(57)【要約】      （修正有）【課題】費用が効率的な、大きなサイズの太陽電池電気化学パネルを提供する。【解決手段】複数の個別の基板（２）及び共有基板（１）を備える光電気化学太陽電池パネル（ＰＰＰ）であって、これらの基板は、導電体であるか、又は導電体（３）で少なくとも部分的にコーティングされ、少なくとも１つの基板は、光学的に透明であり、共有基板（１）と個別の基板（２）との間には、それぞれが、光電電極、対向電極、及び電解質を備える光電気化学太陽電池セルが存在する、光電気化学太陽電池パネル（ＰＰＰ）である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の個別の基板及び１つの共有基板を含む、複数の基板を備える光電気化学太陽電池パネル（ＰＰＰ）であって、
前記複数の基板は、導電体であるか、又は導電性材料で少なくとも部分的にコーティングされ、
少なくとも１つの基板が、太陽放射の少なくとも一部に対して実質的に透明（光学的に透明）であり、
少なくとも２つの前記個別の基板は、前記共有基板の共通表面上に設けられ、
それぞれが、光電電極、対向電極、及び該光電電極と該対向電極の間に分散している電解質を備える光電気化学太陽電池セル（ＰＰＣ）が、前記共有基板と前記個別の基板との間に形成され、
前記共有基板、又は前記共有基板の前記導電性コーティングは、少なくとも２つの前記個別の基板と前記共有基板との間に形成される複数の前記光電気化学太陽電池セルを電気的に接続する、ＰＰＰ。
【請求項２】
少なくとも１つの基板が、透明導電体（ＴＥＣ）でコーティングされた光学的に透明な材料を含む、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項３】
前記光学的に透明な材料は、ガラス又はプラスチックを含む、請求項２に記載のＰＰＰ。
【請求項４】
前記ＴＥＣは、フッ素をドープした酸化スズ、酸化インジウムスズ、又は金属網を含む、請求項２又は３に記載のＰＰＰ。
【請求項５】
前記複数の基板は全て光学的に透明である、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項６】
前記共有基板は、金属シート又は金属箔を含み、
前記個別の基板は全て光学的に透明である、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項７】
前記個別の基板は、金属シート又は金属箔を含み、
前記共有基板は、光学的に透明である、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項８】
前記光電電極は、染料の薄層で光増感されたナノ粒子ワイドバンドギャップ半導体を含み、
前記複数の基板又は該複数の基板の導電性材料の一方に電気的に接続される、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項９】
前記ＰＰＣの光電電極は、前記共有基板によって支持される、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項１０】
前記ＰＰＣの光電電極の少なくとも一部は前記共有基板によって支持され、
残りのＰＰＣの光電電極は前記個別の基板によって支持される、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項１１】
前記共有基板は長方形の形状である、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項１２】
前記個別の基板は、長方形か、又は円形の形状である、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項１３】
前記共有基板は、電気的に絶縁された領域に分割され、
各領域は、少なくとも１つの隣接する個別の基板に対向し、
前記ＰＰＣは、前記個別の基板と、前記共有基板の前記対向する絶縁された領域との間に形成される、請求項１に記載のＰＰＰ。
【請求項１４】
前記共有基板は、ＴＥＣでコーティングされたポリマー材料でできており、
前記個別の基板は全て金属箔を含み、
前記ＰＰＣの前記光電電極は、前記個別の基板上に形成され、
前記対向電極は、前記共有基板の前記電気的に絶縁された領域の複数の部分上に形成される、請求項４、７及び１３のいずれか一項に記載のＰＰＰ。
【請求項１５】
前記個別の基板は、前記共有基板の選択された電気的に絶縁された領域に、電気的に接続される、請求項１４に記載のＰＰＰ。
【請求項１６】
ＴＥＣ材料の電気コンダクタンスが、第２の導電性材料のパターンの塗布によって増加する、請求項２に記載のＰＰＰ。
【請求項１７】
前記第２の導電性材料の前記パターンは、ＴＥＣ層上に形成される金属トラックを含む、請求項１６に記載のＰＰＰ。
【請求項１８】
前記金属トラックは、グレージング材料又はポリマー材料から成る不浸透性の保護層によって保護される、請求項１７に記載のＰＰＰ。
【請求項１９】
前記第２の導電性材料は、前記光電電極の下の、又は、前記光電電極に対向する、高い光透過率が必要とされる前記複数の基板の領域が、前記比較的薄いＴＥＣ（第１の導電性材料）でコーティングされ、一方、高い電気コンダクタンスが必要とされる前記複数の基板の他の領域が、厚いＴＥＣ（第２の導電性材料）でコーティングされるように、ＴＥＣコーティングの厚さを増加させることによって作られる、請求項１６に記載のＰＰＰ。
【請求項２０】
小さな穴が前記個別の基板及び／又は前記共有基板内に作製され、
該穴は、前記ＰＰＣを前記電解質で充填するために使用される、請求項１３に記載のＰＰＰ。
【請求項２１】
前記ＰＰＣを前記電解質で充填した後に、前記穴はポリマー材料でシールされる、請求項２０に記載のＰＰＰ。
【請求項２２】
前記ポリマー材料は、金属箔を積層したホットメルト材料を含む、請求項２１に記載のＰＰＰ。
【請求項２３】
前記共有基板の少なくとも１つの絶縁された領域は、電気的に絶縁された小領域にさらに細分され、
前記対向する個別の基板もまた、電気的に絶縁された小領域に分割され、
それぞれの前記ＰＰＣは、前記共通基板上の１つの小領域と前記個別の基板上の別の小領域である２つの対向する小領域の部分間に形成され、
前記隣接するＰＰＣは、相互接続用材料によって直列に電気的に相互接続される、請求項１３に記載のＰＰＰ。
【請求項２４】
前記相互接続用材料は、ｎ番目の前記ＰＰＣの光電電極に隣接する前記小領域の個別の部分と、（ｎ＋１）番目の前記ＰＰＣの対向電極に隣接する前記小領域の個別の部分との間に配置される、請求項２３に記載のＰＰＰ。
【請求項２５】
前記相互接続用材料は、金属粒子及び／又は片状黒鉛を含む、請求項２３に記載のＰＰＰ。
【請求項２６】
前記相互接続用材料は、金属ワイヤ、金属網、ワイヤブレード、又はワイヤプレートを含む、請求項２３に記載のＰＰＰ。
【請求項２７】
前記相互接続用材料は、前記導電性成分が埋め込まれる不浸透性電気絶縁材料によって、ＰＥＣの電解質から保護される、請求項２５又は２６に記載のＰＰＰ。
【請求項２８】
前記ポリマー材料はホットメルト材料である、請求項２７に記載のＰＰＰ。
【請求項２９】
前記ホットメルトは、前記相互接続用材料において生成される熱によって溶解するとともに前記対向する基板に固着する、請求項２８に記載のＰＰＰ。
【請求項３０】
前記熱は電磁場の誘導作用によって生成される、請求項２９に記載のＰＰＰ。
【請求項３１】
前記個別の基板が前記共有基板に被着されるときに、前記個別の基板間に形成される空間は、気密シール剤でシールされる、請求項１３に記載のＰＰＰ。
【請求項３２】
前記空間は、湿気吸収材料を充填される、請求項３１に記載のＰＰＰ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電気化学太陽電池セル（ＰＰＣ）に関する。より詳細には、本発明は１つの太陽電池源に集積化された複数のＰＥＣを含む、サイズの大きな光電気化学太陽電池モジュール（可撓性及び剛性の双方）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＣの例は、以下の特許明細書に開示される。
米国特許第４，９２７，７２１号「Photoelectrochemical cell」 Michael Graetzel及び Paul Liska、1990
米国特許第５，３５０，６４４号「Photovoltaic cells」Michael Graetzel、Mohammad K Nazeeruddin及びBrain O'Regan、1994
米国特許第５，５２５，４４０号「Method of manufacture of photo-electrochemical cell and a cell made by this method」Andreas Kay、Michael Graetzel及びBrian O'Regan、1994
米国特許第５，７２８，４８７号「Photoelectrochemical cell and electrolyte for this cell」Michael Graetzel、Yordan Athanassov及びPierre Bonhote、1998
国際特許公開９８／０５０８４号「Photoelectrochemical cell」S. Brodie他
米国特許第６，２９７，９００号「Electrophotochromic Smart Windows and Methods」Gavin Tulloch及びIgor Skryabin、2000
米国特許第６，５５５，７４１号「Methods to Implement Interconnects in Multi-cell Regenerative Photovoltaic Photoelectorchemical Devices」G. Phani、J. I. Skryabin, 及びJ. Hopkins、2001
米国特許第６，６６４，６２３号「Methods to Implement Sealing and Electrical Connections to Single Cell and Multi-cell Regenerative Photovoltaic Photoelectrochemical Devices」G. Phani、J. Hopkins、D. Vittorio、I. Skryabin、2002
【０００３】
［発明の背景］
上記特許に開示されるタイプ等の光電気化学太陽電池セル（ＰＰＣ）は、通常、２つの基板の間の積層配置構成で作製される。典型的な配置構成では、少なくとも１つの基板は、可視光に対して透明であり、透明導電性（ＴＥＣ）コーティングが塗布される透明支持体（通常、剛性モジュール用にはガラス、また可撓性モジュール用にはプラスチック）を備える。別の基板は、必ずしも可視光に対して透明ではない。非透明基板に適する種々の材料が、従来技術において述べられており、それらの材料は
・ガラス、セラミック、又はポリマーによって支持される金属薄膜、
・金属箔、
・金属網、
・炭素ベースの導体
を含む。
【０００４】
しかし、金属酸化物（複数可）を通常含むＴＥＣコーティングは、通常の金属導体と比較すると抵抗率が高く、結果として、大面積セルの場合には抵抗損が高くなる。そのため、実際の用途においては、これらのセルはモジュールで結合される。
【０００５】
しかし、モジュールの均一な厚さを維持する必要なため、モジュールの寸法が制限される（通常、２０〜５０マイクロメートル）。大型の太陽電池光電気化学パネル（ＰＰＰ）を作るために、モジュールは、その一方が透明である２つの付加的な大型パネルの間で電気的に接続されるとともに積層される。（たとえば、オーストラリアデザイン第２０９３／２００２号を参照されたい）。しかし、こうしたパネルの製造は、追加の製造機器及び手法を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
［発明の目的］
本発明の目的は、費用が効率的な、大きなサイズの太陽電池光電気化学パネルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［発明の概要］
本発明は、概して、１つの共有基板及び複数の個別の基板を備える光電気化学太陽電池パネル（ＰＰＰ）を提供する。共有基板は、導電体であるか、又は導電性材料で少なくとも部分的にコーティングされている。同様に、個別の基板は、全て導電体であるか、又は導電性材料で少なくとも部分的にコーティングされている。
【０００８】
一実施の形態では、共有基板は、太陽放射の少なくとも一部に対して透明である。
【０００９】
別の実施の形態では、個別の基板は全て、太陽放射の少なくとも一部に対して透明である
【００１０】
さらなる実施の形態では、個別の基板及び１つの共有基板（以降、複数の基板と称する）は、全て、太陽放射の少なくとも一部に対して透明である。
【００１１】
なお、さらなる実施の形態では、上記導電性材料は、透明電子導体（ＴＥＣ）、たとえば、フッ素をドープした酸化スズ、酸化インジウムスズである。
【００１２】
光電気化学太陽電池セル（ＰＰＣ）が、共有基板と個別の基板との間に形成される。各ＰＰＣは、光電電極、対向電極、及び光電電極と対向電極との間に分散している電解質を備える。光電電極は通常、染料の薄層で光増感されたナノ粒子ワイドバンドギャップ半導体（wide band semiconductor）（たとえば、二酸化チタン）を含む。
【００１３】
一実施の形態では、ＰＰＣの光電電極は共有基板によって支持され、一方、ＰＰＣの対向電極は個別の基板によって支持される。
【００１４】
別の実施の形態では、ＰＰＣの光電電極のいくつかだけが共有基板によって支持され、残りの光電電極は個別の基板によって支持される。
【００１５】
本発明の実用的な実現において、共有基板は、個別の基板のそれぞれより実質的に大きく、かなりの数のＰＰＣが１つのパネル内に形成されることが可能になる。本発明は共有基板の形状に特別な制限を課さないが、使用及び製造上、特にロール−ロール製造（roll-to- roll manufacture）をする上では、長方形の形状が有利であり、それは共有基板及び全ての個別の基板が可撓性材料でできているときに好ましい。
【００１６】
本発明の一態様では、共有基板は、電気的に絶縁された領域に分割され、各領域は、少なくとも１つの隣接する個別の基板に対向し、ＰＰＣは、個別の基板と共有基板の対向する絶縁された領域との間に形成される。
【００１７】
本発明のこの態様による一実施の形態では、複数の基板の少なくとも１つは、透明電子導体（ＴＥＣ）でコーティングされたガラスでできている。
【００１８】
本発明のこの態様による別の実施の形態では、複数の基板の少なくとも１つは、ＴＥＣでコーティングされたポリマー材料でできている。
【００１９】
さらに別の実施の形態では、複数の基板の少なくとも１つは、金属又は金属合金でできている。好ましい金属は、チタン、タングステン、ニッケル、亜鉛、又はステンレス鋼等の合金を含む。
【００２０】
なお別の実施の形態では、複数の基板の少なくとも１つは、不浸透性の窒化物（たとえば、ＴｉＮ）でコーティングされた金属でできている。
【００２１】
さらなる実施の形態では、複数の基板の少なくとも１つは、金属箔又は金属網を含む。
【００２２】
なお、さらなる実施の形態では、複数の基板の少なくとも１つは、金属でコーティングされるか、又は、金属箔を積層されたポリマーシートを含む。
【００２３】
なお、さらなる実施の形態では、共有基板は、ＴＥＣでコーティングされたポリマー材料を含み、個別の基板は全て金属箔を含む。
【００２４】
好ましい実施の形態では、共有基板は、ＴＥＣでコーティングされたポリマー材料でできており、個別の基板は全て金属箔を含み、ＰＰＣの光電電極は、個別の基板上に形成され、対向電極は、共有基板上に形成される。
【００２５】
本発明は、個別の基板の種々の形状及び寸法を提供する。しかし、抵抗損を最小にするには、円形の形状の個別の基板（及びＰＰＣ電極）を利用することが好ましい。円形の形状の別の利点は、ＰＰＣのそれぞれが、個別の基板の外周に沿ってシールされる必要があるため、ＰＰＣ電極の所与の面積についての外周の長さが最小化されることにある。各ＰＰＣの寸法は、導体のタイプに依存する。個別の基板の寸法は、選択されたＴＥＣ材料の抵抗率に依存する。快晴日射時動作(full sun operation)の場合、ＴＥＣ材料の抵抗率が約１０オーム／平方である場合、各ＰＰＣの直径は１０〜１５ｍｍを超えてはならないことが立証されている。
【００２６】
好ましい実施の形態では、個別の基板は、共通基板の選択された電気的に絶縁された領域に電気的に接続される。これによって、ＰＰＣ間の電気的接続部が、ＰＰＰの２端子電力源(two terminal power source)を形成することが可能になる。電力源の負端子と正端子の両方が共有基板上に位置するようにＰＰＣを接続することが有利である。
【００２７】
本発明の別の態様では、第２の導電性材料のパターンが少なくとも１つの基板上に作られる。この材料は、第１の導電性材料の導電率より高い導電率を有するように選択される。第２の導電性材料は、光学的透明度を著しく減少させずに、基板の導電率を上げる。第２の導電性材料の例は、スクリーン印刷、真空マスク堆積（vacuum mask deposition）、電気めっき等を使用して基板上に堆積した金属（たとえば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ）トラックを含む。
【００２８】
一実施の形態では、導電性材料は、グレージング材料（glazing material）又はポリマー材料から成る不浸透性の保護層によって保護される。この保護は、上記導電性材料が上記ＰＰＣの電解質にさらされるときに特に重要である。
【００２９】
別の実施の形態では、第２の導電性材料は、（光電電極の下の、又は、光電電極に対向する）高い光透過率が必要とされる基板の領域が、比較的薄いＴＥＣ（第１の導電性材料）でコーティングされ、一方、高い電気コンダクタンスが必要とされる複数の基板の他の領域が、厚いＴＥＣ（第２の導電性材料）でコーティングされるように、第１の導電性材料の厚さを変化させることによって作られる。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、小さな穴が共有の基板又は共通基板内に作製される。穴は、セルを上記電解質で充填するために使用される。穴はさらに、ポリマー材料で、好ましくはホットメルトポリマー材料及び金属箔を含む積層でシールされる。
【００３１】
本発明のさらなる態様により、共有基板の少なくとも１つの絶縁された領域は、電気的に絶縁された小領域にさらに細分される。対向する個別の基板もまた、電気的に絶縁された小領域に分割される。それぞれの上記ＰＰＣは、２つの対向する小領域（共通基板上の１つの小領域と個別の基板上の別の小領域）の部分間に形成され、隣接するＰＰＣは、相互接続用材料によって直列に電気的に相互接続される。セルの直列の接続を可能にするために、相互接続用材料は、ｎ番目のＰＰＣの光電電極に隣接する小領域の個別の部分と、（ｎ＋１）番目のＰＰＣの対向電極に隣接する小領域の個別の部分との間に配置される。
【００３２】
一実施の形態では、相互接続用材料は、金属粒子及び／又は片状黒鉛を含む。
【００３３】
別の実施の形態では、上記相互接続用材料は、金属ワイヤ、ワイヤブレード(wire braid)、又はワイヤプレート(wire plait)を含む。
【００３４】
さらに別の実施の形態では、上記電気的相互接続用材料は、金属網を含む。
【００３５】
さらなる実施尾形態では、相互接続用材料の導電性成分は、上記導電性成分が埋め込まれる不浸透性絶縁材料、好ましくはポリマー材料によってＰＰＣの電解質から保護される。
【００３６】
好ましい実施の形態では、上記ポリマー材料はホットメルト材料である。
【００３７】
一プロセスにおいて、絶縁ホットメルト材料は、金属の相互接続用材料において生成される熱によって溶解するとともに両方の基板に固着する。本発明は、ホットメルト材料の溶解及び固着のために十分な熱を生成するために、相互接続用材料を通して電流を流すことを可能にする。好ましいプロセスにおいて、熱は、電磁場の誘導作用によって生成される。
【００３８】
個別の基板が共通基板に被着されるときに、個別の基板間に形成される空間に対して、特別な注意が払われる。
【００３９】
一実施の形態では、これらの空間は気密シール剤で充填される。
【００４０】
別の実施の形態では、光電気化学素子の長期安定性を確保するために、これらの空間内に湿気吸収材料（たとえば、分子ふるい）が配置される。
【００４１】
さらに別の実施の形態では、これらの空間は、光電気化学セル内の電解質に使用されるものと同じ化学的性質の溶剤を、完全に、又は、部分的に充填される。これは、セル内の溶剤の損失によって生じる長期劣化作用を最小にするためである。
【００４２】
本発明の特質を大まかに表現したが、本発明の実施の形態が、ここで、例及び図のみによって述べられるであろう。以下の説明において、添付図面が参照されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の例に従って形成されるＰＰＰの３Ｄ線図である。
【図２】本発明の第１の例に従って形成される光電気化学太陽電池パネルの拡大部分断面図である。
【図３】本発明の第２の例に従って形成されるＰＰＰの拡大部分断面図である。
【図４】本発明の第２の例に従って形成されるＰＰＰの部分平面図である。
【図５】本発明の第３の例に従って形成されるＰＰＰの可撓性共有基板の３Ｄ線図である。
【図６】本発明の第３の例に従って形成される可撓性ＰＰＰの３Ｄ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
［図面の詳細な説明］
図１を参照すると、ＰＰＰの３Ｄ線図が示されている。パネルは、１２個の個別の基板２及び１つの共有基板１を備える。基板は、ＴＥＣ（フッ素をドープした酸化スズ）層３でコーティングされる。透明導電体３の電気的に絶縁された領域は、絶縁線４に沿って前記導体を除去することによって形成される。この手法は、レーザ放射を利用して全ての基板に適用することができる。図１の３Ｄ表現では、共有基板上のみのこれらの線しかみることができない。ＰＰＣは、共通基板の絶縁された領域５の部分と、絶縁された基板の対向する絶縁された領域との間に形成される。ＰＰＣは、ＰＰＰの２端子電力出力を形成するために相互接続される。端子は、Ａｇバスバー(bus-bar)６を堆積することによって作られる。平面Ａも示されており、断面図が図２に示される。
【００４５】
図２を参照すると、３つの個別のガラス基板を含む断面が示される。共有基板１（同様に、ガラス）及び個別の基板２は、ＴＥＣ層３によってコーティングされる。電気的に絶縁された領域は、線４に沿ってＴＥＣ材料を除去することによって形成される。対向電極７（Ｐｔベース触媒の超薄層）が、標準的なスクリーン印刷技法を使用して、個別の基板２の電気的に絶縁された領域の複数の部分上に形成される。光増感電極８は、共有基板１の絶縁された領域３ａの複数の部分上に形成される。光増感電極８は、Ｒｕベース染料によって光増感された二酸化チタン（１５マイクロメートル（ミクロン）厚）のナノ粒子層を含む。二酸化チタンのナノ粒子層の（スクリーン印刷とそれに続く焼成による）形成及び光増感は、従来技術でよく知られている標準的な手法に従って実施された。ＰＰＣは、シリコーンベースマトリクス内に埋め込まれたＷ粒子を含む相互接続用材料９によって相互接続され、共有基板内の小さな充填穴（図示せず）を通してレドックス電解質１０で充填された。負の外部端子及び正の外部端子６は、Ａｇバスバーの塗布によって作られる。
【００４６】
図３を参照すると、第２の例の断面図は、１つの個別の基板２のみを示す。この図の、符号の付いた全ての要素は、図１及び図２に従っている。この例は、光増感電極が、ここでは個別の基板上に形成され、対向電極が共通基板上に形成される点で、本発明の第１の例と異なる。
【００４７】
図４を参照すると、１つの個別の基板のみを示すＰＰＰの部分平面図が示されている。さらに、シール材料１１及び充填穴１２が示されている。穴は、電解質によるセルの真空埋め戻し(vacuum back filling)に使用された。
【００４８】
図５を参照すると、可撓性の共有基板１が、本発明の第３の例に従って作製されている。基板は、透明電子導体３でコーティングされたプラスチックシートを含む。透明電子導体３は、絶縁線４によって４つの電気的に絶縁された領域に分割される。ＴＥＣ材料の電気伝導性を高め、且つ、電気的な接続を提供するために、図に示すように、４つのＡｇバスバー６がＴＥＣ上に堆積される。共有基板の（４つのうちの）３つの絶縁された領域の部分上に、円形の対向電極７が、等間隔に配置された８つの対向電極が３つの分離領域のそれぞれに属するように形成される。これは、並列に接続されることになる、共有基板のそれぞれの絶縁された領域内の８つのＰＰＣを実現するであろう。８つのＰＰＣの３つのグループは、図６でさらに示すように、直列に接続されるであろう。
【００４９】
図６を参照すると、可撓性のＰＰＣが、本発明の第３の例に従って作製される。本特許は、事前に作製された共有基板（図５に詳細に示す）及び２４の個別の基板２を利用する。それぞれの個別の基板は、その上に光増感電極が形成されるＴｉ箔を含む。個別の基板の光増感電極が、共有基板の対向電極に対向するように、個別の基板は共有基板でシールされる。２４のＰＰＣは、光増感電極と、対向する対向電極との間の空間をレドックス電解質で充填することによって形成される。セルは、外部電気コネクタ１３によって３つのグループにおいて並列に接続され、電気ジャンパ１４によって（３つのグループ間で）直列に接続される。ＰＰＰの正の電気端子及び負の電気端子も示される。
【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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