(57)【要約】【課題】色素増感太陽電池セルに入射した太陽光のエネルギを有効利用でき、エネルギ変換効率の高い色素増感太陽電池を提供することを目的とする。【解決手段】主電極基部２の表面には、透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、対向電極基部３の表面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。対向電極基部３は、所定の間隔をおいて、主電極基部２と対向する位置に配設され、それらの間に光入射部１１を有する電気絶縁材からなるシール部４が形成される。光入射部１１から色素増感太陽電池セル１内部に入射した太陽光は、主電極基部２と対向電極基部３との間に導かれ、主電極基部２の表面にて太陽光のエネルギを有効利用し、高いエネルギ変換効率を得ることができる。【選択図】　　　図１
2004079333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
色素を担持した光触媒層が形成された主電極基部と、
前記主電極基部と空間を有して配設され、酸化還元触媒層が形成された対向電極基部と、
前記主電極基部と前記対向電極基部との間に光を入射させる光入射部と、
前記主電極基部と前記対向電極基部との間に充填された電解質と
を備えたことを特徴とする色素増感太陽電池セル。
【請求項２】
前記主電極基部および前記対向電極基部が、平板形状を有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セル。
【請求項３】
前記主電極基部が柱体形状を有し、前記対向電極基部が前記主電極基部を囲む中空の柱体形状を有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セル。
【請求項４】
前記対向電極基部が柱体形状を有し、前記主電極基部が前記対向電極基部を囲む中空の柱体形状を有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セル。
【請求項５】
前記光入射部が、前記主電極基部と前記対向電極基部との間を接続するシール部の少なくとも一部分に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項６】
前記主電極基部の表面に形成された光触媒層が、ＴｉＯ２を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項７】
前記主電極基部の表面が、凹凸形状をなすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項８】
前記主電極基部および前記対向電極基部が、透明導電性膜を有する光透過材で構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項９】
前記主電極基部が金属で構成され、前記対向電極基部が透明導電性膜を有する光透過材で構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項１０】
前記主電極基部が、酸化によって酸化物半導体膜を形成する金属元素で構成されることを特徴とする請求項９記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項１１】
前記主電極基部が、金属薄膜で構成されることを特徴とする請求項９または１０項記載の色素増感太陽電池セル。
【請求項１２】
前記請求項８記載の色素増感太陽電池セルを隣接して構成されることを特徴とする色素増感太陽電池モジュール。
【請求項１３】
前記請求項９乃至１１のいずれか１項記載の色素増感太陽電池セルを２つ用いて、それぞれ前記対向電極基部の裏面同士を接続した第１の対状色素増感太陽電池セルと、
２つの前記色素増感太陽電池セルの前記対向電極基部の裏面同士を接続し、前記第１の対状色素増感太陽電池セルと隣接された第２の対状色素増感太陽電池セルと
を備えることを特徴とする色素増感太陽電池モジュール。
【請求項１４】
前記隣接された色素増感太陽電池セルの前記光触媒層を形成する光触媒および色素が、少なくとも異なる光吸収特性を有する２種類以上の光触媒および色素で構成されることを特徴とする請求項１２または１３記載の色素増感太陽電池モジュール。
【請求項１５】
前記色素増感太陽電池モジュールの内側から外側に向かう光を反射する光反射機能部を、少なくとも前記色素増感太陽電池モジュールの側面の１つの面に備えることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の色素増感太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色素を担持した光触媒による光電変換機能を利用した色素増感太陽電池セルおよびそれを用いた色素増感太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
色素増感太陽電池セルは、色素を担持した光触媒層に太陽光を照射させることで光エネルギを電気エネルギに変換するものである。
【０００３】
従来の色素増感太陽電池セルは、表面に透明導電性膜を有する透明ガラスに、色素を担持した光触媒層が形成された主電極基部と、表面に透明導電性膜を有する透明ガラスに、酸化還元触媒層が形成された対向電極基部と、主電極基部と対向電極基部との間に充填された電解質で主に構成されている。
【０００４】
従来の色素増感太陽電池セルでは、主電極基部側から入射した太陽光を光触媒層に担持された色素が吸収することで電子とホールが生成する。電子は、光触媒層の伝導体へと注入され、主電極基部に移動する。一方、ホールは、電解質中の酸化還元対を利用して対向電極基部へ移動する。発電は、主電極基部の電子が外部回路を通じて対向電極基部へ移動することによって生じる。光電変換に利用されなかった太陽光は、対向電極基部などから色素増感太陽電池セルの外に透過される。
【０００５】
また、従来の色素増感太陽電池セルでは、対向電極基部を透過した光を有効利用して、エネルギ変換効率を向上させるために、複数の色素増感太陽電池セルを重ね合わせた積層セル構造の色素増感太陽電池モジュールが報告されている。
【０００６】
これまでに報告された従来の色素増感太陽電池セルにおけるエネルギ変換効率は、５ｍｍ角のセル面積サイズで７〜１０％程度である。また、このセル面積サイズにおけるエネルギ変換効率は、理論的な計算では３３％程度まで得られるものとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の色素増感太陽電池では、主電極基部側から太陽光が入射され、その太陽光のエネルギの内、色素と光触媒に吸収された以外のエネルギは、対向電極基部などから透過される。つまり、主電極基部における光電変換に必要なエネルギ密度以上のエネルギ密度でエネルギが供給されても、その過剰なエネルギは光電変換しきれず、外部に放出されてしまう。そのため、従来の色素増感太陽電池セルでは、太陽光のエネルギの十分な活用がなされておらず、エネルギ変換効率が７〜１０％の低い値であるという問題があった。また、色素増感太陽電池セルのエネルギ変換効率を高めるためには、太陽光、色素および光触媒が相互作用する部分の実効面積を大きくすることが必要となり、色素増感太陽電池セルが大型化するなどの問題があった。
【０００８】
また、従来の色素増感太陽電池セルでは、エネルギ変換効率が低いので、所定の電力を得るためには入射面積を増加させることが必要となり、色素増感太陽電池セルが大型化するなどの問題があった。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、色素増感太陽電池セルに入射した太陽光のエネルギを有効利用でき、エネルギ変換効率の高い色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明の色素増感太陽電池セルは、色素を担持した光触媒層が形成された主電極基部と、前記主電極基部と空間を有して配設され、酸化還元触媒層が形成された対向電極基部と、前記主電極基部と前記対向電極基部との間に光を入射させる光入射部と、前記主電極基部と前記対向電極基部との間に充填された電解質とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。
【００１２】
（２）また、本発明の色素増感太陽電池モジュールは、（１）記載の色素増感太陽電池セルを隣接して構成されることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。また、各色素増感太陽電池セルの同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、主電極基部と対向電極基部を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００１４】
（３）さらに、本発明の色素増感太陽電池モジュールは、（１）記載の色素増感太陽電池セルの主電極基部が金属で構成された色素増感太陽電池セルを２つ用いて、それぞれ前記対向電極基部の裏面同士を接続した第１の対状色素増感太陽電池セルと、２つの前記色素増感太陽電池セルの前記対向電極基部の裏面同士を接続し、前記第１の対状色素増感太陽電池セルと隣接された第２の対状色素増感太陽電池セルとを備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。また、主電極基部を、高価な透明導電性膜を有するガラスではなく、金属で構成することにより、加工プロセスが容易になり、コストダウンを図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
（セルタイプ）
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の色素増感太陽電池セルの第１の実施の形態を、図１の（ａ）の色素増感太陽電池セルの外観の斜視図および（ｂ）の色素増感太陽電池セルのＡ−Ａ断面図を参照して説明する。
同図に示すように、色素増感太陽電池セル１は、主電極基部２、対向電極基部３、シール部４、光反射機能部５および電解質６で主に構成されている。
【００１７】
平板形状の主電極基部２の表面には、透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、平板形状の対向電極基部３の表面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。対向電極基部３は、例えば、数十〜数百μｍの間隔をおいて、主電極基部２と対向する位置に配設されている。対向する主電極基部２と対向電極基部３との間は、それぞれの外縁に沿ってシール部４によって接続されて、主電極基部２と対向電極基部３との間の電気的絶縁が確保され、また、主電極基部２と対向電極基部３との間に充填された電解質６の外部への漏洩が防止されている。シール部４には、太陽光を色素増感太陽電池セル１内部に入射させる光入射部１１が設けられ、この光入射部１１は、シール部４内の任意な部分に設けることができ、光入射部１１の光透過面積によって入射する太陽光エネルギ量が変化する。光入射部１１の光透過面積は、光触媒層９を有する主電極基部２の表面の面積の１／１００から数分の１程度であり、主電極基部２および対向電極基部３は、光入射部１１に対して奥行きを持って配設されている。光反射機能部５は、上部のシール部４側の面を除く側面に設けられ、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル１の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００１８】
また、入射する太陽光のエネルギ量を増加させるため、底部に設けられているシール部４を覆っている光反射機能部５の一部分を開口し、底部のシール部４に光入射部を設け、そこから色素増感太陽電池セル１内に太陽光を入射させることもできる。さらに、主電極基部２および対向電極基部３の奥行き方向（図中下向き方向）の長さを、入射された太陽光が色素増感太陽電池セル１内を軸方向に到達できる距離と等しくすることで構造の最適化を図ることができる。
【００１９】
次に、各構成要素の構成部材について説明する。
主電極基部２および対向電極基部３には、光透過材などが用いられ、例えば、透明ガラスなどで構成されている。ここでは、主電極基部２に表面が平らな形状の光透過材を用いているが、主電極基部２の表面の面積を増加させるため、主電極基部２の表面に、溝間隔が１０〜１０００μｍ程度の凹凸形状の溝などを構成してもよい。
【００２０】
主電極基部２および対向電極基部３の表面に、各種蒸着またはスパッタリングなどによって形成される透明導電性膜には、導電性および光透過性を有するものであれば用いることができ、特に、導電性、光透過性および耐熱性に優れたスズ系酸化物などを用いることが好ましい。スズ系酸化物には、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アンチモンスズ酸化物（ＡＴＯ）またはフッ素ドープスズ酸化物（ＦＴＯ）などがあるが、数百℃の熱によっても導電性が低下しない点や有害物質でない点などからフッ素ドープスズ酸化物（ＦＴＯ）を用いることが特に好ましい。また、コストが低い点からはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を用いることが好ましい。
【００２１】
光触媒層９の光触媒には、例えば、多孔性が高く、表面積が大きいチタニア（ＴｉＯ２）などの酸化物半導体を用いることが好ましい。また、チタニア（ＴｉＯ２）以外にも、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ３）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化すず（ＳｎＯ２）、バナジウム酸ビスマス（ＢｉＶＯ４）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）または酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などを用いることもできる。ここで、反応面積を増加させるという点において、色素８を担持した光触媒層９の面積は大きいほど好ましく、主電極基部２の表面の面積を増加させる他に、光触媒層９を形成する光触媒の多孔性を高めることによっても反応面積を増加させることができる。
【００２２】
色素８には、太陽光のスペクトルを幅広く吸収し、優れた光化学増感効果を発揮できるものが好ましく、例えば、ルテニウム錯体などの金属錯体が用いられる。また、クマリンなどの有機系色素を用いてもよい。
【００２３】
酸化還元触媒層７の酸化還元触媒には、導電性に優れた白金、パラジウムなどの金属粒子が用いられ、その他、黒鉛なども用いることができる。これらの酸化還元触媒は、透明導電性膜７を有する対向電極基部３の表面に、各種蒸着またはスパッタリングなどによって形成される。
【００２４】
電解質６には、例えば、ヨウ化物、臭化物、塩化物、ヒドロキノンまたはフェロセンなどを溶質とし、アセチルニトリル、アクリロニトリルまたはエチレンカーボネートなどの有機溶剤を溶媒とする混合液が用いられている。また、光透過性を有すれば、ゲルの固体電解質も用いることができ、液体電解質特有の揮発、漏液等のトラブルを解消することができる。
【００２５】
シール部４は、電気絶縁材で電解質６と反応しない材料からなり、例えば、エポキシ樹脂、フッ素含有樹脂などからなるイオン半透膜、フィルタまたは絶縁テープなどで構成されている。また、シール部４に設けられている光入射部１１は、光透過性の電気絶縁材で電解質６と反応しない材料からなり、例えば、シール部４と同様に、エポキシ樹脂、フッ素含有樹脂などからなるイオン半透膜、フィルタまたは絶縁テープなどで構成されている。
【００２６】
光反射機能部５は、反射率の高い材料からなり、例えば、銀蒸着樹脂フィルム、ガラスの鏡または金属鏡面材などで構成される。
【００２７】
次に、図１の（ｂ）を参照して、電解質６の溶質としてヨウ化物を用いた場合における色素増感太陽電池セル１の光電変換の動作について説明する。
太陽光は、上部のシール部４側から照射され、光入射部１１、主電極基部２および対向電極基部３それぞれから色素増感太陽電池セル１内に入射する。光入射部１１から入射した太陽光は、主電極基部２と対向電極基部３との間に、また、主電極基部２および対向電極基部３から入射した太陽光は、透明導電性膜７を介して主電極基部２と対向電極基部３との間に導かれる。また、色素増感太陽電池セル１の外部に向かう太陽光は、光反射機能部５を有する外壁面で反射されるので、光入射部１１を除いて、色素増感太陽電池セル１から外部に太陽光が放出されることはない。
【００２８】
入射した太陽光は、光触媒層９に担持された色素８を励起して（色素８が光エネルギを吸収して）、色素８から電子を放出させ、光触媒層９がその電子を受けて主電極基部２へ引き渡す。一方、色素８に残ったホールは、ヨウ素イオンを還元し、Ｉ−をＩ３−　へと変え、この還元されたヨウ素イオンは、外部回路を通じて主電極基部２から流れてきた電子を対向電極基部３で受けて酸化される。つまり、電子は、主電極基部２と対向電極基部３との間をサイクルし、電子が主電極基部２から対向電極基部３に流れる外部回路において発電が行われる。色素増感太陽電池セル１では、このような一連のメカニズムを繰り返すことで光電変換機能を継続させている。
【００２９】
色素増感太陽電池セル１では、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した太陽光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない太陽光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。
【００３０】
また、色素増感太陽電池セル１の上部のシール部４側以外の面に光反射機能部５を設けることで、入射した太陽光は、上部のシール部４側の面を除いて、色素増感太陽電池セル１から外部に放出されることはなく、また、光反射機能部５で反射されることにより、再度、色素８に衝突し光電変換される。これによって、入射した太陽光のエネルギを有効に光電変換することができるので、エネルギ変換効率を高めることができる。
【００３１】
（モジュールタイプ）
第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１を複数個隣接した色素増感太陽電池モジュール２０の構成を、図２に示した色素増感太陽電池モジュール２０の断面図を参照して説明する。
【００３２】
図２に示した色素増感太陽電池モジュール２０は、図１に示した色素増感太陽電池セル１の光反射機能部５を取り除いた複数の色素増感太陽電池セル１を、主電極基部２または対向電極基部３の側に隣接し、上部のシール部４側以外の面を、再度、光反射機能部５で囲んだものである。この色素増感太陽電池モジュール２０では、単に色素増感太陽電池セル１を隣接させた構成になっているが、例えば、隣接する色素増感太陽電池セル１間を１枚の光透過材で構成し、その光透過材の表裏面に透明導電性膜７を有する電極基部を設けることもできる。また、図２に示された色素増感太陽電池モジュール２０では、主電極基部２に対向電極基部３が隣接されているが、主電極基部２に主電極基部２が、または、対向電極基部３に対向電極基部３が隣接されてもよい。
【００３３】
図３に、色素の光吸収特性の一例を示す。同図に示すような異なる光吸収特性を有する数種類の色素が、色素増感太陽電池モジュール２０を構成する各色素増感太陽電池セル１の色素８のいずれかに使用されている。図には示していないが、色素８の光吸収特性と同様に、光触媒層９の光触媒にも異なる光吸収特性を有する数種類の光触媒を使用することもできる。また、１つの色素増感太陽電池セル１の光触媒層９を、数種類の異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成することもできる。なお、図３に示された光吸収特性は一例であり、図示された以外の波長域に主な吸収スペクトルを持つ色素８を使用することもできる。
【００３４】
次に、色素増感太陽電池モジュール２０における光電変換の動作について、図２を参照して説明する。基本的な動作は、上記した色素増感太陽電池セル１の光電変換の動作で説明したものと同じであるので、重複する説明は省略する。
【００３５】
色素増感太陽電池モジュール２０では、各色素増感太陽電池セル１の主電極基部２および対向電極基部３が光透過材で構成されているので、各光入射部１１、各主電極基部２および各対向電極基部３から入射した太陽光は、色素増感太陽電池モジュール２０内を移動することができる。入射した太陽光は、様々な光吸収特性を有する各色素増感太陽電池セル１内を移動する間に、そのエネルギが吸収され、光電変換される。また、色素増感太陽電池モジュール２０は、上部のシール部４側の面を除いて、光反射機能部５によって囲まれているので、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池モジュール２０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００３６】
色素増感太陽電池モジュール２０では、色素増感太陽電池セル１における効果に加えて、異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成された数種類の光触媒層９を、各色素増感太陽電池セル１に用いているので、広範囲の波長の光を吸収することができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。
【００３７】
また、色素増感太陽電池モジュール２０では、各色素増感太陽電池セル１の同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、主電極基部２と対向電極基部３を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００３８】
（従来の横型モジュール構造と本発明の縦型モジュール構造におけるエネルギ変換効率の比較）
第１の実施の形態の色素増感太陽電池モジュール２０（縦型モジュール構造）と、従来の主電極基部表面を直接太陽光の入射面としたモジュール（横型モジュール構造）におけるＡＭ−１．５（エアマス１．５）、太陽光の単位面積当たりの照射エネルギ１００ｍＷ／ｃｍ２の条件下でのエネルギ変換効率（公称効率）の一例を概算する。ここで、エアマスとは、大気圏通過空気量を意味し、単位として天頂から垂直に入射する通過空気量を基準にしてＡＭ−１としている。ＡＭ−１．５とは、冬の東京の晴天時の昼下がりの直射日光程度のことである。
【００３９】
縦型モジュール構造として、色素増感太陽電池セル単体の特性がエネルギ変換効率５．２５％（短絡電流１０ｍＡ／ｃｍ２、開放電圧０．７Ｖ、フィルファクタ０．７５）の２０ｍｍ×３０ｍｍ×２．５ｍｍの色素増感太陽電池セルを８枚縦置きに燐接し、各電極を電気的に直列に接続したものを仮定する。色素増感太陽電池セルを縦型モジュール構造にすることで、太陽光の入射面積は２．５ｍｍ×３０ｍｍ×８＝６００ｍｍ２となる。
【００４０】
また、色素増感太陽電池セルの短絡電流、開放電圧およびフィルファクタそれぞれの値は、電気的に直列に接続することによって、上記した公称値から外れるので、実験的に求められた値を用いる。それらの実験的に求められた値は、短絡電流は８ｍＡ／ｃｍ２、開放電圧は５．６（０．７Ｖ×８）Ｖ、フィルファクタは０．６５となる。これらの値を用いて縦型モジュール構造におけるエネルギ変換効率を算出すると、８×５．６×０．６５／１００×１００＝２９．１２％となる。ここで、分母の１００は、太陽光の単位面積当たりの照射エネルギを１００ｍＷ／ｃｍ２としたときの値である。
【００４１】
一方、横型モジュール構造として、色素増感太陽電池セル単体の特性がエネルギ変換効率５．２５％（短絡電流１０ｍＡ／ｃｍ２、開放電圧０．７Ｖ、フィルファクタ０．７５）の２０ｍｍ×３０ｍｍ×２．５ｍｍの色素増感太陽電池セルを８枚重ね置きし、各電極を電気的に並列に接続したものを仮定する。横型モジュール構造において、各電極を電気的に直列に接続すると、各色素増感太陽電池セルの短絡電流が、積層された各色素増感太陽電池セルの最小の短絡電流に等しくなり、エネルギ変換効率は非常に小さくなる。そこで、ここでは、横型モジュール構造で最大のエネルギ変換効率が得られる電極の並列接続の場合を仮定している。
【００４２】
太陽光の入射面積は、縦型モジュール構造と同じ２０ｍｍ×３０ｍｍ＝６００ｍｍ２である。１つの色素増感太陽電池セルを通過するたびに照射された太陽光のエネルギの５０％が吸収されるとすると、トータルの電流値は、６ｃｍ２×（１０＋５＋２．５＋１．２５＋０．６２５＋０．３１２５＋０．１５６２５＋０．０７８１２５）＝約１２０ｍＡと算出される。各電極の並列接続により、開放電圧は０．７Ｖ、フィルファクタは０．７５のままとして、エネルギ変換効率は、（１２０×０．７×０．７５）／６／１００×１００＝１０．５％程度となる。
【００４３】
上記エネルギ変換効率の概算から、エネルギ変換効率は、仮定した条件下においては、縦型モジュール構造の方が横型モジュール構造より断然高くなりることがわかる。この結果から、太陽光の入射面積が広い従来の色素増感太陽電池セルに比べて、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１は、エネルギ変換効率が高いので、太陽光の入射面積が小さくても、同等の出力電力を得ることは可能であり、色素増感太陽電池セル１のコンパクト化を図ることができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
（セルタイプ）
本発明の色素増感太陽電池セルの第２の実施の形態を、図４に示した色素増感太陽電池セルの断面図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１およびモジュール２０の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
同図に示すように、色素増感太陽電池セル３０は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１の主電極基部２に金属を用いた構成となっており、金属主電極基部３１、対向電極基部３、シール部４、光反射機能部５および電解質６で主に構成されている。
【００４５】
平板形状の金属主電極基部３１の表面には、酸化物半導体膜３２を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、平板形状の対向電極基部３の表面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。対向電極基部３は、例えば、数十〜数百μｍの間隔をおいて、金属主電極基部３１と対向する位置に配設されている。対向する金属主電極基部３１と対向電極基部３との間は、それぞれの外縁に沿ってシール部４によって接続されて、金属主電極基部３１と対向電極基部３との間の電気的絶縁が確保され、また、金属主電極基部３１と対向電極基部３との間に充填された電解質６の外部への漏洩が防止されている。シール部４には、太陽光を色素増感太陽電池セル３０内部に入射させる光入射部１１が設けられ、この光入射部１１は、シール部４内の任意な部分に設けることができ、光入射部１１の光透過面積によって入射する太陽光エネルギ量が変化する。光入射部１１の光透過面積は、光触媒層９を有する金属主電極基部３１の表面の面積の１／２００から数分の１程度であり、金属主電極基部３１および対向電極基部３は、光入射部１１に対して奥行きを持って配設されている。光反射機能部５は、上部のシール部４側の面を除く側面に設けられ、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル３０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。なお、光反射機能部５に導電性金属を用いる場合は、光反射機能部５と各電極基板３、３１とは、電気絶縁材を介して接触させている。
【００４６】
また、入射する太陽光のエネルギ量を増加させるため、底部に設けられているシール部４を覆っている光反射機能部５の一部分を開口し、底部のシール部４に光入射部を設け、そこから色素増感太陽電池セル３０内に太陽光を入射させることもできる。さらに、金属主電極基部３１および対向電極基部３の奥行き方向（図中下向き方向）の長さを、入射された太陽光が色素増感太陽電池セル３０内を軸方向に到達できる距離と等しくすることで構造の最適化を図ることができる。
【００４７】
金属主電極基部３１は、酸化物がｎ型半導体を構成する種類の金属元素を用いることが好ましく、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｔａなどで構成される。これらの金属ならなる金属板、金属箔およびメッキなどの上に光触媒を塗布し焼き付ける際に、空気中の焼成条件で金属上に表面酸化による酸化物半導体膜が形成される。この酸化物半導体膜３２によって、光触媒層９から金属主電極基部３１への電荷移動が促進される。金属主電極基部３１の表面には、溝間隔が１０〜１０００μｍ程度の凹凸形状の溝が形成され、金属主電極基部３１の表面の面積が増加される。この溝は、凹凸形状以外にも、金属主電極基部３１の表面の面積を平板構造よりも増加させる形状であればよい。これによって、金属主電極基部３１の表面に形成される光触媒層９における反応面積が増加し、エネルギ変換効率を向上させることができる。ここでは、金属主電極基部３１の表面に溝を設けた構成を示したが、金属主電極基部３１の表面を平らな形状で使用することもできる。また、例えば、金属主電極基部３１に金属薄膜を用い、対向電極基部３に高分子の透明導電性シートなどを用いれば、変形可能な色素増感太陽電池セルを構成することができる。
【００４８】
第２の実施の形態の色素増感太陽電池セル３０における光電変換の動作は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル２０の光電変換の動作と同様に行われる。
【００４９】
色素増感太陽電池セル３０では、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う金属主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを金属主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した太陽光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない太陽光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。また、金属主電極基部３１の表面に設けられた溝によって、金属主電極基部３１の表面に形成される光触媒層９における反応面積が増加し、エネルギ変換効率を向上させることができる。さらに、主電極基部を、高価な透明導電性膜を有するガラスではなく、金属で構成することにより、加工プロセスが容易になり、コストダウンを図ることができる。
【００５０】
（モジュールタイプ）
第２の実施の形態の色素増感太陽電池セル３０を隣接した色素増感太陽電池モジュール４０について、図５に示した色素増感太陽電池モジュール４０の断面図を参照して説明する。
【００５１】
同図に示された色素増感太陽電池モジュール４０は、光反射機能部５を除去した２つの色素増感太陽電池セル３０の対向電極基部３の裏面同士を貼り合わせたものを対状色素増感太陽電池セル４１とし、この対状色素増感太陽電池セル４１を電気絶縁層４２を介して複数個隣接したものである。対向電極基部３には、透明導電性膜７を表面にのみ形成したガラスを用いているので、ガラスの裏面側は電気的に絶縁されており、対向電極基部３の裏面同士の貼り合わせには電気絶縁層を介す必要はない。また、各電極基部を電気的に直列に接続する場合には、複数の対状色素増感太陽電池セル４１は、電気絶縁層を介さず隣接される。ここでは、対状色素増感太陽電池セル４１は、２つの対向電極基部３の裏面同士を貼り合わせた構造が示されているが、２つの金属主電極基部３１の裏面同士を、直接または電気絶縁層を介して貼り合わせる構造にすることもできる。また、色素増感太陽電池モジュール４０は、シール部４および金属主電極基部３１側の面を除いて、光反射機能部５によって囲まれているので、入射した太陽光は、上部のシール部４側の面を除いて、色素増感太陽電池セル４０から外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００５２】
さらに、異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成された２種類の光触媒層９のそれぞれを、対状色素増感太陽電池セル４１を構成するそれぞれの色素増感太陽電池セル３０に用いることによって、広範囲の波長の光を吸収することができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。また、１つの色素増感太陽電池セル３０の光触媒層９を、数種類の異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成することもできる。
【００５３】
次に、色素増感太陽電池モジュール４０における光電変換の動作について、図５を参照して説明する。基本的な動作は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル１の光電変換の動作で説明したものと同じであるので、重複する説明は省略する。
【００５４】
色素増感太陽電池モジュール４０では、対状色素増感太陽電池セル４１を形成する、例えば、色素増感太陽電池セル４１ａと色素増感太陽電池セル４１ｂの上部のシール部４に設けられた光入射部１１および対向電極基部３を通して、色素増感太陽電池セル４１ａ、４１ｂ内に太陽光が入射する。色素増感太陽電池セル４１ａへ入射した太陽光は、電解質６を通って色素８に照射され、色素８を増感させて光電変換を行う。色素８にエネルギが吸収されなかった太陽光の一部は、金属主電極基部３１および光反射機能部５に反射され、対向電極基部３を介して対となる向かい側の色素増感太陽電池セル４１ｂに入射する。一方、色素増感太陽電池セル４１ｂ側に入射した太陽光も、色素増感太陽電池セル４１ａ側に入射した太陽光と同様に、その一部は色素８にエネルギが吸収され、残りの一部は反射され対向電極基部３を介して対となる向かい側の色素増感太陽電池セル４１ａに入射する。このような反射を繰り返しながら、入射した太陽光のエネルギは色素８に吸収され、光電変換が行われる。
【００５５】
色素増感太陽電池モジュール４０では、色素増感太陽電池セル３０における効果に加えて、各色素増感太陽電池セル３０の同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、金属主電極基部３１と対向電極基部３を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００５６】
（第３の実施の形態）
（セルタイプ）
本発明の色素増感太陽電池セルの第３の実施の形態について、図６の（ａ）の色素増感太陽電池セル５０の外観の斜視図および（ｂ）の色素増感太陽電池セル５０のＡ−Ａ断面図を参照して説明する。なお、第１および２の実施の形態の色素増感太陽電池セル１、３０およびモジュール２０、４０の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００５７】
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セル５０は、柱状主電極基部５１、中空柱状対向電極基部５２、シール部４、光反射機能部５および電解質６で主に構成されている。
【００５８】
柱状の柱状主電極基部５１の側面には、透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成され、中空柱状の中空柱状対向電極基部５２の内側面には、透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成されている。柱状主電極基部５１は、その周囲を、例えば、数十〜数百μｍの間隔をおいて、中空柱状対向電極基部５２によって囲まれている。柱状主電極基部５１とそれを囲む中空柱状対向電極基部５２との間の両端の開口部は、電気絶縁材からなるシール部４によって閉じられ、柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２との間に充填された電解質６の外部への漏洩が防止されている。さらに、上部のシール部４には、太陽光を色素増感太陽電池セル５０内部に入射させる光入射部１１が設けられ、この光入射部１１は、シール部４内の任意な部分に設けることができ、光入射部１１の光透過面積によって入射する太陽光エネルギ量が変化する。光入射部１１の光透過面積は、光触媒層９を有する柱状主電極基部５１の表面の面積の１／１００から数分の１程度であり、柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２は、光入射部１１に対して奥行きを持って配設されている。光反射機能部５は、上部のシール部４側の面を除く側面に設けられ、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル５０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００５９】
また、入射する太陽光のエネルギ量を増加させるため、底部に設けられているシール部４を覆っている光反射機能部５の一部分を開口し、底部のシール部４に光入射部を設け、そこから色素増感太陽電池セル５０内に太陽光を入射させることもできる。さらに、柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２の軸方向（図中下向き方向）長さを、入射された太陽光が色素増感太陽電池セル５０内を軸方向に到達できる距離と等しくすることで構造の最適化を図ることができる。
【００６０】
次に、各構成要素の構成部材について説明する。
柱状主電極基部５１は、側面に透明導電性膜７を有する柱状の光透過材で構成され、例えば、柱状の透明導電性ガラスなどが用いられる。ここでは、柱状主電極基部５１に透明導電性膜７を有する光透過材を用いているが、柱状の金属を用いてもよい。また、柱状主電極基部５１の側面には、溝間隔が１０〜１０００μｍ程度の凹凸形状の溝などを形成して、柱状主電極基部５１の側面の面積を増加させることもできる。
【００６１】
中空柱状対向電極基部５２は、内側面に透明導電性膜７を有する中空柱状の光透過材で構成され、例えば、中空柱状の透明導電性ガラスなどが用いられる。ここでは、中空柱状対向電極基部５２に透明導電性膜７を有する光透過材を用いているが、中空柱状の金属を用いてもよい。
【００６２】
柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２に金属を用いる場合には、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｔａなどの酸化物がｎ型半導体を構成する種類の金属元素を用いることが好ましい。
【００６３】
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セル５０における光電変換の動作は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セル２０の光電変換の動作と同様に、次のように行われる。
【００６４】
太陽光は、シール部４に設けられた光入射部１１、光入射部１１が設けられた側の柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２との端面から色素増感太陽電池セル５０内に入射される。入射された太陽光のエネルギは色素８に吸収され、光電変換が行われる。
【００６５】
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セル５０では、側面に透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成された柱状の電極基部を柱状主電極基部５１、内側面に透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成された中空柱状の電極基部を中空柱状対向電極基部５２として構成しているが、これに限るものではなく、内側面に透明導電性膜７を介して色素８を担持した光触媒層９が形成された中空柱状の電極基部を中空柱状主電極基部、側面に透明導電性膜７を介して酸化還元触媒層１０が形成された柱状の電極基部を柱状対向電極基部として構成することもできる。
【００６６】
色素増感太陽電池セル５０では、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う柱状主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを柱状主電極基部表面に分散して照射することによって、入射した太陽光のエネルギ密度を光電変換を生じるのに必要とするエネルギ密度のレベルにすることができる。これによって、光電変換に必要なエネルギ密度のレベルを超えた光電変換に利用されない太陽光の割合を減少させることができ、太陽光のエネルギを有効に光電変換することができる。
【００６７】
また、色素増感太陽電池セル５０の上部のシール部４側以外の面に光反射機能部５を設けることで、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池セル５０の外部に放出されることはなく、また、光反射機能部５で反射されることにより、再度、色素８に衝突し光電変換することができる。これによって、入射した太陽光のエネルギを有効に光電変換される。
【００６８】
（モジュールタイプ）
第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルを複数個隣接した色素増感太陽電池モジュール６０について、図７の（ａ）の色素増感太陽電池モジュール６０の外観の斜視図および（ｂ）の色素増感太陽電池モジュール６０のＡ−Ａ断面図を参照して説明する。
図７（ａ）、（ｂ）に示した色素増感太陽電池モジュール６０は、図６（ａ）、（ｂ）に示した色素増感太陽電池セル５０の光反射機能部５を取り除いた複数の色素増感太陽電池セル５０の側面を燐接させ、上部のシール部４側以外の面を再度、光反射機能部５で囲んだものである。図７（ａ）、（ｂ）に示した色素増感太陽電池モジュール６０構成以外にも、例えば、複数の柱状主電極基部５１を所定の間隔で並べ、それらを囲むように中空柱状対向電極基部５２を設け、柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２のそれぞれの端面の開口部をシール部４で閉じる構成にすることもできる。
【００６９】
また、図３に示すような異なる光吸収特性を有する数種類の色素８が、色素増感太陽電池モジュール６０を構成する各色素増感太陽電池セル５０の色素８のいずれかに使用されている。同図には示していないが、色素８の光吸収特性と同様に、光触媒層９の光触媒も異なる光吸収特性を有する数種類の光触媒を使用することもできる。
【００７０】
次に、色素増感太陽電池モジュール６０における光電変換の動作について、図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。基本的な動作は、第１の実施の形態で説明したものと同じであるので、重複する説明は省略する。
色素増感太陽電池モジュール６０では、各色素増感太陽電池セル５０の柱状主電極基部５１および中空柱状対向電極基部５２が光透過材で構成されているので、各光入射部１１から入射した太陽光は、色素増感太陽電池モジュール６０内を移動することができる。入射した太陽光は、様々な光吸収特性を有する各色素増感太陽電池セル５０内を移動する間に、そのエネルギが吸収され、光電変換される。また、色素増感太陽電池モジュール６０は、上部のシール部４側の面を除いて、光反射機能部５によって囲まれているので、入射した太陽光は、その面以外の面から色素増感太陽電池モジュール６０の外部に放出されることはなく、そのエネルギは有効利用される。
【００７１】
色素増感太陽電池モジュール６０では、色素増感太陽電池セル５０における効果に加えて、異なる光吸収特性を有する色素８および光触媒で構成された数種類の光触媒層９を、各色素増感太陽電池セル５０に用いることによって、広範囲の波長の光を吸収することができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。
【００７２】
また、色素増感太陽電池モジュール６０では、各色素増感太陽電池セル５０の同極の電極基部同士を電気的に並列に接続して電流を増加させること、柱状主電極基部５１と中空柱状対向電極基部５２を電気的に直列に接続して電圧を増加させることなどの出力電力の増加を図ることができる。
【００７３】
（第４の実施の形態）
（モジュールタイプ）
本発明の色素増感太陽電池モジュールの第４の実施の形態について、図８に示した色素増感太陽電池モジュールの断面図を参照して説明する。
第４の実施の形態の色素増感太陽電池モジュール７０は、上記した第１ないし３の実施の形態の色素増感太陽電池セル１、３０、５０またはモジュール２０、４０、６０に、光ファイバなどの光導波管７１を用い直接的に太陽光を誘導するように構成されたものである。ここでは、第１の実施の形態の色素増感太陽電池モジュール２０に光導波管７１および採光部７２を設けた一例を示すが、その他の実施の形態の色素増感太陽電池セルまたはモジュールにも光導波管７１および採光部７２を設けることができる。
【００７４】
図８に示すように、光を集光する集光装置などで構成される採光部７２によって集光された太陽光は、各色素増感太陽電池セル１の光入射部１１上に光導波管７１を介して供給される。各色素増感太陽電池セル１では、光入射部１１から入射した太陽光のエネルギが色素８に吸収され、光電変換が行われる。
【００７５】
色素増感太陽電池モジュール７０では、色素増感太陽電池の発電（光電変換）部分と採光部分のパーツを分割することができ、例えば、採光部７２は軽量化して住宅の屋根に取り付け、発電部（色素増感太陽電池モジュール７０）は縁の下や庭の地面設置することができ、設置上の自由度を大きくすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の色素増感太陽電池セルおよびそれを用いた色素増感太陽電池モジュールによれば、太陽光の入射面積に対して光電変換を行う主電極基部表面の面積を所定比率で大きくし、入射した太陽光のエネルギを主電極基部表面に分散して照射することによって、太陽光のエネルギを有効利用でき、高いエネルギ変換効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セルの外観の斜視図。（ｂ）は、第１の実施の形態の色素増感太陽電池セルのＡ−Ａ断面図。
【図２】第１の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールの断面図。
【図３】色素の光吸収特性の一例を示す図。
【図４】第２の実施の形態の色素増感太陽電池セルの断面図。
【図５】第２の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールの断面図。
【図６】（ａ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルの外観の斜視図。（ｂ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルのＡ−Ａ断面図。
【図７】（ａ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールの外観の斜視図。（ｂ）は、第３の実施の形態の色素増感太陽電池セルを用いた色素増感太陽電池モジュールのＡ−Ａ断面図。
【図８】第４の実施の形態の色素増感太陽電池モジュールの断面図。
【符号の説明】
１…色素増感太陽電池セル
２…主電極基部
３…対向電極基部
４…シール部
５…光反射機能部
６…電解質
７…透明導電性膜
８…色素
９…光触媒層
１０…酸化還元触媒層
１１…光入射部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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