(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの基板を備える、色素増感型太陽電池として使用される光電気化学（ＰＥＣ）デバイスであって、
一方の基板は、透明であり、透明導電体（ＴＥＣ）でコーティングされ、
他方の基板は、金属板又は金属箔から形成されて金属製であり、
染料増感多孔性半導体を含む作用電極が一方の基板上に形成され、
触媒層を含む対向電極が別の基板上に形成され、
電解質が前記２つの基板間に配置され、
導電性を有し、且つ該ＰＥＣデバイスからの電気的出力を可能にする非金属材料の保護層により、前記金属製の基板がコーティングされている、
色素増感型太陽電池として使用される光電気化学（ＰＥＣ）デバイス。
【請求項２】
前記作用電極は、前記金属製の基板の上に形成される、請求項１に記載のＰＥＣデバイス。
【請求項３】
前記染料増感多孔性半導体を含む作用電極が、前記透明な基板上に形成され、
前記透明な基板上に設けられ、且つ前記保護層がコーティングされた金属網を備える請求項１に記載の光電気化学（ＰＥＣ）デバイス。
【請求項４】
前記保護層は窒化チタンからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＰＥＣデバイス。
【請求項５】
前記金属製の基板は、ステンレス鋼からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＰＥＣデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光起電（ＰＶ）デバイスに関し、より詳細には、限定はしないが、光電気化学光起電デバイスに関する。さらに、本発明はそのようなデバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［発明の背景］
電磁放射のエネルギーを電気エネルギーに変換するために種々の光起電デバイスを利用することができる。これらのデバイスには、従来の固体デバイス（M. Green著「Third generation photovoltaics : concepts for high efficiency at low cost」The Electrochemical Society Proceedings, Vol. 2001-10, p. 3-18を参照されたい）及び最近になって開発された光電気化学（ＰＥＣ）デバイスが含まれる。
【０００３】
関係するタイプのＰＥＣセルの例が以下の米国特許に開示されている。
第４，９２７，７２１号Photoelectrochemical cell; Michael Graetzel and Paul Liska, 1990
第５，５２５，４４０号Method of manufacture of photo-electrochemical cell and a cell made by this method; Andreas Kay, Michael Graetzel and Brian O'Regan, 1996
第６，２９７，９００号Electrophotochromic Smart Windows and Methods; G. E. Tulloch and I. L. Skryabin, 1997
第６，５５５，７４１号Methods to implement interconnects in multi-cell regenerative photovoltaic photoelectorchemical devices; J. A. Hopkins, G. Phani,I. L. Skryabin, 1999
第６，６５２，９０４号Methods to manufacture single cell and multi-cell regenerative photoelectrochemical devices; J. A. Hopkins, D. Vittorio, G. Phani, 1999
【０００４】
前掲の特許に開示されるタイプのような光電気化学デバイスは、２つの大面積の基板間に積層して製造することができる。１つの典型的な構成は２つのガラス基板を含み、各基板は、基板の内側表面上において導電性コーティングを用いる。
【０００５】
上記第１及び第２の基板のうちの少なくとも一方は、被着される透明導電性（ＴＥＣ）コーティングと同じように、可視光に対して概ね透過性である。ＰＥＣセルは、通常、一方の導電性コーティングに被着される染料増感ナノ多孔性半導体酸化物（たとえば、チタニアとして知られている二酸化チタン）層を含む作用電極と、通常、他方の導電性コーティングに被着される酸化還元電気触媒層を含む対向電極とを含む。酸化還元メディエータを含む電解質が光陽極と陰極との間に配置され、その電解質は周囲の環境から密封される。
【０００６】
多くの光電気化学デバイスでは、モジュールを大きくすることが有利に働くであろう。しかしながら、ＴＥＣコーティングは、通常は金属酸化物（複数可）を含み、標準的な金属導体に比べて抵抗率が高く、結果として、大面積の光電気化学セルの場合には抵抗損が高くなり、高い照度条件においては特に、それがデバイスの効率に影響を及ぼす。
【０００７】
基板の電気抵抗は、金属板、金属箔又は金属網を用いることにより減少させることができる。しかしながら、一般的に用いられる金属のほとんどは光電気化学セルの電解質と化学反応する。ＰＥＣセルの金属成分の腐食は、何年にもわたって、ＰＥＣデバイスの商用化の成功を大きく制限しているものと見なされている。
【０００８】
１つの構成では、光電気化学セルが、単一のモジュールの内部に直列に接続される。そのような相互接続をするために金属導体が用いられる。再び、光電気化学セルの典型的なヨウ化物含有電解質との化学的な相互作用に起因して、金属導体の選択は、プラチナ及び類似の金属、チタン並びにタングステンに限られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それゆえ、本発明の目的は、光電気化学セルにおいて用いられる低コストの金属導体のための保護コーティングを提供し、実効的に性能を低下させることなく、コスト効率も依然として良い、有効な耐食性に関する複合的な問題を解決することである。。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［発明の概要］
上記の目的、及び関連する目的を達成する際に、本発明は、導電性であるが、化学反応を起こさない材料（たとえばダイヤモンド並びに導電性の窒化物及び炭化物）の層を用いて、光電気化学セルの金属成分を保護しながら、光電気化学セルの内部に電流を流すことを実現する。これらの材料は、ＰＥＣにおいて用いられる電解質に対して化学反応を起こさないと同時に、これらの材料の薄い層が、導電率が高い金属成分を電気的に接続するだけの十分な導電率を与えることが知見された。その層を種々の応用形態（たとえば光条件）に対して最適化できるように組成又は厚みを変更することによって、保護層の導電率を変更することができる。
【００１１】
保護層は、それを形成するための任意の既知の技術（たとえば、アーク堆積、ゾル−ゲル、スパッタリング、ＣＶＤなど）を用いて堆積させることができる。光電気化学セルの成分と化学反応を起こさないようにしながら、実用的な電気的出力を可能にするために、その層は十分に導電性である必要がある。
【００１２】
そのような層の導電性を考慮に入れて、本発明はまた、導電率のための要件が高くないとき（たとえば光条件が低い場合、又はセルサイズが小さい場合）に、中間に位置する金属成分を用いることなく基板（ガラス、ポリマー材料）上にこれらの層が直に形成されることを実現する。
【００１３】
本発明は、窒化チタンのようないくつかの材料が、金属導体を保護するための、ピンホールがなく強く結合されるコーティングを形成すると同時に、ＰＥＣデバイスを良好に動作させるだけの十分な導電率を与えることを実現できることに基づく。本発明者らは実験で、保護をしていない３１６ステンレス鋼基板が、室温で動作させると数日以内に腐食し、ＰＥＣデバイスの電解質に対して不可逆的な損傷を与えるが、同じ基板上に堆積させた薄く高密度のＴｉＮコーティング層は、確実に、７５℃で何ヶ月も良好に動作することを実証した。
【００１４】
さらに分析すると、或る特定の非金属材料が、数ミクロン厚の薄膜を用いることにより、腐食保護及び導電率の要件を満たすことが実証された。これらの材料には、ダイヤモンド、及び半金属、金属（及び多金属）窒化物、炭化物、酸化物、ホウ化物、リン化物、ケイ化物、アンチモン化物、ヒ化物、テルル化物及びその組み合わせ（たとえば、酸窒化物、ヒ素硫化物）が含まれる。
【００１５】
本発明の目的を果たすのにさらに好ましい材料は窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム及び炭化ホウ素である。
【００１６】
さらに好ましい材料は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン又はバナジウムのケイ化物を含む。
【００１７】
本発明は上記金属導体を保護するために用いられることになる、或る範囲の特定の材料を提供するが、これ以降の説明では、一例としてＴｉＮが用いられる。
【００１８】
本発明の一態様によれば、金属箔又は金属板（たとえばステンレス鋼箔）上にＴｉＮ層が堆積され、それにより金属箔がセルの電解質から保護される。
【００１９】
金属箔又は金属板は、光電気化学セルの作用電極又は対向電極のいずれかのための基板としての役割を果たす。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、セルの内部で局所的に生成される電流を外部端子まで流すために用いられる金属網上にＴｉＮが堆積される。金属網は、光電気化学セルの作用電極及び／又は対向電極のいずれか又は両方に用いることができる。
【００２１】
本発明のさらに別の態様によれば、光電気化学セルを直列に接続されるモジュールとして相互接続するために用いられる金属導体上にＴｉＮ層が堆積される。この場合には、作用電極及び対向電極がいずれも、それぞれ電気的に分離された部分に分割され、その金属導体は作用電極の少なくとも１つの部分を対向電極の１つの部分に接続する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［実施例の説明］
本発明の本質を大まかに説明するために、ここで、一例として本発明の実施形態が説明されることになるが、それは例示にすぎない。以下の説明では、添付の図面が参照されるであろう。
【００２３】
図１を参照すると、作用電極基板がＴｉＮコーティング２によって保護されるステンレス鋼箔１を含む。作用電極３（染料増感ＴｉＯ２）がＴｉＮコーティング上に形成される（３ミクロン厚、フィルタードプラズマ堆積）。デバイスの対向電極５（薄く分散したＰｔ触媒層）が透明導電性基板６（ＴＥＣによってコーティングされたポリマー薄膜）上に形成される。電解質４が２つの電極間に配置される。そのデバイスはシリコーン系封止剤７によって封止される。そのデバイスは、対向電極側から照明されることになる。
【００２４】
図２Ａを参照すると、ＴｉＮコーティング２によって保護されるステンレス鋼箔１がＰＥＣデバイスの対向電極５を支持する。作用電極は透明導電性基板６によって支持され、その基板に、ＴｉＮ２によってコーティングされたステンレス鋼網８が取り付けられる。そのステンレス鋼網は、作用電極３（染料増感ＴｉＯ２）への電気的接続を改善する。そのデバイスはシリコーン系封止剤７によって封止される。このデバイスは作用電極側から照明されることになる。
【００２５】
図２Ｂを参照すると、ステンレス鋼網８（５０μ孔、３０μワイヤ）がＴｉＮコーティング２によって保護される。
【００２６】
図３を参照すると、ＰＥＣデバイスが２つの透明基板６間に形成される。各基板は透明電子導体９（ＴＥＣ、Ｆドープト酸化スズ）によってコーティングされる。レーザ放射の助力によって形成されるＴＥＣ内の分離線１０が各電極を小さな部分に分割する。作用電極基板は染料増感ＴｉＯ２層３によってコーティングされ、対向電極基板は触媒層５によってコーティングされる。その電極間の空間を電解質４で満たすことにより、３つの個別のセルが形成される。導体を用いてセルが直列に接続される。その導体はＴｉＮコーティング１２によって保護されるステンレス鋼コア１１を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例に従って形成されるＰＥＣデバイスの拡大断面図である。
【図２】本発明の別の実施例に従って形成されるＰＥＣデバイスの拡大断面図である。
【図３Ａ】本発明のさらに別の実施例に従って形成されるＰＥＣデバイスの拡大断面図である。
【図３Ｂ】本発明の先行する実施例において用いられる保護されたステンレス鋼網の概略図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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