(57)【要約】【課題】分離膜を備えた色素増感太陽電池及びその方法を提供すること。【解決手段】  本発明の開示は、光電極及び対電極間に分離膜を備えた色素増感太陽電池であって、分離膜は支持材としての役目を果たすので、それへの破損、２つの電極間のショート、及び電解質の偏り現象を防ぐことが可能であって、及び分離膜は支持材としての役目を果たすので、大面積を有する単位セルが製造されることが可能であって、その有効面積が増加し、それによって高い効率のセルが実現することである。【選択図】図１
2010526398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている酸化物ナノ粒子層を含む光電極、
前記光電極に対向して配置された対電極、
前記光電極と前記対電極の間に充填された電解質溶液、及び
前記光電極と前記対電極の間に介在した分離膜、を含む太陽電池。
【請求項２】
前記光電極が、光透過性及び柔軟性を有する第一導電性基板、及び該第一導電性基板上に形成された酸化物ナノ粒子層を含むものであって、該酸化物ナノ粒子層において、色素が該酸化物ナノ粒子層中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記対電極が、柔軟性を有する第二導電性基板、及び該第二導電性基板上に形成された白金層を含む、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記対電極がアルミニウム及びステンレス鋼のいずれか１つで作られている金属板を含むものである、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記光電極の前記第一導電性基板が、透明なポリマー、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）で作られた第一基板と、該第一基板上に適用され、かつ酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ、フッ素化酸化スズ）及び透明な導電性物質で作られた透明な電極とを含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記光電極の第一導電性基板が導電性プラスチックで作られている、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記対電極の第二導電性基板が、透明なポリマー、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）で作られた第二基板と、該第二基板上に適用され、かつ酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ、フッ素化酸化スズ）及び透明な導電性物質で作られた透明な電極とを含む、請求項３に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記対電極の第二導電性基板が導電性プラスチックで作られている、請求項３に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記電解質溶液は、ヨウ素ベースの酸化還元液体電解質溶液又は酸化還元反応を引き起こすイオン性液体電解質を含むイオン性液体、を含む請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記分離膜が１００μｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記分離膜が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、セルロース、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール及びポリビニリデンジフロリド（ＰＶＤＦ）の中から一種以上を含むか、又は薄いポリマー分離膜を含む、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記分離膜が、前記電解質溶液のイオンが通過するイオン透過膜を含む、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１３】
（Ａ）酸化物ナノ粒子層を含む光電極上に分離膜を積層すること、
（Ｂ）対電極をその上で該分離膜は該対電極が該光電極に対向するように積層されているところの該光電極上に積層し、その後、該光電極と該対電極を密封するとともに、電解質溶液注入口を該分離膜の上方及び下方に形成すること、及び
（Ｃ）該電解質溶液注入口を通して電解質溶液を注入し、その後該電解質溶液注入口を密封すること、を含む太陽電池の製造方法。
【請求項１４】
前記（Ａ）において前記分離膜の積層は、
その上に吸着された色素を有する酸化物ナノ粒子を含む酸化物ナノ粒子層を第一導電性基板上に形成すること：及び
該分離膜をその上に該酸化物ナノ粒子層が形成されている該第一導電性基板上に積層すること、を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記（Ｂ）において前記対電極の積層は、
その上で積層された前記分離膜を有する該光電極上に該対電極を、該対電極が前記光電極に対向するように積層すること、
該分離膜を使用して該光電極と該対電極を分離すること、及び
該光電極と該対電極の周辺部を密封するとともに、前記電解質溶液注入口を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色素増感太陽電池及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、光電極と対電極の間に分離膜を備えた色素増感太陽電池であって、前記分離膜が支持材としての役割を果たすため、そこへの破損、二つの電極間でのショート、及び電解質の偏り現象を防ぐことが可能であって、及び前記分離膜が支持材としての役割を果たすため、大面積を有する単位セルが製造されことが可能であり、その有効面積が増大し、それによって高効率のセルを実現することができる色素増感太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
色素増感太陽電池は慣用の太陽電池に比べて高い価格競争力を有する第三世代太陽電池である。
【０００３】
太陽電池における重要な要素として、効率性、耐久性及び価格がある。シリコン太陽電池の耐久性は市場で認められたが、しかしシリコン太陽電池は慣用のエネルギー源よりもより高価であるため、太陽光エネルギーの競争力を増強することは難しいという問題がある。
【０００４】
第一世代太陽電池であるシリコン太陽電池は大規模な太陽熱発電所で使用され、及び電源を供給するために屋根の上面に設置される。この様なシリコン太陽電池は、シリコンの不足を深刻化し、製造コストが高く、及び製造工程が困難であるという点で問題がある。それ故、競争力を有し及びシリコン太陽電池とは異なる工程を経て製造される安価な色素増感太陽電池の商業化は進行中である。
【０００５】
すなわち、シリコン太陽電池は半導体プロセスが必要であり、それ故に、シリコン太陽電池の製造において、例えば高温及び真空状態の要件といった困難があり、またシリコン太陽電池は高価なシリコン原材料も必要である。それ故、高価なシリコンの費用を減らすために、２００μｍのウエハー厚を有する薄膜型シリコン太陽電池が、２０００年以前に製造された３８０μｍのウエハー厚さを有するシリコン太陽電池の代わりに開発されてきた。その上、効率の向上及び更なる費用の低減を実現するために、２００μｍよりも薄いウエハー厚を有する超薄膜型シリコン太陽電池を開発することが要求されている。しかしながら、超薄膜型シリコン太陽電池を製造するために高い水準の技術の開発が必要であり、そしてその製造及び取り付けにおいて破損する危険もある。
【０００６】
それ故、色素増感太陽電池はシリコン太陽電池に取って代わるための次世代太陽電池として重要視されてきている。
【０００７】
色素増感太陽電池はシリコン太陽電池とは異なり、可視光を吸収することによって電子正孔対を形成するための感光性色素分子及び形成された電子を伝達するための遷移金属酸化物を主として含む光電気化学的太陽電池である。
【０００８】
今まで知られている色素増感太陽電池のなかで、スイス国のグレッツェル（Ｇｒａｔｚｅｌ）らによって発明された色素増感太陽電池の典型的な例が米国特許第４９２７７２１号明細書及び米国特許第５３５０６４４号明細書に開示されている。グレッツェルらによって発明された前記色素増感太陽電池は、色素分子が吸着された二酸化チタン（ＴｉＯ2）ナノ粒子から形成された半導体電極、白金電極、及びその間に充填された電解質溶液
を含む。
【０００９】
この色素増感太陽電池は電力あたりの製造費用が慣用の太陽電池よりも低いので、慣用の太陽電池にとってかわれることが可能という事実により大きな注目を集めている。
【００１０】
この様な色素増感太陽電池の電極としては、慣習的に、透明なガラス電極が使用されてきた。しかしながら、この様な透明なガラス電極は原材料の総費用の高い割合を占め、そして柔軟な太陽電池の開発を妨げるという点で問題がある。
【００１１】
すなわち、色素増感太陽電池は、コーティング工程が含まれるため、シリコン太陽電池と比較して、その製造工程が単純である点で有利であるが、しかし色素増感太陽電池が柔軟な色素増感太陽電池に切り替えるときに、透明なガラス電極は使用できなくなるという点で問題がある。結果として、透明なガラス電極を使用している色素増感太陽電池は電力発電所、屋根の上面等への使用に制限される。
【００１２】
上記問題を解決するために提案されている慣用的な技術として、透明なガラス電極の代わりにプラスチック電極を使用する色素増感太陽電池が公開されている。
【００１３】
そのようなものとしては、プラスチック電極が使用されるとき、様々なプラスチックが使用可能で、低費用で製造が可能で、及び容易に大面積を有する製造が可能である、柔軟な色素増感太陽電池を実現することが可能となる。
【００１４】
一般的に、太陽電池は次第に、大容量発電分野及び外壁のための建築資材、例えばノートパソコン、個人用デジタル補助装置（ＰＤＡｓ）、携帯電話、カメラ等の携帯端末、及び例えばテント、無線装置等の軍用品に使用されている。
【００１５】
太陽電池の製造において、小型セルが製造され、それからモジュールに形成されたとき、絶縁部及び電極接合部によりモジュールの有効面積は減少し及び電極接合部での抵抗の増加のおかげで、その効率は減少する。それ故、大面積セルが第一段階で製造可能であるとき、その有効面積は増加し、それ故に効率の低下を妨げる。
【００１６】
しかしながら、柔軟な色素増感太陽電池は、その製造工程がコーティング工程のおかげでとても易しいという点で有利であり、そして小型セルが製造され、その次にセルをモジュールにする時点で、モジュールが形成されるとき、その工程効率もまた太陽電池の面積の増加に伴い増加するが、しかし電解質の偏り現象のせいで大型太陽電池を製造することが難しいという問題がある。
【００１７】
さらにまた、柔軟な色素増感太陽電池は薄膜構造を有せねばならないので、破損防止性及び耐久性が確保されなければならない。それ故、それらは薄膜構造でなければならず、しかし同じように破損に抵抗できなければならないという、非常に耐久性がなければならないという意味で問題がある。
【００１８】
さらに、薄膜型色素増感太陽電池はまた、二つの電極間の間隔が狭いので、その間のショートが生じ得、それ故薄型電極の開発が妨げられるという点でも問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第４９２７７２１号明細書
【特許文献２】米国特許第５３５０６４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従って、本発明は先行技術において生じている上記問題を念頭において行われ、そして本発明の目的は、光電極と対電極の間に分離膜を備えた色素増感太陽電池を提供することであって、その中の前記分離膜は支持材としての役目を果たすので、破損及び電解質の偏り現象を防ぐことが可能であり、及び前記色素増感太陽電池の製造方法を提供することである。
【００２１】
本発明の他の目的は、光電極と対電極との間に分離膜を備えた色素増感太陽電池を提供することであって、その中の前記分離膜が支持材の役目を果たすため、二つの電極間でショートすることが妨げられることが可能であり、及び前記色素増感太陽電池の製造方法を提供することである。
【００２２】
本発明の更なる目的は、光電極と対電極との間に分離膜を備えた色素増感太陽電池を提供することであって、その中の前記分離膜が支持材の役目を果たすため、大面積の単位セルが製作されることが可能であり、及び前記色素増感太陽電池の製造方法を提供することである。
【００２３】
本発明の更にもう１つの目的は、光電極と対電極との間に分離膜を備えた色素増感太陽電池を提供することであって、その中の前記分離膜が支持材の役目を果たすため、大面積のセルがその有効面積が増大されるように製作されることが可能であるところの色素増感太陽電池、それによって前記太陽電池が高効率である製造である。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明は、
その層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている酸化物ナノ粒子層を含む光電極、
前記光電極に対向して配置された対電極、
前記光電極と前記対電極の間に充填された電解質溶液、
前記光電極と前記対電極の間に介在した分離膜、を含む太陽電池を提供する。
【００２５】
さらに、本発明は、
（Ａ）酸化物ナノ粒子層を含む光電極上に分離膜を積層すること、
（Ｂ）対電極をその上で該分離膜は対電極が光電極に対向するように積層されているところの該光電極上に積層し、その後、該光電極と該対電極を密封するとともに、電解質溶液注入口をその分離膜の上方及び下方に形成すること、
及び
（Ｃ）該電解質溶液注入口を通して電解質溶液を注入し、その後該電解質溶液注入口を密封すること、を含む太陽電池の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の色素増感太陽電池は分離膜が光電極と対電極との間に備えられており、及び前記分離膜が支持材としての役目を果たすため、安定性を増大させるものであって、それによって耐久性を改善する及び破損を防止する、という点で有利である。
【００２７】
さらにまた、本発明の色素増感太陽電池は分離膜が光電極と対電極との間に備えられており、及び前記分離膜が支持材としての役目を果たし、それ故電解質の偏り現象を防止する、という点で有利である。
【００２８】
さらにまた、本発明の色素増感太陽電池は分離膜が光電極と対電極との間に備えられており、及び前記分離膜が支持材としての役目を果たし、それ故二つの電極間でのショートを防止する、という点で有利である。
【００２９】
さらにまた、本発明の色素増感太陽電池は分離膜が光電極と対電極との間に備えられており、及び前記分離膜が支持材としての役目を果たし、それ故大面積の単位セルを製作する、という点で有利である。
【００３０】
さらにまた、本発明の色素増感太陽電池は分離膜が光電極と対電極との間に備えられており、及び前記分離膜が支持材としての役目を果たし、及び大面積の単位セルがその有効面積が拡げられるように製作されることが可能であり、それによって前記セルは高い効率を有する、という点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池を製造する方法を示す図である。
【図３】図３は、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池を製造する方法を示す図である。
【図４】図４は、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池を製造する方法を示す図である。
【図５】図５は、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池を製造する方法を示す図である。
【図６】図６は、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池を製造する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明の１つの態様に従った色素増感太陽電池及び該色素増感太陽電池を製造する方法を添付図面に準拠して説明する。
【００３３】
図１は本発明の1つの態様に従う色素増感太陽電池の構造を示す断面図である。
【００３４】
図１を参照すると、本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池は光電極１００、電解質１４０、分離膜１６０、対電極１８０、及びエポキシ樹脂１９０を含む。
【００３５】
ここで、光電極１００は導電性、柔軟性、及び光学的に透明である第一基板１０２、第一基板１０２上に適用された透明導電性電極１０４、及びその層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている酸化物ナノ粒子層１２０を含み、かつ酸化物ナノ粒子層１２０は透明導電性電極１０４上に付着している。
【００３６】
この場合、第一導電性基板１０６は、第一基板１０２を透明な導電性電極１０４、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はフッ素ドープ二酸化スズであるフッ素化酸化スズ（ＦＴＯ）など、でコーティングすることによって形成され得、その第一基板１０２は透明なポリマープレートからできており、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）のようなものである。或いは、第一導電性基板１０６は導電性プラスチックから形成され得る。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は他の原料と比較して優れた耐熱性、弾力性及び耐水性を有する。ポリカーボネートは良好な寸法安定性、光学的透明性、及び特に、優れた耐衝撃性を有する。ポリエチレンナフタレートもまた優れた耐水性及び防湿性を有する。
【００３７】
次に、酸化物ナノ粒子層１２０は５乃至１５μｍの厚さで第一導電性基板１０６上に形
成され、及びその上に化学的に吸着されたルテニウム（Ｒｕ）錯体からできている色素分子を有しえる。その層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている酸化物ナノ粒子層１２０は二酸化チタン層、二酸化スズ層又は酸化亜鉛層であり得る。
【００３８】
電解質溶液１４０は、ヨウ素ベースの酸化還元液体電解質である１，２−ジメチル−３−オクチル−イミダゾリウムヨウ化物の８Ｍ及びＩ2（ヨウ素）４０ｍＭを３−メトキシ
プロピオニトリル中に溶解させることによって形成されたＩ3-／Ｉ-電解質溶液であり得
、又はイオン性液体が電解質溶液１４０として使用され得る。
【００３９】
その一方で、対電極１８０は光電極１００と対向するように設置され、白金層１８４で導電性及び柔軟性のある第二導電性基板１８６をコーティングすることによって形成される。この場合、第二導電性基板１８６は、第二基板１８２を、透明な導電性電極１０４、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はフッ素ドープ酸化スズであるフッ素化酸化スズ（ＦＴＯ）でコーティングすることによって形成され得、その第二導電性基盤１８６は透明なポリマープレーとからできており、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカ−ボネート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）である。
【００４０】
白金層１８４は上記ポリマープレートを製造することによって形成され得、それは、該ポリマープレート上に５ｍＭのヘキサクロロ白金酸溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6・ｘＨ2Ｏ）を分
散させ、それから乾燥させ、この様にして白金イオンでポリマープレートの表面を覆い、６０ｍＭの水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）溶液を使用して白金イオンで覆われた
ポリマープレートを処理し、この様にして白金イオンを白金に還元し、そして蒸留水を使用して該ポリマープレートを洗浄し、それから乾燥させることによって形成され得る。
【００４１】
分離膜１６０は光電極１００と対電極１８０の間に設置され、及びイオン透過膜から形成される。
【００４２】
この分離膜１６０は１００μｍ以下の厚さを有し得、及びポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、セルロース、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール及びポリビニリデンジフロリド（ＰＶＤＦ）から選択された１種以上のものを含み得、又は薄いポリマー分離膜であり得る。
【００４３】
ここで、前記分離膜１６０は、支持材としての役割を果たし、破損、電解質溶液１４０の偏り現象、及び２つの電極間のショートを防ぐことが可能である。
【００４４】
さらにまた、分離膜１６０は、支持材としての役割を果たし、作製された色素増感太陽電池の基本セルが大面積を有することを可能にする。
【００４５】
大面積の基本セルは、色素増感太陽電池の有効面積を増加させ、効率の減少を防がれるようにし、それによって最終的に高い効率を有する色素増感太陽電池を作製する。
【００４６】
さらにまた、分離膜１６０は色素増感太陽電池の間に挿入され、色素増感太陽電池への損傷が防がれるようにし、それによって耐久性が改善する。
【００４７】
さらにまた、その層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている全ての酸化物ナノ粒子層１２０及び電解質溶液１４０の一部は分離膜１６０及び第一導電性基板１０６の間に配置され得、及び電解質溶液１４０の残りは分離膜１６０及び対電極１８０の間に分散され得る。一方、エポキシ樹脂１９０は光電極１４０、その層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている酸化物ナノ粒子層１２０、電解質１
４０、分離膜１６０及び対電極１８０を含む積層板を取り囲み及び密封する。
【００４８】
本発明に従う色素増感太陽電池の作用は以下の通りである。
【００４９】
酸化物ナノ粒子層１２０上に吸着された色素分子が光電極１００の第一導電基板１０６を通過した光を吸収した場合、色素分子は電子孔対を形成するように、基底状態から励起状態に遷移し、及び励起状態の電子は酸化物ナノ粒子層１２０の導電帯に注入される。
【００５０】
酸化物ナノ粒子層１２０に注入された電子は粒子間の接触面を通って酸化物ナノ粒子層１２０と隣接した第一導電層１０６に移送され、そして同時に外部電線（図示せず）を通って第二導電性基板１８６へ移動する。
【００５１】
電子の遷移により酸化された色素分子は第一導電性基板１０６及び分離膜１６０の間に存在する電解質溶液１４０中のヨウ素イオンの酸化（３Ｉ-→Ｉ-3−６２ｅ-）によって生じる電子を受け取り、そして続いて再び還元される。
【００５２】
続いて、酸化されたヨウ素イオン（Ｉ-3）は分離膜１６０及び対電極１８０の間の空間に移動し、その後対電極１８０に達している電子によってヨウ素イオン（３Ｉ-）へ還元
され、このようにして色素増感太陽電池の作用のための機構は完成する。
【００５３】
図２乃至図６は本発明の１つの態様に従う色素増感太陽電池の製造方法を示した図である。
【００５４】
図２を参照すると、光電極１００は、透明な導電電極１０４で覆われた第一基板１０２を含む第一導電基板１０６上に、その層内で色素がその中に含まれた酸化物ナノ粒子上に吸着されている酸化物ナノ粒子層１２０を形成することによって完成される。
【００５５】
図３を参照すると、分離膜１６０は光電極１００の酸化物ナノ粒子層１２０上に積層される。
【００５６】
続いて、図４を参照すると、初めに透明な導電電極１０４で第二基板１８２を覆うことによって形成された第二導電基板１８６、白金層１８４で第二導電基板１８６を覆うことによって形成された対電極１８０は対電極１８０が光電極１００に対向するように光電極１００と接合し、続いて電解質注入口は開口しながら、光電極１００及び対電極１８０の側面はエポキシ樹脂１９０で固定された。
【００５７】
最後に、図５を参照すると、電解質溶液１４０は電解質注入口を通して分離膜１６０の上方及び下方の空間に満たされ、続いて、図６に示されるように、光電極１００及び対電極１８０のもう１つの側面は密封され、それによって本発明の色素増感太陽電池は完成する。
【符号の説明】
【００５８】
１００：光電極
１０２：第一基板
１０４：透明な導電性電極
１０６：第一導電性基板
１２０：色素吸着酸化物ナノ粒子
１４０：電解質溶液
１６０：分離膜
１８０：対電極
１８２：第二基板
１８４：白金層
１８６：第二導電性基板
１９０：エポキシ樹脂
【図１】
2010526398.tif 000003
【図２】
2010526398.tif 000004
【図３】
2010526398.tif 000005
【図４】
2010526398.tif 000006
【図５】
2010526398.tif 000007
【図６】
2010526398.tif 000008
【国際調査報告】
2010526398.tif 000009
2010526398.tif 000010