(57)【要約】【課題】内部に含まれた電解質の漏れを防止することが可能な、新規かつ改良された染料感応太陽電池を提供する。【解決手段】光電変換を行う少なくとも一つ以上の光電セルを含む染料感応太陽電池は、互いに対向するように配置されて、電解質が収容される空間を形成する第１基板及び第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置されて、前記電解質を密封する内部密封部材と、前記内部密封部材から外郭に所定の距離ほど離隔されて、前記内部密封部材を取り囲む外部密封部材と、前記内部密封部材と前記外部密封部材との間に充填されている流体と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行う少なくとも一つ以上の光電セルを含む染料感応太陽電池であって、
互いに対向するように配置されて、電解質が収容される空間を形成する第１基板及び第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に配置されて、前記電解質を密封する内部密封部材と、
前記内部密封部材から外郭に所定の距離ほど離隔されて、前記内部密封部材を取り囲む外部密封部材と、
前記内部密封部材と前記外部密封部材との間に充填されている流体と、を備える染料感応太陽電池。
【請求項２】
前記内部密封部材に作用する前記流体の圧力は、前記内部密封部材の内部圧力より大きい請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項３】
前記流体は、気体である請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項４】
前記流体は、液体である請求項１又は２に記載の染料感応太陽電池。
【請求項５】
前記流体の濃度は、前記電解質の濃度と同じである請求項４に記載の染料感応太陽電池。
【請求項６】
前記流体は、シリコンオイルである請求項４に記載の染料感応太陽電池。
【請求項７】
前記流体は、電解質または電解質溶媒である請求項４に記載の染料感応太陽電池。
【請求項８】
前記外部密封部材と前記内部密封部材との離隔距離は、あらゆる方向で同じ大きさである請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項９】
前記内部密封部材は、前記光電セルを収容するための空間を少なくとも一つ以上備える請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項１０】
前記光電セルは複数個であり、前記複数個の光電セルは、一方向に互いに平行に備えられる請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項１１】
前記光電セルは、
前記第１基板及び前記第２基板に形成された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極上に形成された半導体層と、
前記半導体層と前記第２電極との間に充填された前記電解質と、を備える請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、染料感応太陽電池に係り、特に光電セルに充填された電解質の漏れを防止する染料感応太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、化石燃料に代替するエネルギーの源泉として、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子について多様な研究が進められており、太陽光を利用する太陽電池が多く注目されている。
【０００３】
多様な駆動原理を有する太陽電池についての研究が進められているが、そのうち、半導体のｐｎ接合を利用するウェーハ形態のシリコンまたは結晶質の太陽電池が最も多く普及しているが、高純度の半導体材料を形成及び取り扱うという工程の特性上、製造コストが高いという問題がある。
【０００４】
シリコン太陽電池と異なり、染料感応太陽電池は、可視光線の波長を有する光が入射すれば、それを受けて励起電子を生成できる感光性染料、励起された電子を受容できる半導体物質、及び外部回路から戻る電子と反応する電解質を主な構成とし、従来の太陽電池に比べて飛躍的に高い光電変換効率を有するので、次世代の太陽電池として期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、染料感応太陽電池においては、内部に含まれた電解質が漏れる恐れがあるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内部に含まれた電解質の漏れを防止することが可能な、新規かつ改良された染料感応太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、光電変換を行う少なくとも一つ以上の光電セルを含む染料感応太陽電池であって、互いに対向するように配置されて、電解質が収容される空間を形成する第１基板及び第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置されて、前記電解質を密封する内部密封部材と、前記内部密封部材から外郭に所定の距離ほど離隔されて、前記内部密封部材を取り囲む外部密封部材と、前記内部密封部材と前記外部密封部材との間に充填されている流体と、を備える染料感応太陽電池が提供される。
【０００８】
また、前記内部密封部材に作用する前記流体の圧力は、前記内部密封部材の内部圧力より大きいこととしても良い。
【０００９】
また、前記流体は、気体であることとしても良い。
【００１０】
また、前記流体は、液体であることとしても良い。
【００１１】
また、前記流体の濃度は、前記電解質の濃度と同じであることとしても良い。
【００１２】
また、前記流体は、シリコンオイルであることとしても良い。
【００１３】
また、前記流体は、電解質または電解質溶媒であることとしても良い。
【００１４】
また、前記外部密封部材と前記内部密封部材との離隔距離は、あらゆる方向で同じ大きさであることとしても良い。
【００１５】
また、前記内部密封部材は、前記光電セルを収容するための空間を少なくとも一つ以上備えることとしても良い。
【００１６】
また、前記光電セルは複数個であり、前記複数個の光電セルは、一方向に互いに平行に備えられることとしても良い。
【００１７】
また、前記光電セルは、前記第１基板及び前記第２基板に形成された第１電極及び第２電極と、前記第１電極上に形成された半導体層と、前記半導体層と前記第２電極との間に充填された前記電解質と、を備えることとしても良い。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、内部に含まれた電解質の漏れを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による染料感応太陽電池を上部から見た平面構造を示す図面である。
【図２】図１に示した内部密封部材及び外部密封部材の平面構造を示す図面である。
【図３】図１のIII−III´線に沿って切り取った断面図である。
【図４】内部密封部材と外部密封部材との配置状態を示す斜視図である。
【図５】図４の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２１】
一方、本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は、文句で特に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）”及び／または“含むところの（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”は、言及された構成要素、ステップ、動作及び／または素子は、一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作及び／または素子の存在または追加を排除しない。第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明するのに使われるが、構成要素は、用語により限定されてはならない。用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池１００の平面構造を示し、図２は、内部密封部材１３０と外部密封部材１５０との平面構造を示す。
【００２３】
染料感応太陽電池１００は、少なくとも一つ以上の光電セルＳを備え、複数個の光電セルＳが備えられる場合には、内部密封部材１３０を通じて光電セルＳを区画する。複数個の光電セルＳは、一方向に互いに平行に配置される。区画された複数個の光電セルＳは、接続部材１８０（図３）を通じて互いに直列または並列接続をなす。光電セルＳは、第１基板１１０と第２基板１２０との間で物理的に支持されることで、モジュール化される。
【００２４】
光電セルＳの内部には、電解質１７０が充填されている。電解質１７０は、光電セルＳを全体的に包み込む一方、隣接した光電セルＳの間に沿って配置された内部密封部材１３０によって密封される。すなわち、内部密封部材１３０は、電解質１７０を取り囲むように電解質１７０の周囲に配されて、電解質１７０が外部に漏れることを防止する。
【００２５】
一方、内部密封部材１３０は、光電セルＳを収容するための空間１８２を少なくとも一つ以上備える。光電セルＳが複数個備えられる場合には、内部密封部材１３０によってそれぞれの光電セルＳが区画される。１８１は、図２を参照して後述する接続部材１８０を収容するための空間である。
【００２６】
外部密封部材１５０は、内部密封部材１３０の外郭に所定の距離ほど離隔されて配置される。外部密封部材１５０は、内部密封部材１３０の内部に充填された電解質１７０を二重に密封する機能を行うと共に、流体１４０が充填される空間を形成する。
【００２７】
外部密封部材１５０と内部密封部材１３０との間に形成された空間には、流体１４０が充填される。流体１４０は、内部密封部材１４０により密封された電解質１７０の外部漏れを防止するためである。流体１４０は、内部密封部材１３０に所定の圧力を提供することによって、電解質１７０の液漏れを防止する。充填される流体１４０は、気体または液体でありうる。流体１４０として気体を使用する場合において、気体の種類は、特に限定されない。一実施形態として、気体は、染料感応太陽電池１００の製作コストなどを考慮する時、空気を使用できる。
【００２８】
流体１４０として液体を使用する場合には、内部密封部材１３０の内部と外部との濃度勾配を減らすことによって、電解質１７０の液漏れを防止できる。充填される液体としては、シリコンオイル、電解質、電解質溶媒などが利用される。
【００２９】
外部密封部材１５０の配置、及びそれを通じて形成された空間に充填される流体１４０に関するより具体的な説明は、以下、図４及び図５を参照して後述する。
【００３０】
図３は、図１のIII−III´線に沿って切り取った断面図である。図３を参照すれば、染料感応太陽電池１００は、互いに対向するように配置された第１基板１１０と第２基板１２０とを備え、両基板間に配置される内部密封部材１３０と外部密封部材１５０とを備える。また、内部密封部材１３０によって区画される少なくとも一つ以上の光電セルＳを備え、内部密封部材１３０と外部密封部材１５０との間に充填される流体１４０を備える。第１基板１１０及び第２基板１２０には、光電変換を行うための機能層１１５，１２５が形成されている。第１基板の機能層１１５は、光電極１１１と半導体層１１３とを備え、第２基板１２０の機能層１２５は、相対電極１２１と触媒層１２３とを備える。
【００３１】
第１基板１１０及び第２基板１２０は、ほぼ長方形に形成される。第１基板１１０は、上部に配置され、第２基板１２０は、下部に配置される。
【００３２】
第１基板１１０は、受光面の基板であって、透明素材として高い光透過率を有する素材で形成される。第１基板１１０は、例えば、ガラス素材のガラス基板または樹脂フィルムなどで形成される。樹脂フィルムは、可撓性を有するため、特に柔軟性が要求される時に有用である。
【００３３】
第２基板１２０は、相対基板であって、受光面の基板である第１基板１１０と対向して配置される。相対基板は、特に透明性を要求しないが、光電変化効率を高めるために、両側で光ＶＬを受けるように透明素材で形成され、受光面の基板と同じ素材で形成される。例えば、染料感応太陽電池１００が窓枠のような構造物に設置されるＢＩＰＶ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）用途に活用される場合には、室内に流入される光ＶＬを遮断しないように、第１基板１１０と第２基板１２０とをいずれも透明素材で形成することが望ましい。
【００３４】
第１基板１１０及び第２基板１２０は、内部密封部材１３０と外部密封部材１５０とが介在される所定の間隙を挟んで合着される。第１基板１１０及び第２基板１２０上には、それぞれ光電極１１１と相対電極１２１とが形成され、光電極１１１上には、光ＶＬにより励起される感光性染料を吸着した半導体層１１３が形成され、半導体層１１３と相対電極１２１との間には、電解質１７０が介在される。
【００３５】
光電極１１１は、染料感応太陽電池１００の負極として機能し、光電変換作用によって生成された電子を受け取って電流パスを提供する。光電極１１１を通じて入射された光ＶＬは、半導体層１１３に吸着された感光性染料の励起源として作用する。光電極１１１は、電気伝導性と共に光透明性を備えたＩＴＯ，ＦＴＯ，ＡＴＯなどのＴＣＯ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ
Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ）で形成される。光電極１１１は、電気伝導性に優れた金（Ａｇ）、銀（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属電極をさらに備える。かかる金属電極は、光電極１１１の電気抵抗を低めるためのものであって、ストライプパターンあるいはメッシュパターンに形成可能である。
【００３６】
半導体層１１３は、従来の染料感応太陽電池１００に使われた半導体素材を利用して形成可能である。または、金属酸化物で形成される。金属酸化物は、Ｃｄ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ａｇ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｃｒなどの金属酸化物が利用される。半導体層１１３は、感光性染料を吸着することで、光電変換効率を向上させることができる。例えば、５ｎｍないし１０００ｎｍ粒径の半導体粒子を噴射させたペーストを電極が形成された第１基板１１０に塗布した後、所定の熱あるいは圧力を適用して形成できる。
【００３７】
半導体層１１３に吸着された感光性染料は、第１基板１１０を透過して入射された光ＶＬを吸収し、感光性染料の電子は、基底状態から励起状態に励起される。励起された電子は、感光性染料と半導体層１１３との電気的結合を通じて半導体層１１３の伝導帯に転移され、転移された以後には、半導体層１１３を通過して光電極１１１に達し、光電極１１１を通じて外部に引き出されることで、外部回路を駆動する駆動電流を形成する。
【００３８】
感光性染料は、可視光帯域で吸収を見せ、光励起状態から迅速に半導体層１１３に電子を移動させる分子で構成可能である。感光性染料は、液状、半固体のゲル状、固状のうちいずれか一つでありうる。例えば、感光性染料としては、ルテニウム系の感光性染料が使われる。
【００３９】
光電セルＳに充填される電解質１７０としては、一対の酸化体と還元体とを含むレドックス電解質が適用される。電解質１７０は、固状の電解質、ゲル状の電解質、液状の電解質などがいずれも使用可能である。
【００４０】
相対電極１２１は、染料感応太陽電池１００の正極として機能する。半導体層１１３に吸着された感光性染料は、光ＶＬを吸収して励起され、励起された電子は、光電極１１１を通じて外部に引き出される。一方、電子を失った感光性染料は、電解質１７０の酸化により提供される電子を受け取って再び還元される。酸化された電解質１７０は、外部回路を経て相対電極１２１に達した電子により還元されて、光電変換の動作が完成する。
【００４１】
相対電極１２１も、光電極１１１と同様に、電気伝導性と共に光透明性を備えたＴＣＯで形成できる。また、相対電極１２１は、電気伝導性に優れたＡｕ，Ａｇ，Ａｌのような金属電極をさらに備えることはいうまでもない。
【００４２】
相対電極１２１上には、触媒層１２３が形成される。触媒層１２３は、電子を提供する還元触媒機能を有する素材で形成される。触媒層１２３としては、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌなどの金属や酸化スズのような金属酸化物あるいはグラファイトなどのカーボン系物質で形成できる。
【００４３】
複数個の光電セルＳは、接続部材１８０により電気的に接続される。接続部材１８０は、図２に示したように、内部密封部材１３０により定義された収容空間１８１内に配置される。収容空間１８１は、内部密封部材１３０を貫通して形成される。接続部材１８０は、接続部材１８０の上下に配置された光電極１１１及び相対電極１２１と接触するように延びており、隣接した光電セルＳ間の光電極１１１と相対電極１２１とを電気的に接続させる。図３は、直列接続された状態を示したものである。接続部材１８０としては、導電性に優れた金属素材、例えば、導電性ペーストを充填させて使用できる。
【００４４】
本実施形態では、光電セルＳが複数個形成された場合を説明したが、本発明は、これに限定しない。例えば、光電セルＳが一つずつ備えられた染料感応太陽電池１００であって、一つの素子として活用されることはいうまでもない。
【００４５】
図４は、内部密封部材１３０と外部密封部材１５０との配置状態を示す斜視図であり、図５は、図４の分解斜視図である。図４及び図５に示したように、内部密封部材１３０と外部密封部材１５０とは、第１基板１１０と第２基板１２０との間に配置される。
【００４６】
内部密封部材１３０は、第１基板１１０と第２基板１２０との間隔を維持すると共に、一方向に平行に配置される光電セルＳを区画する。また、電解質１７０を取り囲んで電解質１７０を密封する機能を行う。内部密封部材１３０としてエポキシのような熱硬化性樹脂、イオノマーのような熱可塑性樹脂、ＵＶ硬化性エポキシのような光硬化性樹脂などを利用できる。
【００４７】
外部密封部材１５０は、内部密封部材１３０と同様に、第１基板１１０と第２基板１２０との間隔を維持する。外部密封部材１５０も、内部密封部材１３０と同様に、エポキシのような熱硬化性樹脂、イオノマーのような熱可塑性樹脂、ＵＶ硬化性エポキシのような光硬化性樹脂などを利用できる。
【００４８】
一方、外部密封部材１５０は、内部密封部材１３０との間に流体１４０が充填される空間を提供する。このために、外部密封部材１５０は、内部密封部材１３０の外郭に所定の間隔ほど離隔されて配置される。この時、外部密封部材１５０と内部密封部材１３０との間隔は、ある方向であっても一定であることが望ましい。すなわち、内部密封部材１３０の長辺部１３０ａから外部密封部材１５０までの離隔距離ｗ１と、内部密封部材１３０の短辺部１３０ｂから外部密封部材１５０までの離隔距離ｗ２とが、同じ大きさに構成される。したがって、内部密封部材１３０の外部に充填された流体１４０が内部密封部材１３０の外壁に作用する圧力は、方向に関係なく一定である。内部密封部材１３０には、同じ圧力が作用するので、電解質１７０の液漏れを防止する染料感応太陽電池１００の密封構造は、安定的に維持されうる。
【００４９】
一方、外部密封部材１５０と内部密封部材１３０との間の圧力は、内部密封部材１３０の内部、すなわち、光電セルＳの内部の圧力より高く設定する。例えば、流体１４０として気体を充填する場合に、気体の圧力が内部密封部材１３０の内部圧力より高く充填する。内部密封部材１３０の外部で作用する流体１４０の圧力がさらに高いため、内部密封部材１３０の内部の電解質１７０が外部に漏れることを防止できる。
【００５０】
流体１４０として液体を利用する場合、流体１４０と内部密封部材１３０の内部の電解質１７０との濃度差を減らすことによって、電解質１７０の液漏れを防止できる。このために、流体１４０の濃度を電解質１７０の濃度と類似するか、または同一にする。充填される液体としては、シリコンオイル、電解質または電解質溶媒などを利用できる。特に、電解質や電解質溶媒を充填する場合には、内部密封部材１３０に充填された電解質１７０と同じ濃度の電解質または電解質溶媒を使用して、濃度勾配を減らすことができる。流体１４０として電解質を使用する場合には、イオン成分、添加剤及び溶媒などの面で電解質１７０と類似しているので、濃度勾配を最小化できるという長所がある。一方、流体１４０として電解質溶媒を使用する場合には、内部密封部材１３０の内部の電解質１７０の拡散において、最も脆弱な分子である溶媒分子の拡散を効果的に防止でき、前述した電解質より低価であるという長所がある。シリコンオイルは、約７０℃〜２００℃に達する広い温度範囲で物性変化が少ない特性及び防水性を有するので、染料感応太陽電池１００の安定性を向上させ、汚染防止剤としての機能も行う。
【００５１】
本実施形態では、外部密封部材１５０が第１基板１１０及び第２基板１２０より小さく形成された場合を図示したが、本発明は、これに限定しない。例えば、外部密封部材１５０は、第１基板１１０及び第２基板１２０と同じサイズに製作されて、染料感応太陽電池１００が完全な直方体の形状でありうる。
【００５２】
前記のような本発明の一実施形態によれば、内部密封部材だけでなく、内部密封部材の外部に外部密封部材をさらに備え、内部密封部材と外部密封部材との間に充填された流体が内部密封部材に所定の圧力を加えるように形成することによって、電解質の液漏れを効果的に防止できる。
【００５３】
また、前記のような本発明の一実施形態によれば、内部密封部材だけでなく、内部密封部材の外部に外部密封部材をさらに備え、内部密封部材と外部密封部材との間に充填された流体と内部密封部材の電解質との間の濃度勾配を最小化することによって、電解質の液漏れを効果的に防止できる。
【００５４】
かかる電解質の液漏れ防止を通じて、染料感応太陽電池の耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。
【００５５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、染料感応太陽電池関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１００  染料感応太陽電池
１１０  第１基板
１１１  光電極
１１３  半導体層
１１５，１２５  機能層
１２０  第２基板
１２１  相対電極
１２３  触媒層
１３０  内部密封部材
１４０  流体
１５０  外部密封部材
１７０  電解質
１８０  接続部材
１８１  接続部材の収容空間
Ｓ  光電セル
【図１】
2011204680.tif 000003
【図２】
2011204680.tif 000004
【図３】
2011204680.tif 000005
【図４】
2011204680.tif 000006
【図５】
2011204680.tif 000007