(57)【要約】箔電極（２６）（４２）太陽電池（２４）（４０）の効率の向上させる色素増感太陽電池を提供する。色素増感半導体材料（３２）（４０）から電極への短縮された電子経路を提供する電極を形成するために、金属箔が実装される。１つの実施形態において、上に太陽電池（２４）（４４）が形成される基板（１４）（４４）から延びるナノワイヤ（３０）が提供される。別の実施形態において、キャビティ（４６）が、酸化によって導電性箔のシートに形成され、これにより半導体材料が形成される。該半導体材料は色素で増感され、電解質溶液（５０）がキャビティ（４６）内に配置され、これにより色素増感太陽電池（４２）のアレイが形成される。
2006515458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料から構成される第１平面電極（３４）（５２）と、
前記第１電極（３４）（５２）からある距離に近接して設置され、前記第１電極（３４）（５２）の表面の方向とは異なる方向に延びる金属箔部分（３４）（５２）を含む第２電極（２６）（４２）と、
前記第２電極（２６）（４２）と電気的に結合された多孔性の色素増感半導体材料（２６）（４２）と、
を備える太陽電池（２４）（４０）。
【請求項２】
前記第２電極（２６）が、前記第１電極（３４）に平行な平面部分を含み、前記第２電極（２６）の金属箔部分が、前記平面部分に電気的に結合され且つそこから延びる複数のナノワイヤ（３０）を含む請求項１に記載の太陽電池（２４）。
【請求項３】
前記複数のナノワイヤ（３０）の各々が約１０−５０ｎｍの範囲の幅を有し、前記複数のナノワイヤ（３０）の各々が、前記複数のナノワイヤ（３０）の内の最も近接して隣接するものから約１０−４００ｎｍの範囲で間隔を置いて配置されている請求項１に記載の太陽電池（２４）。
【請求項４】
前記複数のナノワイヤ（３０）の各々が、約１−５０ミクロンの範囲の長さを有する請求項２に記載の太陽電池（２４）。
【請求項５】
前記第２電極（４２）の金属箔部分が、約１−５０ミクロンの範囲の厚みを有し且つ貫通して形成された複数のキャビティを含む導電性シートから構成され、前記色素増感半導体材料が前記複数のキャビティ（４６）の各々に形成される請求項１に記載の太陽電池（４０）。
【請求項６】
前記複数のキャビティの各々が、約１０−４００ｎｍの範囲の直径を有する請求項５に記載の太陽電池（４０）。
【請求項７】
前記複数のキャビティの各々の壁部（４８）の厚みが、約２−４０ｎｍの範囲である請求項５に記載の太陽電池（４０）。
【請求項８】
前記複数のキャビティの各々に配置された電解質溶液（５０）を含むことを特徴とする請求項５に記載の太陽電池（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般的に言えば、光起電力システムは、種々の用途において光エネルギーを電気に変換するのに実施される。光起電力システムによる電力生成は、従来型のシステムに優る幾つかの利点を提供することができる。これらの利点は、運転コストが安く、信頼性が高く、モジュール性があり、組立費用が安いことの他、環境的に有利であることが含まれる。理解できるように、光起電力システムは、一般に、太陽光から電気を生成する能力から名付けられた「太陽電池」として知られている。
【背景技術】
【０００２】
従来型の太陽電池は、半導体接合に存在する光起電力作用を活用することによって光を電気に変換する。従って、従来型の太陽電池は、電子流を生成するのに一般に半導体層を実装する。半導体層は、一般に、入射光を吸収し励起電子を生成する。半導体層に加え、太陽電池は、一般に、ガラスカバー、又は他の封止材、反射防止層、電子を回路に流入させることを可能にする前面接触電極、露光により励起電子が半導体層に注入されるときに電子が回路を形成することができる背面接触電極を含む。
【０００３】
太陽電池の１つの特定の形式は、色素増感太陽電池である。色素増感太陽電池は、一般に、有機色素を用いて入射光を吸収し励起電子を生成する。色素増感太陽電池は、一般に、サンドイッチ構造で配置された２つの平面伝導電極を含む。色素被覆半導体フィルムは、例えば、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）フィルムで被覆されたガラスから構成することができる２つの電極を分離する。半導体層は多孔性で大きな表面積を有し、これにより十分な色素が表面上に単分子層として結合して、高効率の光吸収を促進することができる。両電極の間の残りの介在スペース及び半導体フィルム内の細孔は、例えば三ヨウ化物／ヨウ化物などの酸化／還元対を含有する有機電解質溶液で満たされる。
【０００４】
色素増感太陽電池を製造する１つの例示的な技法は、導電性ガラスプレートを酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの半導体フィルムで被覆することである。半導体フィルムは、色素で飽和され、半導体フィルム内の各々の粒子の上に色素分子の単一の層が自己集合化し、これによりフィルムを「増感」する。太陽電池を完成させるために、三ヨウ化物／ヨウ化物を含有する液体電解質溶液が半導体フィルム内に導入される。電解質は、色素増感半導体フィルム内に残った細孔及び開口を満たす。太陽電池を完成させるために、三ヨウ化物還元において低い過電圧の第２平面電極を実装して、２つの対向電極の間に挟まれた色素増感半導体と電解質との複合物を有する構造体が形成される。
【０００５】
従来型の色素増感太陽電池は、前述のように平面階層構造体を用いて製造することができる。色素による光の吸収は、色素内の電子を励起し、該励起電子が半導体フィルム内に注入される。電子はフィルムの隣接する結晶を通る「ランダムウォーク」により半導体フィルムを通り一方の電極に向かって移動し、他方、酸化色素カチオン又は色素内の電子の分離によって形成されたイオンは、電解質内の還元イオン（通常ヨウ化物）からの電子の移動によって還元されて、電解質内の酸化化学種の生成をもたらし、該化学種が反対側の電極に向かって移動して、ここで触媒が失われた電子を供給して回路が完成する。電子が電極へランダムウォークする間に、電子はかなりの距離を移動することができ、「再結合」としても知られる、電解質溶液の成分と結合することによって電子が失われる可能性がある。太陽光による照射下では、半導体内の電子密度は極めて高くなる場合があるため、こうした損失により、最大電圧、従って、太陽電池が達成可能な効率が有意に低下する。半導体を通る電子の移動経路を短縮し、これにより電子が半導体を介して電極の導電性酸化物に拡散するのに必要な時間を短縮することによって、再結合の可能性を低下させることが有利とすることができる。電子の移動距離を短縮させる１つの技法は、半導体フィルムの厚み、従って電子が電極に到達するのに移動すべき距離を短縮することである。不利なことには、半導体フィルムの厚みの低減は、色素内の光吸収が低下し、その結果、該太陽電池の効率が低下する可能性がある。
【０００６】
同様に、電子の分離によって生成された酸化剤（通常、三ヨウ化物イオン）は、背面電極に移動して回路を完成する。イオンは、半導体材料の染色表面に接触する電解質溶液の任意の領域から発生する可能性があるので、該イオンは、半導体材料の多孔性構造によって生成された迷路を通る長い距離（例えば、前面電極から背面電極までの）を移動しなければならない場合がある。電解質溶液は通常、有機溶媒内で作られる。一般的に言えば、イオン液体を含む高沸点の低揮発性溶媒は、より粘性が高く、拡散が太陽電池の電力、従って効率を抑える時点までイオンの拡散を妨げる。このような溶媒は、特にポリマー基板上に作られた電池の場合、電池の長寿命化の点で有利とすることができ、これは、ポリマー基板が、沸点が低い低粘度溶媒を経時的に太陽電池から外に拡散させることができるためである。イオンの移動距離の短縮は、有利にはイオンの緩慢な拡散によって生じる制限を緩和することができる。しかしながら、前述のように、半導体フィルムの厚みの低減は、色素の光吸収潜在能力を低下させる可能性がある。
【０００７】
従って、半導体フィルムの厚みを大きくし、その結果フィルムの表面積を増大させて高い光吸収を可能にすることは有利とすることができるが、半導体フィルムの厚みが大きいほど、電子及びイオンが電極に到達するまでに移動する距離が大きくなる。より多くの光吸収を促進するためには、より長い光路長が望ましいとすることができるが、半導体層内への電子の再結合の増大に起因する損失、並びに半導体細孔内の電解質を通じた緩慢なイオン拡散によって生じる電流に対する制限により、太陽電池の効率の低下を生じる可能性があるので、半導体フィルムの厚みの増大は不利である。
【特許文献１】特開２００１−０１５１８２号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の技法の１つの態様によれば、透明材料から構成される第１平面電極と、第１電極からある距離に近接して設置され、第１平面電極の表面の方向とは異なる方向に延びる金属箔部分を含む第２電極と、第２電極に電気的に結合された多孔性の色素増感半導体材料と、を備える太陽電池が提供される。
【０００９】
本発明の技法の別の態様によれば、平面部分と、そこから延びる複数のナノワイヤとを有する第１電極と、第１電極から電気的に絶縁され、第１電極の平面部分に近接して平行に設置された第２電極と、第１電極の平面部分とナノワイヤ上に形成された多孔性の色素増感半導体層と、半導体層上に配置された電解質溶液と、を備える太陽電池が提供される。
【００１０】
本発明の技法の別の態様によれば、貫通する複数のキャビティを有し、該複数のキャビティの各々が壁部によって各隣接キャビティから分離された、多孔性の色素増感半導体層を含む第１電極と、第１電極から電気的に絶縁され、第１電極の複数のキャビティに近接してほぼ垂直に設置された第２電極と、第１電極の複数のキャビティの各々に配置された電解質溶液と、を備える太陽電池が提供される。
【００１１】
本発明の技法の更に別の態様によれば、基板上に導電性層を配置する段階と、該導電性層に電気的に結合され該導電性層から延びる複数のナノワイヤを形成する段階と、複数のナノワイヤの各々及び該導電性層上に半導体層を形成する段階と、該導電性層を色素で覆って色素増感半導体層を形成する段階と、色素増感半導体層上に電解質溶液を配置する段階と、を含む太陽電池を形成する方法が提供される。
【００１２】
本発明の技法の更に別の態様によれば、基板上に導電性箔の層を配置する段階と、該導電性箔の層を酸化して貫通する複数のキャビティを有する半導体層を形成する段階と、該半導体層を色素で覆って色素増感半導体層を形成する段階と、色素増感半導体層のキャビティの各々に電解質溶液を配置する段階と、を含む太陽電池を形成する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の利点及び特徴は、以下詳細な説明並びに添付図面を参照することにより明白になるであろう。
【００１４】
図１は、色素増感太陽電池１０の例示的な実施形態を示す。理解できるように、太陽電池１０は、平面階層構造体を実装することにより構成することができる。太陽電池１０は、当業者によって理解できるように、多くの技法のうちの何れかを実施し、種々の材料を使用することにより作製することができる。１つの実施形態において、ナノ結晶二酸化チタン（ＴｉＯ２）の層のような半導体材料の層を、ガラス基板などの透明基板１４上に配置することができる。基板１４は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層のような導電性層で被覆される。ＴＣＯ被覆の透明基板１４は、太陽電池１０の前面電極を形成する。理解できるように、基板１４は、プラスチックのような他の透明材料を含むことができる。ＴｉＯ２層１２は、例えば、５−２０ミクロンの範囲の厚みに配置することができる。以下に更に説明されるように、効率的な光吸収を促進するために、ＴｉＯ２層１２は通常少なくとも１０ミクロンの厚みに配置される。例示的な太陽電池１０のＴｉＯ２層１２は、図１に示されるように、約１０ミクロンの厚みを有する。ＴｉＯ２層１２は、機械的強度、導電性及び基板への付着強度を与えるために、焼結され、乾燥及び圧縮され、又は化学的に改質することができる。
【００１５】
背面電極１６は、ＴｉＯ２層１２の上面に位置付けることができる。背面電極１６は、プラチナメッキ又は炭化されたＴＣＯ層で被覆できる。背面電極１６は、ＴｉＯ２層１２と背面電極１６との間に狭いスペース（例えば１ミクロン）が設けられるように位置付けることができる。その結果、ＴｉＯ２層１２と背面電極１６との間には最小限の接触ポイントが存在する（又は本発明の例示的な実施形態の場合のように接触ポイントがない）ことができる。例えば、有機材料又はガラスのようなシール部１８を太陽電池１０の縁部をシールするために設けられる。理解できるように、太陽電池１０の高さは５−２０ミクロンの範囲とすることができ、太陽電池１０の横方向（すなわち各シール部１８間の）寸法は、例えば、０．５−１０センチメートルの範囲とすることができる。例示的な太陽電池１０の横方向寸法は、例えば、約１−１０センチメートルの例示的な範囲を有するものとして示されている。
【００１６】
背面電極１６は、充填孔（図示せず）を含むことができ、該孔を通して酸化チタン層１２の増感に適した色素の溶液を注入することができる。当業者には理解できるように、ＴｉＯ２層１２を飽和し増感するために使用される色素は、例として、ＲＵ（４，４’−ジカルボンキシ−２，２’−ビピリジル）２ＳＣＮ）２のようなビピリジン・カルボノキシル酸のVIII族金属錯体を含むことができる。ＴｉＯ２層１２が飽和されると、色素被覆ＴｉＯ２層１２は、当業者によって理解できるように洗浄し清浄化することができる。電解質層２０が、背面電極１６内の充填孔を通じて注入され、半導体フィルム内の細孔とガラス基板１４及び背面電極１６の間の残りのスペースを満たす。電解質層２０は、以下で更に説明されるように、太陽光などの入射光源に露光されたときに、色素増感ＴｉＯ２層１２内の電子の分離によって形成されたイオンの運動を促進する。最後に、充填孔がシールされ、ガラス基板１４と背面電極１６との間に電気接点が作成される。
【００１７】
図１に関して示されるように、増感ＴｉＯ２層１２を通過する光路長は約１０ミクロンである。入射光源２２が、ガラス基板１４を介して配向されたときに、入射光が色素内部の電子を励起し、電子はＴｉＯ２層１２内に移送される。電子は、「ランダムウォーク」によりＴｉＯ２層１２内の隣接する結晶を通って移動する。ＴｉＯ２層１２内の粒子の何れかのガラス基板１４からの最大距離は約１０ミクロンであり、電子がＴｉＯ２層１２を通って進みガラス基板１４に到達することができる距離は、電子がＴｉＯ２層１２内のナノ結晶を介してランダムに移動するときの１０ミクロンよりも有意に長い場合がある。ガラス基板１４への電子のランダムウォーク中に、電子は、電解質層２０の成分との結合によって失われる可能性がある。一般的に、電子がＴｉＯ２層１２を介して下にあるＴＣＯ被覆ガラス基板１４に拡散する時間が長くなるほど、電子が不都合な再結合を行う可能性が大きくなる。太陽光の照射下では、ＴｉＯ２層１２内の電子の密度は、電子の消失により太陽電池１０が達成可能な最大電圧、及び従って効率が有意に低くなる程度は高い可能性がある。上述のように、ランダムウォーク中の電子の再結合の可能性を低減するためＴｉＯ２層１２の厚みを小さくする（これによって電子の移動経路を短縮する）ことは有利ではなく、これは、ＴｉＯ２層１２の厚みを低減することが、ＴｉＯ２層１２の光吸収潜在力が低下するためである。
【００１８】
更に、本明細書ではＴｉＯ２層１２である半導体内に電子が注入された酸化色素分子と電解質の成分との反応によって形成されたイオンは、電解質２０を介して背面電極１６に移動して回路を完成する。ＴｉＯ２層１２が「多孔性」であり、従って連続した細孔系を備えているので、電解質２０中のイオンは、ＴｉＯ２層１２を通って拡散することができる。本発明の例示的な実施形態において、任意のイオンから背面電極１６までの最大距離は、ＴｉＯ２層１２の厚みに、ＴｉＯ２層１２と背面電極１６との間の追加のスペースを加えたものである。本発明の例示的な実施形態において、任意のイオンから背面電極までの最大距離は、約１１ミクロンである。前述のように、電解質層２０は、通常は有機溶媒である。有極性の安定した非粘性溶媒が好ましいが、アセトニトリルなどの太陽電池で実施される溶媒は一般的に揮発性である。一般的に言えば、低揮発性の溶媒はより粘性が高く、イオンの拡散が太陽電池１０の電気出力、すなわち効率を制限する時点まで該拡散を妨げる。プラスチック基板１４を実装する太陽電池１０においては、揮発性溶媒の損失は更に大きな問題を生じる場合がある。
【００１９】
要約すると、図１の太陽電池１０は、色素で被覆され且つＴＣＯ被覆平面基板１４上に約１０ミクロンの厚みに配置されたＴｉＯ２層１２を含む。プラチナめっきされたＴＣＯ被覆ガラス基板は背面電極１６を形成する。ＴｉＯ２層１２は、ガラス基板１４に直接接触して励起電子のための電気接続を形成し、接触面積は有利にはＴｉＯ２層１２を通って基板１４への電子経路を増大するよう最大化される。逆に、ＴｉＯ２層１２と背面電極層１６との間の接触面積は最小にされ、本発明の例示的な実施形態では接触面積が存在しない（すなわち、ＴｉＯ２層１２は電極層１６から電気的に絶縁されている）。ＴｉＯ２層１２を通る最短光路長は１０ミクロンである。より多くの光吸収を行うには、より光路長が長い程望ましいとすることができるが、再結合の増加及びイオン拡散制限による損失によって、より厚い層の太陽電池１０の効率が低下する。
【００２０】
図２−図４は、本発明の技法に従って作製された改良太陽電池を示す。一般的に言えば、金属箔は電極を形成し、更に半導体材料を通り電極までの短縮された電子経路長及び／又は電解質を通りプラチナメッキ又は炭化された電極までの短縮されたイオン経路長を提供するように構成される。有利には、本発明の技法は、電解質内での再結合損失及び拡散損失を低減することができ、これにより太陽電池の効率が高められる。太陽電池の効率は、該電池によって生成される電力のコストの主要な考慮事項であるので、有利には本発明の技法は供給されるワット当りのコストも同様に低減する。
【００２１】
具体的に図２を参照すると、本発明に従って作製された電極の第１実施形態を実施する太陽電池の断面図が示される。太陽電池２４は、基板２８上に配置された平面部分を有する第１の電極２６を含む。基板２８は、例えば、ガラスから構成することができる。第１電極２６の平面部分は金属箔から構成される。有利には、金属箔は、太陽電池２４内の電解質溶液によって第１電極２６の構造上の完全性が低下しないようにヨウ素腐食に耐性がある。１つの例示的な実施形態において、第１電極２６の平面部分はチタン（Ｔｉ）を含む。理解できるように、Ｍｏ鋼、高ケイ素鋼、ステライト６、ハステロイＣ、ステンレス鋼３０４、３０９、３１６及び３１７、ニオブ、タンタル又はモリブデンといった、他の適切な金属もまた使用することができる。
【００２２】
第１電極２６はまた、第１電極２６の平面部分の表面から延びる複数のナノワイヤ３０を備える。ナノワイヤ３０は、第１電極２６の平面部分から延びるナノワイヤ３０を形成するように構成された導電性金属箔を備える。図２に示された例示的な実施形態のナノワイヤ３０は、第１電極２６の平面部分に約垂直に延びる構造を含むが、ナノワイヤ３０は平面部分から非垂直構成で延びることができる。例えば、別の実施形態において、各ナノワイヤ３０は、任意の方向に延びることができ、隣接するナノワイヤと接触することができる。更に、ナノワイヤ３０は、例えば、鳥の巣に類似する交絡構造を形成することができる。
【００２３】
ナノワイヤ３０は、例えば、第１電極２６の平面部分と同じ材料を含むことができる。或いは、ナノワイヤ３０は、第１電極２６の平面部分に使用された材料とは異なる導電性材料を含むことができる。本発明の例示的な実施形態においては、ナノワイヤ３０はチタン（Ｔｉ）から構成される。ナノワイヤ３０は、例えば、幅が約１０−５０ｎｍの範囲、及び長さが１−５０ミクロンの範囲である。ナノワイヤ３０の各々の基部（すなわち、ナノワイヤ３０が第１電極２６の平面部分と交差する点）間の間隔は、約２０−８００ｎｍ毎の範囲とすることができる。
【００２４】
ナノワイヤ３０及び第１電極２６の平らな表面は、酸化チタン（ＴｉＯ２）などの半導体材料３２で被覆される。一般に半導体材料３２は、直径が約１０−４００ｎｍの範囲の結晶性粒子から構成されるナノ結晶性材料を含む。第１電極２６の平らな表面及びナノワイヤは、約１−２結晶厚さ（すなわち、約１０−４００ｎｍ）とすることができる半導体材料３２の層で被覆される。第１電極２６がチタンから構成される本発明の例示的な実施形態においては、ＴｉＯ２層（半導体材料３２）は、第１電極２６の直接酸化によって形成することができる。第１電極２６は、例えば、電気化学的手段によって酸化することができる。有利には、電気化学酸化は、第１電極２６の平面部分及びナノワイヤ３０の全体表面の完全な酸化を促進し、これによりピンホールのない表面が形成される。第１電極２６を半導体材料３２で完全に覆うことが有利とすることができるが、該表面は、図２に示されるように、半導体材料３２内に下側の導電性ナノワイヤ３０が露出した空隙を含んでもよい。
【００２５】
太陽電池２４はまた、第２電極３４を含む。第２電極３４は、例えばガラスなどの透明基板上に配置されたＴＣＯを含むことができる。第２電極３４は、プラチナメッキ又は炭化され、色素内の電子の励起後に生成された色素イオンの還元／酸化により生じた三ヨウ化物イオン用の触媒を形成する。ナノ結晶性半導体材料３２が第１電極２６上に配置され又は形成されると、色素を導入し、ＴｉＯ２表面を飽和させて色素被覆半導体材料３２を形成することができる。次に、例えばヨウ化物／三ヨウ化物の対を含むことができる電解質溶液３６が太陽電池２４内に注入され、半導体材料３２のナノ結晶性粒子間の残りの細孔又は空隙が満たされる。理解できるように、太陽電池２４を気密シールして外部要素からの保護を形成するため、封止材（図示せず）を備えることができる。
【００２６】
ナノワイヤ３０を形成する１つの例示的な技法は、ナノワイヤ３０の所望の長さにほぼ等しい厚みを有する、ポリカーボネートポリマーのシートのような市販のプラスチックシートを実装することである。プラスチックシートは、第１電極２６の平面部分に配置され、中性子を照射されて、溶媒で処理され、これにより、プラスチックシートを通って下側の第１電極の平面部分まで達する複数の穴又は細孔を形成することができる。或いは、複数の穴又は細孔は、プラスチックシートを第１電極２６上に配置する前に生成してもよい。穴の各々は、約１０−５０ｎｍの範囲の直径を有することができる。次いで、チタン（Ｔｉ）などの金属を、例えば電着によってプラスチックシートの穴内に配置することができ、これによりナノワイヤ３０が形成される。次に、プラスチックシートを、例えば化学洗浄によって溶解することができ、これにより第１電極２６の平らな表面から延びるナノワイヤ３０だけが残される。第１電極２６は、ナノワイヤ３０の表面と第１電極２６の平面部分の上に半導体結晶（ここではＴｉＯ２）を電気化学的に成長させるように酸化して、半導体材料層３２を形成することができる。或いは、半導体材料３２は、例えば化学蒸着によって第１電極２６上に配置することができる。更に、半導体材料３０が電気化学的に成長している場合でも、ナノワイヤ３０の間により多くの半導体表面積を形成するように（より良好な光吸収のため）追加の半導体材料３２を配置することができる。色素の注入及び洗浄、並びに電解質溶液の導入後、図２に関して示される構造体が得られる。
【００２７】
図２に示され且つナノワイヤ３０を実装する例示的な実施形態は、有利には短縮した電子経路を提供する。図１に関して上述されたように、入射光源３８が第２電極を通って配向されると、電子が色素内で励起される。励起電子は、ランダムウォークによって、ナノ結晶性半導体材料３２を通じて第１電極２６に移動する。理解できるように、ナノワイヤ３０を有する第１電極２６を実装することにより、励起電子の移動距離は、図１に示された例示的な太陽電池１０と比較して大幅に短縮することができる。具体的には、半導体材料３２の色素被覆ナノ結晶は、太陽電池２４内では、最も近いナノワイヤ３０から１０−４００ナノメートル（すなわち、隣接するナノワイヤとの間の間隔の約半分）に位置するので、図１の太陽電池１０の場合のような約１０ミクロンと比較して、電子が第１電極２６に移動するのに要する時間が激減される。有利には、電子経路の短縮、従って励起電子が第１電極２６に到達するのに要する時間の短縮は、再結合の可能性を低減する。
【００２８】
図３及び図４は、本発明の別の例示的な実施形態を示す。具体的に図３を参照すると、太陽電池４０の断面図が示される。太陽電池４０は、ガラスなどの基板４４上に配置された第１電極４２を含む。第１電極４２は、当初は、例えば、チタン（Ｔｉ）又は亜鉛（Ｚｎ）などの金属箔層を含む。金属箔は、例えば１−５０ミクロンの範囲の厚みを有することができる。金属箔が、例えば電気化学的に酸化されると、キャビティ４６又は穴の稠密充填アレイが金属箔を通じて形成される。キャビティの断面形状は、例えば円筒状とすることができる。キャビティ４６の形状は、実施される酸化技法に応じて変化する可能性がある。更に、隣接するキャビティ４６に関するキャビティ４６の配置は、六方稠密充填アレイの配置とすることができる。換言すれば、各キャビティ４６は、周囲の６つのキャビティ４６と壁部４８を共有する。
【００２９】
理解できるように、金属箔の酸化は、キャビティ４６のアレイを生成するだけではなく、金属を半導体層に変換する。例えば、第１電極４２が当初チタン（Ｔｉ）から構成される場合には、該チタン（Ｔｉ）箔の層が酸化されると、キャビティ４６が形成され、チタン箔は酸化チタン（ＴｉＯ２）に変換される。従って、チタン箔の層が酸化されると、第１電極４２は、壁部４８によって分離された貫通するキャビティ４６を有する結晶性酸化チタン（ＴｉＯ２）層を含む。本発明の例示的な実施形態において、壁４８は、酸化プロセスの間に完全に酸化チタン（ＴｉＯ２）に変換される。或いは、第１電極４２の壁部が、キャビティ４６の壁部４８上に形成された（ＴｉＯ２）の層を有するチタン（Ｔｉ）コアを保持するように金属箔層を酸化することは、有利である場合がある。換言すれば、金属箔層は完全には酸化されず、そのためチタン（Ｔｉ）の内側コアが第１電極４２の壁部４８内に残存する。
【００３０】
第１電極４２は更に、図４に示された平面図によって説明される。従って、以下の論議は、図３及び図４を参照すると最もよく理解される。前述のように、１つの例示的な実施形態において、チタン箔は基板４４上に配置される。電気化学酸化プロセス中、壁部４８によって分離された細孔又はキャビティ４６が、チタン箔を通じて形成され、該チタン箔は酸化チタンに変換され、これにより太陽電池４０の第１電極４２が形成される。本発明の例示的な実施形態において、キャビティ４６の直径Ｄは、例えば、約１０−４００ｎｍの範囲とすることができ、各キャビティ４６を分離する壁部４８の厚みＴは、例えば、約２−４０ｎｍの範囲とすることができる。
【００３１】
キャビティ４６のアレイを形成することにより、表面積又は表面粗さ係数が激増する。例えば、約２０ｎｍのキャビティ直径Ｄ及び約５ｎｍの壁厚みを有するチタン（Ｔｉ）の１０ミクロン厚みのシートは、約１０００／平方メートルの表面粗さ係数をもたらすことができる。換言すれば、シートの表面積は約１０００倍に増大される。キャビティ直径Ｄが約２０ｎｍであり且つ壁厚みＴが約２０ｎｍである場合には、表面粗さ係数は、例えば、４００／平方メートルとすることができる。約３００−１０００の表面粗さ係数は、有利には、太陽エネルギーの効果的な吸収を促進するのに十分な色素被覆面積を提供する。
【００３２】
金属フィルムが酸化され酸化チタン（ＴｉＯ２）の半導体層を形成すると、色素を導入してＴｉＯ２表面を飽和させ、結晶性酸化チタン（ＴｉＯ２）の色素被覆層を提供することができる。次に、例えば、ヨウ化物／三ヨウ化物対を含むことができる電解質溶液５０が太陽電池４０に注入され、第１電極４２内のキャビティ４６及び酸化チタン（ＴｉＯ２）材料内の間に残存する細孔及び空隙が満たされる。
【００３３】
太陽電池４０はまた、第２電極５２を含む。第２電極５２は、例えばガラスなどの透明基板上に配置されたＴＣＯを含むことができる。第２電極５２は、プラチナメッキ又は炭化されて三ヨウ化物イオン用の触媒を提供し、該三ヨウ化物イオンは、入射光への照射中に半導体材料内に注入されている色素と電解質溶液の成分とが反応することにより形成される。理解できるように、太陽電池４０を気密シールして外部要素からの保護を形成するために、封止材（図示せず）を備えることができる。
【００３４】
図３及び図４に示される例示的な実施形態は、図１に示された太陽電池１０よりも優れた幾つかの利点をもたらす。本発明の太陽電池４０は、有利には、短縮された電子経路を提供する。前述のように、入射光源５４が第２電極を通じて配向されると、色素内に電子が励起される。励起電子は、ランダムウォークによって第１電極４２の酸化チタン（ＴｉＯ２）壁部４８を通じて移動する。理解できるように、励起電子の移動距離は、図１に示された例示的な太陽電池１０と比較して大きく短縮することができる。具体的には、第１電極のナノ・ハニカム構造により、下側の酸化物層への電子経路をより制御して且つより良好に定めることができる。このことは、電子のランダム移動の一部を排除又は低減し、従って電子移動経路が短縮される。更に、チタン（Ｔｉ）のコア層が壁部４８内に残されている場合には、酸化チタン（ＴｉＯ２）の層が、壁部４８の下側のチタン表面上に直接成長し、酸化チタン（ＴｉＯ２）の層と下側のチタンとの間の接触が構造体の全体にわたって最適化されることにより、電子の移動を更に改善することができる。従って、電子が酸化チタン（ＴｉＯ２）の層から第１電極４２の下側のチタンに移動するのに要する時間を激減することができる。有利には、電子経路の短縮、従って、励起電子がＴＣＯ被覆基板１４に到達するのに要する時間の短縮は、再結合の可能性を低減する。更に、酸化チタン（ＴｉＯ２）の層はチタン箔のシートから形成されるので、焼結処理は必要とされず、これにより太陽電池４０を製造するための段階が削減される。
【００３５】
本発明の実施形態の別の利点は、キャビティ４６内外へのイオン輸送が、ナノ結晶性酸化チタン（ＴｉＯ２）の層内のクリスタライトの典型的なランダム配列に基づいて存在する可能性のある蛇行経路を介するよりもはるかに迅速とすることができる。別の利点は、半導体材料（すなわち酸化チタン（ＴｉＯ２）の層）を形成するために化学蒸着でなくて電気化学的酸化を用いることにより、表面の化学的性質を適切に制御し、且つより良好に定めることができる点である。換言すれば、表面ダングリングボンド、機能性及び状態が適切に制限され且つ特徴付けが容易であり、当業者には理解できるように、これにより色素配向及び被覆率のより良好な制御が可能となる。更に別の利点は、本発明の例示的な実施形態が、第１電極４２を形成するのに使用されるチタン（Ｔｉ）箔の厚みを制御することによって、光路長のより正確な制御が可能となることである。更に別の利点は、酸化チタン（ＴｉＯ２）の層の厚みを制御して、最大の電池電位及び短絡電流を達成することが可能となることである。
【００３６】
本発明は種々の修正を行い、且つ別の形態をとることができるが、特定の実施形態を各図面において例証として示し且つ本明細書で詳細に説明してきた。しかしながら、本発明は、開示された特定の形態に限定されるものではない点を理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】色素増感太陽電池の例示的な実施形態の断面図。
【図２】本発明の技法によるナノワイヤ電極を有する太陽電池の例示的な実施形態の断面図。
【図３】本発明の技法によるナノ・ハニカム電極を有する太陽電池の例示的な実施形態の断面図。
【図４】例示的なナノ・ハニカム電極の平面図。
【符号の説明】
【００３８】
１０  色素増感太陽電池
１２  ＴｉＯ２層
１４  透明基板
１６  背面電極
１８  シール部
２０  電解質層
２２  入射光源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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