JP2014199748A

JP2014199748A - 色素増感太陽電池

Info

Publication number: JP2014199748A
Application number: JP2013074495A
Authority: JP
Inventors: 伸次大栢; Shinji Okashiwa; 和雄寺澤; Kazuo Terasawa
Original assignee: Nissha Printing Co Ltd
Current assignee: Nissha Printing Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-23

Abstract

【課題】発電効率が高い色素増感太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】複数の電極セル２が直列的に接続され、前記電極セル２が、透明導電層と、前記透明導電層の上に積層される第１発電層１３と、前記透明導電層の上に前記第１発電層１３とは間隔を空けて積層される色彩層１２と、前記透明導電層と対向配置される触媒層と、前記透明導電層と前記触媒層の間に配置される電解質層３０とを備える色素増感太陽電池であって、前記色彩層が、２００ｎｍ〜５００ｎｍの酸化チタン微粒子を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍである光散乱層と、前記光散乱層の上に積層され、増感色素を担持した１０ｎｍ〜３０ｎｍの酸化チタン微粒子を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍである光吸収層とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池に関し、特に発電効率に優れた色素増感太陽電池に関する。

環境問題・資源問題などを背景に、クリーンエネルギーとしての太陽電池が注目を集めている。しかしながら、従来のシリコン系太陽電池は、製造コストが高い、原料供給が不十分などの課題が残されており、大幅普及には至っていない。また、ＣＩＳ系などの化合物系太陽電池は、極めて高い光電変換効率を示すなど優れた特徴を有しているが、コストや環境負荷などの問題が大幅普及への障害となっている。

一方、色素増感太陽電池は、安価で高い光電変換効率を得られる太陽電池である。そのため、色素増感太陽電池は小型化及び低消費電力化の要求の強い電子機器への適用が検討・期待されている。色素増感太陽電池を電子機器の主電源や補助電源として利用することにより、電子機器の充電を不要にし、あるいは充電サイクルを長くする効果が期待される。このような電子機器はパーソナルユースである為、意匠性が重要な要因となってくる。そこで、これらの市場ニーズに対して多様な色彩を有する色素太陽電池が開発されている。例えば特許文献１には、増感色素の種類や、酸化チタンの厚み、粒径などを適宜選択することにより、所定の着色模様を有する色素増感太陽電池が示されている。

上記のように構成すると、種々の着色模様を表現できる。しかし、酸化チタンの粒径や厚みなどを変更すると、増感色素が酸化チタンに充分に吸着しないので、色素増感太陽電池の発電効率が低下するという問題があった。また、酸化チタンの粒径や厚みなどを各領域ごとに変更しただけでは、各領域間においてはっきりとしたコントラストを表現できないという問題もあった。

特開２０１０−１１３９０５

従って、本発明の目的は、発電効率に優れ、各領域間におけるコントラストを鮮明に表現できる色素増感太陽電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

以下に、本発明にかかる実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１態様によれば、複数の電極セルが直列的に接続され、前記電極セルが、透明導電層と、前記透明導電層の上に積層される第１発電層と、前記透明導電層の上に前記第１発電層とは間隔を空けて積層される色彩層と、前記透明電極層と対向配置される触媒層と、前記透明導電層と前記触媒層の間に挟持される電解質層とを備える色素増感太陽電池であって、
前記色彩層が、
２００ｎｍ〜５００ｎｍの酸化チタン微粒子を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍである光散乱層と、
前記光散乱層の上に積層され、増感色素を担持した１０ｎｍ〜３０ｎｍの酸化チタン微粒子を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍである光吸収層と、
を備える色素増感太陽電池を提供する。

本発明の第２態様によれば、色彩層および前記第１発電層とは間隔を空けて前記透明導電層の上に第２発電層が積層される色素増感太陽電池を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記第１発電層と前記第２発電層が６０％〜９７％の割合で前記透明電極上に積層される色素増感太陽電池を提供する。

本発明の色素増感太陽電池は、発電効率に優れ、各領域間におけるコントラストが鮮明な色素増感太陽電池である。

本発明の色素増感太陽電池に係る平面図である。図１のＡ−Ａ’断面における断面図である。図１のＢ−Ｂ’断面における断面図である。本発明の色素増感太陽電池の色彩層が形成された領域の拡大図である。本発明の色素増感太陽電池に係る平面図である。

下記で、本発明に係る実施形態を図面に基づいてさらに詳細に説明する。なお、本発明の実施例に記載した部位や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の色素増感太陽電池１の平面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面の断面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ’断面の断面図である。図１に示すように、色素増感太陽電池１は、複数の電極セル２からなる。電極セル２は、集電線３と絶縁部４を介して配列されている。なお、絶縁部４の上には封止層４０が積層されている。図示しないが、電極セル２同士は色素増感太陽電池１の外側で直列的に接続されている。

色素増感太陽電池１の両端（図１における右端と左端）には、電極セル２で発生した電気を外部に取出す端子部５、６が配置されている。なお、端子部５、６は、電極セル２に接続されている。このように、端子部５、６が電極セル２に接続されることにより、電極セル２内で発生した電子を外部に取出せるようになっている。

電極セル２は、図２における太枠内に形成されている。すなわち、電極セル２は、透明基板１０と対極基板２０と封止層４０で形成される空間内に形成されている。なお、透明基板１０と対極基板２０は対向するように配置され、封止層４０は透明基板１０と対極基板２０の間に配置されている。

また、電極セル２は、透明導電層１１と、色彩層１２と、触媒層２１と、電解質層３０とを備えている。透明導電層１１は、透明基板１０の上に電極セル２ごとに区画して積層されている。色彩層１２は、上記透明導電層１１の上に積層されている。触媒層１２は対極基板２０の上に積層され、電解質層３０は触媒層２１と色彩層１２との間に配置されている。

なお、図１、図２に示すように、各電極セル２の間には電極セル２の形状に沿って集電線３が配置されている。集電線３は、電極セル２の透明電極層１１と、電極セル２と隣接する電極セル２の触媒層２１とを電気的に接続している。この接続によって透明導電層１１側で発生した電子は、集電線３を介して、触媒層２１側へ移動できるようになっている。

図３に示すように、電極セル２は色彩層１２以外に、第１発電層１３を備えている。第１発電層１３は、色彩層１２と間隔を空けて透明導電層１１上に積層されている。このように間隔を空けて色彩層１２と第１発電層１３が配置されていると、これらの層が積層されていない箇所には、電解質層３０が充填される。電解質層３０がその空間内に充填されると、図１に示すように、電極セル２は、色彩層１２、第１発電層１３が有する色に加えて、電解質層３０が有する色も備えるようになる。その結果、電極セル２は多様な色を表現できるものとなっている。

さらに、透明導電膜層１１の上には、第２発電層１４が積層されている。なお、第２発電層１４は、第１発電層１３とは異なる厚みで透明導電膜層１１の上に積層されている。このように、厚みの異なる第１発電層１３と第２発電層１４とが透明導電層１１の上に積層されていることで、第１発電層１３と第２発電層１４とが同じ成分から構成されていても、第１発電層１３と第２発電層１４とは異なる色彩を表現できる。

また、図１に示すように、色彩層１２、第１発電層１３、第２発電層１４は、種々のパターン形状を備えている。パターン形状として色彩層１２は第１パターンを、第１発電層１３は第２パターンを、第２発電層１４は第３パターンを備えている。

図１の例では、色彩層１２は、第１パターンとしてりんごの果実部分の形状を、第１発電層１３は、第２パターンとして背景部分の形状を、第２発電層１４は、第３パターンとしてりんごの葉っぱ部分の形状を有している。このように、色彩層１２などが、それぞれのパターン形状を備えることによって、色素増感太陽電池１は、その表面にパターン形状によって色彩が異なる意匠性の高いデザインを有するようになっている。

また、第１発電層１３と第２発電層１４は、透明電極層１１の上に合算して６０％〜９７％の割合で積層されていることが好ましい。上記割合が６０％未満であると、発電性能が悪くなり、反対に９７％を超えるとデザイン性が乏しくなる。

図４は、色彩層１２の拡大断面図である。図５は、色素増感太陽電池１の平面図である。図４に示すように、色彩層１２は、光散乱層５０の上に光吸収層５１が積層された構成からなる。光散乱層５０は、粒径が２００ｎｍ〜５００ｎｍの酸化チタン微粒子５２を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍの層からなる。このように光散乱層５０を構成すると、太陽光などの外から入ってくる光は、光散乱層５０で光散乱する。その結果、色素増感太陽電池１が太陽光などによって照射されているとき、色彩層１２は白色で表現される。

また、夜間など色素増感太陽電池１に光が当らず、色素増感太陽電池１の対極基板２０側からバックライト６０の光を当てて色素増感太陽電池１を光らせるときは、バックライト６０の光は光散乱層５０で散乱し、色彩層１２は、黒色として表現される。従って、上記のように構成すると、図１と図５で示すように、色素増感太陽電池１に光が当たる場合と当たらない場合とで、色彩層１２の色合いが、大きく変化するようになっている。

また、光吸収層５１は、粒径が１０ｎｍ〜３０ｎｍの酸化チタン微粒子５３に増感色素が担持された、厚みが１μｍ〜２０μｍの層からなる。このように光吸収層５１を構成すると、色素増感太陽電池１の対極基板２０側からバックライト６０の光を当てて色素増感太陽電池１を光らせるとき、バックライト６０の光の一部が増感色素によって捕捉される。その結果、色素増感太陽電池１の発電効率が向上している。

また、バックライト６０の光の一部が光吸収層５１で捕捉されることによって、色素増感太陽電池１の外側に抜ける光の量は少なくなる。よって、対極基板２０側からバックライト６０の光を当てたとき、色彩層１２の有する黒色の深みはより深いものとなり、色彩層１２と他の層が形成された箇所でのコントラストが鮮明なものとなっている。

＜透明基板＞
透明基板１０は、透明性を有するものであることが好ましい。例えば、透明なガラス板やプラスチック板などである。厚みは０．１〜５ｍｍである。

＜透明導電層＞
透明導電層１１は、有機材料や無機材料からなる。有機材料としては、導電性高分子材料を使用できる。上記導電性高分子材料の中でも、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）と３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）を用いて作成される水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を用いることが好ましい。水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）は透明性が高く、導電性も高い。そのため、水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を透明導電層として用いることによって、色素増感太陽電池１内に外部からの光を効率的に取り込むことができる。

無機材料としては、フッ素ドープ錫酸化物、インジウム錫酸化物、ガリウムドープ亜鉛酸化物、アルミドープ亜鉛酸化物、またはニオブドープチタン酸化物などの無機酸化物を使用することができる。

なお、透明導電層１１の厚みは０．３〜２μｍ程度が好ましい。０．３μｍ未満では、シート抵抗が高くなり、色素増感太陽電池１の抵抗値が高くなる。なお、透明導電層１１は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スプレー法等によって形成される。

＜色彩層＞
色彩層１２は、光散乱層５０に光吸収層５１が積層された構成からなる。光散乱層５０、光吸収層５１の構成については、上述の通りである。

＜第１発電層／第２発電層＞
第１発電層１３と第２発電層１４は、増感色素が担持された金属酸化物の半導体膜からなる。金属酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）が最適であり、他の材料としては、チタン（Ｔｉ），亜鉛（Ｚｎ），錫（Ｓｎ），ニオブ（Ｎｂ），インジウム（Ｉｎ），イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ストロンチウム（Ｓｒ），バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ），バナジウム（Ｖ），タングステン（Ｗ）等の金属元素の少なくとも１種以上の金属酸化物半導体がよく、例えば、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、またはＳｒＴｉＯ３のうち少なくとも１つから成る。また窒素（Ｎ），炭素（Ｃ），フッ素（Ｆ），硫黄（Ｓ），塩素（Ｃｌ），リン（Ｐ）等の非金属元素の１種以上を含有していてもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい２〜５ｅＶの範囲にあり、好ましい。

増感色素としては、有機色素または金属錯体色素を使用することができ、有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン系の色素が挙げられ、金属錯体色素では、ルテニウム系色素が好ましく、特にルテニウム錯体であるルテニウムビピリジン色素およびルテニウムターピリジン色素が好ましい。例えば、酸化物半導体膜だけでは、可視光（４００〜８００ｎｍ程度の波長）を殆ど吸収できないが、ルテニウム錯体を担持させることにより、大幅に可視光まで取り込んで光電変換できるようになる。

＜触媒層＞
触媒層２１は、白金、炭素、ポリチオフェン誘導体などからなる。上記の中でも、白金を用いることが好ましい。白金を用いることによって、変換効率と透明性が向上する。触媒層の厚みは０．１〜１００ｎｍであることが好ましい。なお、触媒層はドクターブレード、スクリーン印刷、スプレー塗布、インクジェットなどの方法によって、対極基板２０の上に形成される。

＜電解質層＞
電解質層３０は、液状電解質もしくはゲル状電解質を用いることが好ましい。電荷の輸送特性に優れる液状電解質もしくはゲル状電解質を用いることによって、光電変換効率が向上する。また、電解質層はポリマー電解質等の固体電解質、ポリチオフェン・ポリピロール，ポリフェニレンビニレン等の導電性ポリマー、またはフラーレン誘導体，ペンタセン誘導体，ペリレン誘導体，トリフェニルジアミン誘導体等の有機分子電子輸送剤から成るものであってもよい。なお、電解質層はヨウ素／ヨウ化物塩，臭素／臭化物塩，コバルト錯体およびフェロシアン化カリウム等を含む。電解質層の厚みは１〜５００μｍであることが好ましい。５００μｍを超えると電荷輸送時に抵抗が大きくなり、色素増感太陽電池１の高効率化ができない。

＜封止層＞
封止層４０の材質としては、アクリレート系のＵＶ硬化樹脂、ポリエチレン，ポリプロピレン，エポキシ樹脂，フッ素樹脂またはシリコーン樹脂等の樹脂接着剤、もしくはガラスフリット，セラミックス等の無機接着剤を挙げることができる。封止層４０の厚み（高さ）は、０．５〜５００μｍであることが好ましい。０．５μｍ未満では、第１発電層１３と第２発電層１４の厚さが０．５μｍ以下となり、増感色素が光を十分吸収できなくなってしまう。なお、５００μｍを超えると、電解質層３０が５００μｍ近くになり、内部抵抗が大きくなる。なお、封止層４０はホットプレス、ＵＶ硬化などの方法によって形成される。

＜集電線＞
集電線３は、それぞれ透明導電層１１や触媒層２１よりも導電性の良い材料から構成することが好ましく、具体的には、金、銀、銅、白金、ニッケル、アルミニウム、鉄等の金属、前記金属を１種以上含む合金、カーボンなどが挙げられる。集電層３は、加熱蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、導電性ペーストを用いた印刷法等によって、透明導電層や触媒層上に設けられる。導電性ペーストとしては、金、銀、銅、白金、ニッケルなどの電気伝導度の高い金属微粉末を混入させたものが用いられる。

１：色素増感太陽電池
２：電極セル
３：集電線
４：絶縁部
５：端子部
６：端子部
１０：透明基板
１１：透明導電層
１２：色彩層
１３：第１発電層
１４：第２発電層
２０：対極基板
２１：触媒層
３０：電解質層
４０：封止層
５０：光散乱層
５１：光吸収層
５２：酸化チタン微粒子
５３：酸化チタン微粒子
６０：バックライト

Claims

複数の電極セルが直列的に接続され、前記電極セルが、透明導電層と、前記透明導電層の上に積層される第１発電層と、前記透明導電層の上に前記第１発電層とは間隔を空けて積層される色彩層と、前記透明導電層と対向配置される触媒層と、前記透明導電層と前記触媒層の間に配置される電解質層とを備える色素増感太陽電池であって、
前記色彩層が、
２００ｎｍ〜５００ｎｍの酸化チタン微粒子を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍである光散乱層と、
前記光散乱層の上に積層され、増感色素を担持した１０ｎｍ〜３０ｎｍの酸化チタン微粒子を含み、厚みが１μｍ〜２０μｍである光吸収層と、
を備える色素増感太陽電池。
前記色彩層および前記第１発電層とは間隔を空けて前記透明導電層の上に第２発電層が積層された請求項１〜２の色素増感太陽電池。
前記第１発電層と前記第２発電層が、６０％〜９７％の割合で前記透明導電性基板上に積層されている請求項３の色素増感色素太陽電池。