WO2012153803A1 - 窓用ガラス板 - Google Patents

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WO2012153803A1
WO2012153803A1 PCT/JP2012/061986 JP2012061986W WO2012153803A1 WO 2012153803 A1 WO2012153803 A1 WO 2012153803A1 JP 2012061986 W JP2012061986 W JP 2012061986W WO 2012153803 A1 WO2012153803 A1 WO 2012153803A1
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glass
light
glass plate
titanium dioxide
window
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PCT/JP2012/061986
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信明 小松
朋子 伊藤
白井 克彦
眞一郎 南條
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国際先端技術総合研究所株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • H01G9/2068Panels or arrays of photoelectrochemical cells, e.g. photovoltaic modules based on photoelectrochemical cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • H01G9/2027Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • H01G9/2031Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
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    • H01G9/2059Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a glass sheet for windows.
  • the glass is provided with a thin film having a thickness of a quarter of the wavelength of the light to be blocked, and the transmitted light is suppressed by the interference of the light reflected at the interface on both sides of the thin film.
  • the interference due to this thin film the wavelength of light whose transmission is suppressed by the film thickness is limited.
  • solar cells are intended to be constructed using window glass that occupies a large outer surface in buildings, particularly high-rise buildings, there is no solar cell that can be used as a window glass sheet.
  • FIG. 1 As a relatively inexpensive solar cell, there is a solar cell which uses titanium dioxide (TiO 2 ) and utilizes an action known as the present invention / Fujitsu effect.
  • the basic configuration of the titanium dioxide solar cell will be described with reference to FIG.
  • reference numerals 1 and 3 denote glass substrates, and an FTO transparent conductive film 2 is formed on one surface of each of them, and light is incident from the glass substrate 1.
  • 6 is a porous titanium dioxide sintered body.
  • 5 is an electrolytic solution, and generally, an iodine-based electrolyte in which iodine is dissolved in a potassium iodide aqueous solution is used.
  • 4 is a sealing material
  • 7 is a load such as a resistor.
  • a metal plate such as a stainless steel plate may be used instead of the glass substrate and the FTO transparent conductive film.
  • the light that can be used with titanium dioxide is only ultraviolet light with a wavelength of 380 nm or less, and the ultraviolet light in this wavelength range is only 4% in sunlight, so the utilization efficiency of sunlight, which is the most abundant light source, is maximum But 4%, in fact only 1% is the best, and the solar efficiency is very low.
  • the range of available light was expanded to the visible light range where the wavelength is longer than the ultraviolet light by adsorbing the ruthenium complex dye to sintered porous titanium dioxide
  • DSSC dye-sensitized Solar Cell
  • reference numerals 1 and 3 denote glass substrates, and an FTO transparent conductive film 2 is formed on one surface of each of them, and light is incident from the glass substrate 1.
  • 9 is a porous titanium dioxide sintered body on which a ruthenium complex dye is adsorbed.
  • 5 is an electrolytic solution, and generally, an iodine-based electrolyte in which iodine is dissolved in a potassium iodide aqueous solution is used.
  • 4 is a sealing material
  • 7 is a load such as a resistor.
  • the solar efficiency of dye-sensitized solar cells is theoretically 30%, in practice up to 10%.
  • a metal plate such as a stainless steel plate may be used instead of the glass substrate and the FTO transparent conductive film.
  • titanium dioxide has a photocatalytic function
  • fused quartz particles treated with hydrohalic acid as a material having a photocatalytic function, as described in JP-A 2004-290748 (Patent 4214221) and Japanese Patent Laid-Open No. 2004-290747 (Japanese Patent No. 4247780) discloses this.
  • This artificial quartz photocatalyst functions as a photocatalyst in a wavelength range of 200 to 800 nm, which is wider than the photocatalyst using fused quartz as a raw material disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-290748 and 2004-290747.
  • silicon dioxide represented by artificial quartz can be used as a solar cell, and this solar cell is described in WO 2011/049156.
  • silicon dioxide is particles of non-crystalline glass such as quartz glass, non-alkali glass, borosilicate glass, soda lime glass etc. even though it is not artificial crystal which is crystalline, it is treated with hydrohalic acid Function as a solar cell material.
  • 1 and 3 are glass substrates, and the FTO transparent conductive film 2 is formed on one surface, and light is incident from the glass substrate 1.
  • 10 is a granular material obtained by grinding a silicon dioxide fired body.
  • the electrolytic solution coexists with the silicon dioxide particles, and generally, an iodine-based electrolyte in which iodine is dissolved in an aqueous potassium iodide solution is used.
  • an n-type semiconductor layer such as zinc oxide (ZnO) or titanium oxide (TiO 2 ) is formed.
  • a platinum film 8 is formed on the FTO layer 2 of the glass substrate 3 which is not on the light incident side.
  • 4 is a sealing material
  • 7 is a load such as a resistor.
  • a metal plate such as a stainless steel plate may be used instead of the glass substrate and the FTO transparent conductive film.
  • the organic electrolyte is obtained by adding 0.1 mol of LiI, 0.05 mol of I 2 , 0.5 mol of 4-tert-butylpyridine and 0.5 mol of tetrabutylammonium iodide to an acetonitrile solvent.
  • the dye-sensitized solar cell is colored because it uses a ruthenium complex dye, and it is unsuitable for use as a window glass even if it is enclosed in a colorless and transparent glass.
  • an iodine-based electrolyte is used as an electrolyte to be sealed even in a solar cell using colorless artificial quartz, it has to be colored, so it is unsuitable for use as a window glass as it is. .
  • An object of the invention according to this application is to provide a window glass sheet having a colorless or light-colored solar cell function that can be used for window glass in a building such as a building.
  • the invention according to the present application relates to a synthetic artificial quartz particle which is treated with hydrohalic acid in a solar cell consisting of titanium dioxide and an iodine electrolyte, non-crystalline quartz glass which is treated with hydrohalic acid, and alkali-free glass.
  • a solar cell is constructed by combining glass particles such as borosilicate glass and soda lime glass.
  • the window glass plate is constituted by a solar cell.
  • the transparent conductive films of each of the two glass plates on which the transparent conductive film is formed are disposed to face each other, and a titanium dioxide film is disposed on one of the glass plates to form a light incident side electrode, Silicon dioxide particles are disposed on a platinum electrode on the glass plate of (4), and a colorless and transparent electrolytic solution is enclosed between the two glass plates to constitute a window glass plate.
  • a solar cell is configured of a window glass plate.
  • the transparent conductive films of each of the two glass plates on which the transparent conductive film is formed are disposed to face each other, and a titanium dioxide film is disposed on one of the glass plates to form a light incident side electrode,
  • the silicon dioxide particles are disposed on a platinum electrode on a glass plate of a glass plate, and a colorless and transparent electrolytic solution is enclosed between two glass plates.
  • Two glass substrates on which a transparent conductive film is formed are arranged to face each other of the transparent conductive films, a photovoltaic material is arranged on at least one of the glass substrates, and between the two glass substrates Glass plate for windows which is filled with electrolyte and the transparent conductive film is connected to external load.
  • the window glass plate of (1), wherein the photovoltaic material disposed on one side of the glass substrate is titanium dioxide.
  • the window glass plate of (1), wherein the photovoltaic material disposed on one of the glass substrates is silicon dioxide.
  • a glass plate for windows wherein the photovoltaic material disposed on one side of the glass substrate is titanium dioxide, and the photovoltaic material disposed on the other side of the glass substrate is silicon dioxide.
  • FIG. 5 is a schematic view of a glass plate for dye-sensitized titanium dioxide window of Example 2.
  • FIG. 7 is a schematic view of a glass plate for a silicon dioxide window of Example 3;
  • 5 is a schematic view of a glass plate for a titanium dioxide / silicon dioxide window of Example 4.
  • FIG. 5 The structural schematic diagram of the glass plate for titanium dioxide * silicon dioxide windows of Example 5 which improved the glass plate for titanium dioxide * silicon dioxide windows of Example 4.
  • the window glass plate of Example 1 is one in which the prior art titanium dioxide solar cell shown in FIG. 1 is diverted to a window glass plate.
  • 11 is a glass substrate which consists of a general purpose glass plate, the transparent conductive film 12 of FTO etc. is formed in one side, and it is considered as a light incidence side.
  • Reference numeral 14 denotes a glass substrate made of a general-purpose glass plate similar to 11; on one surface, a transparent conductive film 12 such as FTO is formed, which is used as a light emitting side surface.
  • the glass substrate 11 and the glass substrate 14 are arrange
  • a titanium dioxide layer is disposed on the transparent conductive film 12 of the light incident side glass substrate 11, the transparent electrolyte 15 is filled between the two glass substrates, and the light is output from the two transparent conductive films.
  • the titanium dioxide layer 16 is formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), sol-gel method, plating method, electrolytic polymerization method, molecular precursor method, etc.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • sol-gel method plating method
  • electrolytic polymerization method molecular precursor method
  • molecular precursor method it is desirable to add titanium dioxide particles separately in order to improve the function.
  • an iodine-based electrolyte in which iodine is dissolved in an aqueous potassium iodide solution is most simply used as the transparent electrolyte 15, this electrolyte is colored although it is transparent, so it is unsuitable for use as a window glass.
  • an electrolyte having the following composition is useful.
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide 0.4 M
  • Tetrabutyl ammonium iodide 0.4 M
  • 4-t-butylpyridine 0.2 M
  • Guanidinium isothiocyanate 0.1 M
  • This electrolytic solution is almost colorless and transparent in the visible light region when the concentration of halogen molecules such as I 2 and Br 2 is 0.0004 mol / l or less.
  • colorless and transparent acetic acid and citric acid can also be used as a colorless and transparent electrolytic solution.
  • the glass plate for windows of Example 1 using titanium dioxide and a transparent electrolyte has a wavelength range of 470 nm or less While the FTO glass plate blocks approximately 100% of light in the wavelength range of 289 nm or less while blocking approximately 100% of light, it transmits at least 65% of light in the wavelength range of 289 nm to 470 nm.
  • the window glass plate of Example 1 has a sufficiently large blocking effect to short wavelength light of 470 nm or less.
  • the window glass plate of Example 2 will be described with reference to FIG.
  • the glass plate for windows of Example 2 is one in which the dye-sensitized titanium dioxide solar cell of the prior art shown in FIG. 2 is diverted to a glass plate for windows.
  • the glass plate for windows of Example 2 is obtained by integrating the glass plate for windows using titanium dioxide of Example 1 and the glass plate using silicon dioxide of Example 3 with an electrolyte as a common element.
  • the ultraviolet light generated by titanium dioxide is less likely to be transmitted through the glass plate as compared to the visible light and infrared light generated by silicon dioxide, and therefore titanium dioxide is added to the glass substrate on the light incident side. Place.
  • the glass plate for windows of Example 2 is different from the glass plate for windows of Example 1 in the glass plate for windows of Example 1 except that the titanium dioxide layer is a titanium dioxide film or a porous sintered body of titanium dioxide.
  • the window glass plate of Example 2 adsorbs a pigment such as a ruthenium complex dye to sintered porous titanium dioxide, while there is no other difference. I omit it.
  • the transmitted light may be colored, such as for decorative applications, it is useful even for a window glass plate of a dye-sensitized solar cell configuration that generates even visible light.
  • the glass plate for windows of Example 2 can be generated by light in the visible light region as well as in the ultraviolet light region by the sensitizing dye, and can block light in the visible light region as well as the ultraviolet light region.
  • the window glass plate of Example 3 will be described with reference to FIG.
  • the window glass plate of Example 3 is one in which the silicon dioxide solar cell of the prior art shown in FIG. 3 is diverted to a window glass plate.
  • reference numeral 11 denotes a glass substrate made of a general-purpose glass plate, a transparent conductive film 12 such as FTO is formed on one surface, and it is used as a light incident side surface.
  • Reference numeral 14 denotes a glass substrate made of a general-purpose window glass plate similar to 11; a transparent conductive film 12 such as FTO is formed on one surface, and is used as a light emitting side surface.
  • the glass substrate 11 and the glass substrate 14 are disposed such that the two transparent conductive films 12 face each other.
  • a silicon dioxide particle sintered body is disposed on the transparent conductive film 12 of the light incident side glass substrate 11.
  • the silicon dioxide particles are quartz crystal particles obtained by grinding crystalline artificial quartz crystal grains or non-crystalline glass grains treated with hydrohalic acid to a particle size of 0.2 mm or less, preferably 500 nm or less, and firing of silicon dioxide particles
  • the body is applied and dried on the transparent conductive film 12 in which a layer of platinum or the like is formed by mixing with ethanol.
  • silicon dioxide particles artificial quartz which is crystalline silicon dioxide or quartz glass which is non-crystalline, glass particles such as alkali-free glass, borosilicate glass, soda lime, etc. can be used, and roughly crushed dioxide
  • the silicon particles are immersed in an aqueous solution of hydrofluoric acid, and then the artificial quartz particles or glass particles are washed with water and dried, and then pulverized and pulverized.
  • Hydrochloric acid is used as the hydrohalic acid in addition to hydrofluoric acid, but hydrofluoric acid is preferred.
  • a transparent electrolyte 15 is filled between the two glass substrates 11 and 13. 14 is a sealing material, and 17 is an external load.
  • an iodine-based electrolyte in which iodine is dissolved in an aqueous potassium iodide solution is most simply used as the transparent electrolyte 15, this electrolyte is transparent but colored, so it is unsuitable for use as a window glass.
  • an electrolyte having the following composition is useful as in the window glass plate of Example 1.
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide 0.4 M
  • Tetrabutyl ammonium iodide 0.4 M
  • 4-t-butylpyridine 0.2 M
  • Guanidinium isothiocyanate 0.1 M
  • This electrolytic solution is almost colorless and transparent in the visible light region when the concentration of halogen molecules such as I 2 and Br 2 is 0.0004 mol / l or less.
  • colorless and transparent acetic acid or citric acid can also be used as a transparent electrolyte.
  • the glass plate for windows of Example 1 using titanium dioxide and a transparent electrolyte blocks almost 100% of light in the wavelength region of 470 nm or less
  • FTO glass blocks approximately 100% of light in the wavelength range of 289 nm or less, but transmits light in the wavelength range of 289 nm to 470 nm by 65% or more.
  • the window glass plate of Example 3 has a sufficiently large blocking effect to short wavelength light of 470 nm or less.
  • This window glass plate further blocks 80 to 85% of infrared light having a wavelength of 800 nm or more and generates electricity.
  • the solar cell was irradiated with light of 1 kw / m 2 , which is a solar constant, to the window glass plate of Example 3 having an area of 1 cm ⁇ 1 cm by a solar simulator, and the characteristics as a solar cell were measured.
  • the open circuit voltage of was obtained.
  • the window glass plate of Example 4 will be described with reference to FIG.
  • the glass plate for a window of Example 4 is a child in which the glass plate for a window using titanium dioxide of Example 1 and the glass plate using silicon dioxide of Example 3 are integrated with an electrolyte as a common element.
  • the ultraviolet light generated by titanium dioxide is less likely to be transmitted through the glass plate as compared to the visible light and infrared light generated by silicon dioxide, and therefore titanium dioxide is added to the glass substrate on the light incident side. Arrange the layers.
  • reference numeral 11 denotes a glass substrate made of a general-purpose window glass plate, a transparent conductive film 12 such as FTO is formed on one surface, and is used as a light incident side surface.
  • Reference numeral 14 denotes a glass substrate made of a general-purpose glass plate similar to 11; on one surface, a transparent conductive film 12 such as FTO is formed, which is used as a light emitting side surface.
  • the glass substrate 11 and the glass substrate 14 are disposed such that the two transparent conductive films 12 face each other.
  • a titanium dioxide layer is disposed on the transparent conductive film 12 of the light incident side glass substrate 11, and a silicon dioxide particle fired body 20 is disposed on the transparent conductive film 12 of the light incident side glass substrate 13.
  • the transparent electrolyte 15 is filled between the two glass substrates 11 and 12, and the transparent electrolyte 15 is filled between the two glass substrates 11 and 13.
  • Reference numeral 14 denotes a sealing material
  • reference numeral 17 denotes an external load, which is connected to the transparent conductive films 12 and 12.
  • the titanium dioxide layer 16 is formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), sol-gel method, plating method, electrolytic polymerization method, molecular precursor method, etc.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • sol-gel method plating method
  • electrolytic polymerization method molecular precursor method
  • molecular precursor method it is desirable to add titanium dioxide particles separately in order to improve the function.
  • titanium dioxide In addition to titanium dioxide, CuO, MgO, ZnO, SrTiO 3 , carbon nitride, graphene or the like can be used on the light incident side.
  • the particles of the silicon dioxide fired body are quartz crystal particles pulverized to a particle diameter of 0.2 mm or less, preferably 500 nm or less, and coated on the transparent conductive film 12 in which a layer such as platinum is formed by mixing with ethanol. Dried.
  • silicon dioxide particles artificial quartz which is crystalline silicon dioxide or quartz glass which is non-crystalline, glass particles such as alkali-free glass, borosilicate glass, soda lime, etc. can be used, and roughly crushed dioxide
  • the silicon particles are immersed in an aqueous solution of hydrofluoric acid, then the artificial quartz particles or glass particles are washed with water and then dried and then pulverized.
  • Hydrochloric acid is used as the hydrohalic acid in addition to hydrofluoric acid, but hydrofluoric acid is preferred.
  • Artificial quartz particles or other glass particles can be treated with hydrohalic acids other than hydrofluoric acid, hydrochloric acid or hydrobromic acid.
  • an iodine-based electrolyte in which iodine is dissolved in an aqueous potassium iodide solution is most simply used as the transparent electrolyte 15
  • this electrolyte is transparent but colored, so it is unsuitable for use as a window glass plate. Yes, other electrolytes can also be used. .
  • an electrolyte having the following composition is useful as in the window glass plate of Example 1.
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide 0.4 M
  • Tetrabutyl ammonium iodide 0.4 M
  • 4-t-butylpyridine 0.2 M
  • Guanidinium isothiocyanate 0.1 M
  • This electrolytic solution is almost colorless and transparent in the visible light region when the concentration of halogen molecules such as I 2 and Br 2 is 0.0004 mol / l or less.
  • colorless and transparent acetic acid or citric acid can also be used as a transparent electrolyte.
  • FTO glass blocks almost 100% of light in the wavelength range of 289 nm or less, and transmits light of 65% or more in the wavelength range of 289 nm to 470 nm.
  • the window glass plate of Example 4 blocks approximately 100% of light in the wavelength region of 470 nm or less.
  • the FTO glass transmits 84.3% of light having a wavelength of 800 nm, that is, 15.7%, whereas the glass plate for windows of Example 4 cuts 84.7%.
  • the solar cell was irradiated with light of 1 kw / m 2 , which is a solar constant, to the window glass plate of Example 3 having an area of 1 cm ⁇ 1 cm, and the characteristics as a solar cell were measured. A voltage was obtained.
  • the window glass plate of Example 4 can be used as a transparent window glass plate because the titanium dioxide layer 16, the electrolyte 15, and the silicon dioxide layer 20 are both colorless and transparent, and also functions as a solar cell. Do.
  • the window glass plate of Example 5 will be described with reference to FIG.
  • the fifth embodiment is an improvement of the fourth embodiment, and therefore, the description common to the fourth embodiment will be omitted.
  • the particle diameter of the silicon dioxide particles used in Example 4 is desirably as fine as 500 nm or less, and when it is applied and dried and brought into contact with the electrolytic solution, it is dispersed and suspended in the electrolytic solution. Since silicon dioxide is a poor conductor, fine particles of silicon dioxide dispersed and suspended in the electrolytic solution may enter the pores of porous titanium dioxide and interfere with the function of titanium dioxide. In order to prevent such a situation, a diaphragm 21 permeable only to the electrolyte is disposed between the silicon dioxide layer 20 and the titanium dioxide layer 16.
  • the window glass plate of the invention according to the application in which porous titanium dioxide and inexpensive silicon dioxide and colorless and transparent electrolyte are enclosed between two glass plates without problems of resource amount blocks ultraviolet light and infrared light, and visible light
  • porous titanium dioxide and inexpensive silicon dioxide and colorless and transparent electrolyte are enclosed between two glass plates without problems of resource amount blocks ultraviolet light and infrared light, and visible light
  • it is extremely effective in solving energy problems.

Abstract

 透明導電膜が形成された2枚のガラス板の各々の透明導電膜を向かい合わせて配置し、一方のガラス板が光入射側電極とされて2酸化チタン膜を配置し、他方のガラス板に導電膜を形成して対向電極とし、対向電極上に2酸化ケイ素粒子がが塗布・焼成されて配置され、光入射側電極と対向電極との間に無色透明な電解質が充填されている。 2酸化チタン膜を用いた場合は素通しの窓用ガラス板が得られるが、2酸化チタン多孔質焼結体を用いた場合には窓用磨りガラス板が得られる。 2酸化ケイ素粒子はフッ化水素酸等のハロゲン化水素酸で処理され、微粉末化され、望ましくは粒径が500nm以下である。 

Description

窓用ガラス板
 本発明は、窓用ガラス板に関するものである。
 建築物の窓等に使用されるガラス板は単純に採光機能を有するものが大部分であるが、その他にも、2重にして間にガスを封入し断熱機能を持たせた複層ガラス、樹脂を挟み込んでに耐性を高めた合わせガラス、表面に金属薄膜を形成して紫外光・赤外光を遮断する光線遮断ガラス、金属膜を格子状に形成して電磁波を遮断するシールドガラス等の機能ガラスが実用化されてきている。
 光線遮断ガラスはガラスに遮断したい光の波長の4分の1の厚さの薄膜を設け、この薄膜の両側の界面で反射した光の干渉により透過光を抑制する。
 この薄膜による干渉は膜厚により透過が抑制される光の波長が限定される。
 一方、エネルギー問題を解決することを課題として、ソーラーセルの開発が進められており、シリコン等の半導体を用いた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。
 建築物、特に高層建築物において大きな外表面を占める窓ガラスを利用してソーラーセルを構成することが目論まれているが、窓用ガラス板として利用することが可能なソーラーセルはない。
 比較的安価なソーラーセルとして2酸化チタン(TiO)を用い本多・藤嶋効果として知られる作用を利用する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基本的な構成を説明する。
 この図において1及び3はガラス基板であり各々1方の面にFTO透明導電膜2が形成され、ガラス基板1から光が入射する。6は多孔質2酸化チタン焼結体である。5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。4は封止材、7は抵抗器等の負荷である。
 なお、入射光が透過する必要がない場合にはガラス基板とFTO透明導電膜に代えて、ステンレス鋼板等の金属板を使用することもある。
 2酸化チタンで利用できる光は波長が380nm以下の紫外光のみであり、この波長領域の紫外光は太陽光中の4%に過ぎないため、最も豊富な光源である太陽光の利用効率は最大でも4%、実際には1%がせいぜいであり、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ソーラーセルの欠点を補うため、焼結多孔質2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光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)がある。
 図2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及び3はガラス基板であり各々1方の面にFTO透明導電膜2が形成され、ガラス基板1から光が入射する。9はルテニウム錯体色素を吸着させた多孔質2酸化チタン焼結体である。5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。4は封止材、7は抵抗器等の負荷である。
 色素増感ソーラーセルの太陽光利用効率は理論的に30%、実際には最大で10%である。
 なお、入射光が透過する必要がない場合にはガラス基板とFTO透明導電膜に代えて、ステンレス鋼板等の金属板を使用することもある。
 2酸化チタンは光触媒機能を有しているが、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粒子を使用することが特開2004-290748号公報(特許4214221号)及び特開2004-290747号公報(特許4247780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粒子を使用することが、国際公開公報WO2005/089941号に示されている。
 この人工水晶光触媒は、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。
 さらに、本発明者等は人工水晶を代表とする2酸化ケイ素がソーラーセルとして利用可能であることを発見し、このソーラーセルは国際公開公報WO2011/049156号に記載されている。
 2酸化ケイ素は結晶質である人工水晶ではなくても、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の非結晶質であるガラスの粒子であっても、ハロゲン化水素酸処理することにより、ソーラーセル材料として機能する。
 図3により2酸化ケイ素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及び3はガラス基板であり1方の面にFTO透明導電膜2が形成され、ガラス基板1から光が入射する。10は2酸化ケイ素焼成体粉砕した粒状体である。電解液は2酸化ケイ素粒状体と共存しており、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。
 光入射側のガラス基板1のFTO層2には酸化亜鉛(ZnO),酸化チタン(TiO)等のn型半導体層が形成されている。
 光入射側ではないガラス基板3のFTO層2には白金膜8が形成されている。
 4は封止材、7は抵抗器等の負荷である。
 なお、入射光が透過する必要がない場合にはガラス基板とFTO透明導電膜に代えて、ステンレス鋼板等の金属板を使用することもある。
 有機電解質は、LiIを0.1mol、I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。
特開2004-290748号公報 特開2004-290747号公報 国際公開公報WO2005/089941号 国際公開公報WO2011/049156号
 色素増感ソーラーセルは、ルテニウム錯体色素を利用しているため有色であり、無色透明なガラスに封入して構成しても、窓ガラスとして用いるには不向きである。
 さらに、無色の人工水晶を用いるソーラーセルでも封入される電解質として沃素係電解質を用いているため、有色にならざるを得ないため、そのまま窓ガラスとして用いるには不向きである。。
 この出願に係る発明は、ビル等の建物において窓ガラスに使用することができる無色あるいは薄い色のソーラーセル機能を有する窓ガラス板を提供することを課題とする。
 この出願に係る発明は、2酸化チタンと沃素係電解質からなる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のガラス粒子を組み合わせてソーラーセルを構成する。
 本発明者等は鋭意検討の結果、適切な電解質を採用すれば窓ガラスとして使用可能なソーラーセルを構成することが可能であることを見いだした。
 この出願においては、窓用ガラス板をソーラーセルにより構成する。
 具体的には、透明導電膜が形成された2枚のガラス板各々の透明導電膜を向かい合わせて配置し、一方のガラス板上に2酸化チタン膜を配置して光入射側電極とし、他方のガラス板上の白金電極上に2酸化ケイ素粒子を配置し、2枚のガラス板の間に無色透明な電解液を封入して窓用ガラス板を構成する。
 本発明者等は鋭意検討の結果、適切な電解質を採用すれば窓ガラスとして使用可能なソーラーセルを構成することが可能であることを見いだした。
 この出願においては、窓用ガラス板でソーラーセルを構成する。
 具体的には、透明導電膜が形成された2枚のガラス板各々の透明導電膜を向かい合わせて配置し、一方のガラス板上に2酸化チタン膜を配置して光入射側電極とし、他方のガラス板上の白金電極上に2酸化ケイ素粒子を配置し、2枚のガラス板の間に無色透明電解液を封入した窓用ガラス板である。
 この出願に係る発明のさらなる特徴は以下のとおりである。
(1)透明導電膜が形成された2枚のガラス基板が各々の透明導電膜を向かい合わせて配置され、ガラス基板の少なくとも一方に光起電材料が配置され、2枚のガラス基板の間に電解質が充填され、透明導電膜が外部負荷に接続される窓用ガラス板。
(2)ガラス基板の一方に配置された光起電材料が2酸化チタンである(1)の窓用ガラス板。
(3)ガラス基板の一方に配置された光起電材料が2酸化ケイ素である(1)の窓用ガラス板。
(4)ガラス基板の一方に配置された光起電材料が2酸化チタンであり、ガラス基板の他方に配置された光起電材料が2酸化ケイ素である窓用ガラス板。
(5)2酸化ケイ素光起電材料と2酸化チタン光起電材料との間に電解質のみが透過可能な隔膜が配置された窓用ガラス板。
従来の2酸化チタンソーラーセルの模式図。 従来の増感色素2酸化チタンソーラーセルの構成模式図。 先行発明の2酸化ケイ素ソーラーセルの構成模式図。 実施例1の2酸化チタン窓用ガラス板の構成模式図。 実施例2の色素増感2酸化チタン窓用ガラス板の構成模式図。 実施例3の2酸化ケイ素窓用ガラス板の構成模式図。 実施例4の2酸化チタン・2酸化ケイ素窓用ガラス板の構成模式図。 実施例4の2酸化チタン・2酸化ケイ素窓用ガラス板を改良した実施例5の2酸化チタン・2酸化ケイ素窓用ガラス板の構成模式図。
 以下、図を参照して窓用ガラス板の実施例を説明する。
 図4により、実施例1の窓用ガラス板を説明する。
 実施例1の窓用ガラス板は、図1に示した従来技術の2酸化チタンソーラーセルを窓用ガラス板に転用したものである。
 この図において、11は汎用のガラス板からなるガラス基板であり、一方の面にFTO等の透明導電膜12が形成され、光入射側面とされる。
 14は11と同様な汎用のガラス板からなるガラス基板であり、一方の面にFTO等の透明導電膜12が形成され、光出射側面とされる。
 また、ガラス基板11とガラス基板14は、双方の透明導電膜12が対向するように配置される。
 光入射側ガラス基板11の透明導電膜12に2酸化チタン層が配置され、2枚のガラス基板の間に透明電解質15が充填され、2つの透明導電膜から出力される。
 2酸化チタン層は16は、スパッタリング,化学的蒸着法(CVD),物理的蒸着法(PVD),ゾル-ゲル法,メッキ法,電解重合法,分子プレカーサー法等の手段により形成された2酸化チタン膜である場合と、焼結等の手段により固体化された2酸化チタン多孔質焼結体である場合とがある。
 分子プレカーサー法の場合には機能向上のために、2酸化チタン粒子を別途添加することが望ましい。
 透明電解質15には最も簡易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が、この電解質は透明ではあっても有色であるため、窓ガラスとして用いるのには不向きである。
 現在のところ、透明電解質15としては、以下の組成の電解質が有用である。
 1-エチル-3-メチルイミダゾリウムアイオダイド:0.4M
 テトラブチルアンモニウムアイオダイド:0.4M
 4-t-ブチルピリジン:0.2M
 グアニジウムイソチオシアネート:0.1M
をプロピレンカーボネート液として調製。
 この電解液は、I、Brなどの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。
 この他に無色透明である酢酸あるいはクエン酸等も無色透明な電解液として使用可能である。
 この窓用ガラス板の短波長光の遮断率をFTOが形成されたFTOガラス板と比較したところ、2酸化チタンと透明電解質を用いた実施例1の窓用ガラス板は470nm以下の波長領域の光をほぼ100%遮断するのに対し、FTOガラス板は289nm以下の波長領域の光をほぼ100%遮断するが、289nm~470nmの波長領域の光は65%以上透過させた。
 この結果から理解されるように、実施例1の窓用ガラス板は470nm以下の短波長光に対して、十分に大きな遮断効果を有している。
 図5により、実施例2の窓用ガラス板を説明する。
 実施例2の窓用ガラス板は図2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窓用ガラス板に転用したものである。
 実施例2の窓用ガラス板は実施例1の2酸化チタンを用いた窓用ガラス板と実施例3の2酸化ケイ素を用いたガラス板を電解質を共通要素として一体にしたものである。2酸化チタンが起電する紫外光は2酸化ケイ素が遮断・起電する可視光・赤外光と比較してガラス板中を透過しにくいため、光が入射する側のガラス基板に2酸化チタンを配置する。
 実施例2の窓用ガラス板が実施例1の窓用ガラス板と異なるのは、実施例1の窓用ガラス板で2酸化チタン層が2酸化チタン膜あるいは2酸化チタン多孔質焼結体であるのに対して、実施例2の窓用ガラス板が焼結多孔質2酸化チタンにルテニウム錯体色素等の色素を吸着させている点のみであり、他の相違点はないので、さらなる説明は省略する。
 装飾用途等透過光が有色であってもよい場合には、可視光でも起電する色素増感ソーラーセル構成の窓用ガラス板であっても、有用である。
 実施例2の窓用ガラス板は増感色素によって、紫外光領域のみならず可視光領域の光によって起電し、紫外光領域のみならず可視光領域の光を遮断することができる。
 図6により、実施例3の窓用ガラス板を説明する。
 実施例3の窓用ガラス板は図3に示した従来技術の2酸化ケイ素ソーラーセルを窓用ガラス板に転用したものである。
 図6において、11は汎用のガラス板からなるガラス基板であり、一方の面にFTO等の透明導電膜12が形成され、光入射側面とされる。14は11と同様な汎用の窓用ガラス板からなるガラス基板であり、一方の面にFTO等の透明導電膜12が形成され、光出射側面とされる。ガラス基板11とガラス基板14は、双方の透明導電膜12が対向するように配置される。
 光入射側ガラス基板11の透明導電膜12に2酸化ケイ素粒子焼成体が配置されている。
 2酸化ケイ素粒子は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を粒径が0.2mm以下、望ましくは500nm以下に粉砕された工水晶粒子であり、2酸化ケイ素粒子焼成体はエタノールと混合して白金等の層が形成された透明導電膜12上に塗布し乾燥させたものである。
 2酸化ケイ素粒として、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が使用可能であり、粗粉砕した2酸化ケイ素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、その後微粉砕粉する。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。
 2枚のガラス基板11と13の間に透明電解質15が充填されている。14は封止材であり、17は外部負荷である。
 透明電解質15には最も簡易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が、この電解質は透明ではあっても有色であるため、窓ガラスとして用いるには不向きである。
 現在のところ、透明電解質15としては、実施例1の窓用ガラス板と同様に以下の組成の電解質が有用である。
 1-エチル-3-メチルイミダゾリウムアイオダイド:0.4M
 テトラブチルアンモニウムアイオダイド:0.4M
 4-t-ブチルピリジン:0.2M
 グアニジウムイソチオシアネート:0.1M
をプロピレンカーボネート液として調製。
 この電解液は、I、Brなどの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。
 この他に無色透明である酢酸あるいはクエン酸等も透明電解液として使用可能である。
 この窓用ガラス板の短波長光の遮断率をFTOガラスと比較したところ、2酸化チタンと透明電解質を用いた実施例1の窓用ガラス板は470nm以下の波長領域の光をほぼ100%遮断するのに対し、FTOガラスは289nm以下の波長領域の光をほぼ100%遮断するが、289nm~470nmの波長領域の光は65%以上透過させる。
 この結果から理解されるように、実施例3の窓用ガラス板は470nm以下の短波長光に対して、十分に大きな遮断効果を有している。
 この窓用ガラス板は、さらに波長800nm以上の赤外光を80~85%遮断するとともに、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/mの光を面積が1cm×1cmの実施例3の窓用ガラス板に照射し、ソーラーセルとしての特性を測定したところ、341.7μAの短絡電流、500mVの開放電圧が得られた。
 窓用ガラス板の面積を2cm×2cmにしたところ、1799mAの短絡電流、570mVの開放電圧が得られ、従来のソーラーセルとは逆に面積が大きいものの方が大きな光-電気変換能を示した。
 粒径が0.2mm以下の人工水晶粒子の場合には1cm×1cmの場合、85μAの短絡電流、470mVの開放電圧が得られた。
 図7により実施例4の窓用ガラス板を説明する。
 実施例4の窓用ガラス板は実施例1の2酸化チタンを用いた窓用ガラス板と実施例3の2酸化ケイ素を用いたガラス板を電解質を共通要素として一体にした子のである。2酸化チタンが起電する紫外光は2酸化ケイ素が遮断・起電する可視光・赤外光と比較してガラス板中を透過しにくいため、光が入射する側のガラス基板に2酸化チタン層を配置する。
 図7において、11は汎用の窓用ガラス板からなるガラス基板であり、一方の面にFTO等の透明導電膜12が形成され、光入射側面とされる。14は11と同様な汎用のガラス板からなるガラス基板であり、一方の面にFTO等の透明導電膜12が形成され、光出射側面とされる。ガラス基板11とガラス基板14は、双方の透明導電膜12が対向するように配置される。
 光入射側ガラス基板11の透明導電膜12に2酸化チタン層が配置され、光入射側ガラス基板13の透明導電膜12に2酸化ケイ素粒子焼成体20が配置されている。
 2枚のガラス基板11,12の間に透明電解質15が充填され、2枚のガラス基板11と13の間に透明電解質15が充填されている。14は封止材、17は外部負荷であり、透明導電膜12,12に接続される。
 2酸化チタン層は16は、スパッタリング,化学的蒸着法(CVD),物理的蒸着法(PVD),ゾル-ゲル法,メッキ法,電解重合法,分子プレカーサー法等の手段により形成された2酸化チタン膜である場合と、焼結等の手段により固体化された2酸化チタン多孔質焼結体である場合とがある。
 分子プレカーサー法の場合には機能向上のために、2酸化チタン粒子を別途添加することが望ましい。
 光入射側には2酸化チタンの他に、CuO,MgO,ZnO,SrTiO,窒化炭素、グラフェン等も使用可能である。 
 2酸化ケイ素焼成体の粒子は粒径が0.2mm以下、望ましくは500nm以下に粉砕された工水晶粒子であり、エタノールと混合して白金等の層が形成された透明導電膜12上に塗布し乾燥させたものである。
 2酸化ケイ素粒として、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が使用可能であり、粗粉砕した2酸化ケイ素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、その後微粉砕する。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。
 人工水晶粒子あるいは他のガラス粒子はフッ化水素酸以外のハロゲン化水素酸、塩化水素酸あるいは臭化水素酸で処理することが可能である。
 透明電解質15には最も簡易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が、この電解質は透明ではあっても有色であるため、窓用ガラス板として用いるのには不向きであり、他の電解質も使用可能である。。
 現在のところ、透明電解質15としては、実施例1の窓用ガラス板と同様に以下の組成の電解質が有用である。
 1-エチル-3-メチルイミダゾリウムアイオダイド:0.4M
 テトラブチルアンモニウムアイオダイド:0.4M
 4-t-ブチルピリジン:0.2M
 グアニジウムイソチオシアネート:0.1M
をプロピレンカーボネート液として調製。
 この電解液は、I2、Brなどの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。
 この他に無色透明である酢酸あるいはクエン酸等も透明電解液として使用可能である。
 FTOガラスは289nm以下の波長領域の光をほぼ100%遮断し、289nm~470nmの波長領域の光は65%以上透過させる。これに対し、実施例4の窓用ガラス板は、470nm以下の波長領域の光をほぼ100%遮断する。 また、FTOガラスは800nmの波長の光を84.3%透過、すなわち15.7%遮断するのに対し、実施例4の窓用ガラス板は84.7%遮断する。
 ソーラーシミュレータにより太陽常数である1kw/mの光を面積が1cm×1cmの実施例3の窓用ガラス板に照射し、ソーラーセルとしての特性を測定したところ、348μAの短絡電流、620mVの開放電圧が得られた。
 窓用ガラス板の面積を2cm×2cmにしたところ、1.7990mAの短絡電流、570mVの開放電圧が得られ、従来のソーラーセルとは逆に面積が大きいものの方が大きな光-電気変換能を示した。
 なお、粒径が0.2mm以下の人工水晶粒子の場合には1cm×1cmの場合、20μAの短絡電流、417mVの開放電圧が得られた。
 実施例4の窓用ガラス板は2酸化チタン層16、電解質15,2酸化ケイ素層20がいずれも無色透明であるため、透明な窓用ガラス板として使用可能であり、同時にソーラーセルとしても機能する。
 図8により実施例5の窓用ガラス板を説明する。
 実施例5は実施例4の改良であるため、実施例4と共通する事項は説明を省略する。
 実施例4において使用する2酸化ケイ素粒子の粒径は望ましくは500nm以下と微細であり、塗布・乾燥して電解液に触れさせると電解液中に分散・懸濁する。2酸化ケイ素は不良導体であるため電解液中に分散・懸濁した2酸化ケイ素微粒子が多孔質2酸化チタンの孔部に入り込み2酸化チタンの機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21を2酸化ケイ素層20と2酸化チタン層16との間に配置する。
 多孔質二酸化チタンと資源量に問題がなく安価な二酸化ケイ素と無色透明な電解質をを2枚のガラス板の間に封入したこの出願に係る発明の窓用ガラス板は紫外線及び赤外線を遮断し、可視光を透過させるので、窓用のガラス板としてきわめて有用であるばかりでなく、ソーラーセルでもあるので、エネルギー問題の解決にきわめて有効である。
 建築物外装用板ガラス、建築物内装用板ガラス、乗り物用板ガラス、農業用板ガラス、家具用板ガラス、電気製品用板ガラス、ショウケース用板ガラス、特にペアガラスのような断熱用途の2重板ガラスタイプが用いられている分野できわめて有用である。
1,3,11,13 ガラス基板
2,12 透明導電膜
6,16 2酸化チタン層
5,15 電解液
4,14 封止材
7,17 負荷
10,20 2酸化ケイ素層
21 隔膜
 

Claims (5)

  1. 透明導電膜が形成された2枚のガラス基板が各々の透明導電膜を向かい合わせて配置され、
     前記ガラス基板の少なくとも一方に光起電材料が配置され、
     前記2枚のガラス基板の間に電解質が充填され、
     前記透明導電膜が外部負荷に接続されることを特徴とする窓用ガラス板。
  2. 前記ガラス基板の一方に配置された光起電材料が2酸化チタンであることを特徴とする請求項1の窓用ガラス板。
  3. 前記ガラス基板の一方に配置された前記光起電材料が2酸化ケイ素であることを特徴とする請求項1の窓用ガラス板。
  4. 前記ガラス基板の一方に配置された光起電材料が2酸化チタンであり、前記ガラス基板の他方に配置された前記光起電材料が2酸化ケイ素であることを特徴とする請求項1の窓用ガラス板。
  5. 前記2酸化ケイ素光起電材料と前記2酸化チタン光起電材料との間に前記電解質のみが透過可能な隔膜が配置されたことを特徴とする請求項4の窓用ガラス板。
     
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