(57)【要約】【課題】本発明は、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池を提供する。【解決手段】本発明は、ナノ繊維で形成された繊維層と、前記繊維層の片側面に形成される伝導性電極層と、前記伝導性電極層上に形成される光電極層と、前記繊維層の他側面に形成される相対電極層と、前記繊維層、前記伝導性電極層、前記相対電極層および前記光電極層を内部に含んで外部から密封するシール部材と、前記繊維層に含浸された電解質とを含んでなる、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池を技術的要旨とする。本発明によれば、電解質を内包する繊維の片側の表面に電極および光電極が形成され且つ繊維の他側の表面には相対電極が形成された電池本体を高分子フィルムで密封することにより、柔軟性のある、外部圧力によっても電解質が外部に漏出しないかつ密封構造に優れる太陽電池を形成するという利点がある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ繊維で形成された繊維層と、
前記繊維層の片側面に形成される伝導性電極層と、
前記伝導性電極層上に形成される光電極層と、
前記繊維層の他側面に形成される相対電極層と、
前記繊維層、前記伝導性電極層、前記相対電極層および前記光電極層を内部に含んで外部から密封するシール部材と、
前記繊維層に含浸された電解質と、を含んでなる、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項２】
前記繊維層はＴｉＯ２、ＳｉＯ２およびＺｒＯ２のいずれか１種のナノ繊維で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項３】
前記繊維層は、ナノ繊維の直径が１００ｎｍ〜９００ｎｍであり、厚さが１０μｍ〜９００μｍであることを特徴とする、請求項２に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項４】
前記伝導性電極層は金属メッシュを用いて形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項５】
前記金属メッシュがステンレス材質のメッシュであることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項６】
前記金属メッシュは表面にチタニウムが塗布されることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項７】
前記伝導性電極層は、前記繊維層の片側面に二酸化チタンペーストを１次塗布した後、金属メッシュを積層することにより形成されることを特徴とする、請求項６に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項８】
前記金属メッシュの下面に二酸化チタンペーストを２次塗布することにより、前記金属メッシュを前記繊維層に接着させることを特徴とする、請求項７に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項９】
前記二酸化チタンペーストの２次塗布の後、４５０℃〜５００℃の温度で熱処理することを特徴とする、請求項８に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１０】
前記光電極層は、伝導性電極層にマスクを位置させた状態で前記伝導性電極層に二酸化チタンペーストを１回以上塗布することにより形成されることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１１】
前記二酸化チタンペーストは、１回塗布の際に、塗布厚さが１０ｎｍ〜４０ｎｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１２】
前記二酸化チタンペーストの塗布の後、４５０℃〜５００℃の温度で熱処理することを特徴とする、請求項１１に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１３】
前記熱処理の後に色素を浸漬させることを特徴とする、請求項１２に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１４】
前記相対電極層が白金を用いることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１５】
前記相対電極層が５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１６】
前記シール部材がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリエチレン（ＰＥ）であることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１７】
前記シール部材が１０μｍ〜５００μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１６に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１８】
前記電解質がアセトニトリルであることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項１９】
前記電解質の含浸は、シール部材に形成された孔を介して注射器を用いて電解質を繊維層に注入することにより行われることを特徴とする、請求項１８に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項２０】
前記伝導性電極層は、前記伝導性電極層と電気的に接続され且つシール部材の外側に突出した片側端子電極に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項２１】
前記相対電極層は、前記相対電極層と電気的に接続され且つシール部材の外側に突出した他側端子電極に接続されることを特徴とする、請求項２０に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【請求項２２】
前記他側端子電極がチタニウムワイヤーからなることを特徴とする、請求項２１に記載の繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池に係り、さらに詳しくは、電解質を内包する繊維の片側の表面に電極および光電極が形成され且つ繊維の他側の表面には相対電極が形成された電池本体を密封して太陽電池を形成する、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、色素増感型太陽電池は、色素の太陽光吸収能力を用いて化学的に発電を起こす太陽電池の一種であって、図１に示すように、上部のガラス基板１０１上に陰極１０３、色素、電解質１０５、相対電極１０４、導電性透明電極１０２、シール用接着剤１０６および下部のガラス基板１０１などを備えている。
【０００３】
陰極１０３は、ナノ多孔質膜として存在する、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｎＯ２のような広いバンドギャップを有するｎ型酸化物半導体から構成されており、この表面に単分子層の色素が吸着している。太陽光が太陽電池に入射すると、色素中のフェルミエネルギー付近の電子が太陽エネルギーを吸収することにより、電子の充填されていない上位準位に励起される。
【０００４】
この際、電子が抜け出した下位準位の空準位は、電解質中のイオンが電子を提供することにより再び充填される。色素に電子を提供したイオンは、陽極としての相対電極１０４へ移動して電子の提供を受ける。この際、陽極部の相対電極１０４は、電解質中にあるイオンの酸化還元反応の触媒として作用し、表面における酸化還元反応を通じて電解質中のイオンに電子を提供する役割を果たす。
【０００５】
前記色素増感型太陽電池の構成要素のうち、上下部のガラス基板１０１は、表面に導電性透明電極１０２がコートされている。前記導電性透明電極１０２としては主にＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）が使われているが、これはＦＴＯと電解質１０５との反応性が最も低くて長時間の使用にも安定するためである。
【０００６】
上下部のガラス基板は、前記電解質１０５の外部漏出を防止するために、導電性透明電極１０２と導電性透明電極１０２とをシール用接着剤１０６を用いて密封することにより、前記電解質１０５を一定の空間に収容する構造を取っている。
【０００７】
ところが、ＦＴＯがコートされた上下部のガラス基板１０１は、非常に高価であるため、色素増感型太陽電池の全体価格を高め、商用化の足手まといになっているという問題点がある。
【０００８】
また、色素増感型太陽電池に非対称的に与えられる圧力によってシール用接着剤１０６の密封力を減少させることにより発生する微細な隙間から色素増感型太陽電池の電解質１０６が外部に蒸発し、微細な隙間へ外部から水分が入り込んで効率が悪くなるという問題点がある。
【０００９】
一方、導電性透明電極１０２、シール用接着剤１０６、上下部のガラス基板１０１などは、互いに熱膨張係数と熱伝導度が異なるため、少ない温度差によっても壊れ易く、密封効果が低下して色素増感型太陽電池内の電解質が外部に漏出し、色素増感型太陽電池の効率が低下する原因となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、電解質を内包する繊維の片側の表面に電極および光電極が形成され且つ繊維の他側の表面には相対電極が形成された電池本体を密封して太陽電池を形成する、繊維を用いたフレキシブル色素増感型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】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明は、ナノ繊維で形成された繊維層と、前記繊維層の片側面に形成される伝導性電極層と、前記伝導性電極層上に形成される光電極層と、前記繊維層の他側面に形成される相対電極層と、前記繊維層、前記伝導性電極層、前記相対電極層および前記光電極層を内部に含んで外部から密封するシール部材と、前記繊維層に含浸された電解質とを含んでなる、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池を技術的要旨とする。
【００１２】
前記繊維層は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２およびＺｒＯ２のいずれか１種のナノ繊維で形成されることが好ましい。
前記繊維層は、ナノ繊維の直径が１００ｎｍ〜９００ｎｍであり、厚さが１０μｍ〜９００μｍであることが好ましい。
【００１３】
前記伝導性電極層は金属メッシュを用いて形成することが好ましい。
前記金属メッシュはステンレス材質のメッシュであることが好ましい。
前記金属メッシュは表面にチタニウムが塗布されることが好ましい。
前記伝導性電極層は、前記繊維層の片側面に二酸化チタンペーストを１次塗布した後、金属メッシュを積層することにより形成されることが好ましい。
【００１４】
前記金属メッシュの下面に二酸化チタンペーストを２次塗布することにより、前記金属メッシュを前記繊維層に接着させることが好ましい。
前記二酸化チタンペーストの２次塗布の後、４５０℃〜５００℃の温度で熱処理することが好ましい。
前記光電極層は、伝導性電極層にマスクを位置させた状態で前記伝導性電極層に二酸化チタンペーストを１回以上塗布することにより形成されることが好ましい。
【００１５】
前記二酸化チタンペーストは、１回塗布の際に、塗布厚さが１０ｎｍ〜４０ｎｍであることが好ましい。
前記二酸化チタンペーストの塗布の後、４５０℃〜５００℃の温度で熱処理することが好ましい。
前記熱処理の後に色素を浸漬させることが好ましい。
前記相対電極層は白金を用いることが好ましい。
前記相対電極層は５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さに形成されることが好ましい。
【００１６】
前記シール部材はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリエチレン（ＰＥ）であることが好ましい。
前記シール部材は１０μｍ〜５００μｍの厚さを有することが好ましい。
前記電解質はアセトニトリルであることが好ましい。
前記電解質の含浸は、シール部材に形成された孔を介して注射器を用いて電解質を繊維層に注入することにより行われることが好ましい。
【００１７】
前記伝導性電極層は、前記伝導性電極層と電気的に接続され且つシール部材の外側に突出した片側端子電極に接続されることが好ましい。
前記相対電極層は、前記相対電極層と電気的に接続され且つシール部材の外側に突出した他側端子電極に接続されることが好ましい。
前記他側端子電極はチタニウムワイヤーからなることが好ましい。
【００１８】
本発明によれば、電解質を内包する繊維の片側の表面に電極および光電極が形成され且つ繊維の他側の表面には相対電極が形成された電池本体を高分子フィルムで密封することにより、柔軟性のある太陽電池を形成するという利点がある。
【発明の効果】
【００１９】
上述した構成を持つ本発明は、電解質を内包する繊維の片側の表面に電極および光電極が形成され且つ繊維の他側の表面には相対電極が形成された電池本体を高分子フィルムで密封することにより、柔軟性のある、外部圧力によっても電解質が外部に漏出しないかつ密封構造に優れる太陽電池を形成するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の技術に係る色素増感型太陽電池を示す概略図である。
【図２】本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の構造を示す概略図である。
【図３】本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の柔軟性を示す写真である。
【図４】本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の屈曲程度による電流密度を示す図である。
【図５】本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の曲率（Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ（ｃｍ−１））による効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図２は本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の構造を示す概略図で、図３は本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の柔軟性を示す写真で、図４は本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の屈曲程度による電流密度を示す図で、図５は本発明によって製造された、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池の曲率（Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ（ｃｍ−１））による効率を示す図である。
【００２２】
図示の如く、本発明に係る繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池は、繊維層１００、伝導性電極層２００、光電極層３００、相対電極層４００、シール部材５００、および電解質６００から構成される。
まず、繊維層１００について説明する。
【００２３】
前記繊維層１００は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２およびＺｒＯ２のいずれか１種のナノ繊維で形成される。本発明では、ガラスマイクロファイバーフィルター（ＣＨＭＬＡＢ Ｇｒｏｕｐ、ＧＦ１ ｇｒａｄｅ ｆｉｌｔｅｒ ｐａｐｅｒ）をガラスペーパーの繊維層１００として使用し、繊維の直径は約５００ｎｍ程度とし、繊維層１００の厚さは約１００μｍとする。前記繊維層１００には後述する電解質６００が含浸されて外部から密封される。
【００２４】
前記繊維層１００の他側面には相対電極層４００が形成される。前記相対電極層４００は、白金を用いて、繊維層１００としてのガラスペーパーの他側面に１００ｎｍの厚さに相対電極層４００としての白金薄膜層を形成する。この際、白金薄膜層はスパッタリング法または蒸発法を用いて形成する。
【００２５】
前記繊維層１００の片側面には伝導性電極層２００が形成される。前記伝導性電極層２００は、金属メッシュであるステンレススチールメッシュを用いて形成する。
【００２６】
伝導性電極層２００を形成するために、まず、金属メッシュであるステンレススチールメッシュをアセトン、エタノールおよび水を用いて洗浄し、温度７０℃のオーブンで乾燥させる。この際、ステンレススチールメッシュは３０４ステンレススチール（３２５メッシュ）を使用する。
【００２７】
洗浄／乾燥の後には、チタニウムを用いてステンレススチールメッシュの両側面にチタニウムをコートするが、約３００ｎｍの厚さにコートし、スパッタリング法を用いてコートする方式でステンレススチールメッシュの表面を処理する。
【００２８】
その後、前記繊維層１００の片側面、すなわち白金薄膜層である相対電極層４００が形成された面の対向する面に粒径約５００ｎｍの二酸化チタン（ＴｉＯ２）粒子を有する二酸化チタンペーストを１次塗布する。
【００２９】
この状態で、上記で表面処理されたステンレススチールメッシュを、前記二酸化チタンペーストが乾燥する前に、前記二酸化チタンペーストが１次塗布された繊維層１００に位置させ、約７０℃のオーブンで約２時間乾燥させる。
【００３０】
乾燥の後、前記繊維層に位置したステンレススチールメッシュの上面に、粒径約２０ｎｍ程度の二酸化チタン粒子を含有する二酸化チタンペーストを２次塗布する。
【００３１】
前記塗布の後、前記繊維層１００に前記ステンレススチールメッシュがよく接着されるように４８０℃の温度で約１時間熱処理することにより、最終的に繊維層１００の一面に伝導性電極層２００を形成する。
前記伝導性電極層２００の下面には光電極層３００が形成される。前記光電極層３００は二酸化チタンペーストを用いて形成する。
【００３２】
光電極層３００を形成するために、マスクを位置させた状態で前記伝導性電極層２００の下面に２０ｎｍの厚さに二酸化チタンペーストを塗布することにより、光電極層３００が形成される。この際、二酸化チタンペーストは２００ｎｍの厚さに多数回積層される形で形成してもよい。
【００３３】
上述したように二酸化チタンペーストを塗布した後、４８０℃の温度で約１時間熱処理し、ルテニウム系色素であるＮ７１９色素に浸漬させ、色素の浸漬した光電極層３００を形成する。
【００３４】
次に、前記繊維層１００、伝導性電極層２００、相対電極層４００および光電極層３００を内部に含んで外部から密封するシール部材５００を形成しなければならない。前記シール部材５００は透明材質の高分子フィルム（ＰＥＴ、ＰＥなど）でシールする。
本発明の実施例では、シール部材５００は厚さ約１００μｍのＰＥＴフィルムを用いてホットロールコーティングマシンによってシールする。
そして、シール部材５００に小さい孔を形成し、電解質６００であるアセトニトリルを注射器を用いて前記繊維層１００としてのガラスペーパーに含浸させる。
【００３５】
この際、前記伝導性電極層２００には一定の厚さを有するステンレススチールを前記伝導性電極層２００と電気的に接続された状態で前記シール部材５００の外部に露出させて片側端子電極７１０を形成し、前記相対電極層４００には長さ約１ｃｍおよび直径０．１ｍｍのチタニウムワイヤーを相対電極層４００と電気的に接続された状態で前記シール部材５００の外部に露出させて他側端子電極７２０を形成すると、本発明に係る繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池が完成される。
上記で形成された繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池に対する柔軟性をテストした。テストの結果より、図３のように柔軟性に優れることが分かる。
【００３６】
そして、上記で形成された繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池に対して、屈曲した程度による電流密度を測定した結果、図４において曲率半径が１．４ｃｍ以上の場合に一定の電流密度を保つことが分かる。
【００３７】
また、図５より、曲率半径が１ｃｍ以上の場合には効率が９０％程度を保ち、曲率半径が１ｃｍ未満の場合には効率が低下することを確認した。これは、曲率半径が１ｃｍ以上の場合、安定した効率を有するフレキシブル太陽電池が得られることを示唆する。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、繊維を用いたフレキシブル色素増感太陽電池に係り、さらに詳しくは、電解質を内包する繊維の片側の表面に電極および光電極が形成され且つ繊維の他側の表面には相対電極が形成された電池本体を密封して太陽電池を形成する、繊維を用いたフレキシブル色素増感型太陽電池分野に利用可能である。
【図１】
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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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【国際調査報告】
2014519709.tif 000008
2014519709.tif 000009
2014519709.tif 000010
2014519709.tif 000011