재(10)의 두께 치수를 대략 유지하여 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)을 평행하게 연장시킨다.
한편, 밀봉재(10)의 내측에 있어서는, 수지 기재(P1, P2)가 가요성을 가지므로, 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)이 롤러(R, R) 사이를 진행하는 과정에서 롤러(R, R)에 상대적으로 소정의 압 이하의 가압력이 가해진다. 따라서, 롤러(R, R)의 표층부(R1)는 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)을 서로 접근시키는 방향으로 변형(즉, 경사)시켜 공간 확대 벽부(15)를 형성한다. 그 결과, 제1 전극 기판(2) 및 제2 전극 기판(6)에는, 도 5에 도시한 바와 같이 밀봉재(10)의 근방에서 서로 확대 개방하는 경사면(15a, 15a)을 가진 공간 확대 벽부(15, 15)가 형성되고, 이 공간 확대 벽부(15, 15)에 의해 내부 공간(S)이 확대된 확대 공간(E)이 형성된다. 그리고 또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 영역(X1)에서는 반도체층(4)의 두께보다도 약간 큰 이격 거리(L1)를 갖고 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)을 평행하게 연장시킨다.
또한 이때, 도 4에 도시한 바와 같이 소정의 간격으로 적하된 전해액(11)은 광 전극(5) 및 대향 전극(8)이 롤러(R, R) 사이를 진행하는 것에 따라서 점차 진행 방향으로 연신되고, 반도체층(4)의 표면 및 근방에서 표면 장력을 갖고 공기를 배제하면서 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)에 밀착하면서 반도체층(4)의 전체에 도공된다.
또한, 전해액(11)은 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)과 밀봉재(10)에 의해 형성되는 내부 공간(S) 및 반도체층(4) 내에 형성된 공극의 용적보다도 적은 총 용량으로 적하된다. 따라서, 연신된 전해액(11)은 공간 확대 벽부(15)에 의해 형성된 확대 공간(E)의 도중에서 연신이 멈추고, 확대 공간(E) 내에 거의 침입하지 않고 반도체층(4)의 근방에 머문다. 그 결과, 밀봉재(10)와 전해액(11)이 분리되어, 밀봉재(10)에 전해액(11)이 접촉하지 않는 비접촉부(N)(도 1 참조)가 형성된다.
(V) <밀봉 공정>
전해질 연신 공정 후, 밀봉 공정에서는 밀봉재(10)가 배치된 개소를 가열함으로써 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 접착시키고, 또한 도 4에 도시한 바와 같이, 광 전극(5)과 대향 전극(8)의 반송 방향(화살표 L1 방향)에 교차하는 방향에 있어서 초음파 용착 장치(50)에 의해 접착되어 도 1에 도시하는 태양 전지(1A)를 얻는다.
이상과 같이, 도 1에 도시하는 태양 전지(1A)에 의하면, 전해액(11)을 확대 공간(E) 내의 영역(X1)에 있어서 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6) 사이에 밀착시켜 유동하지 않도록 유지시킴과 함께, 밀봉재(10)에 전해액(11)의 비접촉부(N)를 형성하도록 가급적 분리시켜 배치하고 있다. 따라서, 전해액(11)이 밀봉재(10)를 열화시키는 것을 가급적 억제하고, 그것에 의해 높은 성능을 장기간에 걸쳐 유지 가능한 태양 전지(1A)를 제공할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 종래의 태양 전지는 수지 기재(P1, P2)가 평탄한 판상재에 의해 형성되어 있었으므로, 전해액(11)에 의한 전자의 수송 저항이 증대할 수 있는 것을 고려하여, 수지 기재(P1, P2) 사이의 간격이 수십 마이크로미터 이하로 억제되어 있었다. 즉, 수지 기재(P1, P2) 사이의 간격을 넓히면 전지의 성능이 대폭으로 저하되는 문제가 있었으므로, 종래는, 수지 기재(P1, P2) 사이의 거리를 30㎛ 정도로 하는 것이 한계로 되어 있었다. 따라서, 수지 기재(P1, P2) 사이에 삽입되는 배선 부재 등도 수지 기재(P1, P2) 사이의 거리에 수용되는 범위로 제한되어 있었다.
이에 대해, 태양 전지(1A)에 의하면, 도 1에 도시한 바와 같이 전해액(11)이 배치되는 영역(X1)을 가급적 박형으로 형성하면서도, 밀봉재(10)가 배치되는 외측 단부(2p, 6p) 사이의 이격 거리(L2)는 영역(X1)에 있어서의 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6) 사이의 거리(L1)의 20배 이상 크게 채용할 수 있고(단, 도 1은 모식도이므로 L2의 거리는 L1의 거리의 20배 이상이 되도록 표시되어 있지 않음), 이 밀봉재(10) 내 혹은 밀봉재(10)에 인접하는 확대 공간(E)에 단면적이 큰 집전용 배선(20)을 배치할 수 있다. 따라서, 배선(20)의 저항을 저감한 고품질의 태양 전지(1A)로 할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 배선(20)의 단면 형상이 가늘고 길게 형성되고, 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)의 사이 방향으로 두껍고, 이것에 교차하는 방향(밀봉재(10, 10)끼리의 사이 방향)으로 얇아지도록 배치되어 있다. 따라서, 밀봉재(10) 내에 매설되기 쉽고, 또한 반도체층(4)에 있어서의 발전 유효 면적이 되는 면적을 가급적 넓게 취할 수 있어 광전 변화 효율을 가급적 높일 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 밀봉재(10)의 두께(연직 방향의 높이)를 가급적 크게 하면서도 그 두께를 200㎛ 이하로 함으로써, 밀봉재(10)의 주변에 데드 스페이스가 많아지는 것에 의한 반도체층(4)에 있어서의 발전 유효 면적의 저하를 초래하는 것을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 태양 전지(1A)는 도전막(3)과 도전막(7)이 근접하고 있는 부분에 있어서는 도전성이 낮은 반도체층(4)이 개재되고, 그 이외의 부분에서는 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6)이 서로 이격되는 방향으로 휘어 점차 이격되는 방향으로 형성되어 있다. 따라서, 도전막(3)과 도전막(7) 사이에 부직포 등을 포함하는 세퍼레이터를 개재 장착시키지 않아도 단락의 가능성이 낮은 태양 전지(1A)로 할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 세퍼레이터에 필요로 하는 비용 및 세퍼레이터를 개재 장착시키는 공정을 생략한 저비용의 태양 전지(1A)로 할 수 있다는 효과가 얻어진다. 또한, 세퍼레이터는 광 전극(5)과 대향 전극(8) 사이에 개재 장착되어 있어도 상관없다.
또한, 내부 공간(S) 내에 충전하는 전해액(11)을 최소한으로 할 수 있으므로, 제조 비용을 억제한 태양 전지(1A)를 제공할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시 형태의 본 발명의 태양 전지(1A)의 제조 방법은, 도 4에 도시한 바와 같이 광 전극(5)과 대향 전극(8) 사이를 밀봉하기 전에 반도체층(4)에 전해액(11)을 적하하고, 그 후 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 접합하는 구성으로 되어 있다. 또한, 그때에 사용하는 전해액(11)은 내부 공간(S)으로부터 넘치지 않는다. 따라서, 태양 전지(1A)의 제조에 있어서, 접착시킨 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 진공 분위기 하에 둘 필요가 없고, 또한 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 접합한 상태에서 전해액(11)에 침지하는 경우가 없으므로, 태양 전지(1A)의 외표면의 전해액(11)을 닦아내는 작업을 생략할 수 있다. 따라서, 고가의 진공 설비를 사용하지 않고, 제조 공정을 간략하게 하여 태양 전지(1A)를 제조할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시 형태의 태양 전지(1A)의 제조 방법에 의하면, 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 롤러(R, R)로 가압하면서, 적층 공정, 전해액 연신 공정을 동시에 행할 수 있다.
또한, 이 방법은 각 제조 공정을 일 방향으로 송출하면서, 밀봉재(10, 10‥)에 의해 길이 방향(화살표 L 방향)으로 연장되는 외측 단부(2p, 6p)를 접착하고, 밀봉재(10)에 교차하는 방향의 밀봉을, 태양 전지(1A)의 선단으로부터 임의의 위치에서 초음파 용착 등을 함으로써 밀봉 및 절단할 수 있다. 즉, 광 전극(5) 및 대향 전극(8)을 띠상으로 형성하여 그 길이 방향으로 반송하면서 태양 전지(1A)를 제조하는, 소위 롤 투 롤(Roll to Roll) 제조를 이용하여, 광 전극(5)과 대향 전극(8)의 접합 위치를 고려하지 않고, 극히 간편하고, 효율적이고 또한 빠르게 태양 전지(1A)를 제조할 수 있다는 유리한 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 태양 전지(1A)는 제1 전극 기판(2) 및 제2 전극 기판(6) 모두에 가요성을 갖는 수지 기재(P1, P2)를 사용한 구성으로 하였지만, 본 발명은 이 실시 형태의 구성으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6) 중 어느 한쪽에만 가요성을 갖는 수지 기재를 적용해도, 확대 공간(E)과 밀봉재(10)에 비접촉부(N)를 형성할 수 있다. 따라서, 상기와 대략 동일한 작용, 기능 및 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 반도체층(4)은 밀봉재(10)에 접촉하지 않도록 성막된 구성으로 되어 있지만, 본 발명은 이와 같은 구성으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 전해액(11)이 확대 공간(E)을 통해 밀봉재(10)와 간격을 두고 배치되어 있는 한, 반도체층(4)은 밀봉재(10)에 접하도록 배치되어 있어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 배선(20)은 밀봉재(10)에 매설된 구성으로 되어 있지만, 이 배선(20)은 확대 공간(E) 내에 배치되어 있어도 된다. 배선(20)을 확대 공간(E) 내에 배치하는 경우에도, 배선(20)의 두께를 제1 전극 기판(2)과 제2 전극 기판(6) 사이의 방향으로 두껍게 하여 배선(20)의 저항을 저감함과 함께, 밀봉재(10, 10) 사이 방향을 얇게 하여 세선화함으로써, 반도체층(4)의 발전 유효 면적(즉, 반도체층(4)을 평면에서 보았을 때의 표면적)을 가급적 크게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 광 전극(5)과 대향 전극(8) 사이에 전해액(11)을 배치한 예를 이용하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 겔상 또는 고체상의 전해질을 사용해도 적절하게 실시할 수 있다. 또한, 겔상 또는 고체상의 전해질을 사용하는 경우에는, 반도체층(4)에 겔상 또는 고체상의 전해질을 배치하고, 그 후 광 전극(5)과 대향 전극(8)을 적층시킨 후에, 가열 및 가압을 하여 겔상 또는 고체의 전해질을 반도체층(4) 내에 침투시키면 된다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는 밀봉재(10, 10)가 배치된 외측 단부(2p, 6p)에 교차하는 외측 단부를 초음파 용착으로 밀봉한 구성으로 되어 있지만, 초음파 용착 이외의 밀봉 방법에 의해 적절히 밀봉하는 것이어도 된다.
또한, 상기 실시 형태는 반도체층(4)이 제1 전극 기판(2)의 폭 방향으로 2열 배열되어 성막된 구성을 예로서 설명하였지만, 본 발명의 구성은 이와 같은 구성으로 한정되는 것은 아니고, 반도체층(4)은 1열 또는 3열 이상 성막된 것이어도 된다.
1A : 태양 전지(광전 변환 소자)
2 : 제1 전극 기판
3 : 도전막
4 : 반도체층
5 : 광 전극
6 : 제2 전극 기판
7 : 도전막
8 : 대향 전극
11 : 전해액(전해질)
15 : 공간 확대 벽부
15a : 경사면
E : 확대 공간
L1, L2 : 이격 치수
N : 비접촉부
X1 : 반도체층이 형성된 영역
2 : 제1 전극 기판
3 : 도전막
4 : 반도체층
5 : 광 전극
6 : 제2 전극 기판
7 : 도전막
8 : 대향 전극
11 : 전해액(전해질)
15 : 공간 확대 벽부
15a : 경사면
E : 확대 공간
L1, L2 : 이격 치수
N : 비접촉부
X1 : 반도체층이 형성된 영역
Claims (11)
- 제1 전극 기판에 반도체층이 형성된 광 전극과, 상기 제1 전극 기판에 대향 배치되는 제2 전극 기판을 구비한 대향 전극과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극 사이를 밀봉하는 밀봉재와, 이 밀봉재의 내측에 배치되는 전해질을 구비하고,
상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판 중 적어도 어느 한쪽에는, 서로 대향하는 상기 제1 전극 기판의 표면과 상기 제2 전극 기판의 표면의 이격 치수를 확대하는 공간 확대 벽부가 설치되어, 상기 밀봉재의 내측에 확대 공간을 형성하고,
상기 전해질은 상기 확대 공간의 내측에서 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판 사이에 유지되고,
상기 밀봉재에 상기 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자. - 제1항에 있어서, 상기 확대 공간 또는 상기 밀봉재의 내부에는, 제1 전극 기판 및 제2 전극 기판으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 전극 기판 상에 배치되는 배선이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공간 확대 벽부는 상기 이격 치수를 상기 밀봉재를 향해 점차 확대시키는 경사면을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밀봉재의 두께 치수와, 상기 반도체층이 형성된 영역의 상기 제1 전극 기판의 표면 및 상기 제2 전극 기판의 표면 사이의 치수의 차이가 30㎛ 이상 200㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제2항에 있어서, 상기 밀봉재의 연직 방향의 높이가 상기 배선의 연직 방향의 높이분보다 큰 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 확대 공간의 체적은 상기 전해질의 체적의 1/3보다 큰 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 전해질과 밀봉재 사이에 밀봉재의 열화 방지 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 광 전극에 구비된 제1 전극 기판 상의 반도체층에 전해질을 배치하는 전해질 배치 공정과,
상기 제1 전극 기판의 단부 및 제2 전극 기판의 단부 중 적어도 어느 하나에 밀봉재를 배치하는 밀봉재 배치 공정과,
상기 광 전극에 제2 전극 기판을 구비한 대향 전극을 적층하는 적층 공정과,
상기 광 전극과 상기 대향 전극을 가압하고, 상기 전해질을 상기 반도체층에 배치하면서 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판 사이에서 유지시키고, 또한 상기 밀봉재의 근방에 있어서의 상기 제1 전극 기판과 상기 제2 전극 기판의 이격 치수를 확대하는 공간 확대 벽부를 형성하고, 상기 밀봉재에 상기 전해질과 접촉하지 않는 비접촉부를 형성하는 전해질 연신 공정과,
상기 광 전극과 상기 대향 전극을 밀봉하는 밀봉 공정
을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 적층 공정과 상기 전해질 연신 공정과 상기 밀봉 공정이 상기 광 전극과 상기 대향 전극의 가압에 의해 동시에 행해지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 공간 확대 벽부는, 상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판 중 적어도 한쪽에 가요성이 있는 수지 기재를 사용하고, 상기 광 전극과 상기 대향 전극을 가압할 때에 상기 가요성이 있는 수지 기재를 변형시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 가압을 탄성 변형 가능한 롤러를 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
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