(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
色素増感太陽電池モジュール（１）であって、
互いに隣接するように並べられ、直列につながれた少なくとも２つの色素増感太陽電池ユニット（２ａ〜ｃ）を備えた直列構造を有し、各電池ユニットが：
- 作用電極（３）、
- 作用電極から光生成電子を取り出すための第１導電層（４）、
- 第２導電層（５）を含む対向電極、
- 対向電極から作用電極に電子を移動させるための電解質、および
- 対向電極を隣接する電池ユニットの作用電極と電気的に接続するための直列接続素子（６）、
を含み、
色素増感太陽電池モジュールは、多孔質絶縁基板（７）を備え、第１導電層が、多孔質絶縁基板の一方の面に形成された多孔質導電層であり、第２導電層が、多孔質絶縁基板の反対の面に形成された多孔質導電層であり、そして直列接続素子（６）が、前記多孔質絶縁基板（７）を貫通し、１つの電池ユニットの第１導電層（４）と隣接する電池ユニットの第２導電層（５）との間に伸びる導電層であり、それによって１つの電池ユニットの第１導電層を隣接する電池ユニットの第２導電層と電気的に接続させることを特徴とする色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項２】
前記第１（４）および第２（５）多孔質導電層が、チタン、チタン合金、ニッケル合金、グラファイト、およびアモルファスカーボン、またはそれらの混合物からなるグループから選択される材料から作られる、請求項１に記載の色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項３】
直列接続素子（６）の前記導電層が、チタン、チタン合金、ニッケル合金、グラファイト、アモルファスカーボン、またはそれらの混合物からなるグループから選択される材料から作られる、請求項１または２に記載の色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項４】
電池ユニットの第１（４）および第２（５）導電層が、互いに長手方向にずれ、ある電池ユニットの第１導電層の一端と隣接する電池ユニットの第２導電層の反対端との間に直列接続素子（６）の前記導電層が伸びるようにする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項５】
各電池ユニットが、多孔質絶縁基板（７）を貫通する非多孔質層の形でイオンバリア（１２）によって取り囲まれ、隣接する電池ユニットに電解質が漏れることを防止する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項６】
イオンバリア（１２）が、高分子材料から作られる請求項５に記載の色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項７】
直列接続素子（６）が、多孔質導電層であり、イオンバリア（１２）が、直列接続素子を貫通する、請求項５または６に記載の色素増感太陽電池モジュール（１）。
【請求項８】
互いに隣接するように並べられ、直列につながれた少なくとも２つの色素増感太陽電池ユニットを備えた色素増感太陽電池モジュール（１）の製造方法であって、そして各電池ユニットが作用電極（３）、作用電極から光生成電子を取り出すための第１導電層（４）、第２導電層（５）を含む対向電極、対向電極から作用電極へ電子を移動させるための電解質、そして対向電極を隣接する電池ユニットの作用電極と電気的に接続するための直列接続素子（６）を含み、
前記方法が：
- 多孔質絶縁基板（７）の一方の面に多孔質導電層の形で電池ユニットの第１導電層を適用し、そして
- 各電池ユニットの第１および第２導電層が互いに向かい合うように、多孔質絶縁基板（７）の反対の面に多孔質導電層の形で電池ユニットの第２導電層を適用し、
- 多孔質絶縁基板（７）を貫通する導電層の形で直列接続素子（６）を形成する
ことを含む色素増感太陽電池モジュール（１）の製造方法。
【請求項９】
前記方法が：
- 多孔質絶縁基板（７）の一方の面の少なくとも２つの隣接するが分離した領域に導電性粒子を含むインクで印刷して第１多孔質層（４）を形成し、そして
- 多孔質絶縁基板の反対の面の少なくとも２つの隣接するが分離した領域に導電性粒子を含むインクで印刷して第２多孔質層（５）を形成すること
を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１（４）および第２（５）導電層が、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、グラファイト、およびアモルファスカーボン、またはそれらの混合物からなるグループから選択される材料から作られる、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
第１および第２導電層が互いに長手方向にずれるように、第１（４）および第２（５）導電層を印刷する、請求項８〜１０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１２】
前記方法が：
- １つの電池ユニットの第１導電層が直列接続素子（６）と電気的に接続し、そして隣接する電池ユニットの第１導電層が直列接続素子と電気的に分離するように、電池ユニットの第１導電層（４）を適用し、
- 前記１つの電池ユニットの第２導電層が直列接続素子と電気的に分離し、そして前記隣接する電池ユニットの第２導電層が直列接続素子と電気的に接続し、それによって１つの電池ユニットの第１導電層を隣接する電池ユニットの第２導電層と電気的に接続して電池ユニットが直列に接続するように、電池ユニットの第２導電層（５）を適用すること
をさらに含む、請求項８〜１１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１３】
多孔質絶縁基板に貫通する導電性粒子を含むインクで多孔質絶縁基板（７）に印刷することによって前記直列接続素子（６）を形成する、請求項８〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
多孔質絶縁基板（７）の選択された部分を穿孔し、基板の穿孔された部分に導電性粒子を含むインクで印刷することによって前記直列接続素子（６）を形成する、請求項８〜１３のいずれか１つの記載の方法。
【請求項１５】
チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、グラファイト、およびアモルファスカーボン、またはそれらの混合物からなるグループから選択される材料から作られる粒子を含むインクで多孔質絶縁基板（７）に印刷することによって前記直列接続素子（６）を形成する、請求項８〜１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
前記方法が：
- 多孔質絶縁基板（７）に導電性粒子を含むインクで印刷して上記直列接続素子（６）を形成し、
- １つの電池ユニットの第１領域が前記直列接続素子と電気的に接触し、他の電池ユニットの第１領域が直列接続素子と電気的に分離するように、多孔質絶縁基板の一方の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第１領域に導電性粒子を含むインクで印刷して第１多孔質導電層（４）を形成し、そして
- 第１および第２領域が互いに長手方向にずれ、前記１つの電池ユニットの第２領域が前記直列接続素子と電気的に分離し、前記他の電池ユニットの第２領域が前記直列接続素子と電気的に接触するように、多孔質絶縁基板の反対の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第２領域に導電性粒子を含むインクで印刷して前記第２多孔質層（５）を形成すること
を含む、請求項８〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記方法が、隣接する電池ユニットに電解質が漏れるのを防ぎ、非多孔質層が多孔質絶縁基板（７）を貫通するように、各電池ユニットを取り囲む非多孔質層の形でイオンバリアを提供することを含む、請求項８〜１６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１８】
高分子材料が多孔質絶縁基板（７）を貫通するように、高分子材料を適用することによってイオンバリアを提供する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
高分子材料が直列接続素子（６）を貫通するように、高分子材料を適用する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は、互いに隣接するように並べられ、直列につながれた少なくとも２つの色素増感太陽電池ユニット（solar cell units）を備えた直列構造を有する色素増感太陽電池モジュールに関する。また、この発明は、直列構造を有する色素増感太陽電池の製造方法に関する。
【０００２】
先行技術
色素増感太陽電池（ＤＳＣ）は、ここ２０年間開発され続け、光合成のような類似の原理に影響を与える。シリコン太陽電池と異なり、これらの電池は、豊富で、安価でかつ環境に害をなさない（environmentally unobtrusive）色素を用いて太陽光線からエネルギーを得る。
【０００３】
従来のサンドイッチ型色素増感太陽電池は、透明導電性基板上に堆積された（deposited）数マイクロメートルの厚さの多孔質のＴｉＯ２電極層を有する。ＴｉＯ２電極は、ＴｉＯ２粒子の表面に色素分子を吸着することによって染色し、作用電極を形成する、相互接続された（interconnected）ＴｉＯ２金属酸化物粒子を備える。透明導電性基板は通常、ガラス基板上に堆積された透明導電酸化物である。透明導電酸化物層は、作用電極から光生成電子を取り出す裏面コンタクト（back contact）としての機能を果たす。ＴｉＯ２電極は、電解質および別の透明導電性基板、すなわち、対向電極と接触している。
【０００４】
色素によって太陽光を取り入れ、ＴｉＯ２粒子の伝導帯に注入される光励起電子を生成し、さらに導電性基板によって集める。同時に、レドックス電解質中のヨウ素イオンは酸化された色素を還元し、電子受容体種（electron acceptors species）を対向電極に輸送する。周囲の外気に対しＤＳＣモジュールを保護し、電池内のＤＳＣモジュールの蒸発または漏れを防止すべく、２つの導電性基板の端を密封する。
【０００５】
WO2012/020944は、直列構造を有する従来のサンドイッチ型ＤＳＣモジュールを開示する。ＤＳＣモジュールは、互いに隣接するように並べられ、直列につながれた複数のＤＣＳユニットを含む。各ＤＳＣ電池ユニットは太陽に面し、吸着色素を含み、被覆された多孔質半導体層に太陽光を伝えるように構成された第１の透明導電性基板を含む作用電極と、被覆された炭素または金属でできた導電膜を有する第２の透明導電性基板を含む対向電極を含む。ＤＳＣモジュールの直列構造は、作用電極および対向電極内にそれぞれ形成される多孔質ナノ粒子酸化膜と導電膜のパターンを含む。作用電極のナノ粒子酸化膜と対向電極の導電膜のそれぞれは、互いに向かい合って１つの電池ユニットを形成する。保護バリアによって電池ユニットを電気的に絶縁し、作用電極および対向電極間に電解質を満たす。作用電極の多孔質ナノ粒子酸化膜および対向電極の導電膜は、互いに長手方向にずれる。
【０００６】
一方の面上の作用電極と反対の面上の対向電極は、互いに向かい合う作用電極と対向電極とを貫通する孔、および孔を満たす導体材料を含む直列接続素子（series connecting element）によって電気的に相互接続されている。孔はＤＳＣモジュール全体を貫通し、保護バリアで両側を囲む。これにより、導電材料が電解質と接触することが防止され、その結果、導電材料が腐食から防止される。孔に満たされた導電性材料は、のり、接着剤、またはインク型であってもよく、印刷、滴下（dropping）、分配（dispensing）、噴出（jetting）、スタンピング（stamping）またはスパッタリングにより孔を満たしてもよい。このタイプのＤＳＣモジュールの問題は、透明であると同時に導電性の層を作り出すことが困難である点である。これらの要求の間で妥協は常にしなければならないが、これにより、ＤＳＣモジュールの電流処理能力が低減し、結果としてＤＳＣモジュールの効率が低減する。さらに、導電材料で孔を満たす前にそれぞれの電池ユニットに孔を開けること（drilling）は時間がかかり、ＤＳＣモジュールの製造費用が増大する。ＤＳＣモジュールのもう１つのデメリットは、導電材料が電解質と接触することを防止するため、直列接続素子の各側面上に保護バリアの必要があるということである。保護バリアによって製造コストが増大する。
【０００７】
WO2011/096154は、多孔質絶縁層を含むＤＳＣモジュール、多孔質絶縁層上に形成された多孔質導電金属層を含む作用電極、裏面コンタクトを作り、そして多孔質導電金属層上に並べられた吸着色素を含む多孔質半導体層、多孔質半導体層に向かい合う透明基板であって、太陽に面し、太陽光を多孔質半導体層に伝えるように構成された透明基板を含むＤＣＳモジュールを開示する。ＤＳＣモジュールは、多孔質絶縁層の多孔質半導体層と反対側に、多孔質絶縁層から離れて並べられ、それによって多孔質絶縁層との間に空間を形成する導電性基板を含む対向電極をさらに含む。作用電極および対向電極間の空間内に電解質を満たす。多孔質絶縁層は、好ましくは、成形ファイバーグラスの成形体（compact）から作られる。多孔質導電金属層は、Ｔｉ，Ｗ，Ｎｉ，ＰｔおよびＡｕからなるグループから選択される材料から形成される。多孔質導電金属層は、多孔質絶縁層上に印刷し、続いて加熱、乾燥および焼成すべき金属粒子を含むペーストを用いて作製してもよい。この種のＤＳＣモジュールの利点は、作用電極の導電層が多孔質絶縁層および多孔質半導体層間に配置されていることである。それゆえ、作用電池ユニットの導電層は透明である必要はなく、ＤＳＣモジュールの電流処理能力を増加させ、高効率のＤＳＣモジュールを確保する、高伝導材料から作ることもできる。
【０００８】
色素増感太陽電池からの電圧出力を増加させるため、直列につながれた複数の色素増感太陽電池ユニットを含む直列構造を有することが望ましい。WO2011/096154に開示されたＤＳＣモジュール構造で不利な点は、直列につながれたＤＳＣ電池ユニットを提供することが困難であるという点である。WO2012/020944に開示された方法を用いるなら、ＤＳＣモジュールを通して孔を開け、導電材料を満たさなければならない。しかしながら、多孔質絶縁層がセラミックペーパーのような傷つきやすい材料（sensitive material）で出来ている場合、孔を開ける際に多孔質絶縁層を細かく切ってもよい。孔を開けることのもう一つの不利な点は、孔を開けることによって切りくず（chip）が形成されるという点である。孔を開けることによって生じるすべての切りくずを取り除くことは、不可能でないにしても困難である。残った切りくずは、ＤＳＣモジュールを組み立てる際に問題を生じうる。なぜなら、切りくずは、一定の体積と空間をとるからである。ある場所に残った切りくずは、組み立てられた層間の距離の不均一または組み立てられた層の機能不良（malfunction）または破壊さえも引き起こしうる。孔を開けることのもう一つの問題は、孔開け用の工具が摩耗してＤＳＣの性能に破壊的に干渉し（interfere destructively）うる微量の不要物質を残す点である。例えば、ＤＳＣが、孔開け用の工具に用いられている微量の鉄および他の金属に敏感であることがよく知られている。
【０００９】
EP0859386は、多孔質絶縁基板、作用電極、多孔質絶縁基板の一方の面に形成された作用電極から光生成電子を取り出すための第１多孔質導電層、および多孔質絶縁基板の反対の面に形成された第２の多孔質導電層を有する対向電極を含む色素増感太陽電池を開示する。
【００１０】
この発明の目的および要約
この発明の目的は、直列構造を有する低価格のＤＳＣモジュールを提供することである。
【００１１】
この目的は、請求項１に規定される色素増感太陽電池（ＤＳＣ）モジュールによって実現される。
【００１２】
ＤＳＣモジュールは、互いに隣接するように並べられ、直列につながれた少なくとも２つの色素増感太陽電池ユニットを備えた直列構造を有する。各電池ユニットは、作用電極、作用電極から光生成電子を取り出すための第１導電層、第２導電層を含む対向電極、対向電極から作用電極に電子を移動させるための電解質、および作用電極または対向電極をそれぞれ隣接する電池ユニットの対向電極または作用電極と電気的に接続するための直列接続素子を含む。
【００１３】
ＤＣＳモジュールは、太陽電池モジュールが多孔質絶縁基板を備え、第１導電層は、多孔質絶縁基板の一方の面に形成された多孔質導電層であり、第２導電層は、多孔質絶縁基板の反対の面に形成された多孔質導電層であり、直列接続素子は、多孔質絶縁基板を貫通し、電池ユニットの第１導電層および隣接する電池ユニットの第２導電層の間に伸びて、それによって１つの電池ユニットの第１導電層を、隣接する電池ユニットの第２導電層と電気的に接続させることに特徴がある。
【００１４】
導電層は、印刷方式を用いて絶縁基板の両面に印刷しうる多孔質導電層であり、生産に無駄がなくなり、ＤＳＣモジュールの製造コストが大幅に減る。直列接続素子は、多孔質絶縁基板を貫通する導電層によって形成される。このように、直列接続素子は、印刷技術を用いて製造することもでき、これによってＤＳＣモジュールの製造コストがさらに減る。この発明は、直列接続素子の製造のため、印刷技術の使用を可能にすることから、ＤＣＳモジュール全体を貫通する孔を開けることはもはや必要でなく、孔を開けることよって絶縁基板を破壊する危険性が取り除かれる。これによって、多孔質絶縁基板としてセラミックペーパーのような傷つきやすい材料を使用することが可能になる。印刷技術を用いて、直列接続素子は多孔質導電層になる。
【００１５】
好ましくは、直列接続素子の導電層は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｎｉ合金、グラファイト、およびアモルファスカーボンのような、腐食しにくく、空気中であまり酸化されず、５００℃より高い温度にも耐性がある導電材料から作られる。非腐食性の材料を選ぶことによって、直列接続素子を電解質との接触から保護する必要がなくなり、直列接続素子を取り囲むいかなる保護バリアも必要なくなる。直列接続素子は、第１および第２多孔質導電層と同じ材料から作ることもできるため、製造工程が促進される。
【００１６】
この発明によるＤＳＣモジュールのさらなる利点は、薄くてコンパクトな構造を有するため、ＤＳＣモジュールのサイズが小さくなることである。部品が薄くてコンパクトな構造を有するという事実から、電池ユニットの直列接続を提供することが容易になる。
【００１７】
絶縁基板および導電層の多孔性により、層および基板を通じたイオン輸送が可能になり、それゆえ、作用電極および対向電極間のイオン輸送が可能になる。この構造により、第１導電層上に作用電極を配置することが可能になるため、第１導電層が透明である必要はなく、ＤＳＣモジュールの電流処理能力が増大する。
【００１８】
好ましくは、第１および第２の導電層は、大きすぎて多孔質絶縁基板を貫通することができない粒子を含む。これによって、第１および第２の導電層は多孔質絶縁基板を貫通せず、基板の一方の面上にとどまる。
【００１９】
好ましくは、多孔質絶縁基板の厚みは、４μｍおよび１００μｍの間である。薄い基板は、直列接続素子の厚みが減るため、抵抗損失が低減する。さらに、薄い基板によって、基板を貫通し、直列接続素子を配置することが容易になる。
【００２０】
好ましくは、第１および第２多孔質導電層は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｎｉ合金、グラファイト、およびアモルファスカーボンのような、腐食しにくく、空気中で酸化されずに５００℃までの温度に耐性がある導電材料から作られ、導電層を腐食しないように電解質と接触させ、約４５０〜５５０℃の温度で導電層が焼結することを可能にする。
【００２１】
この発明の一実施形態によれば、直列接続素子の多孔質導電層は、多孔質絶縁基板を貫通するのに十分小さな粒子を含む。この実施形態により、直列接続素子が多孔質絶縁基板を貫通することによって、第１および第２導電層が電気的に接続される。
【００２２】
この発明の一実施形態によれば、電池ユニットの第１および第２導電層は、互いに長手方向にずれ、電池ユニットの第１導電層の一端と隣接する電池ユニットの第２導電層の対向する一端（opposite end）との間に直列接続素子の導電層が伸びることを可能にする。他の層の一端が後端なら、対向する一端は前端を意味し、その逆もまた同様である。これは、１つの導電層の前端と他の導電層の後端との間に直列接続素子が伸びることを意味する。この実施形態から、例えば、印刷技術により絶縁基板の拡張面に垂直な直列接続素子を製造することが可能になるため、ＤＳＣモジュールの製造が促進される。
【００２３】
この発明の一実施形態によれば、隣接する電池ユニットに電解質が漏れることを防止するために、多孔質絶縁基板を貫通する非多孔質層の形式のイオンバリアによって各電池ユニットを取り囲む。この実施形態によって、ＤＳＣの効率の減少をもたらす直列につながれた隣接する電池ユニット間の電解質の移動が回避される。この実施形態によって、液状の電解質の使用が可能になる。この発明の他の実施形態において、電解質はゲル状または固体状であり、電解質を固定化（immobilizes）して隣接する電池ユニットに電解質が漏れることを防止する。電解質を適切に固定化することによってイオンバリアを除外することができる。
【００２４】
この発明の一実施形態によれば、直列接続素子は多孔質導電層であり、イオンバリアは直列接続素子を貫通する。作用電極の領域は、太陽電池モジュールの活性領域を示す（denoted）。太陽電池の効率は、太陽電池モジュールの活性領域と全領域との間の関係に依存する。２つの隣接する太陽電池ユニットの作用電極間に位置する直列接続素子を通じて（through）イオンバリアを配置することによって非活性領域を利用し、結果的に太陽電池の効率が維持される。
【００２５】
好ましくは、イオンバリアは、高分子材料から作られる。高分子材料を融解して多孔質絶縁基板を通じて流出させて基板内の孔を埋めることができ、それによって太陽電池ユニット間の液体バリアを実現して１つの太陽電池ユニットから別の太陽電池ユニットに電解質が移動するのを防止する。あるいは、多孔質絶縁基板および直列接続素子の多孔質導電層に液体高分子接着剤を浸すことによって太陽電池ユニット間の液体バリアを形成することができ、その後、例えば、化学的にまたは熱もしくは光によって接着剤を硬化させる。
【００２６】
この発明の他の目的は、直列構造を有する色素増感太陽電池モジュールを製造するための費用効率の高い方法を提供することである。
【００２７】
この目的は、請求項８に規定される色素増感太陽電池の製造方法によって実現される。
【００２８】
この方法は、多孔質絶縁基板の一方の面に多孔質導電層の形で電池ユニットの第１導電層を適用し、そして
各電池ユニットの第１および第２導電層が互いに向かい合うように多孔質絶縁基板の反対の面に多孔質導電層の形で電池ユニットの第２導電層を適用することを含む。
【００２９】
この方法は、作用電極および対向電極を製造するのと同一の技術を用いることを可能にする。この方法は、スクリーン印刷のような作用電極および対向電極を製造するための簡単な方法を選択することも可能にし、その結果、ＤＳＣの部品の製造を単純化することによって製造コストを下げる。
【００３０】
この方法は、コンパクトな構造によって薄いＤＳＣ部品の製造を容易にする。
【００３１】
この発明の一実施形態によれば、この方法は、多孔質絶縁基板の一方の面の少なくとも２つの隣接するが分離した領域に導電性粒子を含むインクで印刷して第１多孔質導電層を形成することと、多孔質絶縁基板の反対の面の少なくとも２つの隣接するが分離した領域に導電性粒子を含むインクで印刷して第２の導電層を形成することを含む。印刷技術を用いることによって絶縁基板上で規定された（defined）形状の電気的に分離された複数の領域を提供することが容易になり、これら複数の領域は、複数のＤＳＣ電池ユニットの第１および第２の導電領域を形成する。
【００３２】
この発明の一実施形態によれば、この方法は、さらに多孔質絶縁基板を貫通する導電層の形で直列接続素子を形成することを含む。
【００３３】
作用電極の導電層は、多孔質基板の一方の面に多孔質導電層として形成され、対向電極の導電層は、多孔質基板の反対の面に多孔質導電層として形成され、１つの電池ユニットの作用電極を隣接する電池ユニットの対向電極に接続できるように、直列接続素子のみが多孔質基板を貫通しなければならない。多孔質材料のため、多孔質基板は貫通しやすい。それゆえ、ＤＳＣモジュール全体に孔を開ける工程を省略できるため、製造工程が簡略化されて製造コストが下がる。
【００３４】
多孔質絶縁基板を貫通する導電層として直列接続素子を提供することによって、例えば、スクリーン印刷のような単純な製造技術を直列接続素子の製造用に用いることができる。同じ製造技術を直列接続素子および導電層の製造用に用いることができ、それによって製造コストをさらに下げることができる。
【００３５】
好ましくは、直列接続素子は、多孔質絶縁基板を貫通する導電性粒子を含むインクで多孔質絶縁基板に印刷することによって形成される。
【００３６】
この発明の一実施形態によれば、この方法はさらに：
-１つの電池ユニットの第１導電層が直列接続素子と電気的に接続され、隣接する電池ユニットの第１導電層が直列接続素子と電気的に分離するように電池ユニットの第１導電層を適用し、そして
-１つの電池ユニットの第２導電層が直列接続素子と電気的に分離し、隣接する電池ユニットの第２導電層が直列接続素子と電気的に接続するように電池ユニットの第２導電層を適用し、それによって、電池ユニットが直列につながるように１つの電池ユニットの第１導電層を隣接する電池ユニットの第２導電層と電気的に接続することを含む。
【００３７】
この発明の一実施形態によれば、第１および第２層は、大きすぎて多孔質絶縁基板を貫通することができない導電性粒子を含むインクで印刷され、直列接続素子は、多孔質絶縁基板を貫通するのに十分小さな導電性粒子を含むインクで多孔質絶縁基板に印刷することによって形成される。インク中の粒子の大きさを選択することによって、多孔質層を多孔質絶縁基板上に提供するか否か、または層を基板に貫通させるか否かを決めることができる。第１および第２導電層の粒子が基板の孔よりも大きければ、粒子は基板上にとどまり、粒子が基板の孔よりも小さければ、粒子は基板を貫通する。
【００３８】
この発明の一実施形態によれば、直列接続素子は、多孔質絶縁基板を穿孔し（perforating）、基板の穿孔された部分に導電性粒子を有するインクを流し込むことによって形成される。穿孔された（perforated）という言葉は、一列に並べられ、基板を貫通する複数の微小な孔を意味する。直列接続素子を有することが望ましい間隔（distances）で多孔質絶縁基板を穿孔することによって、インクを塗布する過程が促進され、第１および第２導電層の製造用に用いられるのと同じ粒子サイズを有するインクを用いることもできる。例えば、基板としてセラミックペーパーを用いるなら、インクを塗布する前にペーパーに孔を開けることが容易である。
【００３９】
この発明の一実施形態によれば、この方法は：導電性粒子を含むインクを多孔質絶縁基板上に印刷して直列接続素子を形成し、１つの電池ユニットの第１領域が直列接続素子と電気的に接続し、他の電池ユニットの第１領域が直列接続素子と電気的に分離するように、多孔質絶縁基板の１面の少なくとも２つの隣接するが分離した第１領域を導電性粒子を含むインクで印刷して第１の多孔質導電膜を形成し、第１および第２領域が互いに縦方向（lengthwise）にずれ、１つの電池ユニットの第２領域が直列接続素子と電気的に分離し、他の電池ユニットの第２領域が直列接続素子と電気的に接続するように、多孔質絶縁基板の反対の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第２領域を導電性粒子を含むインクで印刷して第２の多孔質導電膜を形成することを含む。直列接続素子を最初に印刷し、次に、第１および第２導電層を直列接続素子に接触して印刷するときに有利である。
【００４０】
この発明の一実施形態によれば、この方法は、隣接する電池ユニットに電解質が漏れることを防止すべく、各電池ユニットを取り囲む非多孔質層の形でイオンバリアを提供することを含む。非多孔質層は、多孔質絶縁基板を貫通する。太陽電池の活性領域を維持するために、直列接続素子を貫通するように高分子材料を配置してもよい。
【００４１】
この発明の一実施形態によれば、高分子材料が第１導電層、多孔質絶縁基板、および第２導電層を貫通するように高分子材料を適用することによってイオンバリアを提供する。
【００４２】
この発明の一実施形態によれば、高分子材料が直列接続素子を貫通するように、高分子材料を適用する。
【００４３】
図面の簡単な説明
この発明のさまざまな実施形態の説明によって添付図を参照して、これからこの発明をより詳細に説明する。
【００４４】
図１ａは、この発明の第１実施形態による色素増感太陽電池モジュールの断面積を示す。
【００４５】
図１ｂは、この発明の第２実施形態による色素増感太陽電池モジュールの断面積を示す。
【００４６】
図２は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図３は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図４は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図５は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図６は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図７は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図８は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図９は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図１０は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
図１１は、この発明の一実施形態による色素増感太陽電池モジュールの製造方法を示す。
【００４７】
図１２は、この発明の一実施形態による上から見た色素増感太陽電池モジュールの一例を示す。
【００４８】
この発明の好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、この発明の第一実施形態による直列構造を有する色素増感太陽電池（ＤＳＣ）モジュール１の断面積を示す。ＤＳＣモジュールは、互いに隣接するように並べられ、直列につながれた複数のＤＳＣ電池ユニット２ａ〜ｃを備える。各ＤＳＣ電池ユニット２ａ〜ｃは作用電極３および対向電極５を含む。作用電極および対向電極間の空間は、対向電極から作用電極に電子を移動させるためのイオンを含む電解質で満たされる。対向電極は、電子を電解質に移動させる。ＤＳＣモジュールは、作用電極から光生成電子を取り出すための第１導電層４を備える。第１導電層４は、作用電極から電子を取り出す裏面コンタクトとして機能する。以下において、第１導電層４を裏面コンタクト層と名付ける。
【００４９】
作用電極３は、第１導電層４上に堆積された多孔質ＴｉＯ２電極層を含む。ＴｉＯ２電極は、ＴｉＯ２の表面に色素分子を吸着することによって染色されるＴｉＯ２粒子を含む。作用電極は、ＤＣＳモジュールの上側に位置する。ＤＣＳモジュールの上側は、太陽光線が作用電極の色素分子に当たるように、太陽に面しているようにすべきである。
【００５０】
ＤＳＣモジュールは、作用電極および対向電極間に配置された多孔質絶縁基板７をさらに含む。多孔質絶縁基板の多孔性は、基板を通じたイオン輸送を可能にする。好ましくは、多孔質絶縁基板は、ガラスマイクロファイバーまたはセラミックマイクロファイバー基板のような、セラミックマイクロファイバーベース基板である。例えば、多孔質基板は、紙やすりと結合したガラス織物をベースとする。これによって、薄くて頑丈な基板を提供することが可能になる。セラミック基板は、電気絶縁体であるが、多孔質であるため、液体および電解質イオンを貫通させる。連続工程用にシート状またはロール状でセラミック基板を取り扱うことができる。セラミック基板は化学的に不活性であるが、高温に耐えることができ、入手が容易であり、安価でさまざまな工程段階において取扱いが簡単である。
【００５１】
適切なセラミック基板は、ガラス糸でできたマイクロガラスファイバー織物をベースにすることができる。織り繊維は、不織繊維よりもはるかに強度がある。また、不織繊維と比べ、織り繊維は本質的にはるかに機械的強度が高い。また、機械的強度を維持したまま、織り繊維の厚みをとても薄くすることもできる。しかしながら、織り繊維は、しばしば大きな孔を有するため、織り繊維の全領域にわたって印刷されたインク中の大量の粒子が織り繊維をとめどなく（in an uncontrolled way）通り抜ける。これは望ましくない効果である。敷布内の孔を塞ぐために、織布上に不織ガラスファイバーを堆積することが有用である。これは、ガラスファイバー水溶液中に敷布を浸した後、溶媒を取り除くことによってなしうる。コロイドダルシリカのような結合剤をガラスファイバーと併用するなら、不織ガラスファイバーが敷布にさらに強く付着し、織りガラスファイバー上に不織ガラスファイバーが持続的に付着する膜を形成する。不織ガラスファイバーを織り繊維上に堆積することによって、インク中の粒子が織り繊維を通り抜けることを防止することができる。
【００５２】
裏面コンタクトおよび対向電極間の距離が小さければ、抵抗損失がごく小さくなることから、多孔質基板が薄くなればなるほどよい。同じ理由から多孔性の程度が高いほうが望ましい。しかしながら、基板があまりに薄く、孔があまりに多いなら、基板の機械的強度は低くなりすぎるだろう。好ましくは、多孔質絶縁基板の厚みは４μｍより厚く１００μｍより薄い。さらに好ましくは、多孔質絶縁層の厚みは５０μｍよりも薄い。多孔質絶縁層の厚みは、通常１０〜３０μｍの間である。好ましくは、基板の多孔率は４０％よりも大きい。好ましくは、基板の多孔率は９０％近くである。好ましくは、基板の多孔率は４０および９０％の間である。
【００５３】
裏面コンタクト層４は、多孔質絶縁層７の上面に堆積される多孔質導電層である。多孔質導電層を裏面コンタクトとして用いるとき、作用電極と直接接触している。それぞれのＤＳＣ電池ユニット２ａ〜ｃの対向電極は、以下において対向電極層と名付けられた第２導電層５を含む。対向電極層５は、多孔質絶縁基板７の反対（下）面に堆積された多孔質導電層である。裏面コンタクト層４および対向電極層５は、多孔質絶縁基板７によって物理的および電気的に分離されており、それゆえ、物理的および電気的と直接接触していない。しかしながら、ＤＳＣ電池ユニットの多孔質絶縁基板の上下面に堆積された裏面コンタクト層４および対向電極層５は、多孔質絶縁基板に貫通するイオンを介して電気的に接続される。多孔質導電層４，５の多孔率は、好ましくは３０％および８５％の間であり、また３５％および７０％の間であり、また４０％および６０％の間である。多孔質導電層用にどの材料を用いるかによって、そしてどの適用方法を用いるかによって、層の厚みは、約１マイクロメートルから１００マイクロメートルまたは１マイクロメートルから５０マイクロメートルまで変わりうる。
【００５４】
多孔質導電層を対向電極として用いるとき、多孔質導電層は、作用電極と向かい合った対向電極の一部である。対向電極は、通常、触媒層を備える。対向電極としての機能を果たす多孔質導電層は、別個の（separate）触媒層を有するか、または多孔質導電層に溶け込んだ（integrated in）触媒粒子でありうる。
【００５５】
ＤＳＣモジュールは、多孔質絶縁基板の反対の面に堆積された複数の組の第１および第２の多孔質導電層を含む。各ＤＳＣ電池ユニットは、一組の第１および第２多孔質導電層を含む。１つのＤＳＣ電池ユニットの第１および第２多孔質導電層は、互いに向かい合うように置かれる。電池ユニットを電気的に分離するため、隣接する電池ユニットの作用電極３および第１導電層の間に空間８が形成され、隣接する電池ユニットの対向電極３の間に空間９が形成される。
【００５６】
図１からわかるように、ＤＳＣ電池ユニット２ａの第１導電層４の前端４ａが、隣接するＤＳＣ電池ユニット２ｂの第２導電層５の後端５ａと向かい合うように、第１および第２多孔質導電層は、互いにわずかに長手方向にずれている。
【００５７】
ＤＳＣ電池ユニットは、隣接する電池ユニットの第１および第２導電層の端４ａ，５ａの間に伸びる、直列接続素子６をさらに含み、それによって１つの電池ユニットの第１導電層と、隣接する電池ユニットの第２導電層とを電気的に接続する。このようにして、直列接続素子６は、１つの電池ユニットの対向電極４を隣接する電池ユニットの作用電極５と電気的に接続し、２つのＤＳＣ電池ユニットの電気的な直列接続をつくり、出力電圧を増大させる。
【００５８】
直列接続素子６は、多孔質絶縁基板７を貫通し、１つの電池ユニットの裏面コンタクト層４および隣接する電池ユニットの対向電極層５の間に伸びる多孔質導電層である。多孔質導電層６は、電気直列接続層として用い、２つの隣接するＤＳＣ電池ユニットの裏面コンタクト層４および対向電極層５と物理的と直接接触している。以下、直列接続素子６の多孔質導電層を直列接続層と名付けることにする。電気直列接続層は、多孔質絶縁基板７を貫通し、多孔質絶縁基板の上面と底面との間に電気的な接続路を提供する。多孔質基板の厚みが薄く、好ましくは数μｍのオーダーであるため、電流が伝わる距離が短く、その結果、直列接続層の伝導度についての要求は、対向電極層５および裏面コンタクト層４についての要求より小さい。
【００５９】
多孔質導電層４，５，６は、抵抗率が低いため電気損失が低い。多孔質導電層の多孔率は、層を通じたイオンおよび色素の輸送を可能にする。多孔質絶縁基板７に多孔質導電層を堆積させることによって、複数の電気的に相互接続されたＤＳＣ電池ユニットを含むＤＳＣモジュールの組み立てが可能になる。
【００６０】
多孔質導電層４〜６を形成する材料は、ＤＳＣ内の環境に耐えるように適切な耐食性をもたなければならず、好ましくは空気中で酸化されずに５００℃よりも大きな温度に対する耐性もなければならない。好ましくは、多孔質導電層４〜６は、チタン、チタン合金、ニッケル合金、グラファイト、およびアモルファスカーボン、またはそれらの混合物からなるグループから選択される材料から作られる。もっとも好ましくは、多孔質導電層は、チタンもしくはチタン合金またはそれらの混合物から作られる。
【００６１】
ＤＳＣモジュール１はまた、ＤＳＣモジュールの上部側を覆う第１シート１０およびＤＳＣモジュールの底部側を覆い、電解質用の液体バリアとして機能する第２シート１１を含む。ＤＳＣモジュールの上面の第１シート１０は作用電極を覆い、透明である必要があり、光を透過させる。シート１０，１１は、例えば、高分子材料から作られる。
【００６２】
ＤＳＣの効率低下につながる直列接続した隣接するＤＳＣ電池ユニット２ａ〜ｃ間の電解質の移動を防止するため、電解質からのイオンを隣接するユニット間に移動させることは許されない。この問題の１つの解決策は、電解質のゲル電解質を作り出すことによって電解質を固定化し、それによって隣接するＤＳＣ電池ユニット間に液体電解質が流れることを防止する。もう１つの解決策は、固体導体のような、非液体電解質を堆積させることでありうる。
【００６３】
図１ｂは、この発明の第２実施形態による色素増感太陽電池モジュールの断面積を示す。この実施形態において、各電池ユニットは、ＤＣＳモジュールを貫通する非多孔質層の形でイオンバリア１２に取り囲まれる。隣接する電池ユニットに電解質が漏れることを防止するため、または隣接する電池ユニット内の電解質と接触するために、イオンバリア１２はＤＳＣを取り囲む。イオンバリア１２は、隣接する電池ユニットの作用電極層３および裏面コンタクト層４の間の空間８内に堆積される。イオンバリア１２は、隣接する電池ユニットの多孔質絶縁基板７、および対向電極層５を貫通する。好ましくは、イオンバリアも直列接続層６を貫通する。イオンバリアは、隣接する電池ユニット間にイオンが移動するのを妨げる。しかしながら、イオンバリアはいかなる電気絶縁機能ももたない。それゆえ、第１および第２導電層４，５、および直列接続層６は、イオンバリアによって貫通されるにもかかわらず、なお導電性がある。イオンバリアは、例えば、高分子材料から作られる。例えば、イオンバリアは、第１および第２シート１０，１１と同じ高分子材料から作られる。
【００６４】
多孔質絶縁基板の上面の多孔質導電層が多孔質絶縁基板の下面の多孔質導電層と電気的に相互接続するように、多孔質絶縁基板７の上面および下面の多孔質導電層を堆積するための費用効率の高い方法を以下に述べる。さらに、数個の電気的に相互接続されたＤＳＣ電池ユニットを備えたＤＳＣモジュールを製造するための費用効率の高い方法を提供するために、多孔質導電層の上記配置をいかに利用しうるかについて述べる。
【００６５】
例えば、裏面コンタクト層と対向電極層との間の電気的接続は、以下のように形成できる：最初に、多孔質絶縁基板を貫通するように、電気直列接続層を堆積する。続いて、裏面コンタクト層が直列接続素子と直接接触するように裏面コンタクト層の一部を直列接続層に堆積させる方法で、裏面コンタクト層を堆積する。続いて、対向電極層が直列接続層と直接接触するように、直列接続層と同じ横位置（lateral position）で対向電極層の一部を堆積させる方法で、対向電極層を多孔質絶縁基板の反対の面に堆積する。それゆえ、多孔質絶縁基板の上面の裏面コンタクト層と多孔質絶縁基板の下面の対向電極とは、直列接続素子を介して電気的に相互接続されている。
【００６６】
多孔質導電層は、例えば、多孔質絶縁基板上に金属水素化物粒子を含む堆積物を堆積し、固体金属水素化物粒子が金属に変わり、金属粒子が焼結して多孔質導電層を形成するように、堆積物を処理することによって形成される。金属水素化物粉末、例えば、水素化チタン粉末の堆積物は、ガラスマイクロファイバーまたはセラミックマイクロファイバー基板のような、セラミックマイクロファイバーベースの基板上に有利に印刷しうる。多孔質絶縁基板については、多孔質絶縁基板の両面に多孔質導電層を形成することが可能である。例えば、基板の一方の面に多孔質導電層を形成し、基板の反対の面に別の多孔質導電層を形成することが可能である。
【００６７】
固体導電性粒子を含むインクで印刷することによって多孔質絶縁基板上に多孔質導電層４，５，６を堆積することができる。固体粒子を液体と混合して印刷工程に適したインクを形成することができる。金属水素化物を液体と混合して印刷工程に適したインクを形成することができる。多孔質導電層の形成のための適切な粒子サイズを実現するため、粒子を挽いて粉にし（milled）、または別の方法で処理する。固体粒子は、好ましくは金属ベースであり、純金属、金属合金または金属水素化物または金属合金の水素化物またはそれらの混合物でありうる。結果として生じる多孔質導電層は、ＤＳＣ内の環境に耐えるように、適切な耐食性をもたなければならない。適切な材料の例は、チタンもしくはチタンベース合金またはそれらの混合物である。その他の最適な材料の例は、ニッケル合金である。
【００６８】
固形の他の要素をインクに加えてもよい。堆積物を印刷するため、当該技術分野で既知のさまざまな技術を用いることができる。印刷技術の例は、スロットダイコーティング（slot die coating）、グラビア印刷、スクリーン印刷、ナイフコーティング、ブレードコーティング、ドクターブレーディング、フレキソ印刷、ディップコーティングまたはスプレー法である。例えば、ふるい分け（shieving）または静電粉体堆積（electrostatic powder deposition）によって乾燥粉末堆積（dry powder deposition）を作成することができる。
【００６９】
堆積物は、熱処理工程によって処理する。熱処理中、粒子の焼結も起こり、その結果、伝導性および層の力学的な安定性を高める。金属水素化物は、熱処理中に金属に変わる。真空または不活性ガス中で加熱することによって、粒子の汚染（contamination）を防ぎ、粒子間の電気接触が改善される。
【００７０】
数秒の時間スケールで堆積物を高温（１２００℃まで）に加熱する急速加熱処理（ＲＴＰ）または高速熱アニーリング（ＲＴＡ）のような、高速加熱処理は、焼結雰囲気による粒子の汚染を回避する利点を有する。フラッシュ焼結（Flash sintering）、すなわち、Polytecによって提供される、Sinteron 2000のような装置を用いることもできる。熱処理温度は粒子間の焼結が生じるのに十分であるべきである。温度は、用いられる材料に依存するが、通常700-1200℃の範囲内にある。
【００７１】
対向電極において触媒効果を得るため、導電性金属酸化物の白金めっき（platinized）粒子を、白金めっきＩＴＯ，ＡＴＯ，ＰＴＯ，およびＦＴＯのような、金属水素化物粒子と混合することが可能である。導電性金属炭化物、金属シリサイドおよび金属窒化物の白金めっき粒子を金属水素化物粒子と混合することもできる。また、白金めっきカーボンブラックまたはグラファイトの粒子も金属水素化物粒子と混合することができる。
【００７２】
以下、図２〜１２を参照して、直列構造を有するＤＳＣモジュールを製造する方法の一例を説明する。
【００７３】
図２は、直列接続層６ａを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面Ａ-ＡおよびＢ-Ｂを示す。この例において、多孔質絶縁基板７は、セラミックマイクロファイバーである。横断面は、直列接続層が多孔質絶縁基板を多孔質絶縁基板の上面から下面まで貫通することを例示する。これは、多孔質絶縁基板の上面から下面まで電気路が存在することを意味する。直列接続層６ａは、セラミックマイクロファイバー内の多孔質網（porous network）を貫通するのに十分小さな粒子を含むインクで印刷される。横断面は、インク中の粒子が、セラミックマイクロファイバーを基板の最上部から最下部までずっと貫通していることを例示する。
【００７４】
図３は、多孔質絶縁基板を貫通する直列接続層６ａを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面を示す。また、さらに２つの多孔質導電層４Ａ-Ｂを絶縁基板７の上面に印刷して裏面コンタクト層を形成する。これらの裏面コンタクト層４ａの１つは、平面図および底断面Ｂ-Ｂに示されるように、直列接続層６ａと直接接触しており、もう一つの裏面コンタクト層４ｂは、直列接続層６ａと電気的に接触していない。２つの層４Ａ-Ｂは、絶縁基板７を貫通せず、それらの層４Ａ-Ｂは絶縁基板７上に堆積され、絶縁基板７と接触していることが横断面に示される。層４ａの１つは、貫通している層６ａと電気的に接触している。多孔質導電層４Ａ-Ｂは、大きすぎてセラミックマイクロファイバー内の多孔質網を貫通することができない導電性粒子を含むインクで印刷される。
【００７５】
図４は、直列接続された２つの隣接したＤＣＳユニットを有するＤＳＣモジュールを示す。図４は、直列接続層６ａを堆積した多孔質絶縁基板７と絶縁基板７の上面に印刷された裏面コンタクト層４Ａ-Ｂの平面図および２つの横断面を示す。さらに、２つの層５Ａ-Ｂを基板７のもう一つの面、すなわち、基板の下面に印刷して対向電極層を形成する。対向電極層５Ａ-Ｂは、平面図に示されず、横断面図にのみ示される。底断面図Ｂ-Ｂは、絶縁基板７の底面に印刷された層５ｂの１つが直列接続層６ａと直接接触し、それゆえ、直列接続層６ａに直接、電気的に接触していることを示す。これは、対向電極層５ｂの１つが、直列接続層６ａを通じて裏面コンタクト層４ａの１つと電気的に接触していることを意味する。多孔質導電層５Ａ-Ｂは、サイズが大きすぎてセラミック基板７内の多孔質網を貫通することができない導電性粒子を含むインクで印刷される。
【００７６】
多くの場合、多数のＤＣＳユニットを直列接続してＤＳＣモジュールから高出力電圧を作りあげることが望ましい。その場合、ＤＣＳユニットからの出力端子が互いに物理的に近くに位置するように、電気的な直列接続方向のパターンを設計することがしばしば望ましい。図１２にそのようなパターンの一例を示す。電気直列接続の方向を曲線（curved line）で示す。図２〜１１は、いかにこれを実現するかを例示する。
【００７７】
図５は、多孔質絶縁基板を貫通し、直列接続層６ａに垂直な直列接続層６ｂを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面Ａ-ＡおよびＢ-Ｂを示す。直列接続層６ｂは、直列接続層６ａと同様に製造され、好ましくは同時に製造される。
【００７８】
図６は、直列接続層６ｂを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面を示す。さらに、２つの多孔質導電基板４ａおよび４ｃを絶縁基板７の上面に印刷して裏面コンタクト層を形成する。平面図および底断面Ｂ-Ｂに示されるように、これらの裏面コンタクト層の１つ４ｃは、直列接続層６ｂと直接接触しているが、もう１つの裏面コンタクト層４ａは、直列接続層６ｂと電気的に接触していない。
【００７９】
図７は、直列接続された２つの隣接するＤＣＳユニットを有するＤＳＣモジュールを示す。図７は、直列接続層６ｂおよび裏面コンタクト層４ａおよび４ｃを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面を示す。さらに、２つの層５ａおよび５ｃを絶縁基板７のもう１つの面に印刷して対向電極層を形成する。対向電極層５ａおよび５ｃは、平面図に示されないが、横断面図にのみ示される。横断面図Ａ-Ａは、対向電極層の１つ５ａおよび裏面コンタクト層の１つ４ｃが直列接続層６ｂと直接接触していることを示す。これは、対向電極層５ａが直列接続層６を通じて裏面コンタクト層４ｃと電気的に接触していることを意味する。
【００８０】
図８は、多孔質絶縁基板を貫通し、直列接続層６ａと一直線になり（aligns with）、直列接続層６ｂと垂直な、直列接続層６ｃを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面Ａ-ＡおよびＢ-Ｂを示す。直列接続層６ｃは、直列接続層６ａおよび６ｂと同様に製造し、好ましくは同時に製造される。
【００８１】
図９は、直列接続層６ｃを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面を示す。さらに、絶縁基板７の上面に２つの多孔質導電層４ｃおよび４ｄを印刷して裏面コンタクト層を形成する。これらの裏面コンタクト層の１つ４ｄは、平面図および底断面Ｂ-Ｂに示されるように、直列接続層６ｃと直接接触し、もう１つの裏面コンタクト層４ｃは、直列接続層６ｃと電気的に接触していない。
【００８２】
図１０は、直列接続された２つの隣接するＤＣＳユニットを有するＤＳＣモジュールを示す。図１０は、直列接続層６ｃならびに裏面コンタクト層４ｃおよび４ｄを堆積した多孔質絶縁基板７の平面図および２つの横断面を示す。さらに、基板のもう１つの面に２つの層５ｃおよび５ｄを印刷して対向電極層を形成する。対向電極層５ｃおよび５ｄは、平面図に示されていないが、横断面図のみに示されている。横断面図Ｂ-Ｂは、対向電極層の１つ５ａおよび裏面コンタクト層の１つ４ｄが直列接続層６ｃと直接接触していることを示す。これは、対向電極層５ｃが直列接続層６ｃを通じて裏面コンタクト層４ｄと電気的と直接接触していることを意味する。
【００８３】
図１１は、直列接続層６ａ〜ｃによって直列接続される４つの隣接するＤＣＳユニットを有するＤＳＣモジュールを示す。第１のＤＳＣ電池ユニットの対向電極層５ｂは、直列接続層６ａを介して第２のＤＳＣ電池ユニットの裏面コンタクト層４ａに接続される。第２のＤＳＣ電池ユニットの対向電極層５ａは、直列接続層６ｂを介して第３のＤＳＣ電池ユニットの裏面コンタクト層４ａに接続される。第３のＤＳＣ電池ユニットの対向電極層５ｃは、直列接続層６ｃを介して第４のＤＳＣ電池ユニットの裏面コンタクト層４ｄに接続される。好ましくは、直列接続層６ａ〜ｃは、同時におよび第１製造段階で絶縁基板７に印刷する。裏面コンタクト層４ａ〜ｄは、第２製造段階で同時に絶縁基板７に印刷し、対向電極層５ａ〜ｄは、第３製造段階で同時に絶縁基板７に印刷する。しかしながら、層を製造する順序を変更することは可能である。以下の段階において、例えば、加熱および焼結によって、印刷された基板を処理し、多孔質導電層を形成する。その後、裏面コンタクト層４に作用電極の多孔質層３を堆積する。
【００８４】
図１１に示される絶縁基板７に、セラミックマイクロファイバー内の多孔質網を貫通するのに十分小さな粒子を含むインクの３つの堆積物６ａ〜ｃを印刷する。さらに、大きすぎてセラミックマイクロファイバー内の多孔質網を貫通することができない粒子を含むインクで絶縁基板７に４つの層を印刷する。平面図に示されるように、これらの４つの層のうち３つは、貫通しているインクの堆積物と直接接触している。それゆえ、３つのこれらの層は、貫通しているそれぞれの層と電気的に接触している。さらに、大きすぎてセラミックマイクロファイバー内の多孔質網を貫通することができない粒子を含むインクで絶縁基板７のもう１つの面、すなわち絶縁基板７の下面に４つの層を印刷する。これらの層は、平面図に示されていない。これは、最下層の１つが貫通層を通じて最上層の１つと電気的に接触していることを意味する。図は、直列接続素子の方向を変えることが可能であることを示す。電気直列接続の方向を曲線で示す。絶縁基板７上のさまざまな位置で、貫通するインクで簡単に印刷し、望ましい方法で電気直列接続が得られるように最上層および最下層を印刷することによって、電気直列接続の方向を変えることができる。
【００８５】
図１２は、ユニットからの出力端子１４が物理的に互いに近くに位置するように、直列につながれた数多くのＤＳＣ電池ユニットを含むＤＳＣモジュールの一例を示す。
【００８６】
この発明の一実施形態によれば、互いに隣接するように並べられ、直列につながれた少なくとも２つの色素増感太陽電池ユニットを備えたＤＳＣモジュールを：
- 多孔質絶縁基板の一方の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第１領域を導電性粒子を含むインクで印刷して第１多孔質導電層を形成し、
- 多孔質絶縁基板の反対の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第２領域を導電性粒子を含むインクで印刷して第２多孔質導電層を形成し、第１および第２領域が互いに長手方向にずれるように第１および第２領域を印刷し、大きすぎて多孔質絶縁基板を貫通することができない導電性粒子を有するインクでそれらの領域を印刷し、
- 多孔質絶縁基板を貫通し、１つの電池ユニットの第１領域と他の電池ユニットの第２領域との間に伸びる第３導電層を形成し、それによって１つの電池ユニットの第１導電層を他の電池ユニットの第２導電層と電気的に接続させる
方法で製造することができる。
【００８７】
この発明の一実施形態によれば、互いに隣接するように並べられ、直列につながれた少なくとも２つの色素増感太陽電池ユニットを備えたＤＳＣモジュールを：
- 多孔質絶縁基板を貫通する直列接続素子を形成し、
- 多孔質絶縁基板の一方の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第１領域を、導電性粒子を含むインクで印刷して第１多孔質導電層を形成し、１つの電池ユニットの第１領域が直列接続素子と電気的に接触し、他の電池ユニットの第１領域が直列接続素子と電気的に分離し、
- 多孔質絶縁基板の反対の面の少なくとも２つの隣接するが分離した第２領域を、導電性粒子を含むインクで印刷し、第１および第２領域が互いに長手方向にずれ、１つの電池ユニットの第１領域の一部が他の電池ユニットの第２領域の一部と向かい合って１つの電池ユニットの第２領域が直列接続素子と電気的に分離し、他の電池ユニットの第２領域が直列接続素子と電気的に接触するように、第２多孔質導電層を形成する
方法で製造することができる。
【００８８】
実施例
実施例１−多孔質セラミック基板上の裏面コンタクトおよび対向電極および直列接続層。
【００８９】
ＴｉＨ２粉末をテルピネオールと混合することによって第１のインクを準備する。次に、０．６ｍｍのジルコニアビーズを用いて８０００ＲＰＭで３時間インクを粉にする（bead milled）。濾過によってインクからジルコニアビーズを分離する。インクは、０．３マイクロメートルよりも小さな直径を有するＴｉＨ２粒子を含む。その後、厚み１５μｍの、多孔質ガラスマイクロファイバーベース基板（図２の７参照）上に３ｍｍ幅および１０ｃｍの長さの長方形（図２の６ａ参照）の形状にインクで印刷し、次に２００℃で５分間乾燥させた。インク中のＴｉＨ２の粒径は、ＴｉＨ２が多孔質ガラスマイクロファイバーベース基板中の孔を貫通するほど十分に小さかった（図２の横断面Ａ-ＡおよびＢ-Ｂ参照）。第１印刷層は直列接続層を形成する。多孔質ガラスマイクロファイバー基板は、５μｍの厚みの不織ガラスファイバーの層で被覆されたガラス糸から作られた１０μｍの厚みの織布を含む。
【００９０】
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって第２のインクを準備する。次に、０．３ｍｍのジルコニアビーズを用いて６０００ＲＰＭで２５分間インクを粉にする。濾過によってインクからジルコニアビーズを分離する。インクは、２マイクロメートルよりも小さな直径を有するＴｉＨ２粒子を含む。その後、１０ｃｍ幅および１２ｃｍの長さの１つの長方形（図３の４ａ参照）の一端が３ｍｍ幅および１０ｃｍの長さの長方形（図３の６ａ参照）上に直接印刷されるように、基板（図３の７参照）上に１０ｍｍ幅および１２ｃｍの長さの長方形（図３の４ａおよび４ｂ参照）の形状に第２のインクで印刷する。図３の４ａの端は、長方形の略中心に位置する（図３の４ａおよび６ａ参照）。次に、第２のインクを約２００℃で５分間乾燥させた。第２印刷層は、裏面コンタクト層を形成する。
【００９１】
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって第３のインクを準備する。次に、０．３ｍｍのジルコニアビーズを用いて６０００ＲＰＭで２５分間インクを粉にする。濾過によってインクからジルコニアビーズを分離する。インクは、２マイクロメートルよりも小さな直径を有するＴｉＨ２粒子を含む。次に対向電極の堆積用のインクを作るため、濾過されたインクを白金めっき導電性粒子と混合する。その後、図４の層５ａおよび５ｂが図４の層４ａおよび４ｂと向かい合うように、基板（図４の７参照）の反対の面に２つの１０ｃｍ幅および１２ｃｍの長さの長方形（図４の５ａおよび５ｂ参照）の形状に第３のインクで印刷する。次に、印刷基板を２００℃で５分間乾燥させた。第３印刷層は、対向電極を形成する。
【００９２】
その後、印刷セラミック基板を５８５℃で真空焼結し、次に、室温まで冷却させた。焼結中の圧力は、０．０００１ｍｂａｒよりも低かった。焼結された直列接続層（図４、６ａ）および裏面コンタクト（図４、４ａ、４ｂ）および対向電極（図４、５ａ、５ｂ）は導電性があった。裏面コンタクト（図４、４ａ）の１つは、直列接続層（図４、６ａ）を介して対向電極（図４、５ｂ参照）の１つと電気的に接続していた。裏面コンタクトおよび対向電極のシート抵抗は、０．２オーム／スクエア以下だった。
【００９３】
実施例１の変形例では、対向電極層を含む白金上に白金フリー（platinum free）多孔質導電層を堆積させる。このような配置において、第１白金含有層は、独立した触媒層として機能する。
【００９４】
実施例１のもう１つの変形例では、直列接続層の印刷用のインクは、ＦＴＯ、ＩＴＯ、またはＡＴＯのような導電性酸化スズを含む。
【００９５】
実施例２ − ＤＳＣの製造
実施例１で得られた、印刷され焼結された多孔質ガラスマイクロファイバーベース基板を０．０２Ｍ ＴｉＣｌ４水溶液中に浸し、３０分間７０°で熱処理した。ＴｉＣｉ４溶液から層を取り除き、水、次にエタノールで層をすすぐ。その後、ＴｉＯ２ベースインク（図１ａの３）の２つの層を裏面コンタクト（４ａおよび４ｂ、図４ｄ参照）上に印刷し、それから乾燥した。乾燥したＴｉＯ２インク層の厚みは１〜２μｍであった。６０μｍの厚みの第２ＴｉＯ２インク層を第１ＴｉＯ２層上に直接印刷して乾燥した。第３ＴｉＯ２層を第２ＴｉＯ２層上に印刷して乾燥した。その後、当該構造物（structure）は、５００℃の空気中で３０分間熱処理を受けた。当該構造物を冷却させた後、当該構造物を０．０２Ｍ ＴｉＣｌ４の水中に浸し、７０℃で３０分間熱処理した。ＴｉＯ２を堆積したセラミック基板を水およびエタノールですすいだ後、５００℃の空気中で５分間熱処理した。その後、ＴｉＯ２を堆積した多孔質導電層構造物を２０ｍＭ Ｚ９０７色素のメトキシ−プロパノール溶液中に浸し、７０℃で３０分間熱処理し、次にメトキシ−プロパノールですすいだ。その後電解質をゲル状に４ａおよび４ｂ上に堆積し、各ＤＳＣ電池ユニット（図１ｂの１２参照）の周りの縁に（at the edges around）溶融ポリマーを染み込ませ（infiltrating）、同時にＤＳＣ電池ユニットの裏面コンタクトの外部電気的接続および他のＤＳＣ電池ユニットの対向電極の外部電気的接続を行うことによって電池ユニットを密封した。
【００９６】
実施例２の変形例は、ＴｉＣｌ４処理の１つまたは両方を省略することである。
【００９７】
実施例２のもう１つの変形例は、印刷可能なポリマーまたは化学的に硬化、光硬化または熱硬化しうるプレポリマーを用いることによって、各ＤＳＣ電池ユニットの縁の周りに（around the edges）密封剤（sealing）を印刷する。
【００９８】
この発明は、開示された実施形態に限定されないが、以下の請求項の範囲内で変形し修正してもよい。この発明の手順を一定の順序で述べているが、請求項はこの順序に限定されない。例えば、第１または第２の導電層を最初に適用するか否かは問題ではない。直列接続素子の多孔質絶縁層を基板に形成する前に、多孔質絶縁基板上に第１および第２導電層の１つまたは両方を提供することも可能である。
【００９９】
さらに、多孔質絶縁基板を貫通するのに十分に小さな導電性粒子を含むインクで多孔質絶縁基板を印刷することによって直列接続素子を形成する別の方法として、事前に多孔質絶縁基板に孔を開けることもでき、孔が開いた部分に沿って導電性粒子を含むインクで印刷する。インクおよび導電性粒子は、基板の孔が開いた部分を貫通する。この方法は、インク中の粒子の大きさに依存しない。
【０１００】
多孔質絶縁基板と多孔質裏面コンタクト層との間に１つまたは複数の多孔質層を有することも可能である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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