(57)【要約】【課題】筐体に対する光電変換素子の位置ズレを十分に抑制できる光電変換装置を提供すること。【解決手段】光電変換素子と、光電変換素子を保持する筐体とを備え、光電変換素子が、基板と、基板の一面上に設けられる少なくとも１つの光電変換セルと、基板の一面上であって基板の周縁部に設けられる硬質部とを有し、光電変換セルが、基板の一面上に設けられる導電層と、導電層に対向して設けられる対向基板とを有し、筐体が、光電変換素子を収容する収容部と、収容部に設けられ、光電変換素子を収容部に固定する固定部とを有し、硬質部のタイプＤデュロメータによるデュロメータ硬さが５０より大きく、硬質部が、基板と固定部とによって挟まれている、光電変換装置。【選択図】図２
2018081990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、
前記光電変換素子を保持する筐体とを備え、
前記光電変換素子が、
基板と、
前記基板の一面上に設けられる少なくとも１つの光電変換セルと、
前記基板の前記一面上であって前記基板の周縁部に設けられる硬質部とを有し、
前記光電変換セルが、
前記基板の前記一面上に設けられる導電層と、
前記導電層に対向して設けられる対向基板とを有し、
前記筐体が、
前記光電変換素子を収容する収容部と、
前記収容部に設けられ、前記光電変換素子を前記収容部に固定する固定部とを有し、
前記硬質部のタイプＤデュロメータによるデュロメータ硬さが５０より大きく、
前記硬質部が、前記基板と前記固定部とによって挟まれている、光電変換装置。
【請求項２】
前記光電変換素子が、
前記基板の前記一面側に設けられ、前記光電変換セルを覆って保護する保護層をさらに有し、
前記保護層の周縁部が前記硬質部を構成している、請求項１に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
色素増感太陽電池などの色素を用いた光電変換装置は、光電変換効率が高く、製造コストが低いなどの利点を持つため注目されている次世代光電変換装置である。
【０００３】
このような色素を用いた光電変換装置は光電変換素子を備えている。光電変換素子は一般に、基板と、基板上に設けられる少なくとも１つの光電変換セルとを備えているが、光電変換素子の中にはさらに基板の周縁部にブチルゴムなどの環状で軟質の接着部を介して固定され、基板との間に少なくとも１つの光電変換セルを配置させるバックシートを有するものもある（下記特許文献１参照）。
【０００４】
一方、光電変換装置としては、光電変換素子を保持する筐体を有するものも知られている。この筐体は一般に、光電変換素子を収容する収容部と、収容部に設けられ、バックシートを押さえて光電変換素子を収容部に固定する固定部とを有する。この場合、筐体の固定部がバックシートを介して接着部を押し付けることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９２００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載の光電変換装置は以下に示す課題を有していた。
【０００７】
すなわち、上記特許文献１に記載の光電変換装置では、筐体の固定部がバックシートを介して接着部を押し付けるため、光電変換装置が高温環境下に置かれると、接着部が軟化し、その結果、バックシートと筐体の固定部との間に隙間が生じる場合があり、その場合には光電変換素子が筐体に対する本来の位置から位置ズレを起こすことが考えられる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、筐体に対する光電変換素子の位置ズレを十分に抑制できる光電変換装置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】
上記課題を解決するため、本発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子を保持する筐体とを備え、前記光電変換素子が、基板と、前記基板の一面上に設けられる少なくとも１つの光電変換セルと、前記基板の前記一面上であって前記基板の周縁部に設けられる硬質部とを有し、前記光電変換セルが、前記基板の前記一面上に設けられる導電層と、前記導電層に対向して設けられる対向基板とを有し、前記筐体が、前記光電変換素子を収容する収容部と、前記収容部に設けられ、前記光電変換素子を前記収容部に固定する固定部とを有し、前記硬質部のタイプＤデュロメータによるデュロメータ硬さが５０より大きく、前記硬質部が前記基板と前記固定部とによって挟まれている、光電変換装置である。
【００１０】
この光電変換装置によれば、硬質部が光電変換素子の基板と筐体の固定部によって挟み込まれており、硬質部のタイプＤデュロメータによるデュロメータ硬さが５０より大きいため、筐体の固定部が光電変換素子を筐体の収容部にしっかりと固定することが可能となる。このため、本発明の光電変換装置によれば、筐体に対する光電変換素子の位置ズレを十分に抑制できる。
【００１１】
上記光電変換装置においては、前記光電変換素子が、前記基板の前記一面側に設けられ、前記光電変換セルを覆って保護する保護層をさらに有し、前記保護層の周縁部が前記硬質部を構成していることが好ましい。
【００１２】
この場合、保護層の周縁部が硬質部を構成していない場合、例えば硬質部が、保護層と別に存在し、硬質部及び保護層を基板の一面に直交する方向に見た場合に基板の一面上であって保護層の外側領域に設けられている場合に比べると、基板の一面上において、硬質部を設置するための領域を省くことが可能となる。このため、基板の一面の面積を小さくすることができ、光電変換素子をより小型化できる。従って、光電変換装置をより小型化することができる。
【００１３】
なお、本発明において、タイプＤデュロメータによるデュロメータ硬さは、硬質部に使用する材料を用いて別個に厚さ２ｍｍ以上でかつ半径１２ｍｍ以上の大きさを有する試験片を用意し、この試験片についてＪＩＳ規格Ｋ７２１５「プラスチックのデュロメータ硬さ試験方法」に準拠して測定される値を言う。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、筐体に対する光電変換素子の位置ズレを十分に抑制できる光電変換素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の光電変換装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った切断面端面図である。
【図３】本発明の光電変換装置の他の実施形態を示す切断面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の光電変換装置の一実施形態を示す平面図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った切断面端面図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、光電変換装置１００は、光電変換素子１１０と、光電変換素子１１０を保持する筐体１２０とを備えている。光電変換素子１１０は、基板としての透明基板１１と、透明基板１１の一面１１ａ上に設けられる光電変換セル５０と、透明基板１１の一面１１ａ側に設けられ、光電変換セル５０を覆って保護する保護層６０とを有している。
【００１８】
透明基板１１は、光電変換セル５０が設けられる面（以下、「セル設置面」と呼ぶ）１１ａと反対側に光を受光するための受光面１１ｂを有している。
【００１９】
光電変換セル５０は、透明基板１１のセル設置面１１ａ上に設けられる電極としての透明導電層１２と、透明導電層１２に対向して設けられる対向基板２０と、透明導電層１２及び対向基板２０の間であって透明導電層１２上に設けられる酸化物半導体層１３と、透明基板１１及び対向基板２０の間に設けられ、これらを接続する環状の封止部３０と、封止部３０、透明導電層１２及び対向基板２０によって形成されるセル空間に設けられる電解質４０とを有している。酸化物半導体層１３には色素が担持されている。
【００２０】
対向基板２０は対極で構成され、基板と電極を兼ねる金属基板２１と、金属基板２１の透明基板１１側に設けられる触媒層２２とを有している。
【００２１】
保護層６０は、透明基板１１のセル設置面１１ａ上であって透明基板１１の周縁部に設けられる環状の硬質部６１と、環状の硬質部６１の内側で光電変換セル５０を覆うように設けられる被覆部６２とを有している。また、硬質部６１のタイプＤデュロメータによるデュロメータ硬さ（以下、単に「デュロメータ硬さ」と呼ぶ）は５０より大きくなっている。
【００２２】
一方、筐体１２０は、光電変換素子１１０を収容する収容部１２１と、収容部１２１に設けられ、光電変換素子１１０を収容部１２１に固定する固定部１２２とを有している。収容部１２１は、透明基板１１のうち光電変換セル５０と反対側の面に当接される底部１２１ａと、光電変換素子１１０を包囲する側壁部１２１ｂとで構成されている。側壁部１２１ｂの一端（下端）は底部１２１ａに接続され、側壁部１２１ｂの他端（上端）には固定部１２２が設けられている。固定部１２２と底部１２１ａとの間に光電変換素子１１０が挟まれている。なお、収容部１２１の底部１２１ａには、光電変換素子１１０の透明基板１１に光を入射させることができるように開口１２１ｃが形成されている。
【００２３】
そして、保護層６０の硬質部６１が透明基板１１と筐体１２０の固定部１２２とによって挟まれている。本実施形態では、硬質部６１が環状であるため、図１に示すように、酸化物半導体層１３の厚さ方向に沿って筐体１２０の固定部１２２と硬質部６１とを見た場合に、硬質部６１が固定部１２２と重ならない部分にまで延在している。すなわち、固定部１２２は、硬質部６１の一部のみと重なっている。
【００２４】
この光電変換装置１００によれば、硬質部６１が透明基板１１と固定部１２２によって挟み込まれており、硬質部６１のデュロメータ硬さが５０より大きいため、筐体１２０の固定部１２２が光電変換素子１１０を筐体１２０の収容部１２１にしっかりと固定することが可能となる。このため、光電変換装置１００によれば、筐体１２０に対する光電変換素子１１０の位置ズレを十分に抑制できる。
【００２５】
また光電変換装置１００は、透明基板１１のセル設置面１１ａ側に設けられ、光電変換セル５０を覆って保護する保護層６０を有し、保護層６０の周縁部が硬質部６１を構成している。このため、保護層６０の周縁部が硬質部６１を構成していない場合、例えば硬質部６１が、保護層６０と別に存在し、硬質部６１及び保護層６０を透明基板１１のセル設置面１１ａに直交する方向に見た場合に透明基板１１のセル設置面１１ａ上であって保護層６０の外側領域に設けられている場合に比べると、透明基板１１のセル設置面１１ａ上において、硬質部６１を設置するための領域を省くことが可能となる。このため、透明基板１１のセル設置面１１ａの面積を小さくすることができ、光電変換素子１１０をより小型化できる。従って、光電変換装置１００をより小型化することができる。また、透明基板１１のセル設置面１１ａ上において、硬質部６１を設置するための領域を省くことが可能となるため、透明基板１１の受光面１１ｂの面積に対する酸化物半導体層１３の面積の割合を大きくすることが可能となり、光電変換素子１１０の開口率を増加させることも可能となる。
【００２６】
さらに光電変換装置１００においては、酸化物半導体層１３の厚さ方向に沿って筐体１２０の固定部１２２と硬質部６１とを見た場合に、硬質部６１が環状であるため、硬質部６１が固定部１２２と重ならない部分にまで延在している。このため、酸化物半導体層１３の厚さ方向に沿って筐体１２０の固定部１２２と硬質部６１とを見た場合に、筐体１２０の固定部１２２が硬質部６１に対して位置ズレしても、硬質部６１が、透明基板１１と、筐体１２０の固定部１２２とによって挟まれた状態を維持することができる。また、硬質部６１のうち固定部１２２側の面積が増えるため、硬質部６１から光電変換セル５０に加わる力を分散させることもできる。
【００２７】
次に、光電変換素子１１０及び筐体１２０について詳細に説明する。
【００２８】
≪光電変換素子≫
光電変換素子１１０は、透明基板１１と、光電変換セル５０と、保護層６０とを有している。そこで、以下、これらについて詳細に説明する。
【００２９】
＜透明基板＞
透明基板１１を構成する材料は、例えば透明な材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、および、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）などが挙げられる。透明基板１１の厚さは、光電変換素子１００のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば０．０５〜１０ｍｍの範囲にすればよい。
【００３０】
＜光電変換セル＞
光電変換セル５０は、透明導電層１２と、対向基板２０と、酸化物半導体層１３と、封止部３０と、電解質４０と、酸化物半導体層１３に担持される色素とを有している。以下、これらについて詳細に説明する。
【００３１】
（透明導電層）
透明導電層１２を構成する材料としては、例えばスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、及び、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）などの導電性金属酸化物が挙げられる。透明導電層１２は、単層でも、異なる導電性金属酸化物で構成される複数の層の積層体で構成されてもよい。透明導電層１２が単層で構成される場合、透明導電層１２は、高い耐熱性及び耐薬品性を有することから、ＦＴＯで構成されることが好ましい。透明導電層１２の厚さは例えば０．０１〜２μｍの範囲にすればよい。
【００３２】
（対向基板）
対向基板２０は、上述したように、基板と電極を兼ねる金属基板２１と、金属基板２１の透明基板１１側に設けられて電解質４０の還元に寄与する導電性の触媒層２２とを備える。
【００３３】
金属基板２１は、金属で構成されればよいが、例えばチタン、ニッケル、白金、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ステンレス等の耐食性の金属材料で構成される。金属基板２１の厚さは、光電変換素子１１０のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば０．０１〜４ｍｍとすればよい。
【００３４】
触媒層２２は、白金、炭素系材料又は導電性高分子などから構成される。ここで、炭素系材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブが好適に用いられる。なお、対極２０は、金属基板２１が触媒機能を有する場合（例えばカーボンなどを含有する場合）には触媒層２２を有していなくてもよい。
【００３５】
（酸化物半導体層）
酸化物半導体層１３は、酸化物半導体粒子で構成されている。酸化物半導体粒子は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、又はこれらの２種以上で構成される。酸化物半導体層１３の厚さは、例えば０．１〜１００μｍとすればよい。
【００３６】
（封止部）
封止部３０を構成する材料としては、例えば変性ポリオレフィン樹脂、ビニルアルコール重合体などの熱可塑性樹脂、及び、紫外線硬化樹脂などの樹脂が挙げられる。変性ポリオレフィン樹脂としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体およびエチレン−ビニルアルコール共重合体が挙げられる。これらの樹脂は単独で又は２種以上を組み合せて用いることができる。
【００３７】
封止部３０の厚さは通常、１０〜５０μｍであり、好ましくは２０〜４０μｍである。この場合、封止部３０の内部への水の侵入をより十分に抑制できる。
【００３８】
（電解質）
電解質４０は、酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、バレロニトリル、ピバロニトリル、などを用いることができる。酸化還元対としては、例えばヨウ化物イオン／ポリヨウ化物イオン（例えばＩ−／Ｉ３−）、臭化物イオン／ポリ臭化物イオンなどのハロゲン原子を含む酸化還元対のほか、亜鉛錯体、鉄錯体、コバルト錯体などのレドックス対が挙げられる。なお、ヨウ化物イオン／ポリヨウ化物イオンは、ヨウ素（Ｉ２）と、アニオンとしてのアイオダイド（Ｉ−）を含む塩（イオン性液体や固体塩）とによって形成することができる。アニオンとしてアイオダイドを有するイオン性液体を用いる場合には、ヨウ素のみ添加すればよく、有機溶媒や、アニオンとしてアイオダイド以外のイオン性液体を用いる場合には、ＬｉＩやテトラブチルアンモニウムアイオダイドなどのアニオンとしてアイオダイド（Ｉ−）を含む塩を添加すればよい。また電解質４０は、有機溶媒に代えて、イオン液体を用いてもよい。イオン液体としては、例えばピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩などが用いられる。このようなヨウ素塩としては、例えば、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド、１−エチル−３−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアイオダイド、又は、１−メチル−３−プロピルイミダゾリウムアイオダイドが好適に用いられる。
【００３９】
また、電解質４０は、上記有機溶媒に代えて、上記イオン液体と上記有機溶媒との混合物を用いてもよい。
【００４０】
また電解質４０には添加剤を加えることができる。添加剤としては、１−メチルベンゾイミダゾール（ＮＭＢ）、１−ブチルベンゾイミダゾール（ＮＢＢ）などのベンゾイミダゾール、ＬｉＩ、テトラブチルアンモニウムアイオダイド、４−ｔ−ブチルピリジン、グアニジウムチオシアネートなどが挙げられる。中でも、ベンゾイミダゾールが添加剤として好ましい。
【００４１】
さらに電解質４０としては、上記電解質にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、カーボンナノチューブなどのナノ粒子を混練してゲル様となった擬固体電解質であるナノコンポジットゲル電解質を用いてもよく、また、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などの有機系ゲル化剤を用いてゲル化した電解質を用いてもよい。
【００４２】
（色素）
色素としては、例えばビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体や、ポルフィリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などの光増感色素や、ハロゲン化鉛系ペロブスカイト結晶などの有機−無機複合色素などが挙げられる。ハロゲン化鉛系ペロブスカイトとしては、例えばＣＨ３ＮＨ３ＰｂＸ３（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）が用いられる。上記色素の中でも、ビピリジン構造又はターピリジン構造を含む配位子を有するルテニウム錯体が好ましい。この場合、光電変換装置１００の光電変換特性をより向上させることができる。なお、色素として、光増感色素を用いる場合には、光電変換装置１００は色素増感光電変換装置となる。
【００４３】
＜保護層＞
保護層６０は、硬質部６１と被覆部６２とを有している。
【００４４】
保護層６０の材料としては、樹脂材料からなる少なくとも１つの層で構成される。樹脂材料としては、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂などが挙げられる。中でもポリイミド樹脂が好ましい。この場合、より優れた絶縁性を保護層６０に付与することができる。
【００４５】
（硬質部）
硬質部６１のデュロメータ硬さは５０より大きければ特に制限されないが、硬質部６１のデュロメータ硬さは６５以上であることが好ましい。この場合、筐体１２０に対する光電変換素子１１０の位置ズレをより十分に抑制することができる。
【００４６】
硬質部６１のデュロメータ硬さは、透明基板１１及び筐体１２０の固定部１２２のデュロメータ硬さのうち小さい方のデュロメータ硬さの８０％以上であることが好ましい。この場合、筐体１２０に対する光電変換素子１１０の位置ズレをより十分に抑制することができる。
【００４７】
≪筐体≫
次に、筐体１２０について詳細に説明する。
【００４８】
筐体１２０は、収容部１２１及び固定部１２２を有する。
【００４９】
＜収容部＞
収容部１２１は、底部１２１ａ及び側壁部１２１ｂによって光電変換素子１１０を収容し得る形状を有していればよい。
【００５０】
収容部１２１を構成する材料としては、例えばポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリブチレンテレフタレート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂、アルミニウム等の金属又はセラミックスなどを用いることができる。
【００５１】
＜固定部＞
固定部１２２は、光電変換素子１１０とともに、硬質部６１を挟むものである。本実施形態では、１つの環状の硬質部６１を２つの固定部１２２で固定している。固定部１２２は通常、収容部１２１とともに一体成形される。すなわち固定部１２２は通常、収容部１２１と同一材料で構成される。しかし、固定部１２２は収容部１２１とは異なる材料で構成されていてもよい。
【００５２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、光電変換素子１１０が、硬質部６１及び被覆部６２を有しているが、例えば図３に示す光電変換装置２００のように、光電変換素子は被覆部６２を有していなくてもよい。この場合、光電変換素子２１０は硬質部６１のみを有することとなる。また本実施形態において、硬質部６１は、環状であるが、図３に示す光電変換装置２００のように光電変換素子２１０が被覆部６２を有していない場合には、硬質部６１は環状でなくてもよい。なお、図３において、図１及び図２に示される構成要素と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付してある。
【００５３】
また上記実施形態では、硬質部６１の一部が固定部１２２と重なっているが、硬質部６１の全部が固定部１２２と重なっていてもよい。
【００５４】
さらに上記実施形態の光電変換装置１００では、透明導電層１２上に酸化物半導体層１３が設けられているが、酸化物半導体層１３は対向基板２０上に設けられてもよい。但し、この場合、触媒層２２は透明導電層１２上に設けられる。
【００５５】
さらにまた上記実施形態では、対向基板２０が対極で構成されているが、対向基板２０は絶縁性基板で構成されてもよい。但し、この場合は、透明導電層１２と対向基板２０との間に、透明導電層１２側から順次、酸化物半導体層１３、電解質４０を含浸した多孔性の絶縁層、及び対極で構成される積層体が設けられる。
【００５６】
また上記実施形態では、光電変換装置１００が１つの光電変換セル５０のみを有しているが、光電変換装置１００は光電変換セル５０を複数備えていてもよい。ここで、複数の光電変換セル５０は直列に接続されてもよいし、並列に接続されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１１…透明基板（基板）
１２…透明導電層（導電層）
２０…対向基板
５０…光電変換セル
６０…保護層
６１…硬質部
１００，２００…光電変換装置
１１０，２１０…光電変換素子
１２０…筐体
１２１…収容部
１２２…固定部
【図１】
2018081990.tif 000003
【図２】
2018081990.tif 000004
【図３】
2018081990.tif 000005