(57)【要約】【課題】 平面だけでなく曲率のあるものなどの異型形状でも好適に発電をすることができる太陽電池を提供し、さらには、高効率の太陽電池を提供する。【解決手段】 光が照射されると励起して半導体に電子を供与することのできる色素が表面に付着された金属酸化物半導体を導電性薄膜上に有した作用電極と、作用電極に対する対電極とが同一面上に設けられて、色素増感型太陽電池が形成されていることによって、形状のフレキシブル性を高め、使用場所や形状、求められる耐久性に合わせて選定することができる。また、作用電極とが同一面上に設けられた複数の太陽電池基板を、電解質層を介して対向して設けることによって、両面から受光して発電可能となり、発電量を向上させることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が照射されると励起して半導体に電子を供与することのできる色素が表面に付着された金属酸化物半導体を導電性薄膜上に有した作用電極と、作用電極に対する対電極と、前記作用電極と対電極間に電子の授受を行うことのできる電解質層とを有した太陽電池であって、前記作用電極と対電極とが同一面上に設けられたことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
光が照射されると励起して半導体に電子を供与することのできる色素が表面に付着された金属酸化物半導体を導電性薄膜上に有した作用電極と、作用電極に対する対電極とが同一面上に設けられた複数の太陽電池基板が、作用電極と対電極間において電子の授受を行うことのできる電解質層を介して対向して積層されることによって、両面から受光して発電可能となされていることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色素が表面に付着された金属酸化物半導体を用いた色素増感型太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池はクリーンなエネルギー源として様々な分野や製品に付与されて用いられている。現在、太陽電池としてはシリコン結晶系やシリコンアモルファス系が主に用いられているが、その他にも様々な機構の太陽電池が提案、検討されている。
【０００３】
その一つに近年、色素増感型の太陽電池が注目を浴びている。色素増感太陽電池は一般に、ガラスや樹脂からなる基材上にＩＴＯやＦＴＯなどの導電性の薄膜上に酸化チタンなどの金属酸化物半導体層を設けてこの半導体表面に光エネルギーを吸収して電子を半導体に供与する色素を吸着させて作用電極とし、この作用電極に対して対電極を設ける。またさらに、この電極間に電解質層を設け、電子の授受を可能として、電池となされているものである。
【０００４】
色素増感太陽電池は基材を樹脂とすることもでき、その表面に薄層を形成させて太陽電池とするので、その形状も自由に決めることができたり、電池を形成したあとに曲げ加工を施すことも可能であるなど、非常に形状に対して自由度が高く、また軽量化も図ることができる利点がある。
【０００５】
また、用いる材料も比較的安価であり、製造過程においてもシリコン系の太陽電池ではシリコンの精製などに莫大なエネルギーを必要とするが、色素増感太陽電池ではそのような過程は必要なく製造コストも比較的小さいため、コスト的にも優れている。
【０００６】
また、色素増感型太陽電池はシリコン系の太陽電池などに比べ、曇天時や室内使用時などの低照度時においても発電量の低下が小さい特長もあり、日照不足による発電量の不足などの心配もない利点もある。
【特許文献１】特開平１−２２０３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の色素増感型太陽電池は、金属酸化物半導体が付着した作用極と対電極とが電解質層を介して相対向して設けられている。当然のことながら、作用極と対電極とは電解質層を介して電子の授受がなされる必要があり、２つの電極が直接接していては、発電することはできない。すなわち、従来では、相対向した面に設けられた作用電極と対電極とが、何らかの要因で接触するのを防ぐ必要があった。
【０００８】
また、色素増感太陽電池の特徴として、基材に樹脂を用いることができ、その基材を湾曲させたり折り曲げたり、取り付ける場所によって形状をフレキシブルに変えることができるなどの利点があるが、このように形状を単純な平板でなく、曲げるなどして複雑な形状にした場合に、相対向した作用電極と対電極とが短絡して発電能力が低下してしまうことがあった。
【０００９】
このような現象を防ぐために、両電極間に絶縁体からなるスペーサーを挿入するなどしていたが、スペーサー自体の存在が発電能力を低下させる原因になったり、工程が複雑になったりして、改善が求められていた。
【００１０】
また、色素増感型太陽電池は、汎用的に用いられているシリコン型などに比べて、発電効率が若干低く、その発電効率の向上も切に望まれている。
【００１１】
そこで本発明は上記の如き問題点に鑑みてなされたものであり、色素増感型太陽電池の２つの電極を同一平面上に設けることによって、電極間の短絡を防ぎ、平面だけでなく曲率のあるものなどの異型形状でも好適に発電をすることができる太陽電池を提供し、さらには、高効率の太陽電池を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成としている。すなわち光が照射されると励起して半導体に電子を供与することのできる色素が表面に付着された金属酸化物半導体を導電性薄膜上に有した作用電極と、作用電極に対する対電極と、前記作用電極と対電極間に電子の授受を行うことのできる電解質層とを有した太陽電池であって、前記作用電極と対電極とが同一面上に設けられたことを特徴とするものである。
【００１３】
色素増感太陽電池は、透光性の導電性薄膜上に酸化チタンなどの金属酸化物半導体を設けるとともにその金属酸化物半導体の表面に光を吸収して半導体に電子を与えることのできる色素を付着させて作用電極とし、その作用電極に対する対電極を設け、この電極間に電子の授受を行うための電解質を含有する電解質材料を充填してなるものである。
【００１４】
色素増感太陽電池に、光が照射されると、金属酸化物半導体表面に付着している色素が励起され、この励起によって発生した電子が金属酸化物半導体に移動し、さらに電子は導電膜へ移動し、外部回路を通って発光体や充電装置に送られる。そして、電子は対電極側に戻り、対電極で電解質を還元して太陽電池系内に戻る。一方、半導体に電子が移動した色素は、酸化状態になっているが、電解質溶液から還元されて電子をもらい、元の状態に戻る。
【００１５】
この作用電極と対電極とを同一平面上に設ける。従来であれば、作用電極と対電極は相対向した面に設けられていたが、このとき、その電極面間は数十μｍ〜数百μｍの精度で対峙させる必要があった。すると、曲率のある太陽電池や大きな太陽電池などでは、その電極面間の距離が一定に保てず、短絡してしまう事があった。本発明のように、同一平面上に二つの電極を設けることで、電極間の距離にあまり注意を払うことなく、湾曲させたり折り曲げたりすることができるため、形状をフレキシブル性を高めることができる。
【００１６】
また、従来では、平面状の電極を２枚重ねていることから曲面への適用にも限界があった。本発明によれば、電極および電解質層上に重ねて封止する材料は、導電性のないもので良いため、特に材料は限定されず、使用場所や形状、求められる耐久性に合わせて選定することができ、よりフレキシブルに対応できる。
【００１７】
また、同一平面上の電極の配置は特に限定されるものではないが、細分化された作用電極部分と対電極部分とを短絡しないように交互に配置し、電極を有する平面上を電解質材料で満たして封止すればよい。このとき、作用電極中の発電をしている作用点と対電極との距離が大きいと発電効率が低下してしまうので、電極はできるだけ細分化して交互に設けられるとよい。
【００１８】
また、本発明の太陽電池は、電極を有する基板と電極を有しない部材とが重ね合わされて太陽電池が形成されているが、発電するための光は、基板を透光性にして基板側から採光しても良いし、電極を有しない部材を透光性として採光しても良いし、ともに透光性として両面から採光するようにしてもよい。
【００１９】
このとき、電極を有しない部材側からのみ採光する場合、基板は透光性を有する必要性がないため、その電極を形成する材料として金属等の導電性の高い材料を用いることができる。電極を有する基板を透光性とすると、作用極や対電極を構成するためにＩＴＯやＦＴＯなどの透明導電膜を用いなければならず、これらは、導電性といえども抵抗が大きいため、発電した電気のロスが大きかったが、透光性を必要としなければ金属薄膜を用いることができるので、電極で生じる発電ロスを小さくすることができる。
【００２０】
このように電極を有する基材に金属薄膜を用いれば、従来では透明導電膜での電気のロスが大きいために大面積のセルユニットを作成することができなかったところを、大面積化することができる。
【００２１】
また、光が照射されると励起して半導体に電子を供与することのできる色素が表面に付着された金属酸化物半導体を導電性薄膜上に有した作用電極と、作用電極に対する対電極とが同一面上に設けられた複数の太陽電池基板が、作用電極と対電極間において電子の授受を行うことのできる電解質層を介して対向して積層されることによって、両面から受光して発電可能となされていることを特徴とするものである。
【００２２】
上記のように作用電極と対電極とを有する太陽電池基板を相対向するように複数枚貼り合わせ、その間に電解質層を設ける。このとき、それぞれの太陽電池基板は独立した電池系のまま電解質層のみ共有として、貼り合わせた双方の面から採光できるので、それぞれの太陽電池基板で発電することができる。このようにすることによって両面で発電でき、発電量も大きくすることができる。また、電解質層は共用できるので、構造も簡単である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光が照射されると励起して半導体に電子を供与することのできる色素が表面に付着された金属酸化物半導体を導電性薄膜上に有した作用電極と、作用電極に対する対電極とが同一面上に設けられて、色素増感型太陽電池が形成されていることによって、電極間の距離にあまり注意を払うことなく、湾曲させたり折り曲げたりすることができるため、形状をフレキシブル性を高めることができる。また、電極および電解質層上に重ねて封止する材料は、導電性のないもので良いため、特に材料は限定されず、使用場所や形状、求められる耐久性に合わせて選定することができる。
【００２４】
また、作用電極とが同一面上に設けられた複数の太陽電池基板を、電解質層を介して対向して設けることによって、両面から受光して発電可能となり、発電量を向上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】
本発明に係わる実施の形態について、図面に基づき以下に具体的に説明する。図１は、本発明の色素増感太陽電池の実施の一例を示す断面の模式図である。作用電極２と対電極３とが、基材１上の同一面上に、細分化され交互に形成されている。この２つの電極は、それぞれ絶縁層６によって電気的に絶縁されている。作用電極２は導電性膜２１上に色素を表面に付着させた金属酸化物半導体層２２が設けられて形成されている。また、対電極３は導電膜３１上に電解質の還元を助けるカソードとしての触媒機能を有するとともに電解質に侵されない導電性物質３２が設けられることにより形成されている。そして、二つの電極が設けられた基材１の上部には、それらの電極と接するように電解質層４が設けられ、電解質層を介して作用電極２と対電極３とが電子のやり取りを行うことができるようになっており、さらに電解質層の上部にカバー部材５が設けられている。また、電解質層４は、漏れのないようにとカバー部材等により封止されている。
【００２６】
光の照射は、矢印Ａ側からでもよいし、矢印Ｂ側からでもよく、また、両面採光できるようになされていてもよい。矢印Ａ側から、光を取り込む場合は、基材１および導電膜２２は透光性のものを用いる。このとき、Ｂ側から光を取り込まないのであれば、カバー部材は、透光性でなくてもよい。透光性の基材としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリカーボネート樹脂や、強化ガラス、アクリル樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＥＮ樹脂などが好適に用いられる。また、透光性の導電膜としては、ＩＴＯ膜やＦＴＯ膜などを用いることができる。
【００２７】
また、太陽電池を何らかの製品の表面に貼り付けて用いる場合などは、カバー部材５を設けることなく、直接的に太陽電池をとりつける製品面上に、電解質層を介して太陽電池基板を取り付けてもよい。
【００２８】
また、図１の太陽電池では、矢印Ｂ側から採光するようになされていてもよい。このとき、カバー部材５は透光性を有しており、基材１側は、透光性を有している必要がない。すなわち、この場合は電極を構成する導電性膜２１および３１も透光性でなくともよく、より導電性の高い金属薄膜などを用いることができる。ＩＴＯやＦＴＯなどの導電膜を用いた場合、その抵抗が大きいため、導電膜によりかなりの発電の損失があったが、導電性膜に金属をもちいることができるので、発電の損失が非常に小さくなり、発電効率も飛躍的に向上する。また、透明導電膜では、そこでの発電の損失が大きすぎるため、大面積化ができなかったが、矢印Ｂ側から採光するようにして、導電膜として金属膜を用いれば発電の損失が小さくなり、面積を大きくすることができる。
【００２９】
次に図２に、この太陽電池を正面から見た模式図を示す。作用電極２と対電極３とが、それぞれ櫛の目状に設けられており、その櫛の目をあわせたように、２つの電極が交互に設けられている。それぞれの電極は、それぞれ櫛の目の根元で繋がっており、そこから外部回路へつながっている。
【００３０】
光が表面に色素が付着した金属酸化物半導体層２２に照射されると、色素はその光エネルギーを吸収して励起して電子を発生させる。この電子は金属酸化物半導体に移動し、導電性膜２１を通して外部回路へ送り出される。外部回路を通った電子は、対電極３に戻り、この対電極であるカソードとしての触媒機能を有する物質上３２で、電解質を還元して太陽電池系内へ電子が戻る。このようにして一連の電気回路が出来上がる。一方、半導体に電子が移動した色素は、酸化状態になっているが、電解質層から電子をもらい還元されて、元の状態に戻る。
【００３１】
上記の導電膜上に、金属酸化物半導体層を形成させる。金属酸化物半導体は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ストロンチウム、酸化インジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブテン、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化銀などや、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウムなど、またこれらの混合物を用いることができ、化学安定性やコスト、発電の起電力を考慮すると酸化チタンを用いるのが好ましい。
【００３２】
またこのとき、酸化チタンの結晶系は特に限定されないがその活性の高いアナターゼ型の酸化チタンを含むと良い。また、ルチル型とアナターゼ型を混在させたものでもよい。また導電性薄膜上の酸化チタンは、微粒子が積層されているとよく、このようになされていることによって、表面積が大きくなり、光の照射される面積が広いとともに、電解質との電子の授受も好適に行われる。このとき、酸化チタンは数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微粒子であるとよい。また、粒径の異なる２種類以上の粒子を混在させてもよく、入射した光を好適に散乱させて効率良く光を吸収することが出来る。また、微粒子状でなく、直径が数ｎｍ〜数十ｎｍの筒状のナノチューブ型酸化チタンを用いても表面積が広いため効率を上げることができる。
【００３３】
導電性薄膜上に酸化チタンの金属酸化物半導体を形成させる方法は、特に限定されるものではないが、たとえば酸化チタン微粉末を適当な溶媒に分散させて薄膜上に塗布して焼付けてもよいし、酸化チタン微粉末を高圧プレスにより融着させてもよい。またゾルーゲル法により、チタンアルコキシドを原料としたコーティング溶液を作成して塗布して焼付けすることによって成膜作成したり、チタンアルコキシドを原料としたゾルーゲル溶液を霧化するとともに熱をかけて、気中で微粒化し、それを電極に吹き付けて固定化させてもよい。また、金属酸化物半導体を形成させる対象物を予め加熱しておき、酸化チタン原料を含む溶液を噴霧して加熱基板上で酸化チタンを析出させるスプレー熱分解法（ＳＰＤ法）を用いてもよい。
【００３４】
上記のように金属酸化物半導体層を形成した後、その金属酸化物半導体の表面に色素を吸着させる。吸着させる色素は、様々な色素が色素増感太陽電池用に提案されており、それらを用いることができる。例えば、金属錯体系ではルテニウム錯体系、コバルト錯体系、有機系色素ではシアニン系、メロシアニン系、フタロシアニン系、クマリン系、リボフラビン系、キサンテン系、トリフェニルメタン系などのものがよく知られており、これらを用いることができ、特に金属錯体系であればルテニウム錯体、有機系ではメロシアニン系が好ましい。
【００３５】
また、電解質についても様々なものがこれまで色素増感太陽電池用に提案されており、これらを用いることができる。一般なものとしては、ヨウ化リチウムとヨウ素と常温溶融塩のイミダゾリウム塩であるＤＭＰIｍIを電解質とし、これらをメトキシアセトニトリルの溶媒に溶解させ、添加剤として電圧調整のための４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンを加えたものを電解質材料として用いられている。このほか、溶剤としてエチレンカーボネート等を配合しても良く、また、常温溶融塩として、ＭＰｒIｍIやＭＢｕＩｍＩなどを用いてもよい。また、さらに希釈剤としてＭＥＩｍＢＦ４−を添加してもよい。
【００３６】
また、上記の電解質材料にポリマー化剤を加えゲル化させるようにすると、太陽電池からの電解質材料の液もれなどの事故を未然に防ぐことができる。  また、電解質材料として、固体電解質材料であるＣｕＩを用いることもできる。
【００３７】
対電極に用いる電解質に侵されない導電性物質３２は、電解質の還元を助けるカソードとしての触媒機能を有するとともに電解質に侵されない導電性ものであればよく、白金やカーボン、カーボンナノチューブなどが好適に用いられる。
【００３８】
また、上部に設けられる透光性部材は、透光性を有するとともに電解質を封止できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリカーボネート樹脂や、強化ガラス、アクリル樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＥＮ樹脂などが好適に用いられる。
【００３９】
次に図３には、本発明の別の実施例を示した太陽電池を示す。図３−Ａには、その断面模式図、図３−Ｂには上面からみた模式図を示す。図３に示した太陽電池は、カバー部材５側からのみ採光するタイプであり、図３−Ｂでは、カバー部材側から見た図を示している。図３−Ａをみると、基材１上には、金属などの高い導電性を有する導電層３３が設けられており、この導電層３３の一部が対電極に直結している。すなわち、この導電層の一部が突出した部分一定間隔を設けられており、その突出部分に対電極を形成する導電性物質３２が設けられて、対電極となっている。また、前記のように一定間隔をおいて形成された対電極の間には、絶縁体を挟んで作用電極が設けられており、断面図のみ見るとあたかも作用電極が絶縁体上に浮島状に形成されているかのようにみえる。そして、それらの電極上に電解質層４が設けられ、透光性を有するカバー部材５が上から取り付けられている。また、この太陽電池を上面から見ると図３−Ｂのようになっており、断面図では作用電極２が絶縁体上に浮島状になっていたが、逆に上面からみると作用電極の占める面積が大きくなされており、対電極が絶縁体を挟んで浮島状に設けられているようになされている。
【００４０】
また、次に図４には、さらに別の実施例を表した断面模式図を示す。図４では、基材１上に導電膜２１および３１を介して電極が形成された太陽電池基板が２枚、電解質層４を介して、相対向して設けられているものである。この太陽電池は、基板１および導電膜２１、３１は、透光性を有したものから形成される。このようにすることで、独立した太陽電池が複数存在し、両面から受光が可能な太陽電池を提供することができ、発電量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の太陽電池の実施の一例を示す断面の模式図である。
【図２】本発明の太陽電池を上部から見た模式図である。
【図３】本発明の太陽電池の実施の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の太陽電池の実施の一例を示す断面の模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    基材
２    作用電極
２１  導電性膜
２２  金属酸化物半導体層
３    対電極
３１  導電性膜
３２  電解質の還元を助ける触媒機能を有する導電性物質
３３  導電層
４    電解質層
５    カバー部材
６    絶縁層
７    端部
【図１】
2005268160.tif 000003
【図２】
2005268160.tif 000004
【図３】
2005268160.tif 000005
【図４】
2005268160.tif 000006