(57)【要約】  本発明は、第１の表面および第２の表面を有する多孔絶縁性基板（３０）と、導電性多孔層を形成する、多孔絶縁性基板の第１の表面上に印刷された導電粒子を備える第１の多孔層（１４）と、導電性多孔層を形成する、多孔絶縁性基板の第２の表面上に印刷された導電粒子を備える第２の多孔層（１６）と、を備え、多孔絶縁性基板が第１の多孔層と第２の多孔層との間に配設され、さらに、第１の多孔層上に堆積された光吸収色素分子を備える第３の多孔層（１８）と、第３の多孔層と第１の多孔層との間で電荷を搬送するための電荷搬送媒体と、を備える、色素増感太陽電池（ＤＳＣ）に関する。多孔層の各々は、少なくとも１つの不透明部分（２４、２５、２６）および少なくとも１つの透明部分（２０、２１、２２）を含む印刷されたパターンを備え、多孔絶縁性基板は、少なくとも１つの透明部分（３２）を備え、多孔層の前記透明部分および多孔絶縁性基板の前記透明部分は、これらが太陽電池を通る少なくとも１つの一続きの透明通路を形成するように、互いに対して位置付けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面および第２の表面を有する多孔絶縁性基板（１０；３０）と、
導電性層を形成する、前記多孔絶縁性基板の前記第１の表面上に印刷された導電粒子を備える第１の多孔層（１４）と、
導電性層を形成する、前記多孔絶縁性基板の前記第２の表面上に印刷された導電粒子を備える第２の多孔層（１６）と、を備えることにより、前記多孔絶縁性基板（４；１０；３０）が前記第１の層と前記第２の層との間に配設され、
前記第１の層上に堆積された光吸収色素分子を備える第３の多孔層（１８）と、
前記第３の層と前記第２の層との間で電荷を搬送するための電荷搬送媒体と、を備えた色素増感太陽電池であって、
前記多孔層の各々が少なくとも１つの不透明部分（２４、２５、２６）および少なくとも１つの透明部分（２０、２１、２２）を含む印刷されたパターンを備え、前記多孔絶縁性基板が少なくとも１つの透明部分（３２）を備えることにより、前記多孔層の前記透明部分および前記多孔絶縁性基板の前記透明部分が、これらが前記太陽電池を通る少なくとも１つの一続きの透明通路を形成するように、互いに対して位置付けられることを特徴とする、
色素増感太陽電池。
【請求項２】
前記多孔層の前記少なくとも１つの透明部分（２０、２１、２２）が、互いに少なくとも部分的に重なるように配置される、請求項１に記載の色素増感太陽電池。
【請求項３】
前記第３の多孔層（１８）の前記印刷されたパターンが、前記第１の多孔層（１４）の前記印刷されたパターンに一致する、請求項１または２に記載の色素増感太陽電池。
【請求項４】
前記第２の多孔層（１６）の前記印刷されたパターンが、前記第１の多孔層（１４）および前記第３の多孔層（１８）の前記印刷されたパターンに一致する、請求項３に記載の色素増感太陽電池。
【請求項５】
前記太陽電池が、前記第１の多孔層（１４）および前記第２の多孔層（１６）に電気的に接続されて前記第１の多孔層および前記第２の多孔層を外部の電気回路に接続する、複数の接続要素（３４、３６）を備え、前記第１の多孔層および前記第２の多孔層の前記印刷されたパターンは、前記不透明部分（２５、２６）が前記接続要素のうちの少なくとも１つと直接電気的に接触するように設計される、請求項１から４のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
【請求項６】
前記印刷されたパターンが、前記少なくとも１つの不透明部分（２４、２５、２６）内に分散された複数の透明部分（２０、２１、２２）を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
【請求項７】
前記多孔絶縁性基板（３０）の前記少なくとも１つの透明部分（３２）が、前記多孔絶縁基板の前記第１の表面と前記第２の表面との間に延在する貫通穴である、請求項１から６のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
【請求項８】
各多孔層（１４、１６、１８）の前記少なくとも１つの透明部分の面積が、各多孔層の総面積の１０％から７０％の間であり、好ましくは各多孔層の総面積の３０％から６０％の間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
【請求項９】
前記第１の多孔層および前記第２の多孔層が多孔導電性粉末層である、請求項１から８のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
【請求項１０】
構造物のガラス製の仕切りにおける、請求項１から８のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池の使用。
【請求項１１】
導電粒子を備える第１の多孔層（１４）を、多孔絶縁性基板（１０；３０）の第１の表面上に印刷することと、
導電粒子を備える第２の多孔層（１６）を、前記多孔絶縁性基板の第２の表面上に印刷することと、
第３の多孔層（１８）を前記第１の多孔層の上に印刷することと、
前記第３の多孔層を光吸収分子で染めることと、を含んだ透明な色素増感太陽電池を製造するための方法であって、
前記多孔絶縁性基板が少なくとも１つの透明部分（３２）を備え、前記多孔層の各々が、少なくとも１つの不透明部分（２４、２５、２６）および少なくとも１つの透明部分（２０、２１、２２）を含むパターンで印刷され、前記パターンが、前記多孔層の前記透明部分および前記多孔絶縁性基板の前記透明部分が前記太陽電池を通る少なくとも１つの一続きの透明通路を形成するように印刷されることを特徴とする、透明な色素増感太陽電池を製造するための方法。
【請求項１２】
前記パターンが、前記多孔層の前記透明部分および前記多孔絶縁性基板の前記透明部分が、前記第１の表面および前記第２の表面を横断する方向において互いに少なくとも部分的に重なるように印刷される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第３の多孔層の前記少なくとも１つの不透明部分（２４）が、前記第１の多孔層の前記少なくとも１つの不透明部分（２５）の上に印刷される、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の多孔層（１４）、前記第２の多孔層（１６）、および前記第３の多孔層（１８）の前記パターンが互いに一致する、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記印刷されたパターンがスクリーン印刷を使用して印刷される、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記多孔絶縁性基板をパンチングして、前記多孔絶縁性基板（３０）の前記第１の表面と前記第２の表面との間に延在する少なくとも１つの貫通穴（３２）を設けることを含む、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明な色素増感太陽電池に関する。本発明は、透明な色素増感太陽電池を製造するための方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
色素増感太陽電池（ＤＳＣ）が過去２０年にわたって開発されており、また光合成のような類似の原理の研究がなされている。シリコン太陽電池とは異なり、これらの電池は色素を使用して太陽光からエネルギーを得るが、これらの色素は、低コストで製造でき、環境への影響が少なくかつ豊富に存在する可能性がある。
【０００３】
従来のサンドイッチ型の色素増感太陽電池は、透明導電基板上に堆積された厚さ数μｍのＴｉＯ２多孔電極層を有する。ＴｉＯ２電極は、ＴｉＯ２粒子の表面上に色素分子が吸着された、相互連結されたＴｉＯ２金属酸化物粒子を備え、作用電極として働く。透明導電基板は、ガラス基板上に堆積された透明な導電酸化物である。透明導電酸化物層は、作用電極から光生成電子を抽出する、電子コレクタとしての役割を果たす。ＴｉＯ２電極は、電解質、および別の透明導電基板すなわち対極と接触している。
【０００４】
太陽光は、色素によって取り込まれ、光励起電子を生み出し、これらの光励起電子は、ＴｉＯ２粒子の伝導帯内に注入され、導電基板によってさらに収集される。同時に、酸化還元電極中の電極Ｉイオンが、酸化された色素を還元し、生成された電子受容体種を対極に輸送する。
【０００５】
通常、太陽電池はフロントコンタクトを有し、この場合、電流コレクタは光吸収層の上に位置付けられる。光は、光吸収層に当たることのできる前に、このフロントコンタクトを通過せねばならない。この結果、電流コレクタは、最大量の光の通過を可能にすることおよび大きな電気抵抗損失を伴わずに光生成電流を伝導して運び去ることの両方のために、入来する光に対して十分に透明であることおよび十分に高い電子伝導性を有することの両方が必要である。残念ながら、高い透明性を有する材料は導電性が低く、高い導電性を有する材料は透明性が低い。フロントコンタクトの太陽電池において使用される透明な導体は、入来する光の一部を、これが光吸収層に当たる前に吸収する。
【０００６】
ＤＳＣ太陽電池技術の利点は、いわゆる「バックコンタクト」手法を使用して、電流コレクタを光吸収層の後側に置くことができることである。バックコンタクトは、光を透過しない極めて高い導電性の電流コレクタ、すなわち、光の反射または光の吸収によって光を妨げる導体の使用を可能にする。バックコンタクトの電流コレクタの導電性は、フロントコンタクトにおいて使用される透明な電流コレクタと比較して、数桁高いものとすることができる。電気的損失が低減される、すなわち、電流コレクタにおける抵抗が小さくなり、作用領域が大きくなり、光吸収層に当たる光子束が高まるので、バックコンタクトのＤＳＣ電池の光から電気エネルギーへの変換効率を、大きく高めることができる。
【０００７】
図１は、上側側面上に光吸収材料が堆積されている多孔金属酸化物を含む作用電極１と、作用電極から光生成電子を抽出するための第１の導電性層２と、多孔絶縁性基板４と、多孔絶縁性基板の反対側の側面上に配置された第２の導電性層３を含む対極と、を備える、色素増感太陽電池の例を示す。第１の導電性層２は、多孔絶縁性基板４の一方の側面上に堆積された、多孔導電性層である。第２の導電性層３は、多孔絶縁性基板４の他方の側面上に堆積された、多孔導電性層である。第１の導電性層および第２の導電性層は、多孔絶縁性基板上に印刷される。導電性層２、３はいずれも、多孔基板の細孔を通り抜けないだけの十分な大きさの粒子から成る。基板は、導電性層間の直接的な電気短絡を回避するために、導電性層を物理的および電気的に分離する。さらに、第１の導電性層および第２の導電性層を多孔基板上に印刷可能とするために、多孔基板は、印刷に好適なものであるべきである。
【０００８】
複数の電池が１つになって、太陽電池モジュールを形成する。周囲雰囲気からＤＳＣモジュールを保護するために、および電池の内側のＤＳＣ構成要素の蒸発または漏れを防止するために、導電性層を縁部において封止することができる。
【０００９】
図１における電極構造は、光吸収層および多孔電極の細孔においてならびに多孔基板の細孔において、電解質などの電荷搬送媒体で浸透される。電荷搬送媒体は、導体の内側におよび導体間に、一続きの層を形成し、このことにより、対極と作用電極との間の電荷の輸送を可能にする。第１の導電性層を使用して、光吸収層によって生成された電子を収集し、これらの電子を、外部の電気的回路（図１には示されていない）を介して対極へと輸送する。対極を使用して、電子を電荷搬送媒体へと搬送する。電荷搬送媒体は、電子を光吸収層へと搬送して戻し、このことにより電気的回路が完成する。電荷搬送媒体の性質により、イオンまたは電子および正孔を、対極と光吸収層との間で輸送することができる。
【００１０】
電荷搬送媒体は、電荷の輸送に対して特定の電気抵抗を呈する。電気抵抗は、電荷輸送距離とともに増加する。したがって、電荷が対極と光吸収層との間で輸送されるとき、電荷搬送媒体において特定の電気抵抗損失が常に存在することになる。対極と光吸収層との間の距離を最小化することによって、この抵抗損失を最小化することが可能である。多孔基板をより薄くすることにより、これらの抵抗損失を低減することができる。しかしながら、多孔基板は、薄くなると、機械的により脆弱にもなる。したがって、安全な機械的取り扱いのために十分な厚さである基板を使用することが望ましい。
【００１１】
バックコンタクトのＤＳＣは、不透明な導電性の高い材料を使用しているため、透明ではない。結果として、これらのバックコンタクトＤＳＣは、建物一体型太陽光発電（ＢＩＰＶ）または建物据付型太陽光発電（ＢＡＰＶ）などの、太陽電池が電気を生み出すことおよび建物の内側を照らすために光の通過を可能にすることの両方を行わねばならない透明性を必要とする用途には、使用することができない。
【００１２】
不透明な太陽電池を透明にすることに対する知られている解決法は、不透明な電池材料の一部の除去による、太陽電池ユニットにおける細孔および穴の導入に関する。レーザ技術またはエッチングを使用して、材料を除去することができる。この手法の欠点は、穴の位置において太陽電池材料が除去され、無駄になることである。
【００１３】
ＵＳ２０１３／２５５７６１は、透明な作用電極を製造するための方法を開示しており、この場合、この作用電極は、多孔金属フォイルを含む。この金属フォイルに、針の貫通またはレーザアブレーションによって、細孔が形成される。太陽電池に穴を作り出すための、チタン粉末を焼結する、およびチタン繊維紙をプレス加工する方法も述べられている。
【００１４】
知られている解決法のうちのいくつかは、太陽電池の複雑さを高める。これらの太陽電池は、より脆弱であり、より不具合を起こしやすい。そのような太陽電池はまた、製造がより困難である。多くの場合、薄い繊細な材料を使用する、追加の材料および工程ステップが必要とされる。
【００１５】
透明であり、良好なまたは高められた光から電気エネルギーへの変換効率および高い伝導性を有する、太陽電池の必要性が存在する。建物または車両などの構造物のガラス隔壁に据付または組込可能な太陽電池の必要性が存在する。低コストで製造可能な太陽電池の必要性も存在する。好適には、透明な太陽電池の製造に、追加の材料または方法ステップが必要とされるべきでない。太陽電池から材料を除去することなく、または必ずしもレーザ技法もしくはエッチング技法などを使用する必要なく製造可能な、太陽電池の必要性が存在する。
【発明の概要】
【００１６】
本発明の目的は、上述の欠点を少なくとも部分的に克服することである。
【００１７】
この目的は、請求項１に記載の色素増感太陽電池（ＤＳＣ）によって達成される。
【００１８】
ＤＳＣは、第１の表面および第２の表面を有する、多孔絶縁性基板を備える。基板の第１の表面上に、導電性粒子を備える第１の多孔層が印刷されて、第１の導電性層を形成する。基板の第２の表面上に、導電性粒子を備える第２の多孔層が印刷されて、第２の導電性層を形成する。多孔絶縁性基板はこの場合、第１の多孔層と第２の多孔層との間に位置付けられる。第１の多孔層上に、第３の多孔層、すなわち作用電極が印刷される。この第３の多孔層には、光吸収色素分子が備えられている。ＤＳＣは、第２の多孔層（対極）と第３の多孔層（光吸収層）との間の電荷の搬送のための、電荷搬送媒体をさらに備える。好ましくは、電荷搬送媒体は透明である。この電荷搬送媒体を、多孔層および多孔絶縁性基板の細孔内に位置付けることができる。多孔層は全て、印刷されたパターンを備え、この場合、各多孔層は、少なくとも１つの不透明部分および少なくとも１つの透明部分を有する。多孔層の透明部分および多孔絶縁性基板の透明部分は、これらが、第１の表面および第２の表面に対して垂直な方向に光が太陽電池を貫通することを可能にするための太陽電池を通る少なくとも１つの一続きの透明通路を形成するように、互いに対して位置付けられる。
【００１９】
不透明部分は、これらが不透明材料／粒子を含むことに起因して、不透明である。第１の多孔層および第２の多孔層の不透明部分は、不透明である導電粒子、たとえば金属粒子を含む。第３の多孔層の不透明部分は、不透明である光吸収色素分子を含む。しかしながら、不透明部分における不透明粒子の程度に起因して、不透明さの程度は変動し得る。「不透明部分」という用語を用いる場合、入射光の少なくとも８０％がこの部分の貫通を阻まれることを意味する。
【００２０】
透明部分は、これらが不透明材料／粒子を含まないかまたは少しの不透明粒子しか含まないことに起因して、透明である。「透明部分」という用語を用いる場合、これが光の透過を許容することを意味する。ただし、様々な程度の透明性が存在し得る。たとえば、透明部分を、黄色半透明など有色半透明のもの、または乳白色のものとすることができる。好ましくは、透明部分は、５０％を超える光透過、好ましくは７０％を超える光透過を許容すべきである。
【００２１】
第１の多孔層および第２の多孔層の不透明部分は、ＤＳＣの電気伝導部分である。第１の多孔層、第２の多孔層、および第３の多孔層、ならびに基板の透明部分は、ＤＳＣの非導電部分である。多孔絶縁性基板は、少なくとも１つの透明部分も備える。多孔絶縁性基板全体を透明とすることができるか、または基板は、透明ではないが１つまたは複数の透明部分、たとえば貫通穴を含むものとすることができる。
【００２２】
第１の多孔層、第２の多孔層、および第３の多孔層の、ならびに基板の透明部分は、これらが、光がＤＳＣを通過することを可能にする、ＤＳＣを通る一続きの透明通路を形成するように、位置付けられる。したがって、ＤＳＣは透明になる。好ましくは、多孔層の各々が、複数の透明部分を備え、これらは、基板の１つまたは複数の透明部分とともに、ＤＳＣを通る複数の透明通路を形成する。
【００２３】
たとえば穴または点の形態の透明部分は、光がＤＳＣを通過することを可能にする。層の不透明部分が一続きの導電通路を形成する限りは、第１の多孔層および第２の多孔層の透明部分を、不透明部分間の任意の場所に位置付けることができる。このことにより、たとえば図４ａ〜図４ｄに示すような、ＤＳＣのための多数の様々な印刷されたパターンの創出が可能になる。
【００２４】
全ての層および基板の透明部分が、第１の表面および第２の表面に対して垂直な方向において位置合わせされるかまたは互いの上に置かれるとき、透明部分は、ＤＳＣ内に１つまたは複数の通路を形成して、ＤＳＣを通る光透過を可能にする。ただし、透明部分が互いに重ならなくても、光は構造内で反射され、このことによりこの構造を通過する場合がある。
【００２５】
多孔層に不透明部分および透明部分を含む印刷されたパターンを設けることにより、不透明な高伝導性材料を含む、透明なバックコンタクトのＤＳＣを実現することが可能である。各多孔層は、たとえば点の形態の、導電性材料が印刷されない１つまたは複数の部分を含むパターンとして印刷され、この結果、光が透明部分を貫通でき、ＤＳＣの部分的な透明性が実現される。その場合、バックコンタクトのＤＳＣの透明性レベルは、様々なサイズ、様々な形状、および様々な間隔の透明部分を印刷することによって調整され得る。加えて、透明部分のサイズ、形状、および間隔を変えることによって、高度な図像パターンを生み出すことができる。所望の図像パターンを結果的にもたらす好適な印刷パターンを設計するために、たとえば、ハーフトーン技法などの基本的な画像化技法を使用することができる。結果として、透明部分を含む多孔層を印刷することによって、透明でありかつ図像設計を有する、バックコンタクトのＤＳＣを製造することが可能である。
【００２６】
本発明は、建物における場合などの、太陽電池が電気を生み出すことおよび建物の内側を照らすために光の通過を可能にすることの両方を行わねばならない透明性を必要とする用途のための、透明なバックコンタクトのＤＳＣの製造を可能にする。
【００２７】
印刷されたパターンの多孔層を使用することに関するさらなる利点は、必要とされる追加の工程ステップにおいて太陽光に関する材料を除去するかまたは無駄にする必要がない（および追加の工程ステップが必要とされない）ことである。結果として、バックコンタクトを所望のパターンで印刷することにより、工程ステップの数を低減し、太陽電池材料を節減することが可能である。フロントコンタクトの太陽電池において使用される透明な導体は、電気伝導性が良好ではなく、したがって透明な部分を設けられたときに導電性の損失がより大きく、このことは、可能な有用なパターンを限定し、このことにより、そのような電池の最大サイズは限定される。対照的に、導電性の高いＤＳＣのバックコンタクト手法を用いる場合、電池サイズを犠牲にすることなく、より多数の有用なパターンを実現することが可能である。太陽電池の前側シートまたは後側シートに着色することにより、点に様々な色を加えることも可能であり、このことにより美的品質が高まる。
【００２８】
ＤＳＣは、比較的複雑でない印刷技法を使用して、低コストで製造することも可能である。ＤＳＣに穴を作成する必要がない、すなわち、ＤＳＣにおいて透明部分を得るために、レーザ技法もしくはエッチング技法を適用する必要がない。したがって、請求項１に記載のＤＳＣを作成するために、追加の材料または製造ステップは必要ない。
【００２９】
本発明は、高い導電性を有するバックコンタクトのＤＳＣの製造を可能にし、したがって、光から電気エネルギーへの変換効率を高めつつ、同時に部分的に透明であることを可能にする。
【００３０】
ＤＳＣは複数の薄層から成り、これらの薄層は薄いＤＳＣを形成する。ＤＳＣは、建物または車両などの構造物のガラス製の仕切りにおいて、容易に設置することができる。透明部分のパターン、すなわち数およびサイズは、状況に合わせて調整可能である。たとえば、温暖な気候の国では、透明部分の数および／またはサイズを限定して、日光が構造物内に入るのを防止することができ、一方で、太陽光のより少ない国では、透明部分の数および／またはサイズを増やして、最大量の光が構造物内に入るのを可能にすることができる。したがって、多孔層の総面積における透明部分の面積の割合は、太陽電池の用途に応じて変動し得る。好ましくは、各多孔層の少なくとも１つの透明部分の面積は、各多孔層の総面積の１０％から７０％の間であり、典型的には、各多孔層の少なくとも１つの透明部分の面積は、各多孔層の総面積の３０％から６０％の間である。好ましくは、透明部分の面積は、各多孔層において同様である。
【００３１】
ある実施形態では、多孔層の少なくとも１つの透明部分は、光が多孔層を貫通できることを保証するために、互いに少なくとも部分的に重なるように配置される。
【００３２】
さらなる実施形態では、第３の多孔層の印刷されたパターンは、第１の多孔層の印刷されたパターンに一致する。１つの実施形態では、第２の多孔層の印刷されたパターンは、第１の多孔層および第３の多孔層の印刷されたパターンに一致する。３つ全ての多孔層に対して同じパターンを使用するのが便利である。さらに、光がＤＳＣを貫通するときに図像パターンを提供するＤＳＣの生産が、容易になる。
【００３３】
本明細書において使用されるときの「一致するパターン」という表現は、「同じ形状および同じ配向を有するパターン」を指定するものと理解される。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、太陽電池は、第１の多孔層および第２の多孔層に電気的に接続されて第１の多孔層および第２の多孔層を外部の電気回路に接続する複数の接続要素、たとえばバスバーを備え、第１の多孔層および第２の多孔層の印刷されたパターンは、不透明部分が接続要素のうちの少なくとも１つと直接電気的に接触するように設計される。この実施形態は、光によって生成される電流が外部の回路に輸送されることを保証し、またしたがって、ＤＳＣの電力生産の高い効率を保証する。
【００３５】
第３の多孔層は光吸収層であり、その主要な機能は、光を吸収し、この光を電気エネルギーに変換することである。第１の多孔層および第２の多孔層は、導電性層である。第１の多孔層の主要な機能は、第３の多孔層から電流を収集すること、および収集された電流を外部の電気回路に輸送することである。第２の多孔層の主要な機能は、外部の電気回路から電流を受け取ること、およびこの電流を電荷搬送媒体に輸送することである。効率的に電流を収集し外部の電気回路に輸送するために、第１の多孔層の不透明部分の全ては、第１の多孔層の接続要素に電気的に接続されて、第１の多孔層の不透明部分と外部の電気回路との間に１つまたは複数の一続きの電気伝導経路を提供するものとする。この電流を外部の電気回路から電荷搬送媒体へと効率的に搬送するために、第２の多孔層の不透明部分の全ては、第２の多孔層の不透明部分と外部の電気回路との間に１つまたは複数の一続きの電気伝導経路を提供するように第２の多孔層の接続要素に電気的に接続され、このことにより、第２の多孔層の不透明部分と外部の電気回路との間に、１つまたは複数の一続きの電気伝導経路を提供するものとする。
【００３６】
１つの実施形態では、印刷されたパターンは、１つの不透明部分内に分散された複数の透明部分を含む。透明部分は、たとえば、不透明部分内に分散された透明な点である。不透明部分は、外部の電気的回路を出入りする電流の輸送のための、一続きの導電層を形成する。透明部分を、不透明部分とともに図像パターンを形成するように配置することができる。
【００３７】
好ましくは、第１の層および第２の層は、多孔導電性粉末層である。これは、これらの層が、固体の形態の導電性粒子を付着させることによって生み出されたことを意味する。これらの固体粒子は金属系のものであり、純粋な金属、金属合金、もしくは金属水素化物、もしくは金属合金の水素化物、またはこれらの混合物とすることができる。多孔導電性粉末層の多孔率は、１５％から８５％の間とすることができる。３０％から７０％の間、または４０％から６０％の間の多孔率が好ましい。
【００３８】
多孔絶縁性基板の透明部分は、様々な方法で実現可能である。基板全体が透明であるか、または基板の一部のみが透明である。
【００３９】
１つの実施形態では、電荷搬送媒体は第１の屈折率を有し、多孔絶縁性基板は第２の屈折率を有する材料を備え、この場合、第１の屈折率と第２の屈折率との間の差は０．２未満である。基板の屈折率と同様の屈折率を有する電荷搬送媒体を有することにより、基板は透明に、または少なくとも準透明になる。電荷搬送媒体と基板との間の屈折の違いが小さくなるほど、基板の透明度は高くなる。したがって、電荷搬送媒体の屈折率と基板の屈折率との間の差は、基板の可能な限り高い透明度を実現するために、可能な限り小さいべきである。
【００４０】
別の実施形態では、多孔絶縁性基板は、半透明材料、たとえばガラス繊維または石英繊維を備える。
【００４１】
別の実施形態では、多孔絶縁性基板は、透明なプラスチック材料の１つまたは複数の透明部分を備える。
【００４２】
さらなる実施形態では、多孔絶縁性基板の前記少なくとも１つの透明部分は、多孔絶縁性基板の第１の表面と第２の表面との間に延在する貫通穴である。
【００４３】
本発明は、上で規定したような、構造物のガラス製の仕切りにおける色素増感太陽電池の使用にも関する。
【００４４】
本発明の目的は、請求項１１において規定されるような、透明な色素増感太陽電池を製造するための方法によっても達成される。
【００４５】
この方法は、導電粒子を備える第１の多孔層を少なくとも１つの透明部分を備える多孔絶縁性基板の第１の表面上に印刷することと、導電粒子を備える第２の多孔層を多孔絶縁性基板の第２の表面上に印刷することと、第３の多孔層を第１の多孔層の上に印刷することと、第３の多孔層を光吸収分子で染めることと、を含み、第１の多孔層、第２の多孔層、および第３の多孔層の各々は、少なくとも１つの不透明部分および少なくとも１つの透明部分を含むパターンで印刷され、このパターンは、多孔層の前記透明部分および多孔絶縁性基板の前記透明部分が、光が太陽電池を貫通することを可能にするための、太陽電池を通る少なくとも１つの一続きの透明通路を形成するように印刷される。
【００４６】
この方法に関する利点は、太陽光に関する材料を除去するかまたは無駄にする必要がなく、追加の工程ステップが必要とされないことである。結果として、多孔層を所望のパターンで直接印刷することによって、工程ステップの数を低減し、また太陽電池材料を節減することが可能である。
【００４７】
１つの実施形態では、パターンは、多孔層の前記透明部分および多孔絶縁性基板の前記透明部分が、第１の表面および第２の表面を横断する方向において互いに少なくとも部分的に重なるように印刷される。
【００４８】
１つの実施形態では、第３の多孔層の少なくとも１つの不透明部分は、第１の多孔層の少なくとも１つの不透明部分の上に印刷される。これは、第３の多孔層の不透明部分が、第１の多孔層の不透明部分とサイズが等しいかまたはこれよりも小さいことを意味する。
【００４９】
１つの実施形態では、第１の多孔層、第２の多孔層、および第３の多孔層のパターンは、互いに一致する、すなわち、多孔層の透明部分および不透明部分の、形状およびサイズは等しい。この実施形態は、ＤＳＣの生産を容易にする。
【００５０】
１つの実施形態では、印刷されたパターンは、スクリーン印刷を使用して印刷される。スクリーン印刷はパターンを印刷するための有用な方法である。ただし、他の印刷方法を使用することも可能である。
【００５１】
１つの実施形態では、方法は、多孔絶縁性基板をパンチングして多孔絶縁性基板の第１の表面と第２の表面との間に延在する少なくとも１つの貫通穴を設けることを含む。基板には、層を印刷する前に、１つまたは複数の貫通穴が設けられる。貫通穴は、基板を通って延在する透明部分を形成する。この方法は、基板の透明部分を提供するための簡単な方法である。
【００５２】
方法の１つの実施形態では、第１の多孔層および第２の多孔層は、導電性粒子を備える堆積物を基板上に印刷し、この導電性粒子を焼結して導電層を形成することよって、形成される。
【００５３】
方法の１つの実施形態では、多孔導電性粉末層が、多孔絶縁性基板の一方の側面上に形成され、第２の多孔導電性粉末層が、多孔絶縁性基板の他方の側面上に形成される。
【００５４】
方法の別の実施形態では、堆積物は、第２の多孔導電性粉末層を形成するための触媒を備える。
【００５５】
方法のさらなる実施形態では、第３の多孔層はＴｉＯ２を備え、第１の多孔層および第２の多孔層はチタン粒子を備える。
【００５６】
さらなる実施形態では、チタン粒子は、印刷された水素化チタン粒子の熱分解によって形成される。
【００５７】
本発明が、本発明の様々な実施形態の説明によって、および付属の図面を参照して、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】先行技術による色素増感太陽電池を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態による色素増感太陽電池の断面を概略的に示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態による色素増感太陽電池の断面を概略的に示す図である。
【図４】本発明による色素増感太陽電池の多孔層の印刷されたパターンにとって好適な設計の例を示す図である。
【図５】好適に使用され得るＤＳＣに関する実施形態の例を示す図である。
【図６】本発明による色素増感太陽電池を製造するための方法の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図２は、本発明の第１の実施形態による色素増感太陽電池（ＤＳＣ）の例を示す図である。ＤＳＣは、第１の表面１１および第２の表面１２を有する、多孔絶縁性基板１０を備える。この実施形態多孔絶縁性基板１０は、透明であるか、または電荷搬送媒体中に現れると透明になる。たとえば、基板は、ガラス繊維または石英繊維などの、半透明材料で作成される。ＤＳＣはさらに、第１の導電性層を形成する、多孔絶縁性基板の第１の表面１１上に印刷された導電粒子を備える第１の多孔層１４と、第２の導電性層を形成する、多孔絶縁性基板の第２の表面１２上に印刷された導電粒子を備える第２の多孔層１６と、を含む。以下では、第１の多孔層は第１の導電性層と呼ばれ、第２の多孔層は、第２の導電性層と呼ばれる。多孔絶縁性基板１０は、第１の導電性層１４と第２の導電性層１６との間に配設される。
【００６０】
第１の導電性層１４上に、金属酸化物粒子および光吸収色素分子を含む第３の層１８が堆積される。以下では、第３の層は光吸収層と呼ばれる。光吸収層１８は、第１の層の上に印刷される。次いで金属酸化物粒子は、光吸収色素分子で染められる。光吸収層１８は、作用電極を形成する。第１の導電性層１４は、光吸収層から光生成電子を抽出するように適合される。好ましくは、第１の層、第２の層、および第３の層は、多孔層である。ＤＳＣはさらに、層間で電荷を搬送するための、透明な電荷搬送媒体を含む。電解質などの電荷搬送媒体は、光吸収層、導電性層、および基板の細孔内に浸透される。電荷搬送媒体は、層間に一続きの媒体を形成し、このことにより、光吸収層と第２の導電性層との間の電荷の輸送を可能にする。電荷搬送媒体は、層および基板の細孔内に収容されて、光吸収層から第２の導電性層へと電荷を搬送する。電荷搬送媒体は、たとえば、液体電解質である。基板の透明度を改善するために、電荷搬送媒体を、多孔絶縁性基板の屈折率に近い屈折率を有するように選択することができる。好ましくは、屈折率間の差は、０．２未満である。基板の屈折率と同様の屈折率を有する、電解質の形態の電荷搬送媒体を有することにより、基板は透明に、または少なくとも準透明になる。
【００６１】
第１の導電性層１４を使用して、光吸収層１８によって生成された電子を収集し、またこれらの電子を、外部の電気的回路（図示せず）を介して第２の導電性層１６へと輸送する。第２の導電性層１６を使用して、電子を電荷搬送媒体へと搬送する。電荷搬送媒体は、電子を光吸収層へと搬送して戻し、このことにより電気的回路が完成する。
【００６２】
層１４、１６、１８の各々は、少なくとも１つの透明部分２０、２１、２２および少なくとも１つの不透明部分２４、２５、２６を含む、印刷されたパターンを備える。この実施形態では、層の各々は、複数の透明部分を含む。層の透明部分は、これらが基板の第１の表面および第２の表面に対して垂直な方向に太陽電池を通る一続きの透明通路を形成するように、互いに対して位置付けられる。好適には、印刷されたパターンは、３つの層１４、１６、１８において同一である。好適には、印刷されたパターンは、異なる層において同じ位置および配向を有し、この結果、層の一致する透明部分は位置合わせされる。ただし、層の透明部分が互いに少なくとも部分的に重なる限りは、様々なパターンを有することが可能である。第１の導電性層および第２の導電性層の不透明部分は、電気を伝導するものであり、第１の導電性層および第２の導電性層の各々において、基板の第１の表面および第２の表面と平行な方向に１つまたは複数の導電経路を形成するように配置される。好ましくは、第１の導電性層および第２の導電性層の不透明部分は、各層において少なくとも１つの一続きの電流経路を形成する。
【００６３】
太陽電池は、第１の導電性層に電気的に接続されて第１の導電性層を外部の電気回路（図示せず）に接続する、少なくとも１つの接続要素３４、および、第２の導電性層に電気的に接続されて第２の導電性層を外部の電気回路に接続する、少なくとも１つの接続要素３６、を備える。たとえば、接続要素３４、３６は、バスバーである。１つの実施形態では、太陽電池は、第１の導電性層に接続され第１の導電性層の対向する両側面上に配設された２つの接続要素、および、第２の導電性層に接続され第２の導電性層の対向する両側面上に配設された２つの接続要素を含む。接続要素は、層の側面全体に沿って延在し得る。好ましくは、第１の導電性層の印刷されたパターンは、不透明部分２５が接続要素３４と直接電気的に接触するように設計され、また、第２の導電性層の印刷されたパターンは、不透明部分２６が接続要素３６と直接電気的に接触するように設計される。
【００６４】
光吸収層から電流を効率的に伝導して運び去るために、第１の導電性層の不透明部分は、光吸収層から接続要素まで直接の電気伝導経路を提供すべきである。さらに、外部の電気回路から電荷搬送媒体へと電流を効率的に搬送するために、第２の導電性層の不透明部分は、接続要素への直接の電気伝導経路を提供すべきである。結果として、第１の導電性層および第２の導電性層は、不透明部分の「孤島化（ｉｓｌａｎｄｉｎｇ）」が回避されるような方法で印刷されるべきである。したがって、第１の導電性層および第２の導電性層は好ましくは、透明部分によって干渉されるが、これらの透明部分の位置付けによって不透明部分の孤島化または孤立がもたらされないような、一続きの導電性層であるべきである。さらに、印刷されたパターンは、最大電力を達成するために電気的損失が最小化されるように、バックコンタクト層の導電性、電流が移動せねばならない距離、および光吸収層によって生み出される電流を考慮に入れて設計されるべきである。
【００６５】
ＤＳＣは、ＤＳＣの頂部側面を覆う第１のシート２８、およびＤＳＣの底部側面を覆い電解質のための液体障壁として働く第２のシート２９も含む。第１のシート２８および第２のシート２９は、光の通過を可能とするように透明である必要がある。シート２８、２９は、たとえば、透明な高分子材料で作成される。
【００６６】
図３は、本発明の第２の実施形態による色素増感太陽電池の例を示す。図２および図３において同様のまたは対応する部分は、同様の数字で示されている。図３に示す実施形態は、これが不透明材料で作成される多孔絶縁性基板３０を含むという点で、図２に示す実施形態と異なる。光が基板３０を通過するのを可能にするために、この基板には、基板の第１の表面と第２の表面との間に延在する、少なくとも１つの透明部分３２が設けられる。透明部分３２は、たとえば、透明なプラスチック材料の第１の表面と第２の表面との間に延在する、貫通穴または部分である。基板の透明部分３２は、これらが光のためのＤＳＣを通る一続きの通路を形成するように、層の透明部分２０、２１、２２に対して位置付けられる。好ましくは、図３に示すように、基板の透明部分３２および層の透明部分２０、２１、２２は、位置合わせされる。
【００６７】
図４ａ〜図４ｄは、印刷されたパターン用の様々な好適な設計の例を示す。図面では、透明部分は白く、不透明部分は黒い。ＤＳＣは、ロゴやブランド名のパターンで印刷することができる。また、ＤＳＣにおいて、１つまたは複数の色を使用できる。したがって、ＤＳＣを、太陽の光からエネルギーを取り出すことと組み合わせて、商用目的で使用することが可能である。好ましくは、印刷されたパターンは、不透明部分が層の一方の端部から層の他方の端部まで延在して、層の一方の端部から層の他方の端部まで少なくとも１つの一続きの導電経路を形成するように設計される。このことは、主な機能が電流を伝導することである、第１の導電性層および第２の導電性層にとって、特に重要である。また、透明部分の位置付けによって、不透明部分の「孤島化」または孤立がもたらされるべきではない。
【００６８】
図４ａは、１つの不透明部分、およびこの不透明部分内に分散された複数の透明部分を含む印刷されたパターンの例を示す。透明部分は点のような形状とされる。
【００６９】
別の実施形態では、印刷されたパターンは、複数の不透明部分、およびこれらの不透明部分間に分散された複数の透明部分を含む。図４ｂは、パターンの一方の端部からパターンの他方の端部まで延在し、このことにより複数の電気伝導経路を形成する、ストリップの形態の複数の不透明部分、および、これらの不透明部分間に延在する複数の透明部分を含む、パターンを示す。
【００７０】
図４ｃおよび図４ｄは、不透明部分がパターンの一方側からパターンの反対側まで少なくとも１つの一続きの導電経路を形成することが共通している、別の種類のパターンを示す。
【００７１】
図５ａ〜図５ｂは、ＤＳＣの他の実施形態の例を示す。請求項１において規定されるＤＳＣを製造するために、電池の様々な層を互いの上に印刷できる、様々な種類の色素増感太陽電池（ＤＳＣ）を使用することができる。本発明は、ＤＳＣの特定の実施形態に限定されない。
【００７２】
別の種類のＤＳＣが図５ａに示されている。このＤＳＣは、太陽電池が、第１の導電性層２と第２の導電性層３との間に配設された多孔絶縁層５、および多孔絶縁層５と第２の導電性層３との間に配設された導電性層６を含むという点で、図２および図３の実施形態とは異なる。導電性層６は、絶縁材料で作成された多孔基板４、およびこの絶縁材料を通る導電ネットワークを形成する導電粒子を含む。この追加の絶縁層５は、基板４の第１の表面上に印刷される。第１の導電性層２は、追加の絶縁層５の上に印刷され、第２の導電性層３は、基板４の第２の表面上に印刷される。第１の導電性層２上に、作用電極１が印刷される。第２の導電性層３と作用電極１との間で電荷を搬送するために、層および基板内に、電荷搬送媒体が収容される。この実施形態についてのさらなる詳細は、参照により本明細書に組み込まれる、ＳＥ１３５０６１１−８に開示されている。透明なＤＳＣを実現するために、作用電極１および導電性層２、３は、透明部分および不透明部分を図２および図３を参照して記載されるのと同じ様式で含むパターンで印刷される。さらに、基板４を含む導電性層６には、層６を通って延在する貫通穴の形態の透明部分を設けることができる。絶縁層５を、第１の導電性層および第２の導電性層と同じパターンを用いて印刷することができるか、または絶縁層５には、導電性層６と同じ様式で貫通穴を設けることができる。
【００７３】
図５ｂは、互いに隣接して配置され直列に接続された複数の色素増感太陽電池ユニットを備えるＤＳＣの実施形態を示す。このＤＳＣは、作用電極１と、作用電極から光生成電子を抽出するための第１の導電性層２と、第２の導電性層３を含む対極と、対極から作用電極へと電子を搬送するための電解質と、備える。ＤＳＣはさらに、対極を隣接する電池ユニットの作用電極に電気的に接続するための、直列接続用要素８を備える。ＤＳＣは、基板４の第１の表面上に印刷された第１の導電性層２、および第２の表面上に印刷された第２の導電性層３を有する、多孔絶縁性基板４を備える。作用電極１は、第１の導電性層上に印刷される。
【００７４】
直列接続用要素８は、多孔絶縁基板４を貫通しかつ電池ユニットのうちの１つの第１の導電性層２と隣接する電池ユニットの第２の導電性層３の間に延在し、このことにより電池ユニットのうちの１つの第１の導電性層を隣接する電池ユニットの第２の導電性層と電気的に接続する、導電性層である。電池ユニットａ、ｂ、ｃの間の空間７ａおよび空間７ｂが示されている。この実施形態についてのさらなる詳細は、参照により本明細書に組み込まれる、ＷＯ２０１３／１４９７８７において開示されている。透明なＤＳＣを実現するために、基板４には、直列接続用要素８間に位置付けられた貫通穴を設けることができる。作用電極１および導電性層２、３は、透明部分および不透明部分を図２および図３を参照して記載されるのと同じ様式で含むパターンで印刷される。ただし、第１の導電性層および第２の導電性層の印刷されたパターンは、直列接続用要素８に少なくとも部分的に重なって導電性層を直列接続用要素８と電気的に接続する、不透明部分を含むものとする。さらに、空間７ａ〜空間７ｂは、層の透明部分である。
【００７５】
１つの実施形態では、多孔絶縁性基板４は、織布または不織布を備える。この実施形態についてのさらなる詳細は、参照により本明細書に組み込まれる、ＷＯ２０１３／１４９７８９において開示されている。本発明において好適に使用され得る他のＤＳＣの例は、たとえば、参照により本明細書に組み込まれる、ＷＯ２０１２／０４５８８１に開示されている。
【００７６】
多孔絶縁性基板を、印刷に好適な材料で作成することができる。基板を、織布および／または不織布であってよいマイクロファイバで作成される紙などの、紙で作成することができる。好ましくは、多孔絶縁性基板は、ガラスマイクロファイバ基板またはセラミックマイクロファイバ基板などの、セラミックマイクロファイバ系の基板である。ガラス基板、アルミノケイ酸塩繊維、または石英繊維を使用することができる。多孔絶縁性基板の多孔性により、基板を通したイオンの輸送が可能になることになる。基板は、少なくとも１つの透明部分を備える。基板は、複数の透明部分を備え得る。透明部分は、基板４の材料が除去されている、第１の表面と第２の表面との間に延在する貫通穴であってよい。この貫通穴を、電解質、またはプラスチックなどの透明材料で充填することができる。
【００７７】
光吸収層１８の不透明部分は、光吸収色素分子で染められた金属酸化物粒子、たとえばＴｉＯ２粒子を含む。導電性層１４、１６の不透明部分は、導電性金属粒子を備える。第１の導電性層２および第２の導電性層３を形成する材料は、好適には多孔性である。第１の導電性層１４および第２の導電性層１６を、たとえば、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル含有合金、クロム含有合金、グラファイト、および非晶質炭素、またはこれらの混合物を含む組から選択される材料で作成することができる。好適には、第１の導電性層および第２の導電性層は、チタンもしくはチタン合金、またはこれらの混合物で作成される。
【００７８】
電荷搬送媒体の性質により、イオンまたは電子および正孔を、第２の導電性層と光吸収層との間で輸送することができる。電解質の例は、液体電解質（Ｉ−／Ｉ３−系のもの、酸化還元対、または酸化還元対としてのコバルト錯体など）、ゲル電解質、乾燥高分子電解質、および固体セラミック電解質である。電荷搬送媒体として電解質が使用されるとき、対極は通常、この電解質への電子の搬送を促進する目的を果たす触媒物質を備えている。第２の導電層と光吸収層との間で電子および正孔を輸送するための電荷搬送媒体として、半導体を使用することができる。半導体の例は、ＣＳＣＮまたはＣｕＩなどの無機半導体、およびＳｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤなどの有機半導体である。電荷搬送媒体として半導体が使用されるとき、対極は通常、対極と電荷搬送媒体との間に、良好な電気接点、すなわち良好なオーム接点を作り出す目的を果たす物質を備えている。
【００７９】
本発明によるＤＳＣは、建物または車両などの構造物にエネルギーを提供するために好適に使用され得る。ＤＳＣを、構造物の任意の仕切り内に、またはその表面に位置付けることができる。仕切りは、壁または窓を位置付けることのできる壁同士の間の開口部など、構造物の任意の領域とすることができる。ＤＳＣは、建物のガラス製の仕切りなど、光が構造物の中に入る構造物の領域における使用に、特に好適である。他の例は、乗用車またはバスなどの車両におけるガラスの仕切りであり得る。
【００８０】
印刷されたパターンの透明部分の面積は、層の総面積の１０％から８０％の間とすることができる。透明なＤＳＣを通過する光の量は、ＤＳＣの総面積のうちの透明な面積を変化させることによって変化させることができる。このことにより、ＤＳＣの使用における大きな適応性が実現する。たとえば、温暖な気候においては、窓を通過する太陽光の量を低減することが望まれる場合があるが、一方同時に、空調のためにはエネルギーが必要とされる。この場合、ＤＳＣを、数個の透明部分しか有さない、および／または小さいサイズの透明部分を有する、印刷されたパターンを有するように設計することができる。他方で、より寒冷な気候においては、可能な限り多くの太陽光を建物の中に入れることが望まれる場合がある。この状況に関しては、ＤＳＣを、大量の透明部分および／または大きいサイズの透明部分を有する、印刷されたパターンを有するように設計することができる。
【００８１】
方法
本発明によるＤＳＣは、様々な方法で製造することができる。ＷＯ２０１３／０５３５０１には、本発明によるＤＳＣの製造のために使用可能なスクリーン印刷技法が記載されている。ＷＯ２０１３／０５３５０１、特に４頁から７頁は、参照によって本明細書に組み込まれる。印刷技法の例は、スロットダイコーティング、グラビア印刷、スクリーン印刷、ナイフコーティング、ブレードコーティング、ドクターブレード法、フレキソ印刷、ディップコーティング、または吹き付けである。印刷という用語は、乾燥粉末堆積も包含する。乾燥粉末堆積を、たとえば、ふるい分け（ｓｉｅｖｉｎｇ）または静電粉末堆積によって行うことができる。
【００８２】
スクリーン印刷は、所望の画像を受けるために、インクを阻止するステンシルを支持するための織られたメッシュを使用する印刷技法である。取り付けられたステンシルは、インクまたは他の印刷可能材料を転写する、メッシュの開口領域を形成し、このインクまたは他の印刷可能材料は、メッシュを通して基板上に縁部の鋭い画像として押し付けることができる。スクリーンのステンシルにわたって充填ブレードまたはスキージが移動されて、転写用のメッシュ開口部内にインクが押し込まれるかまたはポンプ式に注入されて、スキージのストローク中に、毛管作用によって転写が行われる。基本的には、これは、インクを基板上に塗布するためにステンシルを使用する工程である。スクリーン印刷は、ポリエステルのスクリーンまたは他の細かいメッシュ上にデザインが置かれ、空白領域は不透過性の物質で被覆される、ステンシルによる印刷作成の方法でもある。充填ブレードまたはスキージによってインクがメッシュ開口部内に押し込まれ、スキージのストローク中に印刷表面上に移される。スクリーン印刷は、シルクスクリーン、セリグラフィー、およびセリグラフ印刷としても知られている。
【００８３】
この方法は、導電性粒子を備えるインクを使用して多孔絶縁性基板の第１の表面上に第１の層を印刷することと、導電性粒子を備えるインクを使用して多孔絶縁性基板の第２の表面上に第２の層を印刷することと、金属酸化物粒子を備えるインクを使用して第１の層の上に第３の層を印刷することと、この金属酸化物を光吸収分子で染めることと、を含む。層の各々は、少なくとも１つの不透明部分および少なくとも１つの透明部分を含むパターンで印刷され、これらのパターンは、第１の層、第２の層、および第３の層の透明部分が互いに少なくとも部分的に重なるように印刷される。
【００８４】
この方法の１つの例が、図６を参照して以下に記載される。
【００８５】
第１のステップでは、１つまたは複数の穴が、多孔絶縁性基板、たとえばガラスマイクロファイバ基板の中へと形成される。
第２のステップでは、スクリーン印刷によっておよび導電性粒子を含むインクを使用して、基板の一方の側面上に透明部分を含むパターンを印刷することによって、第１の導電性粉末層が生み出される。インクは、テルピネオールなどの有機溶媒とのＴｉＨ２の混合物から調合できる。印刷されたパターンは、基板の不透明部分と一致する。
第３のステップでは、堆積されたインクが乾燥される。
第４のステップでは、堆積された導電性粒子を有する基板が真空焼結されて、第１の多孔導電性粉末層が得られる。
【００８６】
次のステップでは、スクリーン印刷によっておよび導電性粒子を含むインクを使用して、基板の他方の側面上に透明部分を含むパターンを印刷することによって、第２の導電性粉末層が生み出される。第２の導電性粉末層の印刷されたパターンは第１の導電性粉末層と一致し、この結果、第１の層および第２の層の透明部分は位置合わせされる。堆積されたインクは乾燥され、堆積された導電性粒子は真空焼結されて、第２の多孔導電性粉末層が得られる。
【００８７】
次のステップでは、第１の多孔導電性粉末層に関して上記したものと同じ印刷パターンおよび調合ステップを使用して、ＴｉＯ２系インクが第１の多孔導電性粉末層上に堆積される。印刷されたパターンは第１の導電性粉末層および第２の導電性粉末層の印刷されたパターンと一致し、この結果、ＴｉＯ２層ならびに第１の導電性粉末層および第２の導電性粉末層の透明部分は、位置合わせされる。任意選択で、２つから３つのＴｉＯ２系インクの層が、ＴｉＯ２系インクの第１の層の上に、この層を焼結する前に、同じパターンで印刷される。
【００８８】
さらなるステップでは、ＴｉＯ２層に色素分子が付着されて、多孔性の光吸収層を形成する。
【００８９】
得られたＤＳＣを次いで、電解質で充填し、封止することができる。
【００９０】
別法として、多孔絶縁性基板、第１の多孔導電性粉末層、および色素増感されたＴｉＯ２層を含む構造を、次いで、ステップ１からステップ４に従って生み出された同じパターンを有する第２の構造と合わせて、サンドイッチ状にすることができる。
【００９１】
さらに代替の方法では、基板の穴は、乾燥ステップの後で、または焼結ステップの後で形成される。
【実施例】
【００９２】
実施例１
セラミック基板上の多孔導電性粉末層
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって、インクを調合した。次いでこのインクを、０．３ｍｍのジルコニアビーズを使用して、５０００ＲＰＭで２５分間ビーズミル処理した。ジルコニアビーズは、濾過によってインクから分離した。レーザを使用して、厚さ４５マイクロメートルの４ｃｍ×４ｃｍのガラスマイクロファイバ系基板の中心に、５ｍｍの直径を有する円形の貫通穴を穿孔した。次いで濾過されたインクを、中心に６ｍｍの直径を有する円形の穴を有する２ｃｍ×２ｃｍの正方形から成る印刷パターンを使用して、ガラスマイクロファイバ系基板の上に印刷した。円形の貫通穴および円形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、印刷パターンを基板の上で同心に調節した。印刷後、堆積されたインクを、摂氏２００度で５分間乾燥した。続いて、被覆されたガラスマイクロファイバ基板を、摂氏６００度で真空焼結した。焼結中の圧力は、０．０１Ｐａ（０．０００１ミリバール）未満であった。結果として得られた多孔導電性粉末層は、チタン金属多孔フィルムであった。
【００９３】
続いて、ＴｉＨ２に関して使用されたものと同じ印刷パターンおよび調合ステップを使用して、多孔導電性粉末層上に、ＴｉＯ２系インク（またはＴｉＯ２−黒（ＴｉＯ２−ｂｌａｃｋ））を印刷した。
【００９４】
印刷の前に、基板に加熱したゴム被覆ローラを通過させて、基板の表面の平滑化をもたらすようにしてもよい。基板にゴム被覆ローラを通過させる前に、基板をコロイドシリカで処理することもできる。
【００９５】
代替の基板は、アルミノケイ酸塩繊維系の、またはアルミノケイ酸塩繊維とガラスマイクロファイバもしくは石英繊維の混合物系の基板である。
【００９６】
実施例２
セラミック基板上に印刷された多孔導電性粉末層
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって、インクを調合する。次いでこのインクを、０．３ｍｍのジルコニアビーズを使用して、４０００ＲＰＭで３０分間ビーズミル処理した。ジルコニアビーズは、濾過によってインクから分離した。穴パンチを使用して、厚さ６７マイクロメートルの４ｃｍ×４ｃｍアルミノケイ酸塩マイクロファイバ系基板の中心に、５ｍｍの縁部長さを有する正方形の貫通穴をパンチングした。次いで濾過されたインクを、中心に６ｍｍの縁部長さを有する正方形の穴を有する２ｃｍ×２ｃｍの正方形から成る印刷パターンを使用して、マイクロファイバ系基板の上に印刷した。正方形の貫通穴および正方形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、および２つの正方形の縁部が位置合わせされるように、印刷パターンを基板の上で同心となるように調節した。
【００９７】
印刷後、インクを、摂氏２００度で５分間乾燥した。続いて、被覆されたセラミック基板を摂氏８５０度で３０分間真空焼結し、次いでおよそ摂氏２０度まで冷却した。焼結中の圧力は、０．０１Ｐａ（０．０００１ミリバール）未満であった。結果として得られた多孔導電性粉末層は、チタン金属多孔フィルムであった。続いて、ＴｉＨ２に関して使用されたものと同じ印刷パターンおよび調合ステップを使用して、多孔導電性粉末層上に、ＴｉＯ２系インク（またはＴｉＯ２−黒）を印刷した。多孔導電性粉末層の厚さは１６マイクロメートルであり、多孔率は４４％であった。測定されたシート抵抗は、０．５オーム／スクエア未満であった。
【００９８】
別法として、ＴｉＨ２インクを印刷する前に、セラミック基板にまず、基板表面をより滑らかでより平坦にするために、ＴｉＯ２の多孔層が印刷される。ＴｉＨ２インクを印刷する前の基板表面が滑らかなほど、所与の多孔導電性粉末層厚さに対する多孔導電性粉末層のシート抵抗が低くなることが分かっている。
【００９９】
実施例３
セラミック基板上に白金が堆積された第２の多孔導電性粉末層
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって、インクが調合される。このインクは、０．３ｍｍのジルコニアビーズを使用して、５０００ＲＰＭで２５分間ビーズミル処理される。ジルコニアビーズは、濾過によってインクから分離される。レーザを使用して、厚さ４５マイクロメートルの４ｃｍ×４ｃｍのガラスマイクロファイバ系基板の中心に、５ｍｍの直径を有する円形の貫通穴を穿孔した。次いで濾過されたインクを、ヘキサクロロ白金酸と混合し、中心に６ｍｍの直径を有する円形の穴を有する２ｃｍ×２ｃｍの正方形から成る印刷パターンを使用して、ガラスマイクロファイバ系基板の上に印刷した。円形の貫通穴および円形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、印刷パターンを基板の上で同心に調節した。次いで印刷されたインクを、摂氏２００度で５分間乾燥した。続いて、印刷されたセラミック基板を摂氏６００度で真空焼結し、次いで室温まで冷却した。焼結中の圧力は、０．０１Ｐａ（０．０００１ミリバール）未満であった。結果として得られた第２の多孔導電性粉末層は、触媒量の白金を有するチタン金属多孔フィルムを備えていた。別法として、濾過されたインクは、印刷の前に、白金被覆された導電性粒子と混合される。
【０１００】
別法として、濾過されたインクは、ヘキサクロロ白金酸と混合されない。代わりに、ヘキサクロロ白金酸の溶液が真空焼結された多孔導電性粉末層上に印刷され、これは次いで乾燥および加熱されて堆積されたヘキサクロロ白金酸が分解され、この結果、表面上に白金が堆積され、こうして第２の多孔導電性粉末層が形成される。基板は、ガラスマイクロファイバ、または石英繊維およびガラスマイクロファイバの代わりに、アルミノケイ酸塩マイクロファイバ系のものとすることができる。
【０１０１】
基板に、印刷の前に加熱したゴム被覆ローラを通過させて、基板の表面の平滑化をもたらすようにしてもよい。
【０１０２】
実施例４
セラミック基板上に白金が堆積された第２の多孔導電性粉末層
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって、インクを調合した。次いでこのインクを、０．６ｍｍのジルコニアビーズを使用して、６０００ＲＰＭで２５分間ビーズミル処理した。ジルコニアビーズは、濾過によってインクから分離した。穴パンチを使用して、厚さ６７マイクロメートルの４ｃｍ×４ｃｍアルミノケイ酸塩マイクロファイバ系基板の中心に、５ｍｍの縁部長さを有する正方形の貫通穴をパンチングした。次いで濾過されたインクを、ヘキサクロロ白金酸と混合し、中心に６ｍｍの縁部長さを有する正方形の穴を有する２ｃｍ×２ｃｍの正方形から成る印刷パターンを使用して、マイクロファイバ系基板の上に印刷した。正方形の貫通穴および正方形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、および２つの正方形の縁部が位置合わせされるように、印刷パターンを基板の上で同心となるように調節した。次いで印刷されたインクを、摂氏２００度で５分間乾燥した。続いて、印刷された基板を、摂氏８５０度で３０分間真空内で処理および焼結し、次いでおよそ摂氏１００度まで冷却した。焼結中の圧力は、０．０１Ｐａ（０．０００１ミリバール）未満であった。結果として得られた第２の多孔導電性粉末層は、触媒量の白金を有するチタン金属多孔フィルムを備える。第２の多孔導電性粉末層の厚さは２０マイクロメートルであり、多孔率は５０％であった。シート抵抗は、０．６オーム／スクエア未満であった。
【０１０３】
別法として、濾過されたインクは、ヘキサクロロ白金酸と混合されない。代わりに、ヘキサクロロ白金酸の溶液が真空焼結された多孔導電性粉末層上に印刷され、次いで乾燥および加熱されて堆積されたヘキサクロロ白金酸が分解され、この結果、第２の多孔導電性粉末層の表面上に白金が堆積される。ＴｉＨ２インクを印刷する前に、セラミック基板にまず、基板表面をより滑らかでより平坦にするために、アルミノケイ酸塩の多孔層を印刷することができる。
【０１０４】
実施例５
両面印刷セラミック基板上の多孔導電性粉末層
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって、インクを調合した。次いでこのインクを、０．３ｍｍのジルコニアビーズを使用して、５０００ＲＰＭで２５分間ビーズミル処理した。ジルコニアビーズを濾過によってインクから分離し、ヘキサクロロ白金酸およびエチルセルロースを、濾過されたインクに添加した。レーザを使用して、厚さ４５マイクロメートルの４ｃｍ×４ｃｍのガラスマイクロファイバ系基板の中心に、５ｍｍの直径を有する円形の貫通穴を穿孔した。次いでインクを、中心に６ｍｍの直径を有する円形の穴を有する２ｃｍ×２ｃｍの正方形から成る印刷パターンを使用して、ガラスマイクロファイバ系基板の上に印刷した。円形の貫通穴および円形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、印刷パターンを基板の上で同心に調節した。次いで印刷されたインクを、摂氏２００度で５分間乾燥した。
【０１０５】
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合しその後ビーズミル処理、濾過およびエチルセルロース添加を行うことによって調合された別のインクを、次いでガラスマイクロファイバ基板の反対側の側面上に印刷し、この結果、第１の印刷された層および第２の印刷された層を、ガラスマイクロファイバ基板によって分離した。加えて、基板の円形の貫通穴および第１の印刷の円形の印刷パターンおよび第２の印刷の円形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、第２の印刷パターンを基板の第２の側面上で同心に調節した。
【０１０６】
次いで両面印刷基板を、摂氏２００度で５分間乾燥した。続いて、両面被覆セラミック基板を、摂氏６００度で真空焼結し、次いで室温まで放冷した。焼結中の圧力は、０．０１Ｐａ（０．０００１ミリバール）未満であった。結果的に得られる両面印刷基板は、一方の側面上にチタン金属の多孔導電性粉末層を、および他方の側面上に触媒量の白金を有するチタン金属を備える第２の多孔導電性粉末層を有する。
【０１０７】
別法として、第１の導電性層および第２の導電性層をそれぞれ印刷および乾燥した後で、レーザ穿孔を行うことによって、円形の貫通穴を作り出すことができる。基板の両面上に穴のない一続きの導電性層を印刷および乾燥し、次いで３つの層全てを通してレーザ穿孔することにより、穴を有する印刷パターン使用する必要がなく、また、印刷パターンの穴を調節する必要がなく、したがって、１つの単一のステップにおいて、３つの層全てを通してレーザ穿孔することによって、穴を作り出すことができる。
【０１０８】
別法として、印刷および乾燥された第１の導電性層および第２の導電性層の真空焼結の後で、１つの単一のステップにおいて３つの層を通してレーザ穿孔することによって、円形の貫通穴を作り出すことができる。
【０１０９】
別法として、レーザ穿孔の前に、セラミック基板の反対側の側面上に、多孔性のセラミック被覆を堆積する。そのようなセラミック印刷は、第１の多孔導電性粉末層と第２の多孔導電性粉末層との間の電気接触を防止するために有用であり得る。インクを作成する前に、ＴｉＨ２粉末を、たとえばＴｉＨ２粉末上に堆積された白金塩の熱的分解によって、表面処理することができる。さらに、濾過されたインクを、白金被覆された導電性粒子内に混合する代わりに、ヘキサクロロ白金酸と混合することができる。
【０１１０】
実施例６
セラミック基板上に片面印刷された多孔導電性粉末層に基づくＤＳＣ
実施例１により生み出された片面印刷ガラスマイクロファイバ基板の、白金を含まない第１の多孔導電性粉末層側面上に、２０ｎｍ粒子を含む厚さ２０マイクロメートルのＴｉＯ２インクの層をスクリーン印刷した。乾燥されたＴｉＯ２インク層の厚さは、１〜２マイクロメートルであった。第１のＴｉＯ２の層の上に、厚さ６０マイクロメートルの第２のＴｉＯ２インクの層を印刷し、乾燥した。第２のＴｉＯ２層上に、第３のＴｉＯ２層を印刷し、乾燥した。続いて、ＴｉＯ２堆積構造を、摂氏５００度の空気中で２０分間熱処理にかけた。およそ摂氏７０度まで冷却した後で、ＴｉＯ２堆積構造を、２０ｍＭのＺ９０７色素のメトキシプロパノール溶液に浸漬し、摂氏７０度で３０分間熱処理し、続いてメトキシプロパノール中ですすぎ、乾燥空気中で乾燥した。次いで、ガラスマイクロファイバ基板、多孔導電性層、および色素増感されたＴｉＯ２から成る構造を、実施例３に従って生み出された第２の構造と合わせて、サンドイッチ状にした。第２の構造は、触媒量の白金を含むチタン金属多孔フィルムを有するガラスマイクロファイバ基板から成るものであった。第２の構造を第１の構造とサンドイッチ状にし、このことにより、触媒量の白金を含むチタン金属多孔フィルムを、第１の構造のガラスマイクロファイバ基板側面と物理的に接触させた。このことにより、第１の構造および第２の構造の導電性層が、第１の構造におけるガラスマイクロファイバ基板によって、電機的および物理的に分離した。さらに、第１の構造における基板の貫通穴および第１の構造における印刷パターンの穴および第２の構造における印刷パターンの穴が同じ中心を共有するように、第２の構造の円形の穴を同心に調節した。その後、このサンドイッチ構造に電解質を添加し、サンドイッチ構造を封止した。
【０１１１】
実施例７
セラミック基板上に両面印刷された多孔導電性粉末層に基づくＤＳＣ
実施例５または実施例６により生み出された両面印刷ガラスマイクロファイバ基板の、白金を含まない第１の多孔導電性粉末層側面上に、２０ｎｍ粒子を含む厚さ２０マイクロメートルのＴｉＯ２インクの層をスクリーン印刷した。乾燥されたＴｉＯ２インク層の厚さは、１〜２マイクロメートルであった。第１のＴｉＯ２の層の上に、厚さ６０マイクロメートルの第２のＴｉＯ２インクの層を印刷し、乾燥した。第２のＴｉＯ２層上に、第３のＴｉＯ２層を印刷し、乾燥した。続いて、ＴｉＯ２堆積構造を、摂氏５００度の空気中で２０分間熱処理にかけた。およそ摂氏７０度まで冷却した後で、ＴｉＯ２堆積構造を、２０ｍＭのＺ９０７色素のメトキシプロパノール溶液に浸漬し、摂氏７０度で３０分間熱処理し、続いてメトキシプロパノール中ですすいだ。その後、この多孔導電性粉末層が両面に印刷されたセラミック基板に、電解質を添加し、構造を封止した。
【０１１２】
実施例８
阻止層を有するセラミック基板上に両面印刷された多孔導電性粉末層に基づくＤＳＣ
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合することによって、インクを調合した。次いでこのインクを、０．３ｍｍのジルコニアビーズを使用して、５０００ＲＰＭで４０分間ビーズミル処理した。ジルコニアビーズを濾過によってインクから分離し、ヘキサクロロ白金酸およびエチルセルロースを、濾過されたインクに添加した。レーザを使用して、厚さ４５マイクロメートルの４ｃｍ×４ｃｍのガラスマイクロファイバ系基板の中心に、５ｍｍの直径を有する円形の貫通穴を穿孔した。次いでインクを、基板の第１の表面上に堆積されたナノセルロースの阻止層を備える、ガラスマイクロファイバ系基板の第２の表面上に印刷した。印刷パターンは、中心に６ｍｍの直径を有する円形の穴を有する２ｃｍ×２ｃｍの正方形から成るものであった。円形の貫通穴および円形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、印刷パターンを基板の上で同心に調節した。インク中の導電粒子は、基板の細孔よりも小さく、したがって、導電粒子は、基板に入り込み、基板内に印刷された。次いで印刷されたインクを、摂氏２００度で５分間乾燥した。
【０１１３】
ＴｉＨ２をテルピネオールと混合しその後ビーズミル処理、濾過およびエチルセルロース添加を行うことによって調合された別のインクを、次いでガラスマイクロファイバ基板の反対側の側面上に印刷し、この結果、第１の印刷された層および第２の印刷された層を、ガラスマイクロファイバ基板によって分離した。加えて、基板の円形の貫通穴および第１の印刷の円形の印刷パターンおよび第２の印刷の円形の印刷パターンが同じ中心を共有するように、第２の印刷パターンを基板の第２の側面上で同心に調節した。加えて、第２の印刷された層を、ナノセルロース系の阻止層上に堆積した。
【０１１４】
次いで両面印刷基板を、摂氏２００度で５分間乾燥した。続いて、両面被覆セラミック基板を、摂氏６００度で真空焼結し、次いで室温まで放冷した。焼結中の圧力は、０．０１Ｐａ（０．０００１ミリバール）未満であった。結果的に得られる両面印刷基板は、一方の側面上にチタン金属の多孔導電性粉末層を、および他方の側面上に触媒量の白金を有するチタン金属を備える第２の多孔導電性粉末層を有する。
【０１１５】
続いて、両面印刷ガラスマイクロファイバ基板の、白金を含まない第１の多孔導電性粉末層側面上に、２０ｎｍのＴｉＯ２粒子を含む厚さ２０マイクロメートルのＴｉＯ２インクの層を、スクリーン印刷した。乾燥されたＴｉＯ２インク層の厚さは、１〜２マイクロメートルであった。第１のＴｉＯ２の層の上に、厚さ６０マイクロメートルの第２のＴｉＯ２インクの層を印刷し、乾燥した。第２のＴｉＯ２層上に、第３のＴｉＯ２層を印刷し、乾燥した。続いて、ＴｉＯ２堆積構造を、摂氏５００度の空気中で２０分間熱処理にかけた。およそ摂氏７０度まで冷却した後で、ＴｉＯ２堆積構造を、２０ｍＭのＺ９０７色素のメトキシプロパノール溶液に浸漬し、摂氏７０度で３０分間熱処理し、続いてメトキシプロパノール中ですすいだ。その後、この多孔導電性粉末層が両面に印刷されたセラミック基板に、電解質を添加し、構造を封止した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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【国際調査報告】
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