(57)【要約】【課題】透明電極からの逆電子移動を防ぐと共に光電変換効率を向上することができる光電変換装置を提供する。【解決手段】色素増感太陽電池１００は、大きさ５ｃｍ角、厚さ３ｍｍの板状の透明な２枚のソーダライムガラス基板１０ａ，１０ｂと、各ガラス基板１０ａ，１０ｂの上に形成された厚さ７５０ｎｍのフッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜２０ａ，２０ｂと、透明導電膜２０ａ上に形成された酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５と、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５上に形成された酸化チタンから成る半導体微粒子層３０と、半導体微粒子層３０上に形成された電解質液４０と、透明導電膜２０ｂ及び電解質液４０間に形成された白金から成る対向電極５０とを備える。上記透明導電膜２０ａ及び酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５が透明電極６０を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜、及び、前記透明導電膜上に形成され、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の群から選択される少なくとも１つから成る酸化物膜を有する透明電極とを備える光電変換装置であって、前記酸化物膜は膜厚が０．４〜７０ｎｍであることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記酸化物膜は膜厚が３〜５ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）から成ることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
光電変換効率が４．４％以上であることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換装置は色素増感太陽電池であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関し、特に、透明電極を備える光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー問題および環境問題を解決する手段として、太陽電池に代表される光電変換装置が注目を集めている。この光電変換装置の中でも、特に、色素増感太陽電池は、製造工程において、高温処理する必要がなかったり、真空装置内の処理を行う必要がなかったり、不足しているシリコン基板を用いる必要がないことから、製造コストが低減された安価な太陽電池として期待が高まっている。この色素増感太陽電池は、ガラス等の透明基板に酸化錫等の透明導電膜を形成した後、酸化チタン等の半導体微粒子を形成し、この半導体微粒子にルテニウム錯体色素を担持させ、白金等を形成した対向電極を貼り合わせることによって製造される（例えば、非特許文献１及び特許文献１参照）。
【０００３】
上記色素増感太陽電池は、電解質中に溶解した色素分子が光を吸収することにより色素分子の電子が励起され、この励起された電子が酸化チタン電極中に注入されるという原理であり、酸化チタン等の半導体微粒子にルテニウム錯体色素を担持させた後に電解質が注入されることにより製造される。
【０００４】
また、上記色素増感太陽電池において、ガラス基板上に酸化錫膜から成る透明導電膜が透明電極として光が入射する側に設けられている。
【０００５】
さらに、透明導電膜及び半導体微粒子間に下引き層を形成した光電変換素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【非特許文献１】Brian O’ Regan および Michael Gratzel, "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films", Nature, United Kingdom, Nature Publishing Group, 1991年, vol.353, p.737-740
【特許文献１】特開平１−２２０３８０号公報
【特許文献２】特開２００１−１４３７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、酸化錫膜のみを透明電極として用いた場合に、光を吸収することにより励起された色素分子の電子が、酸化チタン等の半導体微粒子を通って酸化錫膜に移動した後に、電解質液に接した酸化錫膜の表面から電解質液側に逆電子移動を起こして、得られる電力を低減してしまうという問題があった。
【０００７】
透明導電膜と半導体微粒子との間に下引き層を形成することにより上記問題を解決することもできるが、特許文献２において提案されている光電変換素子によっては十分に高い光電変換効率を得ることができなかった。
【０００８】
本発明の目的は、透明電極からの逆電子移動を防ぐと共に光電変換効率を向上することができる光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、請求項１記載の光電変換装置は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜、及び、前記透明導電膜上に形成され、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の群から選択される少なくとも１つから成る酸化物膜を有する透明電極とを備える光電変換装置であって、前記酸化物膜は膜厚が０．４〜７０ｎｍであることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の光電変換装置は、請求項１記載の光電変換装置において、前記酸化物膜は膜厚が３〜５ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）から成ることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の光電変換装置は、請求項２記載の光電変換装置において、光電変換効率が４．４％以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の光電変換装置は、請求項１乃至３のいずれか1項に記載の光電変換装置において、前記光電変換装置は色素増感太陽電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の光電変換装置によれば、ガラス基板と、ガラス基板上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜、及び、透明導電膜上に形成され、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の群から選択される少なくとも１つから成る酸化物膜を有する透明電極とを備え、酸化物膜は膜厚が０．４〜７０ｎｍであるので、透明導電膜への電子の移動を妨げることなく、透明導電膜から電解質液側への逆電子移動を防ぐことができ、もって光電変換効率を向上することができる。
【００１４】
請求項２記載の光電変換装置によれば、酸化物膜は膜厚が３〜５ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）から成るので、光電変換効率を４．４％以上に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書において、用語「主として」とは５０重量％以上を占めることを意味する。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態に係る光電変換装置を図面を参照しながら詳述する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る光電変換装置としての色素増感太陽電池の構成を概略的に示す図である。
【００１８】
図１において、色素増感太陽電池１００は、大きさ５ｃｍ角、厚さ３ｍｍの板状の透明な２枚のソーダライムガラス基板１０ａ，１０ｂと、各ガラス基板１０ａ，１０ｂの上に形成された厚さ７５０ｎｍのフッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜２０ａ，２０ｂと、透明導電膜２０ａ上に形成された酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５と、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５上に形成された酸化チタンから成る半導体微粒子層３０と、半導体微粒子層３０上に形成された電解質液４０と、透明導電膜２０ｂ及び電解質液４０間に形成された白金から成る対向電極５０とを備える。上記透明導電膜２０ａ及び酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５が透明電極６０を形成する。なお、板ガラス製造ライン上でガラス基板１０ａ，１０ｂを形成すると同時に，ガラスリボンのもつ熱エネルギーを利用して成膜を行うオンラインＣＶＤ法により、ガラス基板１０ａ，１０ｂ上に透明導電膜２０ａ，２０ｂを形成することが好ましい。これにより、大面積のガラスへの生産性よく透明導電膜２０ａ，２０ｂを形成することができる。
【００１９】
透明導電膜２０ａ上に形成された酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５の替わりに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成る被膜を用いてもよい。ここで、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜は、膜厚が０．４〜７０ｎｍの範囲内であることが好ましい。即ち、これらの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜の膜厚が０．４ｎｍ以上であれば、被膜が十分に形成され、逆電子移動を防止する効果がより確実となる。一方、これらの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜の膜厚が７０ｎｍ以下であれば、酸化チタンから成る半導体微粒子層３０を経由してきた電子を、より確実に、フッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜２０ａ側に移動することができ、もって電力をより十分に得ることができる。
【００２０】
上記酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜の形成方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学的堆積法（ＣＶＤ法）、スプレーパイロリシス法等が挙げられる。
【００２１】
フッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜２０ａ，２０ｂは、電極として用いることができるという観点から、シート抵抗は１〜５００Ω／□の範囲であることが望ましい。また、透明導電膜２０ａ，２０ｂの膜厚としては１０〜２０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。透明導電膜２０ａ，２０ｂの膜厚が１０ｎｍ以上であれば、より十分に低いシート抵抗が得られ、透明導電膜２０ａ，２０ｂの膜厚が２０００ｎｍ以下であれば、透明導電膜２０ａ，２０ｂの光吸収がより十分に低くなって光の透過率が十分に高くなるので、半導体微粒子層３０における半導体微粒子に担持された色素に十分に光が届くようになる。
【００２２】
また、酸化チタンから成る半導体微粒子層３０の厚さとしては１０００〜５００００ｎｍの範囲内であることが好ましい。半導体微粒子層３０の厚さが１０００ｎｍ以上であれば、半導体微粒子に担持された色素の量が十分に多いので、電子が十分に発生する。一方、半導体微粒子層３０の厚みが５００００ｎｍ以下であれば、より生産性が高くなる。
【００２３】
本実施の形態によれば、ガラス基板１０と、ガラス基板１０上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜２０ａ、及び、透明導電膜２０ａ上に形成された上に形成された酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜２５を有する透明電極６０とを備え、酸化ニオブ膜２５は膜厚が０．４〜７０ｎｍであるので、酸化チタンから成る半導体微粒子層３０から透明導電膜２０ａへの電子の移動を妨げることなく、透明導電膜２０ａから電解質液４０側への逆電子移動を防ぐことができ、もって光電変換効率を向上することができる。
【００２４】
本実施の形態では、ガラス基板１０ａ，１０ｂとしてソーダライムガラスを用いているが、これに限定されるものではなく、低アルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等を用いてもよい。
【００２５】
本実施の形態では、ガラス基板１０ａの上にフッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜２０ａが形成されているが、これに限定されるものではなく、ガラス基板１０ａと透明導電膜２０ａとの間にアルカリバリア膜としての酸化シリコン膜を設けてもよい。この酸化シリコン膜は５〜１００ｎｍの範囲内であることが好ましい。酸化シリコン膜の膜厚が５ｎｍ以上であればアルカリバリア性能がより確実であり、酸化シリコン膜の膜厚が１００ｎｍ以下であれば生産性が良くなる。
【００２６】
本実施の形態では、光電変換装置として色素増感太陽電池１００を用いているが、これに限定されるものではなく、アモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ等の薄膜シリコン太陽電池を用いてもよい。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２８】
（実施例１）
本発明者は、まず、厚さ３ｍｍの板状の透明なソーダライムガラス基板を準備し、このソーダライムガラス基板上に厚さ３０ｎｍの酸化シリコン膜を熱ＣＶＤ法により形成し、この酸化シリコン膜上に厚さ７５０ｎｍのフッ素添加酸化錫膜を熱ＣＶＤ法により形成し、このフッ素添加酸化錫膜上に厚さ３ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜をスパッタリング法（Ａｒ及びＯ２がモル比で４：１の混合ガスを使用、圧力０．５Ｐａ、電力５０Ｗ）により形成し、この酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜上にＳｏｌａｒｏｎｉｘ製の酸化チタンから成る厚さ５５００ｎｍの酸化チタン微粒子層を形成し、酸化チタン微粒子にＺ−９０７色素を沈着させ、モル比が１：０．５のプロピルメチルイミダゾリウムアイオダイド（ＰＭＩｍＩ）及びエチルメチルイミダゾリウムジシアノアミド （ＥＭＩｍ−ＤＣＡ）、０．５モルのヨウ素（Ｉ２）、０．５モルのｔｅｒｔ-ブチルピリジン（ＴＢＰ）、及び０．１モルのヨウ化リチウムから成る電解質液で構成される層を形成し、この電解質液で構成される層に、ソーダライムガラス基板、ソーダライムガラス基板上に形成された酸化錫膜、及び酸化錫膜の上に形成された白金から成る対向電極を貼り合せて、色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性（開放電圧、短絡電流、曲線因子、変換効率）及びセル面積を図２に実施例１として示す。
【００２９】
（実施例２）
酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜の膜厚を５ｎｍとした以外は実施例１と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図２に実施例２として示す。
【００３０】
（実施例３）
膜厚３ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜の替わりに膜厚７ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を用いた以外は実施例１と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図２に実施例３として示す。
【００３１】
（実施例４）
膜厚３ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜の替わりに膜厚０．４ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を用いた以外は実施例１と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図２に実施例４として示す。
【００３２】
（比較例１）
酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜を形成せずに、フッ素添加酸化錫膜に酸化チタン微粒子層を直接形成した以外は実施例１と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図２に比較例１として示す。
【００３３】
（比較例２）
酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜の膜厚を８０ｎｍとした以外は実施例１と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図２に比較例２として示す。
【００３４】
図２より、膜厚が０．４〜７０ｎｍの範囲内である酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を酸化物膜として用いると、開放電圧を６９１ｍＶ以上、短絡電流を８．００ｍＡ以上、光電変換効率を３．７８％以上にすることができることが分かった。特に、膜厚が３〜５ｎｍの範囲内である酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜を酸化物膜として用いると、開放電圧を７１０ｍＶ以上、短絡電流を９．２２ｍＡ以上、変換効率を４．４６（％）以上にすることができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る光電変換装置としての色素増感太陽電池の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施例及び比較例に係る色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ａ  ガラス基板
１０ｂ  ガラス基板
２０ａ  透明導電膜
２０ｂ  透明導電膜
２５  酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）膜
３０  半導体微粒子層
４０  電解質液
５０  対向電極
６０  透明電極
１００  色素増感太陽電池
【図１】
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【図２】
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