(57)【要約】【課題】発電効率を向上させることが可能な、新たな色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。【解決手段】色素増感型太陽電池１００は、光電変換層１２６が外周に形成された内部電極としての第１電極１２０と、第１電極１２０の外周に配置される第２電極１４０と、第１電極１２０および第２電極１４０を収納するチューブ体１６０と、チューブ体１６０内周と第１電極１２０外周とによって形成され、第２電極１４０が配置される空間に充填される電解液１８０とを含むとともに、チューブ体１６０の外周面から入射する光が、第１電極１２０を透過可能な構成としたものである。ここで、第１電極１２０は、透明なコア部材１２２と、コア部材１２２の外周に形成された透明導電膜１２４と、透明導電膜１２４の外周に、色素を吸着した多孔質の酸化物半導体によって形成された光電変換層１２６とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な棒状のコア部材と、前記コア部材の外周に形成された透明導電膜と、前記透明導電膜の外周に、色素を吸着した多孔質の酸化物半導体によって形成された光電変換層と、を含む第１電極と、
前記第１電極の外周に配置された第２電極と、
前記第２電極の外周に配置され、前記第１電極と前記第２電極とが収納された透明のチューブ体と、
前記チューブ体内周と前記第１電極外周とによって形成され、前記第２電極が配置される空間に充填される電解液と、を含むことを特徴とする色素増感型太陽電池。
【請求項２】
前記チューブ体は、ガラス材によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
【請求項３】
前記第２電極は、透明な材料によって形成されてい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。
【請求項４】
前記色素増感型太陽電池に入射した光を、前記光電変換層側に反射する光反射膜を、前記チューブ体の内部に含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の色素増感型太陽電池。
【請求項５】
前記第２電極を膜状に形成し、前記膜状に形成された第２電極が前記光反射膜として機能することを特徴とする請求項４に記載の色素増感型太陽電池。
【請求項６】
前記透明導電膜は、導電性を有する透明の第１導電膜と、導電性を有し光を反射する第２導電膜と、によって形成され、前記第２導電膜が前記光反射膜として機能することを特徴とする請求項４に記載の色素増感型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池について各種技術が提案されている。例えば、ＴｉＯ２コーティングを備えるチタンワイヤを、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）（デュポン社から入手可能）マイクロチューブ（ゼウスインダストリアルプロダクツ社から入手可能）である保護層の中に挿入し、細い白金ワイヤもまた、保護層の中に挿入し、対向電極として機能させ、保護層を液体電解質で満たした太陽電池繊維が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、可視光を透過する円筒型透明セルの内部に透明電極層、酸化物半導体から成る多孔質半導体電極層、この多孔質半導体電極層に吸着された色素層、電荷移動層（電解質）、対向電極層を積層した太陽電池が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、別体をなす第一電極と第二電極とが、少なくとも一つずつ、電解質を介して配されてなる光電変換素子であって、第一電極、第二電極および電解質は、略円筒状の筐体内に収納されるとともに、第一電極と第二電極は何れも、筐体内において、その長手方向に延びる線状をなしており、かつ、第一電極は、少なくとも導電性を有する第一線材と、該第一線材の外周に配され、色素を担持した多孔質酸化物半導体とから構成されている光電変換素子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
さらに、棒状の支持棒を備え、支持棒の外周面に、反射電極、Ｐ型半導体層、Ｉ型半導体層、Ｎ型半導体層及び透明電極が順に積層され、そして、太陽電池素子の下面側の透明電極の外周面に、断面略半円状の光反射性を有する反射層が形成されている太陽電池素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５１６３７０号公報
【特許文献２】特開２００３−７７５５０号公報
【特許文献３】特開２００８−１８１６９０号公報
【特許文献４】特開２００７−２５０８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、色素増感型太陽電池において、その発電効率の向上は、解決すべき重要な技術課題の一つである。
【０００８】
本発明は、発電効率を向上させることが可能な、新たな色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題に鑑みなされた本発明の色素増感型太陽電池は、光電変換層が外周に形成された内部電極としての第１電極と、この第１電極の外周に配置される第２電極と、第１電極および第２電極を収納するチューブ体と、チューブ体内周と第１電極外周とによって形成され、第２電極が配置される空間に充填される電解液とを含むとともに、チューブ体の外周面から入射する光が、第１電極を透過可能な構成としたものである。
【００１０】
本発明を反映した第１の課題解決手段は、透明な棒状のコア部材と、前記コア部材の外周に形成された透明導電膜と、前記透明導電膜の外周に、色素を吸着した多孔質の酸化物半導体によって形成された光電変換層と、を含む第１電極と、前記第１電極の外周に配置された第２電極と、前記第２電極の外周に配置され、前記第１電極と前記第２電極とが収納された透明のチューブ体と、前記チューブ体内周と前記第１電極外周とによって形成され、前記第２電極が配置される空間に充填される電解液と、を含むことを特徴とする色素増感型太陽電池である。
【００１１】
これによれば、第１電極に入射した光が、第１電極内を透過することで、第１電極の外周を形成する光電変換層への光の透過回数を増加させることができる。
【００１２】
第２の課題解決手段は、第１の課題解決手段の色素増感型太陽電池であって、前記チューブ体は、ガラス材によって形成されていることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、チューブ体の外周面から、その内部への光の入射を効果的に実現することができる。ここで、ガラス材によって形成されるとは、ガラス自体で形成されているものの他、ガラスが混合されている場合を含む。
【００１４】
第３の課題解決手段は、第１または第２の課題解決手段の色素増感型太陽電池であって、前記第２電極は、透明な材料によって形成されていることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、チューブ体の外周面から入射した光が、第２電極によって遮られることを防止できる。
【００１６】
第４の課題解決手段は、第１から第３の課題解決手段のいずれか１つの色素増感型太陽電池であって、前記色素増感型太陽電池に入射した光を、前記光電変換層側に反射する光反射膜を、前記チューブ体の内部に含むことを特徴とする。
【００１７】
これによれば、光反射膜を反射した反射光によって、第１電極の外周を形成する光電変換層への光の透過回数を、さらに増加させることができる。
【００１８】
第５の課題解決手段は、第４の課題解決手段の色素増感型太陽電池であって、前記第２電極を膜状に形成し、前記膜状に形成された第２電極が前記光反射膜として機能することを特徴とする。
【００１９】
これによれば、第２電極を光反射膜として兼用することができる。すなわち、色素増感型太陽電池の構成を増加させることなく、第１電極の外周を形成する光電変換層への光の透過回数を、さらに増加させることができる。
【００２０】
第６の課題解決手段は、第４の課題解決手段の色素増感型太陽電池であって、前記透明導電膜は、導電性を有する透明の第１導電膜と、導電性を有し光を反射する第２導電膜と、によって形成され、前記第２導電膜が前記光反射膜として機能することを特徴とする。
【００２１】
これによれば、第２導電膜を光反射膜として兼用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、発電効率を向上させることが可能な、新たな色素増感型太陽電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】色素増感型太陽電池の断面図
【図２】色素増感型太陽電池内に入射した光の進路の概略を示す図
【図３】複数の色素増感型太陽電池を設置した状態を示す図
【図４】色素増感型太陽電池の断面および色素増感型太陽電池内に入射した光の進路の概略を示す図
【図５】色素増感型太陽電池の断面および色素増感型太陽電池内に入射した光の進路の概略を示す図
【図６】色素増感型太陽電池の断面および色素増感型太陽電池内に入射した光の進路の概略を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明を反映した上記課題解決手段を実施するための実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。上記課題解決手段は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。
【００２５】
（実施形態１）
実施形態１の色素増感型太陽電池１００について、図１を参照して説明する。色素増感型太陽電池１００は、第１電極１２０と第２電極１４０とチューブ体１６０と電解液１８０とを含む（備える）。具体的に、第１電極１２０の外周に複数（図１において６本）の第２電極１４０が配置され、この状態で、第１電極１２０と第２電極１４０とはチューブ体１６０に収納されている。そして、電解液１８０が、チューブ体１６０内周と第１電極１２０外周とによって形成され、第２電極１４０が配置される空間に充填されている。なお、第２電極１４０の本数は、図１に示す本数（６本）に限定されるものではない。例えば、１０本とすることもできる。
【００２６】
ここで、第１電極１２０は、コア部材１２２と透明導電膜１２４と光電変換層１２６とを含む（備える）。コア部材１２２は、透明な棒状部材であり、例えばガラスによって形成されている。コア部材１２２の外周には、透明導電膜１２４が製膜されている。透明導電膜１２４は、透明の導電性を備える膜である。透明導電膜１２４は、例えば、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）によって形成される。
【００２７】
透明導電膜１２４の外周には、光電変換層１２６が形成されている。光電変換層１２６は、コア部材１２２の外周に透明導電膜１２４を製膜した後、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）を塗布し、焼成して形成された多孔質材であって、色素が吸着されている。色素としては、例えばルテニウム（Ruthenium）、錯体色素（例えばＮ３、Ｎ７１９などと称されるもの）がある。光電変換層１２６は、１０μｍ程度の厚みであり、光は、光電変換層１２６を透過する。光が光電変換層１２６を透過することにより、発電される。なお、光電変換層１２６の厚みは、１０μｍ程度に限定されるものではなく、適宜決定される。
【００２８】
第２電極１４０は、例えば、白金（platinum）メッキ金属ワイヤ、白金ワイヤ、導電性高分子を塗布した金属ワイヤまたはカーボンを塗布焼成した金属ワイヤによって形成される。また、PEDOT（ポリエチレンジオキシチオフェン）などの導電性高分子を塗布したガラスワイヤ（以下、「導電性高分子ガラスワイヤ」ともいう。）を採用することもできる。導電性高分子ガラスワイヤは、光を透過する。すなわち、導電性高分子ガラスワイヤを第２電極１４０に採用した色素増感型太陽電池１００によれば、チューブ体１６０の外周から入射した光が第１電極１２０側に進行するにあたり、第２電極１４０によって遮断されることを防止することができる。なお、第２電極１４０は、直径５〜１００μｍ程度の細線である。
【００２９】
チューブ体１６０は、透明で、かつガス透過性の低い材料で形成される。例えば、チューブ体１６０は、ガラスによって形成される。なお、チューブ体１６０の外径は、５ｍｍ程度の細線である。
【００３０】
電解液１８０には、例えばヨウ素系の電解質成分を有機溶媒またはイオン性液体に溶解したものが採用される。なお、電解液１８０が充填される空間の幅（（チューブ体１６０内径−第１電極１２０外径）／２）は、第２電極１４０の直径に略等しい。
【００３１】
次に、色素増感型太陽電池１００内に入射した光の進路について、図２を参照して説明する。なお、図２に示す矢印「１」は、色素増感型太陽電池１００内を進行する光の進路の概略を示している（光の屈折は考慮せず）。
【００３２】
透明なチューブ体１６０の外周面から入射した光は、チューブ体１６０および電解液１８０を透過し、光電変換層１２６に入射する（図２のＡ部参照）。上記のとおり色素増感型太陽電池１００においては、光電変換層１２６は、光が透過可能に形成されているため、光は、これを透過する。さらに、光は、透明導電膜１２４を透過し、コア部材１２２に入射するとともに、透明なコア部材１２２内を進行し、コア部材１２２への光の入射位置に対向する側の位置から透明導電膜１２４を透過し、再度、光電変換層１２６に入射する（図２のＢ部参照）。
【００３３】
したがって、色素増感型太陽電池１００では、チューブ体１６０の外周面から入射した光が、２度（図２のＡ部およびＢ部）、光電変換層１２６を透過するため、発電効率を向上させることができる。なお、第２電極１４０が配置された位置から光が入射した場合についても、上述したように、第２電極１４０を、例えば導電性高分子ガラスワイヤによって形成することで、第２電極１４０による光の遮断を防止することが可能であり、上記同様の機能を発揮することができる。
【００３４】
図１に断面を示す色素増感型太陽電池１００は、棒状（線状）の外観を有し、複数本を所定の範囲に設置して（図３参照）、所定の場所、例えば屋外または窓際に設置される。棒状の色素増感型太陽電池１００は、両端面において、電解液１８０が漏れ出さないように、所定の構成で封止される。封止面には、発電された電気を取り出すため、第１電極１２０および第２電極１４０各々に接続された電極１０２が設けられている。
【００３５】
色素増感型太陽電池１００については、これを設置した後の劣化を考慮する必要がある。すなわち、色素増感型太陽電池は、電解液１８０を封止する部分から水蒸気や空気が侵入することで劣化する。色素増感型太陽電池には、チューブ体１６０を採用した構成の他、薄板を２枚合わせた構成を有するものがある。このような構成の色素増感型太陽電池では、２枚の薄板の外周全域において、電解液の封止がなされる。これに対し、チューブ体１６０を採用した色素増感型太陽電池１００では、電解液１８０を封止する部分がチューブ体１６０の両端部である。したがって、色素増感型太陽電池１００は、外周全域を封止しなければならない構成の色素増感型太陽電池と比較し、封止面積を減少させることが可能で、水蒸気等の侵入領域を少なくすることができ、この点において有利である。
【００３６】
また、外周全域を封止しなければならない構成の色素増感型太陽電池では、外周の一箇所からでも水蒸気等が侵入すると、色素増感型太陽電池の全体に、その影響が及んでしまう。これに対し、チューブ体１６０を採用した色素増感型太陽電池１００を複数本所定の範囲に配置した構成（図３参照）によれば、仮に一本が劣化したとしても、他の色素増感型太陽電池１００によって、その機能を維持することが可能で、この点においても有利である。さらに、チューブ体１６０を採用したことで、その取扱いに関し、フレキシブル性を持たせることができる。
【００３７】
（実施形態２）
実施形態２の色素増感型太陽電池２００について、図４を参照して説明する。以下の説明では、上記実施形態１の色素増感型太陽電池１００と同一の構成について、その説明を省略し、相違する点を、中心に説明する。また、色素増感型太陽電池２００の設置についても、図３に示す態様と同一であるため、その説明を省略する。なお、色素増感型太陽電池２００に含まれる部材について、色素増感型太陽電池１００と同一の部材は、図１等で用いた符号と同一の符号を用いて説明する。
【００３８】
実施形態２の色素増感型太陽電池２００は、実施形態１と同一の第２電極１４０と、チューブ体１６０の内周面の所定の範囲に配置された膜状の第２電極（以下、「膜状第２電極」という。）２４０とで構成された第２電極を備える。膜状第２電極２４０は、その表面が光を反射可能な状態にされている。
【００３９】
色素増感型太陽電池２００では、チューブ体１６０の外周面から入射した光（図４の矢印「１」参照）は、チューブ体１６０および電解液１８０を透過し、光電変換層１２６に入射する（図４のＡ部参照）。そして、Ａ部を透過した光は、その後、再度、光電変換層１２６に入射する（図４のＢ部参照）。さらに、Ｂ部を透過した光は、膜状第２電極２４０で、所定の方向に反射し（Ｃ部参照）、反射光（図４の矢印「２」参照）が、Ｄ部およびＥ部（図４参照）において、光電変換層１２６を透過する。
【００４０】
したがって、色素増感型太陽電池２００では、チューブ体１６０の外周面から入射した光が、２度以上（図４ではＡ部，Ｂ部，Ｄ部，Ｅ部）、光電変換層１２６を透過するため、さらに、発電効率を向上させることができる。
【００４１】
色素増感型太陽電池２００は、図３に示す態様に配置され場合、膜状第２電極２４０が下側（図３を正面視した場合の下側）に配置されるように設置される。
【００４２】
なお、実施形態２の色素増感型太陽電池２００は、膜状第２電極２４０が反射膜としての機能を備える構成とした。しかし、チューブ体１６０の内周に単独の反射膜２６０が配置された色素増感型太陽電池３００とすることもできる（図５参照）。この場合も、色素増感型太陽電池２００と同一の作用効果を得ることができる。
【００４３】
なお、色素増感型太陽電池２００，３００についても、導電性高分子ガラスワイヤによる第２電極１４０を採用することができる。
【００４４】
（実施形態３）
実施形態３の色素増感型太陽電池４００について、図６を参照して説明する。以下の説明では、上記実施形態１の色素増感型太陽電池１００と同一の構成について、その説明を省略し、相違する点を、中心に説明する。また、色素増感型太陽電池４００の設置についても、図３に示す態様と同一であるため、その説明を省略する。なお、色素増感型太陽電池４００に含まれる部材について、色素増感型太陽電池１００と同一の部材は、図１等で用いた符号と同一の符号を用いて説明する。
【００４５】
実施形態３の色素増感型太陽電池４００は、第１実施形態の透明導電膜１２４と同様の構成を有する（機能を奏する）、すなわち、透明で導電性を有する第１導電膜４２４ａと、透明導電膜の所定の一部を構成する第２導電膜４２４ｂとで構成された導電膜４２４を備える。第２導電膜４２４ｂは、導電性を有し、かつその表面が光を反射可能な状態にされている。第２導電膜４２４ｂの抵抗は、第１導電膜４２４ａの抵抗と比較し低い。したがって、実施形態３の第１導電膜４２４ａおよび第２導電膜４２４ｂにより構成される導電膜４２４によれば、第２導電膜４２４ｂを含まない透明導電膜と比較し、低抵抗を実現することができる。
【００４６】
色素増感型太陽電池４００では、チューブ体１６０の外周面から入射した光（図６の矢印「１」参照）は、チューブ体１６０および電解液１８０を透過し、光電変換層１２６に入射する（図６のＡ部参照）。そして、Ａ部を透過した光は、第２導電膜４２４ｂで、所定の方向に反射し（図６のＣ部参照）、反射光（図６の矢印「２」参照）が、Ｅ部（図６参照）において、再度、光電変換層１２６を透過する。
【００４７】
したがって、色素増感型太陽電池１００では、チューブ体１６０の外周面から入射した光が、２度（図６のＡ部およびＥ部）、光電変換層１２６を透過するため、発電効率を向上させることができる。
【００４８】
色素増感型太陽電池４００は、図３に示す態様に配置され場合、第２導電膜４２４ｂが下側（図３を正面視した場合の下側）に配置されるように設置される。
【００４９】
なお、色素増感型太陽電池４００についても、導電性高分子ガラスワイヤによる第２電極１４０を採用することができる。
【００５０】
（変形例）
上記では、チューブ体を形成する材料として、ガラスを採用した構成を例に説明した。しかし、これ以外の構成を採用することもできる。例えば、樹脂とガラスとを混合して形成したチューブ体とすることもできる。なお、樹脂を採用する場合、チューブ体１６０の外周面に、スパッタリング等の手法により無機膜を形成する。
【符号の説明】
【００５１】
１００，２００，３００，４００  色素増感型太陽電池
１２０  第１電極
１２２  コア部材
１２４  透明導電膜
１２６  光電変換層
１４０  第２電極
１６０  チューブ体
１８０  電解液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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