(57)【要約】【課題】垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールでは、複数の電池が互いに平行に、垂直方向に順次積層されている。それぞれの電池は、互いに対向している半導体電極及び対極と、これらの間に介在した電解質層とを備える。複数の電池から選択される互いに隣接した第１電池及び第２電池との間には、第１電池の対極が形成された第１表面と、第２電池の半導体電極が形成された第２表面とを有する第１伝導性透明基板が介在している。半導体電極の形成された第２伝導性透明基板が複数の電池のうち最下側電池を構成し、対極の形成された第３伝導性透明基板が最上側電池を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に、垂直方向に順次積層されており、それぞれ互いに対向している半導体電極及び対極と、これらの間に介在した電解質層とを備える複数の電池と、
前記複数の電池から選択される互いに隣接した第１電池及び第２電池との間に介在し、前記第１電池の対極が形成された第１表面と、前記第２電池の半導体電極が形成された第２表面を有する第１伝導性透明基板と、
前記複数の電池のうち最下側電池の半導体電極が形成された第３表面を有する第２伝導性透明基板と、
前記複数の電池のうち最上側電池の対極が形成された第４表面を有する第３伝導性透明基板とを備えることを特徴とする垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記第１伝導性透明基板は、透明基板と、前記透明基板の両側面にそれぞれコーティングされた第１及び第２導電層とを備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記透明基板は、ガラスであり、
前記第１及び第２導電層は、それぞれＩＴＯ（indium tin oxide）、ＦＴＯ（fluorine-doped tin oxide）、またはＳｎＯ2を含むことを特徴とする請求項２に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記第１伝導性透明基板は、伝導性高分子を含むことを特徴とする請求項１に記載の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記第１伝導性透明基板は、前記第２伝導性透明基板と前記第３伝導性透明基板との間に１枚のみ存在することを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池。
【請求項６】
前記第１伝導性透明基板は、前記第２伝導性透明基板と前記第３伝導性透明基板との間に複数枚存在することを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池。
【請求項７】
前記第２伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板は、それぞれその両側面のうち一側面にのみ導電層が形成されている透明基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項８】
前記第２伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板は、それぞれ伝導性高分子を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項９】
前記半導体電極は、色素分子が吸着された金属酸化物層を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１０】
前記金属酸化物層は、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、二酸化スズ（ＳｎＯ2）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む群から選択される少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項９に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１１】
前記対極は、Ｐｔを含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１２】
前記電解質層は、ヨウ素系酸化−還元液体電解質を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１３】
前記複数の電池は、それぞれ直列連結されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１４】
前記複数の電池は、それぞれ並列連結されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１５】
前記第１伝導性透明基板は、前記第１導電層と第２導電層とを電気的に連結する第３導電層をさらに備え、
前記第１電池及び第２電池は、前記第３導電層を通じて直列連結されていることを特徴とする請求項２に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１６】
前記第３導電層は、前記第１伝導性透明基板の側壁に形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１７】
前記第３導電層は、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ2、金属、及び伝導性高分子を含む群から選択される少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項１５に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール。
【請求項１８】
第１対極が形成された第１表面と第１半導体電極が形成された第２表面とを有する第１伝導性透明基板を形成する段階と、
第２半導体電極が形成された第３表面を有する第２伝導性透明基板を形成する段階と、
前記第１対極と前記第２半導体電極とが、第１空間を挟んで互いに離隔された状態で対向するように、前記第１伝導性透明基板及び第２伝導性透明基板を整列させる段階と、
前記第１空間内に電解液を注入して第１電解質層を形成する段階とを含むことを特徴とする垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法。
【請求項１９】
前記第１伝導性透明基板及び第２伝導性透明基板を整列させる段階は、前記第１伝導性透明基板と前記第２伝導性透明基板との間に、前記第１空間を密閉させる隔壁が介在した状態で整列させることを特徴とする請求項１８に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法。
【請求項２０】
第２対極が形成された第４表面を有する第３伝導性透明基板を形成する段階と、
前記第１半導体電極と前記第２対極とが、第２空間を挟んで互いに離隔された状態で対向するように、前記第１伝導性透明基板及び前記第３伝導性透明基板を整列させる段階と、
前記第２空間内に電解液を注入して、第２電解質層を形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法。
【請求項２１】
前記第１伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板を整列させる段階は、前記第１伝導性透明基板と前記第３伝導性透明基板との間に、前記第２空間を密閉させる隔壁が介在した状態で整列させることを特徴とする請求項２０に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法。
【請求項２２】
前記第１伝導性透明基板を形成する段階では、複数枚の前記第１伝導性透明基板が形成され、
前記複数枚の第１伝導性透明基板を、これらの間にそれぞれ所定の空間を挟んで互いに離隔された状態で互いに平行に、垂直方向に積層する段階と、
前記空間内に電解液を注入して、それぞれの前記第１伝導性透明基板の間に電解質層を形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、太陽電池モジュールに関し、特に、複数の色素感応太陽電池の積層構造を備える色素感応太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素発生規制政策、化石燃料埋蔵量の枯渇、及びエネルギー価格上昇などのために、半導体などを利用して太陽エネルギーを電気エネルギーに活用しようとする太陽電池分野の関心と努力が増加しつつある。
【０００３】
色素感応太陽電池は、既存のｐ−ｎ接合によるシリコン太陽電池とは異なり、可視光線の光を吸収して電子−ホール対を生成することができる感光性色素分子と、生成された電子を伝達する転移金属酸化物とを主な構成材料とする光電気化学的太陽電池である。
【０００４】
これまでに知られている色素感応太陽電池の代表的な例として、スイスのグレツェル（Ｇｒａｔｚｅｌ）らによって発表されたものがある（特許文献１、特許文献２参照）。グレツェルらにより提案された色素感応太陽電池は、ナノ粒子酸化物半導体電極、白金電極、前記半導体電極にコーティングされた色素分子、及び酸化／還元電解質から構成された、光電気化学的太陽電池である。ここで、色素分子は、可視光線を吸収して電子−ホール対を生成する役割を担い、ナノ粒子酸化物半導体電極は、生成された電子を伝達する役割を担う。このように構成された色素感応太陽電池は、既存のシリコン太陽電池に比べて製造コストが低いという長所によって、シリコン太陽電池を代替できる次世代太陽電池として注目されている。
【０００５】
色素感応太陽電池の電圧は、ナノ粒子酸化物半導体電極のフェルミエネルギー準位と、電解質での酸化／還元エネルギー準位との電位差により決定され、一般的に０．６〜１．０Ｖの電圧を示す。
【０００６】
一方、ＭＰ３プレーヤー、携帯電話、小型録音機、ＣＤプレーヤー、電子辞典などの各種電子製品は、最小限１．５Ｖ以上の電圧を必要とする。したがって、例えば、０．６Ｖの電圧の色素感応太陽電池を携帯電話端末の電源（〜３．７Ｖ）として使用するためには、前記色素感応太陽電池７個を直列に連結して、電圧を昇圧させなければならない。
【０００７】
このために、従来の技術で複数の太陽電池を互いに結線して、所望の電圧を供給するための多様な構造の太陽電池モジュールが提案されている（特許文献３参照）。しかし、この従来技術による太陽電池モジュールでは、前記太陽電池モジュールが占める全体面積内に、太陽光吸収による電気発生に寄与しない領域が存在して、太陽電池の有効面積が比較的小さい。そして、太陽電池モジュールを構成するために並んで配列される複数の太陽電池の電極を電気的に分離させるために、基板上に形成された導電層をエッチングする工程、及び各電極間の連結線導入のための追加工程が必要であり、工程が非常に複雑である。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４，９２７，７２１号
【特許文献２】米国特許第５，３５０，６４４号
【特許文献３】大韓民国公開特許第２００４−３４９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上述した従来技術での問題点を解決するものであり、太陽電池のエネルギー変換有効面積を最大化して、単位面積当たりエネルギー変換効率を極大化することができる構造を有する、垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、単位面積当たりエネルギー変換効率を極大化させうる構造を有する太陽電池モジュールを単純化した製造工程で形成することで、製品の生産性を向上させうる垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールは、互いに平行に、垂直方向に順次に積層されており、それぞれ互いに対向している半導体電極及び対極と、これらの間に介在する電解質層とを備える複数の電池を備える。前記複数の電池から選択される互いに隣接した第１電池及び第２電池との間には、前記第１電池の対極が形成された第１表面と、前記第２電池の半導体電極が形成された第２表面とを有する第１伝導性透明基板が介在する。また、前記複数の電池のうち最下側電池の半導体電極が形成された第３表面を有する第２伝導性透明基板と、前記複数の電池のうち最上側電池の対極が形成された第４表面を有する第３伝導性透明基板とを備える。
【００１２】
前記第１伝導性透明基板は、透明基板と、前記透明基板の両側面にそれぞれコーティングされた第１及び第２導電層とを備えることができる。または、前記第１伝導性透明基板は、伝導性高分子のような伝導性透明基板を含むこともできる。
【００１３】
前記第１伝導性透明基板は、前記第２伝導性透明基板と前記第３伝導性透明基板との間に１枚のみ存在するか、または複数枚存在してもよい。
【００１４】
前記第２伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板は、その両側面のうち一側面にのみ導電層が形成されている透明基板を含む。または、前記第２伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板は、それぞれ伝導性高分子のような伝導性透明基板を含んでもよい。
【００１５】
前記複数の電池は、それぞれ直列または並列連結する構成を有しうる。
【００１６】
前記第１伝導性透明基板は、前記第１導電層と第２導電層とを電気的に連結させるための第３導電層をさらに備えてもよい。この場合、前記第１電池及び第２電池は、前記第３導電層を通じて直列連結されうる。前記第３導電層は、前記第１伝導性透明基板の側壁に形成されうる。
【００１７】
前記他の目的を達成するために、本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法では、第１対極が形成された第１表面と第１半導体電極が形成された第２表面とを有する第１伝導性透明基板を形成する。第２半導体電極が形成された第３表面を有する第２伝導性透明基板を形成する。前記第１対極と前記第２半導体電極とが、第１空間を挟んで互いに離隔された状態で対向するように、前記第１伝導性透明基板及び第２伝導性透明基板を整列させる。前記第１空間内に電解液を注入して第１電解質層を形成する。
【００１８】
前記第１伝導性透明基板及び第２伝導性透明基板を整列させる段階は、前記第１伝導性透明基板と前記第２伝導性透明基板との間で、前記第１空間を密閉させる隔壁が介在した状態で整列させることができる。
【００１９】
本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法は、第２対極が形成された第４表面を有する第３伝導性透明基板を形成する段階と、前記第１半導体電極と前記第２対極とが第２空間を挟んで互いに離隔された状態で対向するように、前記第１伝導性透明基板及び前記第３伝導性透明基板を整列させる段階と、前記第２空間内に電解液を注入して、第２電解質層を形成する段階とをさらに含むことができる。
【００２０】
前記第１伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板を整列させる段階では、前記第１伝導性透明基板と前記第３伝導性透明基板との間で、前記第２空間を密閉させる隔壁が介在した状態で整列されうる。
【００２１】
前記第１伝導性透明基板を形成する段階では、複数枚の前記第１伝導性透明基板が形成されうる。このとき、前記複数枚の第１伝導性透明基板を、これらの間にそれぞれ所定の空間を挟んで互いに離隔した状態で互いに平行に、垂直方向に積層する段階と、前記空間内に電解液を注入して、それぞれの前記第１伝導性透明基板の間に電解質層を形成する段階とをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールは、複数の太陽電池が垂直に積層されて構成され、前記複数の太陽電池から選択される互いに隣接した第１電池及び第２電池との間に介在しており、前記第１電池の対極が形成された第１表面と、前記第２電池の半導体電極が形成された第２表面とを有する第１伝導性透明基板とを備えて構成される。
【００２３】
本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールに含まれた複数の太陽電池を直列連結させる時、従来技術による直列連結構造とは異なり、直列連結のための別途の空間を必要としない。したがって、太陽電池モジュールが占める面積内で単位面積当たりエネルギー変換効率を著しく増加させることができる。また、複数の太陽電池を連結させるための工程が単純化されて、複数の太陽電池が直列または並列連結される色素感応太陽電池モジュールを容易な方法で製造することができる。
【００２４】
本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールは、太陽光熱吸収による電気発生に寄与する太陽電池の有効面積が極大化されて、太陽電池モジュールのエネルギー変換効率を著しく向上させ、単純な工程によって垂直積層構造を有する色素感応太陽電池モジュールを製造することができる。また、積層される太陽電池の数を任意に容易に調節でき、所望の電圧を非常に容易に調節できる。また、多様な電圧のモジュールを一つの工程ラインを通じて生産することができるので、色素感応太陽電池モジュールの生産性を向上させ、製造コストを著しく減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の望ましい実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。  
本発明の実施形態は、いろいろな形態に変形されるものであり、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されると解釈してはならない。本発明の実施形態は、本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。本明細書において、ある膜が他の膜または基板の「上」にあると記載された場合、前記ある膜は、前記他の膜または基板上に直接存在してもよく、その間に第３の膜が介在してもよい。図面における、膜及び領域の厚さ及び大きさは、明細書の明確性のために誇張されたものである。したがって、本発明は、図面に示された相対的な大きさや間隔によって制限されない。図面における同じ符号は、同じ要素を示す。
【００２６】
図１は、本発明の第１実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール１００を概略的に示す断面図である。  
図１を参照すれば、本発明の例示的な垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール１００は、互いに平行に、垂直方向に積層されている複数の電池１４０、１５０、１６０、１７０を備える。図１には、４つの電池、すなわち、第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０が、順次に垂直に積層されている垂直積層型太陽電池モジュール１００が例示されている。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールは、２つまたは３つの電池から構成されてもよく、５つ以上の電池から構成されてもよい。本実施例では、４つの電池から構成される前記垂直積層型太陽電池モジュール１００の構成についてのみ説明するが、本発明の技術的思想の範囲内で多様な数の電池から構成される垂直積層型太陽電池モジュールについても、同様に適用されうるということは当業者には明らかである。
【００２７】
前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０は、それぞれ互いに対向している半導体電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ及び対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄと、これらの間に介在する電解質層１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄとを備える。
【００２８】
前記複数の電池１４０、１５０、１６０、１７０のうち、第１電池１４０と第２電池１５０との間、第２電池１５０と第３電池１６０との間、そして第３電池１６０と第４電池１７０との間には、それぞれ第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが介在している。図１には、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと、前記透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの両側面にそれぞれコーティングされている第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃとを備えると示されている。前記透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれガラスからなりうる。そして、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、それぞれＩＴＯ（indium tin oxide）、ＦＴＯ（fluorine-doped tin oxide）、またはＳｎＯ2からなりうる。しかし、本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール１００は、図１に示す第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの構成に限定されるものではない。すなわち、前記透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが、伝導性高分子のような伝導性透明基板からなってもよい。この場合、前記透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの両側面に、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを、別途形成する必要はない。
【００２９】
前記第１伝導性透明基板１０８ａの第１導電層１０４ａ上には、前記第１電池１４０の対極１１４ａが形成されており、前記第１伝導性透明基板１０８ａの第２導電層１０６ａ上には、前記第２電池１５０の半導体電極１１２ｂが形成されている。前記第１伝導性透明基板１０８ｂの第１導電層１０４ｂ上には、前記第２電池１５０の対極１１４ｂが形成されており、前記第１伝導性透明基板１０８ｂの第２導電層１０６ｂ上には、前記第３電池１６０の半導体電極１１２ｃが形成されている。そして、前記第１伝導性透明基板１０８ｃの第１導電層１０４ｃ上には、前記第３電池１６０の対極１１４ｃが形成されており、前記第１伝導性透明基板１０８ｃの第２導電層１０６ｃ上には、前記第４電池１７０の半導体電極１１２ｄが形成されている。
【００３０】
前記垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール１００の底面は、第２伝導性透明基板１２８で保護され、上面は、第３伝導性透明基板１３８で保護される。前記第２伝導性透明基板１２８は、透明基板１２２と、前記透明基板１２２の上面に形成された導電層１２６とを備える。前記第３伝導性透明基板１３８は、透明基板１３２と、前記透明基板１３２の上面に形成された導電層１３４とを備える。前記透明基板１２２、１３２は、それぞれガラスからなりうる。そして、前記導電層１２６、１３４は、それぞれＩＴＯ、ＦＴＯ、またはＳｎＯ2からなりうる。または、前記第２伝導性透明基板１２８の透明基板１２２と、前記第３伝導性透明基板１３８の透明基板１３２とが、伝導性高分子のような伝導性透明基板からなることもできる。この場合、前記導電層１２６及び導電層１３４は、別途形成する必要がない。
【００３１】
前記複数の電池１４０、１５０、１６０、１７０のうち、最下側電池である第１電池１４０の半導体電極１１２ａは、前記第２伝導性透明基板１２８の上面に形成された導電層１２６上に形成されている。そして、前記複数の電池１４０、１５０、１６０、１７０のうち、最上側電池である第４電池１７０の対極１１４ｄは、前記第３伝導性透明基板１３８の底面に形成された導電層１３４上に形成されている。
【００３２】
前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０における、前記半導体電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは、それぞれ色素分子が吸着された金属酸化物層からなりうる。例えば、前記金属酸化物層は、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、二酸化スズ（ＳｎＯ2）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むことができ、約３〜１２μｍの厚さを持つことができる。望ましくは、前記金属酸化物層は、約１５〜２５ｎｍの大きさを持つ二酸化チタンを含む。前記金属酸化物層に吸着された色素分子は、ルテニウム錯体を含む。前記対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、白金（Ｐｔ）を含む。
【００３３】
前記半導体電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄと、前記対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄとの間で、隔壁１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄにより密封された前記電解質層１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄは、ヨウ素系酸化−還元液体電解質を含む。例えば、前記電解質層１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄは、０．７Ｍの１−ビニル−３−メチル−ヨウ化イミダゾリウムと、０．１ＭのＬｉＩと、４０ｍＭのＩ2と、０．２Ｍの第３ブチルピリジンとを３−メトキシプロピオニトリルに溶解させたＩ3-／Ｉ-の電解質溶液を含む。前記隔壁１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄは、例えばサーリン（Surlyn）のような熱可塑性高分子膜を含み、約３０〜５０μｍの厚さ及び約１〜４ｍｍの幅を持つことができる。
【００３４】
図１に示す垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール１００における、前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０は、それぞれ第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃによって直列連結されている。前記第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃは、それぞれ図１に示すように、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの側壁に形成されうる。この場合、前記第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃは、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの側壁において、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃと、第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃとにそれぞれ電気的に連結されている。
【００３５】
前記第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃを形成するために、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの側壁にそれぞれＩＴＯ、ＦＴＯまたはＳｎＯ2をコーティングすることができる。または、前記第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃを形成するために、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの側壁にチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）のような金属、またはポリアニリンのような伝導性高分子をコーティングしてもよい。
【００３６】
図示してはいないが、前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０を直列連結させるために、前記第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃではない他の構成を採用してもよい。例えば、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃをそれぞれ貫通して形成されるビアコンタクトを形成することで、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを電気的に連結させることもできる。または、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを電気的に連結させるために、ワイヤーのような連結線を利用してもよい。
【００３７】
また、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを別途形成せず、前記透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを伝導性高分子で形成した場合には、前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０を直列連結させるための別途の配線は必要ない。
【００３８】
次に、図１に示す本発明の第１実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール１００の例示的な作動過程を、以下に説明する。
【００３９】
外部から入射した太陽光は、前記第４電池１７０の半導体電極１１２ｄの金属酸化物層に吸着された色素分子によって吸収され、前記色素分子は、励起されて電子が前記金属酸化物層の伝導帯に注入される。前記金属酸化物層に注入された電子は、金属酸化物層内の粒界を介して前記半導体電極１１２ｄに接している第２導電層１０６ｃに伝達されて、前記第３電池１６０の対極１１４ｃに電子が移動する。前記第４電池１７０と同様に、前記対極１１４ｃに移動した電子は、前記第３電池１６０の半導体電極１１２ｃの金属酸化物層内の粒界を介して前記半導体電極１１２ｃに接している第２導電層１０６ｂに伝達されて、前記第２電池１５０の対極１１４ｂに電子が移動する。このように、前記第２電池１５０の半導体電極１１２ｂ及び第２導電層１０６ａを介して電子が第１電池１４０まで伝えられる。前記第１電池１４０における半導体電極１１２ａを構成する金属酸化物層に注入された電子は、粒界を介して前記第２伝導性透明基板１２８に伝達され、外部電線（図示せず）を介して第３伝導性透明基板１３８の対極１１４ｄに移動する。
【００４０】
前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０の半導体電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄにおいて、電子転移によって酸化された色素分子は、電解質層１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄ内のヨウ素イオンの酸化還元作用（３Ｉ-→Ｉ3-+２ｅ-）によって提供される電子を受けてさらに還元され、酸化されたヨウ素イオン（Ｉ3-）は、対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに到達した電子によってさらに還元されて、垂直積層型の色素感応太陽電池１００の作動過程が完成される。
【００４１】
図２は、本発明の第２実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール２００を概略的に示す断面図である。  
第２実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール２００は、第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０が並列連結されている点を除いては、第１実施形態と類似している。図２において、図１と同じ参照符号は、同一部材を示す。したがって、本例では、これらについての詳細な説明は省略する。
【００４２】
前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０を並列連結させるために、前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０の負極である半導体電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ同士を連結させる第１導電ライン１９２と、前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０の正極である対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ同士を連結させる第２導電ライン１９４を使用することができる。
【００４３】
図３ないし図５は、それぞれ本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。  
図１及び図２の断面図と、図３ないし図５のフローチャートとを参照して、本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法を説明する。
【００４４】
まず、図３の段階３１０において、両側面に対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ及び半導体電極１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄがそれぞれ形成された、複数の第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃを形成する。
【００４５】
前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃを形成するために、まず透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの両側面にそれぞれ第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを形成する。前記第１電池１４０、第２電池１５０、第３電池１６０、及び第４電池１７０を直列連結させる場合には、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの透明基板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃとして伝導性高分子基板を使用してもよい。この場合、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの形成工程を省略することができる。
【００４６】
その後、前記第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ上にそれぞれ金属酸化物層を形成する。このために、例えば、前記第２導電層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ上に二酸化チタン（ＴｉＯ2）を蒸着した後、約５００℃の温度で熱処理する工程を利用することができる。その後、前記第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ上に対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃをそれぞれ形成する。このために、第１導電層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ上にＰｔを蒸着した後、約４００℃の温度で熱処理する工程を利用することができる。その後、前記金属酸化物層上に色素分子を化学的に吸着させて、前記半導体電極１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄを完成させる。
【００４７】
図３の段階３２０において、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃを順次、垂直に整列させる。このとき、図１及び図２に示すように、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、それぞれ隔壁１１８ｂ、１１８ｃを挟んで整列させる。
【００４８】
図３の段階３３０において、前記第１伝導性透明基板１０８ａと前記第１伝導性透明基板１０８ｂとの間で、互いに対向している半導体電極１１２ｂと対極１１４ｂとの間の空間、及び第１伝導性透明基板１０８ｂと前記第１伝導性透明基板１０８ｃとの間で、互いに対向している半導体電極１１２ｃと対極１１４ｃとの間の空間に、それぞれ液体電解質を注入して電解質層１１６ｂ、１１６ｃを形成する。これにより、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの垂直積層構造が得られる。
【００４９】
図４の段階４１０において、一側面に半導体電極１１２ａが形成された第２伝導性透明基板１２８を形成する。このために、図３の段階３１０で説明した第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの形成方法と同じ方法を利用することができる。但し、前記第２伝導性透明基板１２８を形成する工程では、透明基板１２２上の一側面にのみ導電層１２６を形成し、前記導電層１２６上に前記半導体電極１１２ａを形成する。前記第２伝導性透明基板１２８の透明基板１２２として伝導性高分子基板を使用する場合、前記導電層１２６を形成する工程を省略することができる。前記半導体電極１１２ａを形成するために、段階３１０において説明した半導体電極１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄの形成工程と同じ工程を利用することができる。
【００５０】
図４の段階４２０において、図３の段階３１０ないし段階３３０において形成した前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの垂直積層構造の対極１１４ａと、前記第２伝導性透明基板１２８の半導体電極１１２ａとが互いに対向するように、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの垂直積層構造と前記第２伝導性透明基板１２８とを整列させる。このとき、図１及び図２に示すように、前記第１伝導性透明基板１０８ａと前記第２伝導性透明基板１２８との間に隔壁１１８ａを介在させる。
【００５１】
図４の段階４３０において、前記第１伝導性透明基板１０８ａと前記第２伝導性透明基板１２８との間で、互いに対向している半導体電極１１２ａと対極１１４ａとの間の空間に液体電解質を注入して、電解質層１１６ａを形成する。
【００５２】
図５の段階５１０において、一側面に対極１１４ｄが形成された第３伝導性透明基板１３８を形成する。このために、図３の段階３１０において説明した第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの形成方法と同じ方法を利用することができる。但し、前記第３伝導性透明基板１３８を形成する工程では、透明基板１３２上の一側面にのみ導電層１３４を形成し、前記導電層１３４上に前記対極１１４ｄを形成する。前記第３伝導性透明基板１３８の透明基板１３２として伝導性高分子基板を使用する場合、前記導電層１３４を形成する工程を省略することができる。前記対極１１４ｄを形成するために、段階３１０において説明した対極１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの形成工程と同じ工程を利用することができる。
【００５３】
図５の段階５２０において、図３の段階３１０ないし段階３３０において形成した前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの垂直積層構造の半導体電極１１２ｄと、前記第３伝導性透明基板１３８の対極１１４ｄとが互いに対向するように、前記第１伝導性透明基板１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの垂直積層構造と前記第３伝導性透明基板１３８とを整列させる。このとき、図１及び図２に示すように、前記第１伝導性透明基板１０８ｃと前記第３伝導性透明基板１３８との間に隔壁１１８ｄを介在させる。
【００５４】
図５の段階５３０において、前記第１伝導性透明基板１０８ｃと前記第３伝導性透明基板１３８との間で、互いに対向している半導体電極１１２ｄと対極１１４ｄとの間の空間に液体電解質を注入して、電解質層１１６ｄを形成する。
【００５５】
その後、必要に応じて、図１に示すような第３導電層１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ形成工程、または図２に示すような第１導電ライン１９２及び第２導電ライン１９４の形成工程を行う。
【００５６】
図３ないし図５を参照して説明した本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法において、図３に示す第１伝導性透明基板の垂直積層構造を形成した後、図４による工程及び図５による工程のうちのどちらの工程を先に行うかは、特別に制限されない。
【００５７】
例１
垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造
本例による色素感応太陽電池モジュールは、２つの電池が垂直に積層されたことを除いては、図１に示す垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールと同じ構造で製造した。  
本例では、１つの第１伝導性透明基板を使用し、前記第１伝導性透明基板を形成するために、ガラス基板の両側面にＩＴＯ膜を形成した。また、第２伝導性透明基板及び第３伝導性透明基板を形成するために、それぞれガラス基板の一側面にのみＩＴＯ膜を形成した。前記ＩＴＯ膜を形成するために、スパッタリング法でそれぞれのガラス基板上にＩＴＯを約２０００Åの厚さに蒸着した。
【００５８】
前記第１伝導性透明基板の一側面に形成されたＩＴＯ膜上に二酸化チタン膜をコーティングし、５００℃の温度で熱処理して、前記二酸化チタン膜内の不純物を除去した。その後、前記第１伝導性透明基板の他側面に形成されたＩＴＯ膜上にＰｔを蒸着した後、４００℃の温度で熱処理して対極を形成した。その後、前記二酸化チタン膜にルテニウム錯体を吸着させて半導体電極を完成させた。同じ方法で前記第２伝導性透明基板上のＩＴＯ膜上に半導体電極を形成し、第３伝導性透明基板上のＩＴＯ膜上に対極を形成した。それぞれ半導体電極または対極が形成されている前記第１、第２及び第３伝導性透明基板を垂直に整列させた後、それぞれの間にサーリンからなる高分子膜が介在した状態で積層して、垂直積層構造を形成した。その後、前記第１、第２及び第３伝導性透明基板のそれぞれの間の空間に、０．７Ｍの１−ビニル−３−メチル−ヨウ化イミダゾリウムと、０．１ＭのＬｉＩと、４０ｍＭのＩ2と、０．２Ｍの第３ブチルピリジンとを、３−メトキシプロピオニトリルに溶解させたＩ3-／I-の電解質溶液を注入して電解質層を形成した。その後、前記第１伝導性透明基板の両側面に形成されたそれぞれのＩＴＯ膜に接するように、前記第１伝導性透明基板の側壁にｅ−ビーム蒸着工程によりＴｉを約１０００Åの厚さにコーティングして、２つの太陽電池が直列連結された垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールを完成させた。
【００５９】
例２
対照例の製造
例１と同じ工程で製造された第２伝導性透明基板と第３伝導性透明基板とを利用して、単一の電池からなる色素感応太陽電池を形成した。
【００６０】
例３
垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールのエネルギー変換効率評価
本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールのエネルギー変換効率を評価のために、例１で製造した垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール及び例２で製造した太陽電池の電流密度−電圧特性を測定した結果を図６に示す。
【００６１】
図６において、例１で製造した本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの場合には、エネルギー変換効率が７．５％であり、例２で製造した単一の色素感応太陽電池の場合は、エネルギー変換効率が５．２３％であって、本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの場合に、エネルギー変換効率が約５０％向上した。このようにエネルギー変換効率が約５０％向上したというのは、生産される電力（電力（Ｗ）＝電圧×電流）が約５０％増加したということを意味する。すなわち、本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの場合、電圧が約２倍に著しく上昇し、電流は、少し減少して全体的にエネルギー変換効率が向上した。
【００６２】
以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で当業者によって多様な変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、太陽電池関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールを概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールを概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法の一部を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法の他の一部を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールの製造方法のさらに他の一部を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールのエネルギー変換効率を評価するために、本発明の望ましい実施形態による垂直積層型の色素感応太陽電池モジュールに対する電流密度−電圧特性を測定した結果を対照例の場合と共に示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１００、２００  垂直積層型の色素感応太陽電池モジュール
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１２２、１３２  透明基板
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ  第１導電層
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ  第２導電層
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ  第１伝導性透明基板
１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ  半導体電極
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ  対極
１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄ  電解質層
１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ  隔壁
１２６、１３４  導電層
１２８  第２伝導性透明基板
１３８  第３伝導性透明基板
１４０  第１電池
１５０  第２電池
１６０  第３電池
１７０  第４電池
１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ  第３導電層
１９２  第１導電ライン
１９４  第２導電ライン
【図１】
2008130547.tif 000003
【図２】
2008130547.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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