(57)【要約】【課題】容易な方法で、太陽電池の性能を向上させることを目的とする。【解決手段】低粘度の電解液４ａと高粘度の電解液４ｂとを別々に供給し、透光性電極１と対極２とをあわせる際に、低粘度の電解液４ａと高粘度の電解液４ｂとを押し広げることにより、低粘度の電解液４ａ上に高粘度の電解液４ｂを積層させ、光触媒膜３に低粘度の電解液４ａを浸透させながら、上層に高粘度の電解液４ｂを配置することにより低粘度の電解液４ａが漏れ出すことを抑制でき、容易な方法で、色素増感太陽電池の性能を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性電極と、対向電極と、前記透光性電極および前記対向電極の間に封止される電解液と、前記透光性電極および前記対向電極の間で且つ前記透光性電極側に配置されると共に金属酸化物膜に色素を吸着させてなる光触媒膜とを具備する色素増感太陽電池の製造方法であって、
電解液を封止する際に、
前記透光性電極上に前記光触媒膜を囲む封止材を形成する工程と、
前記封止材で囲まれた領域内に第１の電解液を注入する工程と、
前記第１の電解液より高粘度の第２の電解液を滴下する工程と、
前記対極電極が前記第２の電解液を押し広げるように前記封止材および前記集電電極と前記対極とを密着させる工程と
を有し、前記第２の電解液が前記第１の電解液上に積層されることを特徴とする色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記第１の電解液を前記封止材で囲まれた領域内に注入した後、前記第２の電解液を前記第１の電解液上に滴下することを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記第２の電解液を滴下した後、前記第１の電解液を前記封止材で囲まれた領域内に注入することを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項４】
前記第１の電解液および前記第２の電解液が、それぞれ１または複数の電解液に分けて注入または滴下され、前記第１の電解液から前記第２の電解液にわたって積層される電解液は、前記透光性電極側から前記対極側に向かう程、Ｉ３−イオン濃度が高く、Ｉ−イオン濃度が低いことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項５】
透光性電極と、対向電極と、前記透光性電極および前記対向電極の間に封止される電解液と、前記透光性電極および前記対向電極の間で且つ前記透光性電極側に配置されると共に金属酸化物膜に色素を吸着させてなる光触媒膜とを具備する色素増感太陽電池の製造方法であって、
電解液を封止する際に、
前記光触媒膜上を囲うように第１の電解液を含有する枠を形成する工程と、
前記枠内に前記第１の電解液より低粘度の第２の電解液を注入する工程と、
前記対極が前記第１の電解液を含有する枠および前記第２の電解液を押し広げるように前記封止材および前記集電電極と前記対極とを密着させる工程と
を有し、前記第１の電解液が前記第２の電解液上に積層されることを特徴とする色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項６】
前記第１の電解液が前記第２の電解液より、Ｉ３−イオン濃度が高く、Ｉ−イオン濃度が低いことを特徴とする請求項５記載の色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項７】
透光性電極と、
対向電極と、
前記透光性電極上に形成されて金属酸化膜に色素が吸着されてなる光触媒膜と、
前記透光性電極および前記対向電極の間に封止される電解液層と
を有し、前記電解質層が粘度の異なる複数の電解液が積層される構成であり、前記透光性電極側から前記対極に向かう程、前記電解液の粘度が高くなると共に、前記電解液のＩ３−イオン濃度が高く、Ｉ−イオン濃度が低くなることを特徴とする色素増感太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
色素増感太陽電池の電解液層の製造方法およびそれを用いて製造する色素増感太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
色素増感太陽電池では、光触媒膜の色素を還元するための電解液が、光触媒膜の周囲の透光性電極と対極との間に封止されている。
電解液の形成は、電解液の粘度により異なる方法で行われていた。
【０００３】
電解液の粘度が高い場合、一方の電極基板の光電変換素子領域を囲う封止材を形成した後、封止材で囲まれた内部に電解液を注入し、他方の電極基板を張り合わせることにより、光電変換素子領域に電解液を封止していた。
【０００４】
また、電解液の粘度が低い場合、両電極を張り合わせた時に、電解液が低粘度であるために隣接する光電変換素子領域に電解液が漏れ出し、電解液の封止が困難となる場合がある。そのため、一方の基板に電解液注液孔を設けておき、両基板を張り合わせた後、電解液注液孔から電解液を注入することにより電解液を封止していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５２１７９号公報
【特許文献２】特開２００９−１９３７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電解液の粘度が高い場合、光触媒膜へ電解液が浸透し難く、太陽電池としての性能の確保が困難となり、あるいは、十分に電解液を浸透させるために長時間を要し、製造工程が長期化するという問題点があった。
【０００７】
また、電解液の粘度が低い場合、電解液注液孔のみから電解液を注入し、電解液を光電変換素子全体に流動させる必要があるため、特に、光電変換素子の表面積が大きい場合、電解液が均一に分布させることが困難となり、太陽電池としての性能の確保が困難となるという問題点があった。
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明は、容易な方法で、太陽電池の性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、色素増感太陽電池の製造方法は、透光性電極と、対向電極と、前記透光性電極および前記対向電極の間に封止される電解液と、前記透光性電極および前記対向電極の間で且つ前記透光性電極側に配置されると共に金属酸化物膜に色素を吸着させてなる光触媒膜とを具備する色素増感太陽電池の製造方法であって、電解液を封止する際に、前記透光性電極上に前記光触媒膜を囲む封止材を形成する工程と、前記封止材で囲まれた領域内に第１の電解液を注入する工程と、前記第１の電解液より高粘度の第２の電解液を滴下する工程と、前記対極電極が前記第２の電解液を押し広げるように前記封止材および前記集電電極と前記対極とを密着させる工程とを有し、前記第２の電解液が前記第１の電解液上に積層されることを特徴とする。
【００１０】
また、透光性電極と、対向電極と、前記透光性電極および前記対向電極の間に封止される電解液と、前記透光性電極および前記対向電極の間で且つ前記透光性電極側に配置されると共に金属酸化物膜に色素を吸着させてなる光触媒膜とを具備する色素増感太陽電池の製造方法であって、電解液を封止する際に、前記光触媒膜上を囲うように第１の電解液を含有する枠を形成する工程と、前記枠内に前記第１の電解液より低粘度の第２の電解液を注入する工程と、前記対極が前記第１の電解液を含有する枠および前記第２の電解液を押し広げるように前記封止材および前記集電電極と前記対極とを密着させる工程とを有し、前記第１の電解液が前記第２の電解液上に積層されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の色素増感太陽電池は、透光性電極と、対向電極と、前記透光性電極上に形成されて金属酸化膜に色素が吸着されてなる光触媒膜と、前記透光性電極および前記対向電極の間に封止される電解液層とを有し、前記電解質層が粘度の異なる複数の電解液が積層される構成であり、前記透光性電極側から前記対極に向かう程、前記電解液の粘度が高くなると共に、前記電解液のＩ３−イオン濃度が高く、Ｉ−イオン濃度が低くなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、低粘度の電解液がもれ広がらないように封止材を設けると共に、低粘度の電解液と高粘度の電解液とを別々に供給し、透光性電極と対極とをあわせる際に、低粘度の電解液と高粘度の電解液とを押し広げることにより、低粘度の電解液上に高粘度の電解液を積層させ、光触媒膜に低粘度の電解液を浸透させながら、上層に高粘度の電解液を配置することにより低粘度の電解液が漏れ出すことを抑制でき、容易な方法で、色素増感太陽電池の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の色素増感太陽電池の基本構成を示す概略断面図
【図２】実施の形態１における色素増感太陽電池の製造方法に係る工程断面図
【図３】実施の形態１における色素増感太陽電池の製造方法に係るフロー図
【図４】実施の形態１の色素増感太陽電池の製造方法における高粘度電解液の滴下を説明する概略図
【図５】実施の形態２における色素増感太陽電池の製造方法に係る工程断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を用いて、本発明の色素増感太陽電池の基本構成を説明する。
図１は本発明の色素増感太陽電池の基本構成を示す概略断面図である。
色素増感太陽電池は、透光性電極１と、対極２と、透光性電極１上に形成されて金属酸化物膜に色素が吸着された光触媒膜３と、光触媒膜３と接し、透光性電極１と対極２との間に封止される電解液４を主な構成要素とする。
【００１５】
透光性電極１は、透光性基板５と透光性基板５上に形成される透光性導電膜６とからなる。対極２は、対極基板７と対極基板７上に形成される対極導電膜８とからなる。光触媒膜３は、透光性基板５の透光性導電膜６上に形成される。透光性電極１と対極２とは、透光性導電膜６と対極導電膜８とが光触媒膜３を挟んで離間して向かい合うように配置される。透光性電極１と対極２との間には、光電変換素子領域を囲むように封止材９が設けられる。電解液４は、透光性電極１，対極２および封止材９で封止された領域に封入される。また、電解液４は、低粘度電解液４ａ上に、低粘度電解液４ａより粘度の高い高粘度電解液４ｂが積層された構成である。光電変換素子は、光触媒膜３，電解液４，透光性導電膜６および対極導電膜８を基本構成とし、入射した光から電気を発生させる。また、複数の光電変換素子を、直列または並列に接続して色素増感太陽電池を形成する場合は、透光性導電膜６および対極導電膜８間，透光性導電膜６間、または対極導電膜８間を電気的に接続する集電電極１０をさらに設ける。図１では、３つの光電変換素子が直列に接続される場合を例示している。
【００１６】
以下、このような色素増感太陽電池の製造方法および色素増感太陽電池について、実施の形態として説明する。特に、本発明の色素増感太陽電池の製造方法は、積層構造の電解液を封止する工程に特徴がある。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１における色素増感太陽電池の製造方法について、図２〜図４を用いて説明する。
【００１７】
図２は実施の形態１における色素増感太陽電池の製造方法に係る工程断面図、図３は実施の形態１における色素増感太陽電池の製造方法に係るフロー図である。図４は実施の形態１の色素増感太陽電池の製造方法における高粘度電解液の滴下を説明する概略図であり、図４（ａ）は点状に高粘度電解液を滴下した状態の平面図、図４（ｂ）は線状に高粘度電解液を滴下した状態の平面図である。
【００１８】
色素増感太陽電池を製造する際に、図２（ａ）に示すように、あらかじめ、透光性基板５上に透光性導電膜６を形成して透光性電極１を形成する。また、対極基板７上に対極導電膜８を形成して対極２を形成する（図３のステップ１）。さらに、透光性導電膜６上に金属酸化物膜を形成し、金属酸化物膜に色素を吸着させることにより光触媒膜３を形成する（図３のステップ２）。
【００１９】
本発明の色素増感太陽電池の製造方法では、電解液を封止する際に、まず、図２（ｂ）に示すように、透光性電極１上に光触媒膜３が形成された光電変換領域を囲うように封止材９を形成する。また、必要に応じて、集電電極１０を形成する（図３のステップ３）。
【００２０】
次に、図２（ｃ）に示すように、封止材９で囲われた領域内に少なくとも低粘度電解液４ａを供給する。低粘度電解液４ａは、光触媒膜３が浸漬されるだけの量が注入される（図３のステップ４）。次に、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂを滴下する。この時、高粘度電解液４ｂは、その粘度を十分に高くすることにより、低粘度電解液４ａ上に盛り上がった状態で供給される（図３のステップ５）。なお、高粘度電解液４ｂの滴下は、低粘度電解液４ａ上の複数個所に点状に行っても良く（図４（ａ））、低粘度電解液４ａ上に線状に行っても良い（図４（ｂ））。
【００２１】
その後、図２（ｄ）に示すように、透光性電極１と対極２とを密着させ、対極２で低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとを押し広げ、透光性電極１と対極２との間に低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとを封止する。この時、高粘度電解液４ｂの粘度を低粘度電解液４ａの粘度より十分に高くすることにより、低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとが交じり合わず、分離しておくことができ、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂが配置された状態を維持できる。この状態で、対極２で押圧することにより、盛り上がった高粘度電解液４ｂが対極２により押し広げられ、図２（ｅ）に示すように、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂが積層され、透光性電極１，対極２および封止材９で囲まれた領域に低粘度電解液４ａおよび高粘度電解液４ｂが十分な量だけ封止された構成となる（図３のステップ６）。
【００２２】
このように、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂが積層され、低粘度電解液４ａが光触媒膜３の周囲に配置されることにより、低粘度電解液４ａが容易に光触媒膜３の内部まで浸透され、太陽電池の性能を向上させることができる。同時に、上層が高粘度電解液４ｂであるため、透光性電極１と対極２とを張り合わせたとき、高粘度電解液４ｂが封止材９や集電電極１０上に流れ出すことが抑制され、光電変換素子の表面積が大きい場合でも、容易に太陽電池の性能を向上させることができる。
【００２３】
なお、以上の説明では、低粘度電解液４ａを注入した後、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂを滴下したが、光触媒膜３上の一部に、点状または線状に高粘度電解液４ｂを滴下した後、封止材９内に低粘度電解液４ａを注入しても良い。
【００２４】
このように、封止材９を形成し、光触媒膜３上の一部の上に高粘度電解液４ｂを供給した後、封止材９で囲まれた領域内に少なくとも低粘度電解液４ａを供給し、対極２で高粘度電解液４ｂを押し広げることにより、高粘度電解液４ｂの粘度が低粘度電解液４ａの粘度より十分に高いために低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとが混ざり合わず、低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとが分離して押し広げられ、低粘度電解液４ａが高粘度電解液４ｂより光触媒膜３に浸透しやすいため、低粘度電解液４ａが光触媒膜３に吸い寄せられ、容易に低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液５ｂが積層される構造となる。そのため、低粘度電解液４ａが容易に光触媒膜３の内部まで浸透され、色素増感太陽電池の性能を向上させることができると共に、上層が高粘度電解液４ｂであるため、透光性電極１と対極２とを張り合わせたとき、高粘度電解液４ｂが封止材９や集電電極１０上に流れ出すことが抑制され、光電変換素子の表面積が大きい場合でも、容易に電解液４を均一に分布させることができ、容易に色素増感太陽電池の性能を向上させることができる。
【００２５】
また、積層される電解液４は粘度の異なる２種類の電解液に限らず、３種類以上の電解液を積層しても良い。この場合、各層の粘度を異ならせ、最下層の低粘度電解液の粘度を光触媒膜へ十分に浸透させるために必要な粘度以下の粘度の電解液を用い、少なくとも最上層の電解液の粘度を、封止材９を超えてもれ広がることが抑制できる粘度以上の電解液を用いれば良い。
【００２６】
さらに、電解液４としてヨウ素溶液を用いる場合、積層される電解液のＩ３−イオン濃度とＩ−イオン濃度を異ならせても良い。この際、透光性電極１側から対極２側に向かう程、Ｉ３−イオン濃度が高くなり、Ｉ−イオン濃度が低くなるように、各電解液のＩ３−イオン濃度およびＩ−イオン濃度を設定することが好ましい。これは、対極２は電解液であるヨウ素溶液中のＩ３−イオンにより酸化されるため、対極２の周囲の電解液ではＩ３−イオン濃度を高くすることにより色素増感太陽電池の特性の向上を図ることができ、また、透光性電極１側に配置される光触媒膜３の色素はＩ−イオンにより還元されるため、透光性電極１側に積層される電解液ではＩ−イオン濃度を高くすることにより色素増感太陽電池の特性の向上を図ることができるためである。
【００２７】
すなわち、白金やカーボンなどが原材料となる対極２側はＩ３−によって酸化され、色素はＩ−によって還元される。この酸化，還元の際に、ヨウ素自体は、Ｉ３−＋２ｅ−＝３Ｉ−＋Ｉ２のように変化する。従って、対極２側ではＩ３−が、色素側（光触媒膜３側）ではＩ−が多いことが好ましい。
【００２８】
また、溶媒にもよるが、Ｉ３−とＩ−の拡散係数はほぼ同じ値であり、Ｉ−濃度がＩ３−濃度に対して十分高いため、一般的に色素増感太陽電池の変換効率は、Ｉ３−の拡散に支配されることとなる。つまり、主に対極２側のＩ３−濃度を向上させることが、色素増感太陽電池の性能の向上につながる。なお、Ｉ３−はヨウ素から、Ｉ−はヨウ化リチウムから主に生成されるので、光触媒膜３上に最初に供給する電解液は、ヨウ素に対してヨウ化リチウムが多いものとし、その上から積層する電解液は、徐々にヨウ化リチウムに対してヨウ素を多くしていくことが好ましい。
【００２９】
例えば、電解液が２層の場合、透光性電極１側の電解液における、ヨウ化リチウムの濃度を０．１０Ｍより大きく１．００Ｍ以下、ヨウ素の濃度を０．００５Ｍ以上０．１０Ｍ以下とし、対極２側の電解液における、ヨウ化リチウムの濃度を０．０１Ｍ以上０．１０Ｍ以下、ヨウ素の濃度を０．１０Ｍより大きく１．００Ｍ以下とする。
【００３０】
また、透光性電極１と対極２との間の距離は１０μｍ〜５０μｍとし、好ましくは２０μｍ程度とすることができる。また、低粘度電解液４ａの粘度は０．５ｍＰａ・ｓ以上１０ｍＰａ・ｓ以下、高粘度電解液４ｂの粘度は１，０００ｍＰａ・ｓ以上１５０，０００ｍＰａ・ｓ以下とする。また、高粘度電解液４ｂの供給量は０．５ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下とする。
【００３１】
イオン濃度については、下表に示すようにでき、そのときの色素増感太陽電池の特性の実験結果を示す。
【００３２】
【表１】
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このように、以上の条件においては、色素増感太陽電池は、透光性電極１側の電解液におけるＩ−イオン濃度を高くすることにより色素増感太陽電池の特性の向上を図ることができ、さらに、対極２側のＩ３−イオン濃度を高くすることにより色素増感太陽電池の特性の向上を図ることができる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２における色素増感太陽電池の製造方法を、図５を用いて説明する。
【００３３】
図５は実施の形態２における色素増感太陽電池の製造方法に係る工程断面図である。
色素増感太陽電池を製造する際に、図５（ａ）に示すように、あらかじめ、透光性基板５上に透光性導電膜６を形成して透光性電極１を形成する。また、対極基板７上に対極導電膜８を形成して対極２を形成する。さらに、透光性導電膜６上に金属酸化物膜を形成し、金属酸化物膜に色素を吸着させることにより光触媒膜３を形成する。
【００３４】
本発明の色素増感太陽電池の製造方法では、電解液を封止する際に、まず、図５（ｂ）に示すように、透光性電極１上に光触媒膜３が形成された光電変換領域を囲うように封止材９を形成する。また、必要に応じて、集電電極１０を形成する。
【００３５】
次に、図５（ｃ）に示すように、光触媒膜３上に、高粘度電解液４ｂからなる環状の枠１１を形成する。枠１１の高さは、頂点が封止材９より高い位置になるように形成する。高粘度電解液４ｂの粘度は、枠１１の形状を維持できる程度以上の粘度とする。
【００３６】
次に、図５（ｄ）に示すように、枠１１で囲われた領域内に低粘度電解液４ａを供給する。低粘度電解液４ａは、封止材９に囲まれた領域において光触媒膜３が浸漬されるだけの量が注入される。
【００３７】
その後、図５（ｅ）に示すように、透光性電極１と対極２とを密着させ、対極２で高粘度電解液４ｂからなる枠１１を押し広げ、透光性電極１と対極２との間に低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとを封止する。この時、高粘度電解液４ｂの粘度を低粘度電解液４ａの粘度より十分に高くすることにより、低粘度電解液４ａと高粘度電解液４ｂとが交じり合わず、分離しておくことができる。この状態で、対極２で押圧することにより、盛り上がった高粘度電解液４ｂが対極２により押し広げられる。そして、低粘度電解液４ａが高粘度電解液４ｂより、光触媒膜３への浸透力が高いため、優先的に光触媒膜３側に引き寄せられる。そのため、図５（ｆ）に示すように、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂが積層され、透光性電極１，対極２および封止材９で囲まれた領域に低粘度電解液４ａおよび高粘度電解液４ｂが十分な量だけ封止された構成となる。
【００３８】
このように、低粘度電解液４ａ上に高粘度電解液４ｂが積層され、低粘度電解液４ａが光触媒膜３の周囲に配置されることにより、低粘度電解液４ａが容易に光触媒膜３の内部まで浸透され、太陽電池の性能を向上させることができる。同時に、上層が高粘度電解液４ｂであるため、透光性電極１と対極２とを張り合わせたとき、高粘度電解液４ｂが封止材９や集電電極１０上に流れ出すことが抑制され、容易に太陽電池の性能を向上させることができる。
【００３９】
なお、実施の形態１と同様に、高粘度電解液４ｂを低粘度電解液４ａよりＩ３−イオン濃度を高くし、Ｉ−イオン濃度が低くしても良い。これにより、色素増感太陽電池の特性の向上を図ることができる。
【００４０】
また、実施の形態１と同様に、例えば、透光性電極１と対極２との間の距離は１０μｍ〜５０μｍとし、好ましくは２０μｍ程度とすることができる。また、低粘度電解液４ａの粘度は０．５ｍＰａ・ｓ以上１０ｍＰａ・ｓ以下、高粘度電解液４ｂの粘度は１，０００ｍＰａ・ｓ以上１５０，０００ｍＰａ・ｓ以下とする。また、高粘度電解液４ｂの供給量は０．５ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下とする。
【符号の説明】
【００４１】
１    透光性電極
２    対極
３    光触媒膜
４    電解液
４ａ    低粘度電解液
４ｂ    高粘度電解液
５    透光性基板
６    透光性導電膜
７    対極基板
８    対極導電膜
９    封止材
１０    集電電極
１１    枠
【図１】
2015179789.tif 000004
【図２】
2015179789.tif 000005
【図３】
2015179789.tif 000006
【図４】
2015179789.tif 000007
【図５】
2015179789.tif 000008