(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体内に、酸化物半導体電極材料に色素を吸着させてなる酸化物半導体電極と、液体または擬液体状で電解質を含む電解液と、前記酸化物半導体電極に前記電解質を介して配置された電極とを備えた色素増感型太陽電池において、
前記本体を使用可能な状態で設置した場合の上辺に沿って、前記電解液を貯蔵する電解液貯蔵部が設けられるとともに、前記電解液貯蔵部と前記本体内の前記電解液を保持する領域とが前記上辺の長さ方向にわたって接続されており、
前記電解液貯蔵部に、バルブにより開閉可能な液体成分の出し入れ口が設けられていることを特徴とする色素増感型太陽電池。
【請求項２】
前記出し入れ口が、少なくとも２カ所に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
【請求項３】
前記出し入れ口が、前記色素増感型太陽電池を使用可能な状態で設置した場合の上部と下部に、少なくとも１カ所ずつ設けられていることを特徴とする請求項２に記載の色素増感型太陽電池。
【請求項４】
前記本体に、圧力センサーまたは過圧防止装置を取り付けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色素増感型太陽電池に関するものであり、とくに、寿命が長く、発電コストを引き下げることができる色素増感型太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｇｒａｅｔｚｅｌ型太陽電池などの色素増感型太陽電池は、酸化物半導体電極材料に色素を吸着させてなる酸化物半導体電極と対向電極とを、本体内に電解質を介して対向配置させてなるものであり、液体または擬液体状で電解質を含む電解液が本体内に封止された構造となっている。このような色素増感型太陽電池は、シリコン、ＧａＡｓ等を用いた従来の太陽電池と比べて、発電コストが安くなると試算されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には、以下に述べる理由により、色素増感型太陽電池の発電コストを安くすることは困難となっている。
色素増感型太陽電池は、本体内に封止されている電解液を完全に封止することが非常に難しい。このため、使用時間の経過に伴って蒸発や液漏れ等により電解液が減少してしまう。そして、電解液の減少により電解液がなくなった気泡部分では、急激な色素の分解が生じて、太陽電池としての性能が劣化してしまう。また、電解液や色素の自然劣化によりガスが発生し、本体内の圧力が増加して、本体の破損や液漏れを引き起こす場合があった。これらのことにより、色素増感型太陽電池の長期使用は困難となっている。したがって、色素増感型太陽電池の寿命は短く、色素増感型太陽電池の発電コストを引き上げる原因となっていた。
【０００４】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、寿命が長く、発電コストを引き下げることができる色素増感型太陽電池を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の色素増感型太陽電池は、本体内に、酸化物半導体電極材料に色素を吸着させてなる酸化物半導体電極と、液体または擬液体状で電解質を含む電解液と、前記酸化物半導体電極に前記電解質を介して配置された電極とを備えた色素増感型太陽電池において、前記本体を使用可能な状態で設置した場合の上辺に沿って、前記電解液を貯蔵する電解液貯蔵部が設けられるとともに、前記電解液貯蔵部と前記本体内の前記電解液を保持する領域とが前記上辺の長さ方向にわたって接続されており、前記電解液貯蔵部に、バルブにより開閉可能な液体成分の出し入れ口が設けられていることを特徴とする。
本発明において、「擬液体状」の電解液とは、液化できる固体電荷移動媒体を含む溶液など、液体として使用できる固体電解質や擬固体化された電解質を含む電解液のことをいう。
【０００６】
このような色素増感型太陽電池においては、本体が開閉可能な液体成分の出し入れ口を有するものであるので、以下に示す作用により、長期使用が可能なものとなる。
使用時間の経過に伴う蒸発や液漏れ等により、電解液が減少した場合に、電解液の補充を行なうことができる。
電解液が劣化した場合に、電解液の交換を行なうことができる。
また、前記出し入れ口は、ガス成分についても使用できるため、電解液や色素の自然劣化によりガスが発生しても、前記出し入れ口を開閉することにより本体内の圧力を調整することができ、本体内の圧力増加による本体の破損や液漏れを防止することができる。
【０００７】
さらに、圧力が高くなっていることを知るための圧力センサーや、圧力が高くなりすぎた時に自動的に圧力を低下させる安全弁を取り付けることにより、破損防止に役立つ。
色素が劣化した場合に、前記出し入れ口を介して洗浄液や色素を含んだ溶媒を出し入れすることにより色素の交換を行うことができ、酸化物半導体電極そのものを交換することなく、色素増感型太陽電池の再生を行うことができる。
このように、本発明の色素増感型太陽電池によれば、色素増感型太陽電池の寿命を長くすることができるので、発電コストを大幅に引き下げることができる。
【０００８】
さらに、このような色素増感型太陽電池においては、本体が開閉可能な液体成分の出し入れ口を有するものであるので、将来、高性能の電解液や色素が開発された場合には、色素増感型太陽電池を分解することなく、前記出し入れ口を利用して電解液や色素を吸着させることによって、性能を高めることができる。
【０００９】
また、本発明の色素増感型太陽電池においては、前記出し入れ口が、少なくとも２カ所に設けられていることが望ましい。
このような色素増感型太陽電池とすることで、本体内に液体成分を出し入れする場合に、前記液体成分を排出しながら注入することができるものとなるので、本体内に液体成分を出し入れする作業をスムーズに行うことが可能なものとなる。
【００１０】
また、本発明の色素増感型太陽電池においては、前記出し入れ口が、前記色素増感型太陽電池を使用可能な状態で設置した場合の上部と下部に、少なくとも１カ所ずつ設けられていることが望ましい。
このような色素増感型太陽電池とすることにより、色素増感型太陽電池を発電のために設置した状態のまま、容易に本体内に液体成分を出し入れすることができるものとなる。
【００１１】
また、本発明の色素増感型太陽電池においては、本体内に電解液を補充できる電解液貯蔵部を有することが望ましい。
このような色素増感型太陽電池とすることで、使用時間の経過に伴う蒸発や液漏れ等により電解液が減少しても、電解液貯蔵部からの補給により、容易に電解液の補充を行なうことができるものとなり、容易に色素増感型太陽電池の性能劣化を防ぐことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、色素増感型太陽電池の一例を示した図であり、（Ａ）は、平面図であり、（Ｂ）は、断面図である。
図１において、符号１は、色素増感型太陽電池の本体を示している。前記本体１は、色素増感型太陽電池を使用可能な状態で設置されている。本体１内には、導電性ガラス基板２の上に酸化物半導体電極３と、酸化物半導体電極３と対向配置された対向電極４と、電解液５とが備えられている。また、本体１の４隅のうち上部の２カ所と下部の１カ所には、出し入れ口８が設けられている。また、図１において、符号６および符号７は、電解液貯留部を示している。
【００１３】
前記出し入れ口８の形状は、開閉可能であって、液体成分の出し入れが可能であれば、とくに限定されないが、例えば、図１に示すストップコック型などが挙げられる。また、出し入れ口８の形状は、スクリュー型やテーパー型などのふた型であってもよい。さらに、切断や穴あけなどと溶融封止や圧着封止などとを繰り返し行うことにより開閉可能とした、チューブ状の形状を有するものであってもよい。
また、出し入れ口８は、閉じた状態での気密性を高めるためや、外気からの水分流入を防ぐために、安定なグリースを塗布したり、フッ素樹脂テープでかしめたり、溶剤などで剥離可能な接着剤をコーティングしたり、耐水性の樹脂をコートするなどの防水加工を施したりすることも好ましい。
また、前記出し入れ口８の材質は、電解液に侵されないものであれば、特に限定されないが、例えば、チタンなどの金属や、ガラス、あるいは、テフロン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのプラスチック等が挙げられる。より具体的には、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどが好適に使用される。
【００１４】
電解液貯蔵部６、７は、電解液５を貯留するためのものであり、本体１内に電解液を補充できるものであればよく、形成位置や形状、数などが限定されるものではないが、酸化物半導体電極３と対向電極４との間隔を拡大することがないように設けられることが好ましい。
具体的には、例えば、図１に示す電解液貯蔵部６のように、本体１の上側の辺に沿う部分や、図１に示す電解液貯蔵部７のように、本体１と出し入れ口８との間の部分に設けることが望ましい。
【００１５】
図１に示す電解液貯蔵部６のように、本体１の上側の辺に沿う部分に設けた場合、酸化物半導体電極３と対向電極４との隙間を大きくすることなく、かつ、本体１内に均一に電解液５を補充できるので好ましい。
また、図１に示す電解液貯蔵部７のように、本体１と出し入れ口８との間の部分に設けた場合、本体１の大きさを変えることなく、電解液貯蔵部７を設けることができるので好ましい。
【００１６】
前記電解液貯蔵部６、７は、単独であってもよく、両方あってもよい。そのときの体積は、それぞれ、酸化物半導体電極３と対向電極４との隙間の体積に対して、０．０１倍以上、好ましくは１倍以上がよい。前記電解液貯蔵部６、７の体積が、酸化物半導体電極３と対向電極４との隙間の体積に対して、０．０１倍未満であると、使用時間の経過に伴う蒸発や液漏れ等により、電解液が減少した場合に補充可能な電解液の量が少なくなるので、電解液の補充により長期使用を可能にする効果が十分に得られないため、好ましくない。一方、電解液貯蔵部６、７の体積は、格別上限はないが、前記電解液貯蔵部６、７の体積が大きくなると重くなるので、一般に取り扱い性からみて、５００倍以下、好ましくは１００倍以下とするのが望ましい。
【００１７】
図１に示すように、酸化物半導体電極３と対向電極４とが電解液５を介して対向配置されている場合は、酸化物半導体電極３と対向電極４との間隔は、狭いほど直流抵抗が小さくなり、性能が向上するので好ましいが、本体１内に液体成分を出し入れすることが難しくなるので、１０〜１０００００μｍ程度とするのが好ましく、より好ましくは２０〜１０００μｍ程度とされる。
【００１８】
酸化物半導体電極３は、酸化物半導体電極材料に色素を吸着させてなるものであり、従来から色素増感型太陽電池の研究で報告されているものなどが使用される。
酸化物半導体電極３に用いられる酸化物半導体電極材料としては、例えば、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5，Ｔａ2Ｏ5，ＺｎＯ，ＳｎＯ2，Ｉｎ2Ｏ3、およびこれらの混合物やＳｒＴｉＯ3等の複合酸化物などが使用できる。より具体的には、例えば、ＴｉＯ２多孔質膜からなるものなどが好適に使用される。
【００１９】
また、酸化物半導体電極３に吸着させる色素としては、例えば、Ｇｒａｅｔｚｅｌ型の色素増感型太陽電池に一般に用いられている色素であるＣｉｓ−ｄｉｔｈｉｏｃｙａｎａｔｅ［Ｎ−ｂｉｓ（２，２‘−ｂｉｐｙｒｉｄｙｌ−４，４’−ｄｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ  ａｃｉｄ）］Ｒｕ［II］等のルテニウム錯体や、ポルフィリンやフタロシアニンなどの金属錯体だけでなく、キサンテン系色素やシアニン系、メロシアニン系、クマリン系、トリフェニルメタン系、アクリジン系などの各種有機色素などが使用される。特に、重金属を含まない、Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｓ，アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、ハロゲン原子のみで構成された有機色素が好ましく、例えば、エオシンＹ、メロシアニン等が挙げられる。また、上記ルテニウム金属錯体としては、具体的に例えば、Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社製Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ５３５ｂｉｓ−ＴＢＡ、Ｃ５８Ｈ８６０８Ｓ２Ｒｕなどを好適に使用することができる。
【００２０】
前記電解液５は、液体または擬液体状で電解質を含むものであり、従来から色素増感型太陽電池の研究で報告されているものなどが使用される。
前記電解液５を構成する溶媒としては、例えば、アセトニトリルや炭酸プロピレン、炭酸エチレン、メトキシアセトニトリルなどが挙げられる。
また、前記電解液５に含まれる電解質としては、ヨウ素や臭素、キノンなどのレドクッス媒体などが用いられる。特に、重金属を含まない、Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｓ，アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、ハロゲン原子のみで構成されたものが好ましく、具体的に例えば、ヨウ化リチウム、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム、ヨウ化テトラブチルアンモニウムが挙げられる。また、固体電解質や擬固体化された電解質も、注入時に液体として使用できるものであれば、本発明において電解質として上記のものと同様に利用できる。
【００２１】
導電性ガラス基板２としては、従来から色素増感型太陽電池の研究で報告されているものなどが使用され、具体的に例えば、ＳｎＯ2薄膜付きガラス基板（抵抗１０Ω）などが使用される。
また、対向電極４としては、従来から色素増感型太陽電池の研究で報告されているものなどが使用され、具体的に例えば、Ｐｔ薄膜（Ｐｔ膜圧５０ｎｍ）付き導電性ガラス基板からなるものなどが使用される。
【００２２】
このような色素増感型太陽電池においては、本体１が開閉可能な液体成分の出し入れ口８を有するものであるので、以下の（１）〜（４）に示すように、長期使用が可能なものとなる。
（１）使用時間の経過に伴う蒸発や液漏れ等により、本体１内の電解液５が減少した場合に、電解液５の補充を行なうことができる。
電解液５を補充する方法としては、例えば、２カ所に設けられた上部の出し入れ口８ａ、８ｂのうち一方または両方を介して、本体１内に新しい電解液を注入する方法などが挙げられる。
【００２３】
（２）電解液５が劣化した場合に、電解液５の交換を行なうことができる。
電解液５を交換する方法としては、例えば、下部の出し入れ口８ｃを介して電解液５を排出しながら、上部の出し入れ口８ａ、８ｂのうち一方または両方を介して電解液５を注入する方法や、すべての出し入れ口８を解放し、下部の出し入れ口８ｃを介して本体１内から電解液５を取り出したのち、上部の出し入れ口８ａ、８ｂのうち一方または両方を介して、本体１内に新しい電解液を注入する方法などが挙げられる。
【００２４】
（３）電解液５や色素の自然劣化によりガスが発生しても、出し入れ口８を開閉することにより本体１内の圧力を調整することができ、本体１内の圧力増加による本体１の破損や液漏れを防止することができる。
【００２５】
（４）色素が劣化した場合に、出し入れ口８を介して洗浄液や色素を含んだ溶媒を出し入れすることにより色素の交換を行うことができる。
色素を交換する方法としては、例えば、すべての出し入れ口８を解放し、下部の出し入れ口８ｃを介して本体１内から電解液５を取り出したのち、洗浄液や色素を含んだ溶媒を上部の出し入れ口８ａ、８ｂを介して注入しながら下部の出し入れ口８ｃを介して排出することにより、酸化物半導体電極３から古い電解質や色素を除去して新しい色素を再吸着させ、その後、上部の出し入れ口８ａ、８ｂを介して、本体１内に新しい電解液を注入する方法などが挙げられる。
このように、本実施形態の色素増感型太陽電池では、出し入れ口８を介して洗浄液や色素を含んだ溶媒を出し入れすることにより色素の交換を行うことができ、酸化物半導体電極そのものを交換することなく、色素増感型太陽電池の再生を行うことができる。
【００２６】
上記の（１）〜（４）に示したように、本実施形態の色素増感型太陽電池によれば、色素増感型太陽電池の寿命を長くすることができるので、発電コストを大幅に引き下げることができる。
【００２７】
また、本体１が開閉可能な液体成分の出し入れ口８を有するものであるので、将来、高性能の半導体材料や色素が開発された場合には、色素増感型太陽電池を分解することなく、前記出し入れ口８を利用して半導体材料や色素を吸着させることによって、性能を高めることができる。
【００２８】
また、出し入れ口８が、３カ所に設けられているので、本体１内に液体成分を出し入れする場合に、前記液体成分を排出しながら注入することができ、本体１内に液体成分を出し入れする作業をスムーズに行うことができる。
さらに、前記出し入れ口８が、色素増感型太陽電池を使用可能な状態で設置した場合の上部と下部とに設けられているので、色素増感型太陽電池を発電のために設置した状態のまま、容易に本体１内に液体成分を出し入れすることができるものとなる。
【００２９】
さらにまた、本体１内に電解液を補充できる電解液貯蔵部６、７を有しているので、使用時間の経過に伴う蒸発や液漏れ等により電解液５が減少した場合に、電解液貯蔵部６、７からの補給により、容易に電解液５の補充を行なうことができ、容易に色素増感型太陽電池の性能劣化を防ぐことができる。さらに、上述した出し入れ口８ａ、８ｂを介して行う電解質５の補充を行うまでの期間を長くすることができる。
【００３０】
また、酸化物半導体電極３と対向電極４との間隔が、１０〜１０００００μｍであるので、直流抵抗が十分に小さい高性能なものとなるとともに、本体１内に液体成分を出し入れすることが容易なものとなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の色素増感型太陽電池は、本体が開閉可能な液体成分の出し入れ口を有するものであるので、長期使用が可能なものとなる。したがって、色素増感型太陽電池の寿命を伸ばすことができ、発電コストを大幅に引き下げることができる。
本発明は、非常に高性能であるが寿命が短い色素や電解液などを利用した色素増感型太陽電池とした場合、とくに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の色素増感型太陽電池の一例を示した図であり、（Ａ）は、平面図であり、（Ｂ）は、断面図である。
【符号の説明】
１  本体
２  導電性ガラス基板
３  酸化物半導体電極
４  対向電極
５  電解液
６、７  電解液貯留部
【図１】
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