(57)【要約】【課題】固体の電解質層が用いられる色素増感型太陽電池素子を作製するために用いられる色素増感型太陽電池用対極基板であって、当該電解質層に対して優れた接着性を有する色素増感型太陽電池用対極基板を提供することを主目的とする。【解決手段】固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子の対極として用いられる色素増感型太陽電池用対極基板であって、対向基材と、上記対向基材上に形成され、導電性材料からなる対向電極層と、上記対向電極層上に形成され、上記電解質層に含まれる酸化還元対に対する触媒作用を有する触媒材料、および上記電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料を含有する触媒層と、を有することを特徴とする、色素増感型太陽電池用対極基板。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子の対極として用いられる色素増感型太陽電池用対極基板であって、
対向基材と、
前記対向基材上に形成され、導電性材料からなる対向電極層と、
前記対向電極層上に形成され、前記電解質層に含まれる酸化還元対に対する触媒作用を有する触媒材料、および前記電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料を含有する触媒層と、
を有することを特徴とする、色素増感型太陽電池用対極基板。
【請求項２】
前記触媒材料がポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、またはそれらの誘導体からなることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池用対極基板。
【請求項３】
前記粘着性材料がポリエチレングリコール、グリセロール、ソルビトール、またはそれらの誘導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の色素増感型太陽電池用対極基板。
【請求項４】
前記触媒材料が白金、金、またはカーボンからなることを特徴とする、請求項１に記載の色素増感太陽電池用対極基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の色素増感型太陽電池用対極基板、および基材と、前記基材上に形成され、金属酸化物からなる第１電極層と、前記第１電極層上に形成され金属酸化物半導体微粒子および色素増感剤を含む多孔質層と、を有する酸化物半導体電極が、前記多孔質層と前記触媒層とが対向するように配置されており、前記酸化物半導体電極と前記色素増感型太陽電池用対極基板との間に酸化還元対を含む固体の電解質層が形成されていることを特徴とする、色素増感型太陽電池素子。
【請求項６】
請求項５に記載の色素増感型太陽電池素子が複数個連結されてなることを特徴とする、色素増感型太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体の電解質層を備える色素増感型太陽電池に用いられる色素増感型太陽電池用対極基板、当該色素増感型太陽電池用対極基板を用いた色素増感型太陽電池素子、さらに当該色素増感型太陽電池素子を用いた色素増感型太陽電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の増加が原因とされる地球温暖化等の環境問題が深刻となり、世界的にその対策が進められている。なかでも環境に対する負荷が小さく、クリーンなエネルギー源として、太陽光エネルギーを利用した太陽電池に関する積極的な研究開発が進められている。このような太陽電池としては、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、および化合物半導体太陽電池などが既に実用化されているが、これらの太陽電池は製造コストが高い等の問題がある。そこで、環境負荷が小さく、かつ製造コストを削減できる太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目され研究開発が進められている。
このような色素増感型太陽電池には、金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層を有する酸化物半導体電極が用いられている。
【０００３】
色素増感型太陽電池セルの一般的な構成の一例を図５に示す。図５に例示するように、一般的な色素増感型太陽電池セル１００は、基材１１１上に、第１電極層１１２および色素増感剤を担持した金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層１１３がこの順で積層した酸化物半導体電極１１０と、対向基材１２１上に第２電極層１２２が形成された対極基板１２０との間に、酸化還元対を有する電解質層１０１がシール材１０２の内側に形成された構成を有するものである。そして、金属酸化物半導体微粒子の表面に吸着した色素増感剤が、基材１１１側から太陽光を受光することによって励起され、励起された電子が第１電極層へ伝導し、外部回路を通じて第２電極層へ伝導される。その後、酸化還元対を介して色素増感剤の基底準位に電子が戻ることよって発電するものである。
【０００４】
このような色素増感型太陽電池としては、従来、上記電解質層として有機溶媒やイオン液体等を溶媒とした電解液がセル内部に注入されたものが一般的であった。しかしながら、このようないわゆる湿式の色素増感型太陽電池においては、電解質の漏洩や短絡等の問題点が指摘されている。そこで、近年においては上記のような液体の電解質層に代えて、固体の電解質層を採用することが検討されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２８２３４号公報
【特許文献２】特開２００１−３３８７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の湿式の色素増感型太陽電池における電解質層を、固体の電解質層に代えて用いる場合、技術的に解決しなければならない問題点が多数存在する。その中でも重大な問題点の一つに、電解質層と対極との密着性がある。すなわち、従来の液体の電解質層が用いられた色素増感型太陽電池においては、液体である電解質層と固体である対極とを接触させることになるため、両者の接着性が問題になることはなかった。しかしながら、固体の電解質層を用いる場合、固体電解質層と対極とを接触させることになるため、両者を十分に接着させることが困難となり、両者の間にわずかな隙間が生じることに起因して、電池の性能が低下してしまうことが問題になることが明らかとなった。このような問題点は、特にフレキシブルな色素増感型太陽電池を作製した場合に、顕著となった。
【０００７】
本発明は、このような固体の電解質層を用いることによって生じた新たな課題に鑑みてなされたものであり、固体の電解質層が用いられる色素増感型太陽電池を作製するために用いられるものであり、固体の電解質層に対して優れた接着性を有する色素増感型太陽電池用対極基板を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子の対極として用いられる色素増感型太陽電池用対極基板であって、対向基材と、上記対向基材上に形成され、導電性材料からなる対向電極層と、上記対向電極層上に形成され、上記電解質層に含まれる酸化還元対に対する触媒作用を有する触媒材料、および上記電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料を含有する触媒層と、を有することを特徴とする、色素増感型太陽電池用対極基板を提供する。
【０００９】
本発明によれば、上記触媒層に固体の電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料が含まれていることにより、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて、固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子を作製した場合に、電解質層と触媒層とを十分に密着させることができる。
また、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は上記触媒層に粘着性材料が含まれていることによって、固体の電解質層に対する接着性を有するものであるから、例えば、真空プロセス等の煩雑な工程を用いることなく、単に固体の電解質層に対して本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を貼り合わせるのみで、固体の電解質層と触媒層との接着性に優れた色素増感型太陽電池素子を作製することができる。
このようなことから、本発明によれば簡易な工程において、固体の電解質層が用いられた色素増感型太陽電池素子を作製することが可能な、色素増感型太陽電池用対極基板を得ることができる。
【００１０】
本発明においては、上記触媒材料がポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアニリンまたはそれらの誘導体、あるいは白金、金、またはカーボンからなることが好ましい。これらの触媒材料が用いられることにより、触媒作用に優れた触媒層を得ることができるからである。また、このような触媒材料が用いられる場合、本発明においては、上記粘着性材料がポリエチレングリコール、グリセロール、ソルビトール、またはそれらの誘導体からなることが好ましい。本発明における触媒層は、電解質層に対する触媒作用を有するものであるところ、上記触媒材料と上記粘着性材料との組み合わせで用いられることにより、触媒層の導電性を損なうことなく電解質層に対する粘着性を付与することができるからである。
【００１１】
本発明は、上記本発明に係る色素増感型太陽電池用対極基板、および基材と、上記基材上に形成され、金属酸化物からなる第１電極層と、上記第１電極層上に形成され金属酸化物半導体微粒子および色素増感剤を含む多孔質層と、を有する酸化物半導体電極が、上記多孔質層と上記触媒層とが対向するように配置されており、上記酸化物半導体電極と上記色素増感型太陽電池用対極基板との間に酸化還元対を含む固体の電解質層が形成されていることを特徴とする、色素増感型太陽電池素子を提供する。
また、本発明は上記本発明に係る色素増感型太陽電池素子が複数個連結されてなることを特徴とする色素増感型太陽電池モジュールを提供する。
【００１２】
本発明によれば、上記本発明に係る色素増感型太陽電池用対極基板が用いられていることにより、上記電解質層と上記触媒層と接着性に優れた色素増感型太陽電池用素子、および色素増感型太陽電池モジュールを得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は、固体の電解質層に対して優れた接着性を有し、簡易な工程で固体の電解質層が用いられた色素増感型太陽電池素子および色素増感型太陽電池モジュールを作製することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の色素増感型太陽電池用対極基板の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の色素増感型太陽電池素子の一例を示す概略断面図である。
【図３】一般的な色素増感型太陽電池の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、色素増感型太陽電池用対極基板、色素増感型太陽電池素子、および色素増感型太陽電池モジュールに関するものである。
以下、これらの各発明にについて順に説明する。
【００１６】
Ａ．色素増感型太陽電池用対極基板
まず、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板について説明する。
上述したように本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は、固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池の対極として用いられるものであり、対向基材と、上記対向基材上に形成され、導電性材料からなる対向電極層と、上記対向電極層上に形成され、上記電解質層に含まれる酸化還元対に対する触媒作用を有する触媒材料、および上記固体の電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料を含有する触媒層と、を有することを特徴とするものである。
【００１７】
このような本発明の色素増感型太陽電池用対極基板について図を参照しながら説明する。図１は本発明の色素増感型太陽電池用対極基板の一例を示す概略断面図である。図１に例示するように、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板１０は、対向基材１と、上記対向基材１上に形成され、導電性材料からなる対向電極層２と、上記対向電極層２上に形成された触媒層３とを有するものである。
このような例において、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板１０は、上記触媒層３が固体の電解質層に含まれる酸化還元対に対する触媒作用を有する触媒材料、および固体の電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料を含有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によれば、上記触媒層に固体の電解質層に対して粘着性を有する粘着性材料が含まれていることにより、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて、固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子を作製した場合に、電解質層と触媒層とを十分に密着させることができる。
また、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は上記触媒層に粘着性材料が含まれていることによって、電解質層に対する接着性を発現し得るものであるから、例えば、真空プロセス等の煩雑な工程を用いることなく、単に電解質層に対して貼り合わせるのみで、電解質層と触媒層との接着性に優れた色素増感型太陽電池素子を作製することができる。
このようなことから、本発明によれば簡易な工程において、固体の電解質層が用いられた色素増感型太陽電池素子を作製することが可能な、色素増感型太陽電池用対極基板を得ることができる。
さらに、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は、その製造工程において塗布プロセスを用いることが可能であるため、種々のコーティング方法を用いることが可能であるという利点も有する。
【００１９】
本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は少なくとも、対向基材、対向電極層、および触媒層を有するものであり、必要に応じて他の任意の構成を有してもよいものである。
以下、本発明に用いられる各構成について順に説明する。
【００２０】
１．触媒層
最初に、本発明に用いられる触媒層について説明する。本発明に用いられる触媒層は、後述する対向電極層上に形成されるものであり、少なくとも粘着性材料と、触媒材料とを含有するものである。
【００２１】
ここで、本発明に用いられる触媒層は、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて色素増感型太陽電池素子を作製した場合に、電解質層における酸化還元対に対して触媒作用を及ぼすものである。したがって、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板に任意の構成が用いられる場合であっても、触媒層は必ず本発明の色素増感型太陽電池用対極基板の最表面に位置するように形成されるものである。
【００２２】
（１）粘着性材料
本発明に用いられる粘着性材料は、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子を作製した場合に、当該電解質層に対して粘着性を有するものである。
【００２３】
本発明に用いられる粘着性材料としては、固体の電解質層に対して粘着性を有するものであれば特に限定されるものではなく、上記固体の電解質層に用いられる材料等に応じて適宜選択して用いることができるものである。
ここで、本発明に用いられる粘着性材料が、上記固体の電解質層に対して粘着性を有するとは、常温で短時間、わずかな圧力を加えるだけで界面同士が接着することを意味するものとする。
【００２４】
本発明に用いられる粘着性材料としては、ポリエチレングリコール、グリセロール、ソルビトールまたはそれらの誘導体、ポリアクリル酸エステル、及びその共重合体、シリコン系樹脂、天然ゴム、合成イソプレンゴム、スチレン-イソプレン-スチレンゴムポリイソプレンゴムなどがあり、これらに液状ポリブテン、鉱油、液状ポリイソブチレン、液状ポリアクリル酸エステル、ロジン及びロジン誘導体、ポリテルペン樹脂、テルペンフェノール樹脂、石油樹脂等を挙げることができる。本発明においては、これらのいずれの粘着性材料であっても好適に用いることができるが、なかでもポリエチレングリコール、グリセロール、ソルビトールまたはそれらの誘導体が用いられることが好ましく、特に、ソルビトールが用いられることが好ましい。本発明における触媒層は、電解質層に対する触媒作用を有するものであるところ、粘着性材料として上記のような材料が用いられることにより、触媒層の導電性を損なうことなく、電解質層に対する粘着性を付与することができるからである。このような効果は、特に後述する触媒材料として、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンまたはそれらの誘導体が用いられる場合に顕著になる。
【００２５】
なお、本発明に用いられる粘着性材料は１種類のみであってもよく、あるいは２種類以上であってもよい。
【００２６】
触媒層に含まれる粘着性材料の量としては、後述する触媒材料の種類や、粘着性材料の種類等に応じて、触媒層に所望の粘着性および触媒機能を付与できる範囲内であれば特に限定されるものではない。なかでも本発明においては、触媒層における粘着性材料の含有量が、０．０１質量％〜２０質量％の範囲内であることが好ましく、１質量％〜１０質量％の範囲内であることがより好ましく、３質量％〜８質量％の範囲内であることがさらに好ましい。
【００２７】
（２）触媒材料
次に、上記触媒層に含有される導電性高分子について説明する。
本発明に用いられる導電性高分子は、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて、固体の電解質層を有する色素増感型太陽電池素子を作製した場合に、当該固体の電解質層に含まれる酸化還元対に対して触媒作用を奏するものであり、かつ導電性を有するものである。したがって、本発明に用いられる触媒材料は、主として上記酸化還元対に対する触媒作用の有無に依拠して決定されることになる。
【００２８】
本発明に用いられる触媒材料としては、例えば、導電性高分子や、白金、金、またはカーボン等の金属材料を挙げることができる。本発明においては、これらのいずれの触媒材料であっても好適に用いることができる。たとえば、触媒材料として上記導電性高分子を用いた場合は、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を全体として光透過性を有するものとすることができ、シースルー性や両面からの光照射による発電可能性を有する色素増感型太陽電池素子を作製することができるという利点がある。一方、上記触媒材料として、上述した金属材料が用いられる場合は、触媒機能に優れた触媒層を得ることができるため、発電効率に優れた色素増感型太陽電池素子を作製することができるという利点がある。
【００２９】
上記導電性高分子としては、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンまたはそれらの誘導体等を挙げることができる。
【００３０】
なお、本発明に用いられる触媒材料は１種類のみであってもよく、または２種類以上であってもよい。
【００３１】
（３）触媒層
本発明における触媒層の厚みとしては、上記触媒材料および粘着性材料の種類等に応じて、所望の触媒機能および粘着性を備えることができる範囲内であれば特に限定されるものではない。なかでも本発明における触媒層の厚みは、５０ｎｍ〜１０００μｍの範囲内であることが好ましく、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることがより好ましく、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることがさらに好ましい。
【００３２】
また、上述したように本発明における触媒層は、少なくとも上記触媒材料および粘着性材料を含有するものであるが、必要に応じて界面活性剤や分散剤など他の添加剤等を含有してもよいものである。
【００３３】
２．対向電極層
次に、本発明に用いられる対向電極層について説明する。本発明に用いられる対向電極層は後述する対向基材上に形成され、導電性材料からなるものである。
【００３４】
本発明に用いられる導電性材料としては、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて作製する色素増感型太陽電池素子において、電気抵抗が所望の範囲内である対向電極層を形成することができるものであれば特に限定されるものではない。このような導電性材料としては、金属および金属酸化物を挙げることができる。なかでも本発明においては、上記導電性材料として金属酸化物を用いることが好ましい。後述するように、本発明に用いられる対向電極層は光透過性を有することが好ましいところ、上記導電性材料として金属酸化物を用いることにより、光透過性に優れた対向電極層を形成することができるからである。
【００３５】
上記金属酸化物としては、例えば、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯを挙げることができる。本発明においては、これらのいずれの金属酸化物であっても好適に用いることができるが、なかでもフッ素ドープしたＳｎＯ２（以下、ＦＴＯと称する。）、ＩＴＯを用いることが好ましい。ＦＴＯおよびＩＴＯは、導電性および太陽光の透過性の両方に優れているからである。
【００３６】
また、本発明に用いられる対向電極層は、単一の層からなる構成であってもよく、また、複数の層が積層された構成であってもよい。複数の層が積層された構成としては、例えば、仕事関数が互いに異なる導電性材料からなる層を積層する態様や、互いに異なる金属酸化物からなる層を積層する態様を挙げることができる。
【００３７】
本発明に用いられる対向電極層の厚みは、上記導電性材料の種類等に応じて、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて作製する色素増感型太陽電池素子において、電気抵抗が所望の範囲内である対向電極層を形成することができる範囲内であれば特に限定されるものではない。ここで、本発明に用いられる対向電極層の電気抵抗値は、０〜５０Ω／□の範囲内であることが好ましく、０〜２５Ω／□の範囲内である事がより好ましく、
０〜１０Ω／□の範囲内であることがさらに好ましいことから、上記対向電極層の厚みは、電気抵抗値が上記範囲内となるよう、導電性材料の種類に応じて適宜決定される。
【００３８】
さらに本発明に用いられる対向電極層は、光透過性を有することが好ましい。これにより、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を全体として光透過性を有するものとすることができ、シースルー性や両面からの光照射による発電可能性を有する色素増感型太陽電池素子を作製することが可能になるからである。
【００３９】
３．対向基材
次に、本発明に用いられる対向基材について説明する。本発明に用いられる対向基材としては、上記対向電極層および触媒層を支持することが可能な程度の自己支持性を有するものであれば特に限定されるものではない。したがって、本発明に用いられる対向基材は可撓性を有するフレキシブル材であってもよく、または、石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の可撓性を有さないリジッド材であってもよい。なかでも本発明に用いられる対向基材はフレキシブル材であることが好ましく、上記フレキシブル材のなかでもフィルム基材であることが好ましい。フィルム基材は加工性に優れ、製造コストの低減ができるからである。
【００４０】
また本発明に用いられる対向基材は、光透過性を有することが好ましい。これにより、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を全体として光透過性を有するものとすることができ、シースルー性や両面からの光照射による発電可能性を有する色素増感型太陽電池素子を作製することが可能になるからである。
【００４１】
このような対向基材としては、例えば、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）フィルム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）フィルム、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）フィルム、ポリイミド（ＰＩ）フィルム、ポリエステルナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等の樹脂フィルム基材等を挙げることができ、なかでも二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴ）、ポリエステルナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネートフィルム（ＰＣ）が好ましい。
【００４２】
また、本発明に用いられる対向基材の厚みは、通常、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることが好ましく、特に７５μｍ〜１８００μｍの範囲内であることが好ましく、さらに１００μｍ〜１５００μｍの範囲内であることが好ましい。
【００４３】
４．色素増感型太陽電池用対極基板
本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は、少なくとも上記対向基材、対向電極層、および触媒層を有するものであるところ、本発明においてはこれらのすべての構成が光透過性を有するように形成されており、色素増感型太陽電池用対極基板全体として光透過性を有することが好ましい。これにより、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板を用いて、シースルー性や両面からの光照射による発電可能性を有する色素増感型太陽電池素子を作製することが可能になるからである。
【００４４】
本発明の色素増感型太陽電池用対極基板が光透過性を有する場合、その全光透過率は、１０％以上であることが好ましく、４０％〜９０％の範囲内であることが好ましく、６０％〜８０％の範囲内であることがさらに好ましい。全光透過率がこのような範囲内であることにより、上記触媒層の光散乱性と、光透過性との均衡を維持し、本発明の色素増感型太陽電池用電極基板を、発電効率の高い色素増感型太陽電池素子を作製可能なものにできるからである。
【００４５】
また、本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は、少なくとも上記対向基材、対向電極層、および触媒層を有するものであるが、必要に応じてこれら以外の他の任意の構成を有するものであってもよい。本発明に用いられる任意の構成としては、例えば、上記対向電極層に接するように形成される補助電極としての金属配線を挙げることができる。
【００４６】
５．色素増感型太陽電池用対極基板の製造方法
本発明の色素増感型太陽電池用対極基板は、例えば、一般的に公知の方法によって対向基材上に対向電極層を形成した後、当該対向電極層上に触媒材料および粘着性材料を含有する触媒層形成用塗工液を塗工することによって製造することができる。
【００４７】
Ｂ．色素増感型太陽電池素子
次に、本発明の色素増感型太陽電池素子について説明する。上述したように本発明の色素増感型太陽電池素子は、上記本発明に係る色素増感型太陽電池用対極基板、および基材と、上記基材上に形成され、金属酸化物からなる第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、金属酸化物半導体微粒子および色素増感剤を含む多孔質層と、を有する酸化物半導体電極が、上記多孔質層と上記触媒層とが対向するように配置されており、上記酸化物半導体電極と上記色素増感型太陽電池用対極基板との間に酸化還元対を含む固体の電解質層が形成されていることを特徴とするものである。
【００４８】
このような本発明の色素増感型太陽電池素子について図を参照しながら説明する。図２は本発明の色素増感型太陽電池素子の一例を示す概略断面図である。図２に例示するように、本発明の色素増感型太陽電池素子３０は、色素増感型太陽電池用対極基板１０、および基材２１と、上記基材２１上に形成され、金属酸化物からなる第１電極層２２と、上記第１電極層２２上に形成され、金属酸化物半導体微粒子および色素増感剤を含む多孔質層２３と、を有する酸化物半導体電極２０とが用いられているものである。そして、上記酸化物半導体電極２０と上記色素増感型太陽電池用対極基板１０との間に酸化還元対を含む固体の電解質層３１が形成された構成を有するものである。
このような例において、本発明の色素増感型太陽電池素子３０は、上記色素増感型太陽電池素子用対極基板１０として、上記本発明に係る色素増感型太陽電池用対極基板が用いられていることを特徴とするものである。
なお、図４において、３２はシール材を表す。
【００４９】
本発明によれば、上記本発明に係る色素増感型太陽電池用対極基板が用いられていることにより、上記電解質層と上記触媒層と密着性に優れた色素増感型太陽電池用素子を得ることができる。
【００５０】
本発明の色素増感型太陽電池素子は、少なくとも上記色素増感型太陽電池用対極基板と、上記酸化物半導体電極と、上記電解質層とを有するものであり、必要に応じて他の任意の構成を有してもよいものである。
以下、本発明に用いられる各構成について順に説明する。
【００５１】
なお、本発明に用いられる色素増感型太陽電池用対極基板については、上記「Ａ．色素増感型太陽電池用対極基板」の項にいて説明したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００５２】
１．酸化物半導体電極
まず、本発明に用いられる酸化物半導体電極について説明する。
本発明に用いられる酸化物半導体電極は、基材と、上記基材上に形成され、金属酸化物からなる第１電極層と、上記第１電極層上に形成され金属酸化物半導体微粒子および色素
増感剤を含む多孔質層と、を有するものである。
【００５３】
（１）多孔質層
本発明に用いられる多孔質層は、後述する第１電極層上に形成されるものである。また本発明に用いられる多孔質層は、金属酸化物半導体微粒子および色素増感剤を含有するものであり、酸化物半導体電極に半導体特性を付与する性質を有するものである。
【００５４】
（金属酸化物半導体微粒子）
本発明に用いられる金属酸化物半導体微粒子としては、半導体特性を備える金属酸化物からなるものであれば特に限定されるものではない。本発明に用いられる金属酸化物半導体微粒子を構成する金属酸化物としては、例えば、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、Ｙ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３等を挙げることができる。これらの金属酸化物半導体微粒子は、多孔性の多孔質層を形成するのに適しており、エネルギー変換効率の向上、コストの削減を図ることができるため本発明に好適に用いられる。
【００５５】
本発明に用いられる金属酸化物半導体微粒子は、すべて同一の金属酸化物からなるものであってもよく、あるいは、異なる金属酸化物からなるものが２種類以上用いられていてもよい。また、本発明に用いられる金属酸化物半導体微粒子は、一種をコア微粒子とし、他の金属酸化物半導体微粒子により、コア微粒子を包含してシェルを形成するコアシェル構造としてもよい。
なかでも本発明においては、上記半導体酸化物微粒子としてＴｉＯ２からなるものを用いることが最も好ましい。ＴｉＯ２は特に半導体特性に優れるからである。
【００５６】
本発明に用いられる金属酸化物半導体微粒子の粒径としては、多孔質層の表面積を所望の範囲内にできる程度であれば特に限定されるものではないが、通常、１ｎｍ〜１０μｍの範囲内が好ましく、特に１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。粒径が上記範囲よりも小さいと各々の金属酸化物半導体微粒子が凝集し二次粒子を形成してしまう場合があり、また粒径が上記範囲より大きいと、多孔質層が厚膜化してしまうだけではなく、多孔質層の多孔度、すなわち比表面積が減少してしまう可能性があるからである。
【００５７】
また本発明においては、上記金属酸化物半導体微粒子としてすべて同一の粒径のものを用いてもよく、あるいは、粒径の異なる複数の金属酸化物半導体微粒子を２種類以上用いてもよい。ここで、粒径の異なる金属酸化物半導体微粒子を併用することにより、多孔質層における光散乱効果を高めることができるため、例えば、本発明の色素増感型太陽電池素子において色素増感剤による光吸収を効率的に行うことが可能となるという利点がある。
【００５８】
本発明において、粒径の異なる金属酸化物半導体微粒子を２種類以上用いる場合、異なる粒径の組み合わせとしては、例えば、１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内にある金属酸化物半導体微粒子と、５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内にある金属酸化物半導体微粒子との組み合わせを例示することができる。
【００５９】
（色素増感剤）
本発明に用いられる色素増感剤としては、光を吸収し起電力を生じさせることが可能なものであれば特に限定はされない。このような色素増感剤としては、有機色素または金属錯体色素を挙げることができる。上記有機色素としては、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る。本発明においてはこれらの有機色素の中でも、クマリン系色素を用いることが好ましい。また、上記金属錯体色素としては、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。このようなルテニウム錯体は、吸収する光の波長範囲が広いため、光電変換できる光の波長領域を大幅に広げることができるからである。
【００６０】
（多孔質層）
本発明に用いられる多孔質層の厚みは、通常、１μｍ〜１００μｍの範囲内であることが好ましく、特に５μｍ〜３０μｍの範囲内であることが好ましい。多孔質層の厚みが上記範囲よりも厚いと、多孔質層自体の凝集破壊が起りやすく、膜抵抗となりやすくなってしまう場合があるからである。また、上記範囲よりも薄いと厚みが均一な多孔質層を形成するのが困難となったり、例えば、本発明の色素増感型太陽電池素子において、色素増感剤を含んだ多孔質層が太陽光などを十分に吸収できないために、性能不良になる可能性があるからである。
【００６１】
本発明における多孔質層は、単一の層からなる構成でもよく、また複数の層が積層された構成でもよい。複数の層が積層された構成としては、例えば、多孔質層が上記第１電極層と接する酸化物半導体層と、上記酸化物半導体層上に形成され、かつ上記酸化物半導体層よりも空孔率が高い介在層と、からなる２層構造を挙げることができる。多孔質層がこのような構造を有することにより、本発明に用いられる酸化物半導体電極を転写法によって、効率よく製造することができるものとなる。
【００６２】
（２）第１電極層
次に、本発明に用いられる第１電極層について説明する。本発明に用いられる第１電極層は、金属酸化物からなるものであり、上記多孔質層上に形成されるものである。
【００６３】
本発明に用いられる第１電極層を構成する金属酸化物としては、所望の導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。なかでも本発明に用いられる金属酸化物は太陽光に対して透過性を有するものであることが好ましい。これにより、本発明の酸化物半導体電極用積層体を用いて色素増感型太陽電池素子を作製した場合に、発電効率が損なわれることを防止できるからである。
【００６４】
このような太陽光の透過性を有する金属酸化物としては、例えば、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯを挙げることができる。本発明においては、これらのいずれの金属酸化物であっても好適に用いることができるが、なかでもフッ素ドープしたＳｎＯ２（以下、ＦＴＯと称する。）、ＩＴＯを用いることが好ましい。ＦＴＯおよびＩＴＯは、導電性および太陽光の透過性の両方に優れているからである。
【００６５】
本発明に用いられる第１電極層は、単一の層からなる構成であってもよく、また、複数の層が積層された構成であってもよい。複数の層が積層された構成としては、例えば、仕事関数が互いに異なる層を積層する態様や、互いに異なる金属酸化物からなる層を積層する態様を挙げることができる。
【００６６】
本発明に用いられる第１電極層の厚みは、通常、５ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内が好ましく、特に１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。厚みが上記範囲よりも厚いと、均質な第１電極層を形成することが困難となる場合があり、また、厚みが上記範囲よりも薄いと、第１電極層の導電性が不足する可能性があるからである。
なお、上記厚みは、第１電極層が複数の層が積層された構成される場合には、すべての層の厚みを合計した総厚みを指すものとする。
【００６７】
（３）基材
次に、本発明に用いられる基材について説明する。本発明に用いられる基材としては、本発明に用いられる第１電極層、および多孔質層を支持することが可能な程度の自己支持性を有するものであれば特に限定されるものではない。
ここで、本発明に用いられる基材としては、上記「Ａ．色素増感型太陽電池用対極基板」の項において説明した「対向基材」と、同様のものを用いることができる。
【００６８】
（４）酸化物半導体電極
本発明に用いられる酸化物半導体電極は、少なくとも上記基材、第１電極層、および多孔質層を有するものであるが、必要に応じて他の任意の構成を有するものであってもよい。本発明に用いられる任意の構成としては、たとえば、上記基材と第１電極層との間に形成される熱可塑性樹脂からなる接着層を挙げることができる。このような接着層が形成されていることにより、本発明に用いられる酸化物半導体電極を転写法によって作製する場合に、第１電極層と基材とを接着させ、転写を容易にさせることができる。
【００６９】
上記接着層に用いられる接着性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリスチレン、エチレン‐プロピレンゴム等のポリオレフィン、エチレン‐酢酸ビニル共重合体、エチレン‐アクリル酸共重合体、エチルセルロース、トリ酢酸セルロース等のセルロース誘導体、ポリ（メタ）アクリル酸とそのエステルとの共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のポリビニルアセタール、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ナイロン、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等を挙げることができる。また、本発明に用いられる接着性樹脂としては、例えば、特開２００６−３１０２５６号公報に記載されたものを挙げることができる。本発明においては、これらの接着性樹脂のいずれであっても好適に用いることができるが、なかでも接着性、電解液に対する耐性、光透過性及び転写性の点から、ポリオレフィン、エチレン‐酢酸ビニル共重合体、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シラン変性樹脂、および酸変性樹脂が好ましい。
【００７０】
（５）酸化物半導体電極の製造方法
本発明に用いられる酸化物半導体電極は、例えば、耐熱基板を用い、上記耐熱基板上に金属酸化物半導体微粒子を含有する多孔質層を形成する多孔質層形成工程と、上記多孔質層上に、金属酸化物からなる第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、を有する方法により、耐熱基板上に多孔質層および第１電極層がこの順で積層された構成を有する酸化物半導体電極用積層体を製造した後、当該酸化物半導体電極用積層体の上記第１電極層上に、接着層を介して基材を接着する基材接着工程と、上記耐熱基板を上記多孔質層から剥離する耐熱基板剥離工程と、実施することにより製造することができる。
ここで、上記各工程については一般的に色素増感型太陽電池素子を製造する際に用いられる方法として公知の方法を用いることができるため、ここでの説明は省略する。
【００７１】
２．電解質層
次に、本発明に用いられる電解質層について説明する。本発明における電解質層は、酸化還元対を含むものであり、かつ固体のものである。
【００７２】
本発明における電解質層に用いられる酸化還元対としては、一般的に色素増感型太陽電池素子の電解質層に用いられているものであれば特に限定はされるものではない。なかでも本発明に用いられる酸化還元対は、ヨウ素およびヨウ化物の組合せ、臭素および臭化物の組合せであることが好ましい。
【００７３】
上記酸化還元対として本発明に用いられるヨウ素およびヨウ化物の組合せとしては、例えば、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、ＣａＩ２等の金属ヨウ化物と、Ｉ２との組合せを挙げることができる。
さらに、上記臭素および臭化物の組合せとしては、例えば、ＬｉＢｒ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＣａＢｒ２等の金属臭化物と、Ｂｒ２との組合せを挙げることができる。
【００７４】
３．色素増感型太陽電池素子
本発明の色素増感型太陽電池素子は、上記酸化物半導体電極の多孔質層等、および、上記色素増感型太陽電池用対電極基板の対向電極層等がパターニングされていることにより、一対の酸化物半導体電極および色素増感型太陽電池用対極基板の間に複数のセルが連結された構成を有するものであってもよい。このような構成を有することにより、本発明の色素増感型太陽電池素子を起電力の高いものにできるからである。
【００７５】
また、上記パターニングの形状としては、本発明の色素増感型太陽電池素子に求める起電力等により任意に決定することができるが、なかでも本発明においてはストライプ形状のパターニングとすることが最も好ましい。
【００７６】
４．色素増感型太陽電池素子の製造方法
次に本発明の色素増感型太陽電池素子の作製方法の一例について説明する。本発明の色素増感型太陽電池素子は、上記酸化物半導体電極が有する多孔質層と、上記色素増感型太陽電池用対極基板が有する対向電極層との間に電解質層を形成することにより製造することができる。
【００７７】
本発明において、上記電解質層を形成する方法としては、各層を厚み精度よく形成できる方法であれば特に限定されない。このような方法としては、上記酸化物半導体電極の多孔質層上に固体の電解質層を形成した後、当該電解質層上に色素増感型太陽電池用対極基板を貼り合わせる方法を挙げることができる。
本発明の色素増感型太陽電池素子は、上記本発明に係る色素増感型太陽電池用対極基板が用いられるものであることから、上述したような簡易な方法によっても、電解質層と触媒層との密着性に優れた色素増感型太陽電池素子を作製することができる。
【００７８】
Ｃ．色素増感型太陽電池モジュール
次に、本発明の色素増感型太陽電池モジュールについて説明する。本発明の色素増感型太陽電池モジュールは、上記本発明に係る色素増感型太陽電池素子が複数個連結されてなることを特徴とするものである。
【００７９】
本発明によれば上記本発明に係る色素増感型太陽電池素子が用いられていることにより、発電効率が高く、意匠性に優れた色素増感型太陽電池モジュールを得ることができる。
【００８０】
本発明において複数の色素増感型太陽電池素子が連結された態様としては、本発明の色素増感型太陽電池モジュールにより所望の起電力を得ることができる態様であれば特に限定されるものではない。このような態様としては、個々の色素増感型太陽電池素子が直列で連結された態様であってもよく、あるいは並列で連結された態様であってもよい。
【００８１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる場合であっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００８２】
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。
【００８３】
[実施例]
１．酸化物半導体電極の作製
第１電極層としてガラス板上にＦＴＯ膜が形成された透明導電ガラス（日本板硝子製）を用意し、酸化チタンペーストNanooxide D-SP（solaronix社製）をスクリーン印刷法にて4mm×90mmのパターンに塗布し、その後500℃で焼成し、多数の金属酸化物半導体微粒子（ＴｉＯ２微粒子）によって形成された膜厚10μｍの多孔質層を得た。その後、増感色素としてルテニウム錯体N719（dyesol製）を濃度が3×10−４ｍｏｌ／ｌとなるようにアセトニトリルとｔｅｒｔ−ブチルアルコールの体積比１：１溶液に溶解させた色素担持用塗工液に、上述の多孔質層を室温にて20h浸漬。次いで、前記の多孔質半導体電極を色素担持用塗工液から引き上げ、多孔質層に付着した色素担持用塗工液をアセトニトリルにより洗浄後、風乾した。これにより、多孔質層を形成している酸化チタン微粒子表面に上記の増感色素が坦持された。基板サイズ10×100ｍｍの酸化物半導体電極を得た。
【００８４】
２．色素増感型太陽電池用対極基板の作製
10×100ｍｍの導電性ガラス基材上にPEDOTPSS溶液(Clevios、スタルク社製):D-sorbitol(Aldrich社製)=9:1混合溶液をミヤバー#6でITOをスパッタ成膜したPET上に塗布し、120℃で10分間乾燥させた。
【００８５】
３．電解質層の作製
0.6M hexyl metyl imidazolium-iodide（富山薬品社製）、 0.03M I2（Aldrich社製）、 0.1M  n-metylbenzoimidazol（Aldrich社製）  中に固形分が20wt%となるように、10%水溶液にしたエチルセルロース（日新化成社製）を添加し上記酸化チタン上に塗布後120℃で10分間乾燥させて固体電解質積層基板を得た。
【００８６】
４．色素増感型太陽電池素子の作製
前記多孔質半導体電極の外周に6mm×92mmのパターン状に、アイオノマー樹脂を主体とした熱硬化性樹脂フィルムを設置後、対極基板の触媒層面と光電極の色素坦持半導体膜面を貼り合せることで色素増感型太陽電池素子を得た。
【００８７】
[比較例]
色素増感型太陽電池用電極基板を次のような方法で作製したこと以外は、全て実施例と同等の方法で色素増感型太陽電池素子を作製した。
【００８８】
（対極作製）
10×100ｍｍの導電性ガラス基材上にPEDOTPSS溶液をスピンコートし、120℃で10分間加熱した。
【００８９】
[評価]
実施例の素子性能はη=3%であった。
また、比較例1は電解質と対極が接着しなかったため性能評価が出来なかった。
【符号の説明】
【００９０】
１  …  対向基材
２  …  対向電極層
３  …  触媒層
１０  …  色素増感型太陽電池用対極基板
２０  …  酸化物半導体電極
２１  …  基材
２２  …  第１電極層
２３  …  多孔質層
３０  …  色素増感型太陽電池素子
３１  …  電解質層
３２  …  シール材
【図１】
2010225316.tif 000003
【図２】
2010225316.tif 000004
【図３】
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