(57)【要約】【課題】円筒型色紙増感太陽電池が有する、シリコン太陽電池と比べて好ましい特性を生かした色素増感太陽電池発電システムを提供する。【解決手段】色素増感太陽電池発電システム１０は、柱状建造物１２の日差しを受ける側を少なくとも含む側面に、側面に沿ってほぼ鉛直方向にセル１４の両端が位置するように複数の円筒型色素増感太陽電池セル１４を配列して円筒型色素増感太陽電池セル群１６を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気に曝されて設けられる柱状建造物と、該柱状建造物の日差しを受ける側を少なくとも含む側面に、該側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする色素増感太陽電池発電システム。  
【請求項２】
遮蔽物を透過、または遮蔽物の間隙から進入する太陽光を受光するように設けられる柱状建造物と、該柱状建造物の太陽光を受光する側を少なくとも含む側面に、該側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする色素増感太陽電池発電システム。
【請求項３】
前記円筒型色素増感太陽電池セル群の電解質層が、ゲル状電解質層または多孔質層に電解質を含浸した電解質層であることを特徴とする請求項１または２に記載の色素増感太陽電池発電システム。
【請求項４】
円筒型色素増感太陽電池セル群に代えて半割円筒状色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の色素増感太陽電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色素増感太陽電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
色素増感太陽電池は、湿式太陽電池あるいはグレッツェル電池等と呼ばれ、シリコン半導体を用いることなくヨウ素溶液に代表される電気化学的なセル構造を持つ点に特徴がある。例えば、透明な導電性ガラス板等のアノード電極に二酸化チタン粉末等を焼付け、これに色素を吸着させて形成したチタニア層等の多孔質半導体層と導電性ガラス板（導電性基板）からなる対極（カソード電極）の間に電解質としてヨウ素溶液等を配置した、簡易な構造を有する。
【０００３】
色素増感太陽電池は、材料が安価であり、作製に大掛かりな設備を必要としないことから、低コストの太陽電池として注目されている。
しかし、従来の色素増感太陽電池は、主に平板状の構造であるために、広い設置面積が必要であった。また、太陽電池のエネルギソースである太陽光が時刻や季節によって光量や入射角度が変化するために、発電量が安定しない不具合があった。
【０００４】
そこで、従来の色紙増感太陽電池における上記の欠点に鑑み、透明材料からなる管の内面にアノード電極層、色素増感多孔質半導体層および電解質層が順次設けられ、管の中央部にカソード電極が挿入された円筒構造を有する色素増感太陽電池が提案されている（例えば特許文献１参照）。
このような円筒構造を有する色素増感太陽電池によれば、光の入射角度に対する発電量の変化を大幅に低減することができ、しかも平板状の構造と比べて高強度であり封止箇所も少なく、耐久性が高い色素増感太陽電池を提供できる。
【０００５】
ところで、色素増感太陽電池を含む様々な種類の太陽電池の中でも、シリコン太陽電池は、最も古い歴史と実績があり、高効率で信頼性が高いため、現在の主流である。
しかし、シリコン太陽電池は、単結晶型、多結晶型ともにシリコンインゴットをスライスして製造するため、湾曲した発電面を形成することができない。また、アモルファス型ではシリコンを蒸着して製造するため、曲面への蒸着が難しい。このため、いずれの型のシリコン太陽電池も円筒型に形成することが難しい。
また、シリコン太陽電池は、受光量の低下にほぼ比例して光電変換効率が低下することが知られている。これに対して、色素増感太陽電池の場合、受光量が低下しても安定した光電変換効率を維持できることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−７７５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、円筒型色紙増感太陽電池が有する、上記したシリコン太陽電池と比べて好ましい特性を生かした色素増感太陽電池発電システム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】
【０００８】
本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、大気に曝されて設けられる柱状建造物と、該柱状建造物の日差しを受ける側を少なくとも含む側面に、該側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように複数のセルが配列される円筒型色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、遮蔽物を透過、または遮蔽物の間隙から進入する太陽光を受光するように設けられる柱状建造物と、該柱状建造物の太陽光を受光する側を少なくとも含む側面に、該側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、好ましくは、前記円筒型色素増感太陽電池セル群の電解質層が、ゲル状電解質層または多孔質層に電解質を含浸した電解質層であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、円筒型色素増感太陽電池セル群に代えて半割円筒状色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、大気に曝されて設けられる柱状建造物と、柱状建造物の日差しを受ける側を少なくとも含む側面に、側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように複数のセルが配列される円筒型色素増感太陽電池セル群を含み、または、遮蔽物を透過、または遮蔽物の間隙から進入する太陽光を受光するように設けられる柱状建造物と、柱状建造物の太陽光を受光する側を少なくとも含む側面に、側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むため、家屋や倉庫等の一般建築物に比べて狭い設置スペースに設けられる柱状建造物の大きな側面に大面積の円筒型色素増感太陽電池セル群を設けることができる。また、セルに入射する太陽光が時刻や季節によって光量や入射角度が変化しても安定した発電効率や発電量を得ることができる。また、日差しを直接受けない円筒型色素増感太陽電池セル群のセルの裏面も散乱光や柱状建造物の側面からの反射光を受光できるため、大きな発電量を得ることができる。
また、本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、円筒型色素増感太陽電池セル群に代えて半割円筒状色素増感太陽電池セル群を含むため、円筒型色素増感太陽電池セル群よりは安価な費用で、円筒型色素増感太陽電池セル群のセルよりは大きな面積で太陽光を受光することができるため、大きな発電量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本実施の形態に係る色素増感太陽電池発電システムの概略構成図である。
【図２】図２は晴天時の日の出から日没までの日射量の変化の一例を示すグラフ図である。
【図３】図３は円筒型色素増感太陽電池セルを用い、セルを地表面に対して水平方向に配置した場合と垂直方向に配置した場合のそれぞれの出力の一例を示すグラフ図である。
【図４】図４は円筒型色素増感太陽電池セルと平板型色素増感太陽電池セルの受光シミュレーションの一例を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態（以下、本実施の形態という。）について説明する。
【００１５】
本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池発電システムは、大気に曝されて設けられる柱状建造物と、柱状建造物の日差しを受ける側、すなわち、日本の場合で言えば南面する側を少なくとも含む側面に、側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように複数のセルが配列される円筒型色素増感太陽電池セル群を含む。
【００１６】
柱状建造物は、大気に曝されて、言い換えれば、太陽光に曝された環境下に設けられるものであり、例えば、建屋内に設けられる構造用柱等を含まない。柱状建造物の外形形状は、円柱、多角柱、円錐柱、角錐柱等のいずれであってもよい。柱状建造物の側面とは、これら円柱等の構造物の底面（円柱の場合は上底面を含む。）以外の面をいう。柱状建造物は、種類を限定するものではなく、例えば、電柱、照明塔（照明柱）、風車の支柱、橋脚等のそれ自体が構造物であてもよく、また、灯台、展望タワー等の内部空間を有する建築物であってもよい。
柱状建造物は、家屋や倉庫等の一般建築物に比べて、狭い設置スペースに設けられて大きな側面面積を有する。
【００１７】
円筒型色素増感太陽電池セル群のセルは、背景技術の欄で説明したように、透明材料からなる管の内面にアノード電極層、色素増感多孔質半導体層および電解質層が順次設けられ、管の中央部にカソード電極が挿入された円筒構造を有するものである限り、広く用いることができる。円筒の封止される一端にアノード電極からの取出し電極が、他の一端にカソード電極からの取出し電極がそれぞれ設けられる。円筒型色素増感太陽電池セル群は、取出し電極に接続される電気配線の接続方法によって、各セルを直列に、あるいは並列に接続することができる。円筒型色素増感太陽電池セル群は、既存の電気配線に接続され、あるいは、蓄電装置に接続される。
円筒型色素増感太陽電池セル群のセルは、電解質層が、ゲル状電解質層または多孔質層に電解質を含浸した電解質層であると、縦置きされるセルの電解質がセルの下部に沈積することがなく、好適である。
ゲル状電解質は、液体電解質をゲル化剤でゲル化したものであり、物理ゲル型電解質と、化学ゲル型電解質に分類される。物理ゲル型電解質は、例えばポリアクリロニトリル等のゲル化剤が水素結合、疎水性結合等で弱く電解質に相互作用してゲルを形成したものを挙げることができる。一方、化学ゲル型電解質は、例えば、電解質にメタクリル基を持ったオリゴマとラジカル重合剤を加え、加熱して三次元架橋させたものを挙げることができる。
また、電解質を含浸する多孔質層は、例えばシリカ、アルミナ、粘土などの粒子状の無機材料や布や不織布などの繊維状の無機材料と電解質を混練したもの、高分子のゲルに電解質を含浸したもの、繊維状の無機材料に電解質を含浸したもの、無機粒子を焼結した多孔質シートなどの多孔質層に電解質を含浸したもの等を挙げることができる。また、さらに、例えばテフロン（テフロンは登録商標）等の樹脂製メンブレンシート、ガラスクロス、ガラス不織布、シリカ、アルミナ、ジルコニアを焼結した層に電解質を含浸したもの等を挙げることができる。
【００１８】
図１に示すように、色素増感太陽電池発電システム１０は、この場合円柱状の柱状建造物１２の周回する側面の日差しを受ける側を少なくとも含む側面に、側面に沿ってほぼ鉛直方向にセル１４の両端が位置するように、言い換えれば垂直方向に縦置きに、複数の円筒型色素増感太陽電池セル（以下、これを単にセルという。）１４を配列して円筒型色素増感太陽電池セル群（以下、これを単にセル群ということがある。）１６を構成する。側面全周にセル群１６を設けることを排除するものではないが、北面する側にセル１４を設けることは南面側に設ける場合に比べて費用対効果が大きくない。また、例えば内部空間を有する灯台の外壁のように円柱の径が極端に大きい場合は、外壁の曲率半径が大きくなって平面に近似できるようになるため、円筒型色素増感太陽電池セルを水平方向に、言い換えれば横置きに配置することもできなくはないが、セルの寸法が大きい場合には外壁に密接してセルを配置することが難しく、また、特に、このような場合は、円筒型の色素増感太陽電池セルを用いることなく平面型の色素増感太陽電池セルを用いる方が好ましいことも考えられる。なお、柱状建造物１２の円筒型色素増感太陽電池セル群１６の側に向けた側面には、光反射材や光散乱材を設けることが好ましい。
【００１９】
円筒型色素増感太陽電池セル群は、セル群を構成する各セルに上下両端部を固定枠に収めたものを柱状建造物の側面に密着して、または側面から各セルを離間させて固定枠を側面に固着させるとともに、各セルを水平方向に連結して、柱状建造物の側面に配列させたものを用いることができる。柱状建造物の側面から各セルを離間させた場合、側面からの反射光をセルの裏面側、すなわち、太陽光を受光する側とは反対側の面で受光することができ、好適である。
また、多数のセルを柱状建造物の側面形状に沿う半割環状あるいは全周環状の枠に収めたものを必要に応じて分割した状態で、柱状建造物の側面に取り付け、配列させたものを用いることができる。
円筒型色素増感太陽電池セル群は、セルの構造上、シリコン太陽電池に比べると耐久性が高いので、風水に曝される柱状建造物の側面に取り付けることができる。また、隣り合うセルを離間して隙間を設けるように配置すると、風圧の影響を緩和することができる。
【００２０】
色素増感太陽電池セル群は、円筒型に代えて、半割円筒状であってもよい。半割円筒状とは、円筒の半径と曲率半径が同じものに限らず、円筒の半径よりも曲率半径が大きな湾曲形状のものを含む。半割円筒状色素増感太陽電池セル群は、円筒型色素増感太陽電池セル群よりは安価な費用で、円筒型色素増感太陽電池セル群のセルよりは大きな受光面積を確保して太陽光を受光することができるため、大きな発電量を得ることができる。
【００２１】
円筒型色素増感太陽電池セルの特性をシリコン太陽電池の特性と比較して説明する。
地上で受光する日射は、（１）大気中で散乱せずに太陽から直接地表に到達する直達日射と、（２）太陽放射のうちで、直達日射を除き、大気中の空気、水蒸気、エアロゾル等による散乱日射と、（３）さらに地面や周辺の構造物からの反射光の主に３種類ある。太陽放射からの直達日射と散乱日射は、気象条件によって異なるが、晴天時は３対１であり、曇天時は直達日射はゼロのため、散乱日射のみになる。地面からの反射は直達日射と散乱日射に関係なく０．１〜０．２程度である。
図２に、晴天時の日の出から日没までの日射量の変化の一例を示す。図２で横軸は時刻を縦軸は日射量をそれぞれ示す。日射量は、全天日射量に比例する受光部の昇温を熱電堆の起電力に変換して、測定したものである。「全天日射」は、受光部が上向きになるように水平に設置したときに受光する日射量を示し、太陽放射の大気中で散乱せずに太陽から直接地表に到達する直達日射と、散乱日射の合計を表す。このとき全天日射計で受光する直達日射は、太陽高度をθとした場合に、水平に置いた全天日射計の受光面には、実際の直達日射×ｓｉｎθ分を受光するため、測定された日射は、南中高度である12時から12時半で日射量が最大になる。なお、図２中、「裏・日射量」は、受光部が下向きになるように水平設置したときの日射量を示し、地面等からの反射光のみを受光することによるに日射量である。一般に太陽光の地面からの反射率は０．１〜０．２と言われている。図２に示す「裏・日射量」と「全天日射量」の比は０．１４〜０．１６対1であった。
シリコン太陽電池は、平板型が多く、太陽高度θのほか平板への入射角度にも大きく依存するとともに、入射する直達日射および散乱日射を受光して効率よく発電するが、弱い光である散乱光では発電効率が悪くなるといわれている。これに対して、円筒型色素増感太陽電池セルは、入射光に概ね垂直となる円周曲面が常にあり、太陽光の入射角依存性が少ないため、直達日射、散乱日射のほかに裏側からの反射光も受光するのが特徴であり、散乱光や反射光といった弱い光でも効率よく発電する。
このため、太陽高度の低い朝夕は、先に説明したように、シリコン太陽電池では、光電変換効率の低下と相俟って発電量が極端に減少することなるが、円筒型色素増感太陽電池セルでは、安定した発電量を維持することができる。
図３に、晴天時に、円筒型色素増感太陽電池セルを地表面に対して水平方向に配置した場合と垂直方向に配置した場合のそれぞれの出力の一例を示す。
使用した円筒型色素増感太陽電池セルは、厚みが２ｍｍ、直径が２０ｍｍ、長さが１０ｃｍの円筒状の透明ガラス管の内側に、径方向に、Ｎ７１９色素を吸着したチタニアからなる、厚みが約０．０１５ｍｍの多孔質半導体層、タングステンからなる、厚みが約０．０３ｍｍの集電電極、テフロン（テフロンは登録商標）からなる、厚みが約０．０３ｍｍの絶縁層、白金を被覆したチタンからなる、厚みが約０．０５ｍｍの対極層が、この順で積層されたものである。集電電極と対極層の間にヨウ素を電解質とする電解液が充填される。
図３からセルの配置方向が変わっても出力にほとんど差がないことがわかる。
【００２２】
晴天時に、円筒型色素増感太陽電池セルを地表面に対して水平方向にそのまま配置した場合と水平方向に配置した円筒型色素増感太陽電池セルの太陽光を直接受光する側、言い換えればセルの表側を遮光テープで覆って配置した場合の発電特性の一例を下表１に示す。使用した円筒型色素増感太陽電池セルは、図３で使用したものと同じである。測定は、東経１３０．５度、北緯３３．５度の地点で１１月中旬の晴れの日の南中時太陽高度４８°の条件で行ったものである。なお、表１中、Iscは短絡電流を、Vocは解放電圧を、FFはフィルファクターをそれぞれ示す。
セルの表側を遮光テープで覆った場合、円筒型色素増感太陽電池セルがほぼ反射光のみを受光するときの発電特性を示すが、その最大出力（Pmax）が円筒型色素増感太陽電池セルを地表面に対して水平方向にそのまま配置して、直達日射、散乱光および反射項光を全て受光する場合の一割強を占めることがわかる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図４に、円筒型色素増感太陽電池セルを地表面と平行な面に縦置きした場合、円筒型色素増感太陽電池セルを地表面と平行な面に横置きした場合、平板色素増感太陽電池セルを地表面と平行な面に縦置きした場合、および平板色素増感太陽電池セルを地表面と平行な面に横置きした場合のそれぞれについて、受光シミュレーションを行った結果を示す。受光量、すなわち、それぞれのセルが受ける日射量は、平板の単位面積当たりおよび円筒型色素増感太陽電池セルの半割断面の単位面積当たりのそれぞれの受光量を示す。日射量データは、東経１３０．５度、北緯３３．５度の地点の晴れの日のものを用い、南中高度５６°で計算した。
【００２５】
円筒型色素増感太陽電池セルは、その構造を特に限定するものではなく、いずれのタイプのものであってもよい。
特許文献１の例を含め通常のセルは、両側開放端を樹脂接着剤により封止することが行われている。この場合、一般に樹脂接着剤は環境変化や劣化により耐久性が比較的乏しいため、封止部分からの電解質の漏洩が起こるおそれがある。
これに対して、円筒素子の開口端部をネジ構造により封止し、さらに好ましくは開口端部にＯリングを配置した封止構造を有するものが提案されている。この場合、一対の取り出し電極は、それぞれ封止部分から露出して設けられ、そのために封止部分に貫通孔を設ける等して取り出し電極を引き出す必要があるため、電解質の漏洩の観点からは貫通孔等の封止構造に不安が残る。
これに対し、封止を円筒素子の両端部に設ける一対の蓋体で構成し、蓋体が、軸方向に延出する導電性金属部を有し、導電性金属部の一端側がセル内部に設けられる一対の電極のいずれか一方に電気的に接続されて取り出し電極とされると、上記他の例に比べて封止がより確実に行われ、また、電解液の補給や、セル構成部材の更新等を行う場合に蓋体を脱着することで容易に行うことができ、保守が簡易となり、また、耐久性の面でも最も好ましい。このため、この蓋体で封止したセルを用いることがより好ましい。
【００２６】
円筒型色素増感太陽電池セル群を送電設備である電柱や発電設備である風車の支柱等に設ける場合、発生する電力をそのまま送電設備に供給することができる。一方、円筒型色素増感太陽電池セルを、例えば、山奥の道路に設置する照明塔に設ける場合、蓄電装置に貯めた電気を夜間使用することで、照明塔のための送電設備を省略することも可能である。また、この場合、平面型の色素増感太陽電池セル群を設置するための設置スペースを照明塔の周囲に確保することが難しいときであっても、本実施の形態に係る円筒型色素増感太陽電池セル群を設置するうえで支障は少ない。
【００２７】
以上説明した本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池発電システムのより好ましい実施態様について、以下に箇条書きで列記する。
（１）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、色素増感太陽電池発電システムが設置される柱状建造物は、電柱、照明塔（照明柱）、風車の支柱、橋脚、灯台または展望タワーである。
（２）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、柱状建造物の円筒型色素増感太陽電池セル群の側に向けた側面に光反射材または光散乱材を設ける
（３）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、隣り合う各セルを相互に離間して配置する。
（４）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、円筒型色素増感太陽電池セルは、両端がねじ込み式あるいは嵌合式の蓋体で封止され、蓋体は導電性材料で形成され、取出し電極として作用する。
（５）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、セル群を構成する各セルに上下両端部を固定枠に収めたものを柱状建造物の側面に固着させるとともに、各セルを水平方向に連結して、柱状建造物の側面に配列させたものを用いる。
（６）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、多数のセルを柱状建造物の側面形状に沿う半割環状あるいは全周環状の枠に収めたものを必要に応じて分割した状態で、柱状建造物の側面に取り付け、配列させたものを用いる。
【００２８】
つぎに、本実施の形態の第二の例に係る色素増感太陽電池発電システムについて説明する。
本実施の形態の第二の例に係る色素増感太陽電池発電システムは、遮蔽物を透過、または遮蔽物の間隙から進入する太陽光を受光するように設けられる柱状建造物と、柱状建造物の太陽光を受光する側を少なくとも含む側面に該側面に沿ってほぼ鉛直方向にセルの両端が位置するように設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含む。
本実施の形態の第二の例に係る色素増感太陽電池発電システムは、柱状建造物が遮蔽物を透過、または遮蔽物の間隙から進入する太陽光を受光するように設けられる点のみが本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池発電システムと相違し、その他の点は本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池発電システムと同じである。このため、本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池発電システムについて説明した実施態様が適用できる。
柱状建造物が遮蔽物を透過する太陽光を受光するように設けられるとは、例えば半透明や透明のシートやガラス等で覆われた施設のなかに柱状建造物が設けられ、太陽光を受光することをいう。また、柱状建造物が遮蔽物の間隙から進入する太陽光を受光するように設けられるとは、配列されるフレーム間に隙間を有する構造物や、開口を有する構造物のなかに柱状建造物が設けられ、太陽光を受光することをいう。
【符号の説明】
【００２９】
色素増感太陽電池発電システム  １０  
柱状建造物  １２  
円筒型色素増感太陽電池セル  １４
円筒型色素増感太陽電池セル群  １６
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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