(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の波長に対する透光性を有する平面の基板上に、少なくとも透明電極層、多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されて、前記多孔質半導体層は色素吸着され、さらにカバーと前記基板との間に形成された内部空間に電解液を封止して成るモノリシック型の色素増感太陽電池において、
前記カバーが彫込まれることで前記内部空間を形成する凹部と、
前記凹部の周縁部を前記基板との間で封止する封止材とを備え、
１枚の前記基板上には複数のセルが形成され、それらのセル間および／または外周には前記封止材が塗布され、その塗布パターンのセル側および／または外周側には、前記封止材の余剰分が流入する凹溝が形成されていることを特徴とする色素増感太陽電池。
【請求項２】
前記複数のセルは相互に切離して用いられ、前記凹溝部分には、カバーの外側からブレイクラインが形成されていることを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
【請求項３】
前記セル間および／または外周における前記封止材として、ガラスフリットが用いられることを特徴とする請求項１または２記載の色素増感太陽電池。
【請求項４】
太陽電池の波長に対する透光性を有する平面の基板上に、少なくとも透明電極層、多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されて、前記多孔質半導体層は色素吸着され、さらにカバーと前記基板との間に形成された内部空間に電解液を封止して成るモノリシック型の色素増感太陽電池の製造方法において、
前記カバーに、前記内部空間を形成する凹部を彫込む工程と、
前記凹部の周縁部に封止材を形成する工程と、
前記封止材を固化させて前記カバーと基板とを接合する工程とを含み、
１枚の前記基板上には複数のセルが形成され、それらのセル間および／または外周には前記封止材が塗布され、その塗布パターンのセル側および／または外周側に、前記封止材の余剰分が流入するための凹溝を形成する工程をさらに備えることを特徴とする色素増感太陽電池の製造方法。
【請求項５】
前記複数のセルは相互に切離して用いられ、前記凹溝部分には、前記カバーの外側から、ブレイクラインを形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の色素増感太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色素増感太陽電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
色素増感太陽電池（ＤＳＣ）は、シリコン太陽電池に比べて、低照度で効率良く発電でき、また、低コスト、低エネルギーで生産できるので、低消費電力な独立型（スタンドアローン）の機器の電源などとして利用が始まっている。中でも、モノリシック型の色素増感太陽電池は、１枚の基板上に印刷パターンで形成でき、他の主要なＷ型やＺ型などに比べて、コストと量産性に優れており、たとえば特許文献１で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図５は、典型的な従来技術の色素増感太陽電池９のセル構造を示す断面図である。なお、この色素増感太陽電池９は、モノリシック型で、光入射側で、太陽電池の波長に対する透光性を有する平板のガラス基板９１上に、少なくとも、透明電極９２が形成され、その上に多孔質半導体に色素吸着された光電変換層９３および多孔質絶縁層９４が積層され、その上に背面電極９５および触媒層９６が積層され、周囲に接着性合成樹脂などによる封止材９７が塗布されて、平板のカバーガラス９８で封止され、内部空間内に電解液９９が充填されて構成される。
【０００５】
このように構成されるモノリシック型の色素増感太陽電池９は、電解液９９に水分が侵入すると、効率劣化が進行する。そのため、封止材９７による確実な封止が必要になる。一般的には、各種の封止材９７による電解液９９の溶媒の蒸発防止や、前記の水分の侵入防止性から、ガラス基板９１とカバーガラス９８との隙間Ｈ１に対して、封止幅Ｗ１のアスペクト比Ｗ１／Ｈ１は、少なくとも１００倍以上が必要であった。
【０００６】
ここで、光電変換層９３および多孔質絶縁層９４や背面電極９５などは印刷で形成され、総厚は５０〜７０μｍになる。そのため、封止幅Ｗは、少なくとも５〜７ｍｍが必要になる。また、封止材９７を前記の５０〜７０μｍ以上に厚く塗布することが必要なために、一般的にはディスペンサーで塗布することになるが、前記の５〜７ｍｍもの幅を、しかも生産性を高めるために多数個取りする複数のセル分塗布しようとすると、長時間を要する。また、封止幅Ｗが広くなると、相対的に発電に供する面積が少なくなったり、必要な発電量を確保するためにはパネルが大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、封止材の幅を狭くして発電に供する面積を相対的に拡大しつつも、封止の信頼性をアップすることができるとともに、生産性の向上を実現することができる色素増感太陽電池およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の色素増感太陽電池は、太陽電池の波長に対する透光性を有する平面の基板上に、少なくとも透明電極層、多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されて、前記多孔質半導体層は色素吸着され、さらにカバーと前記基板との間に形成された内部空間に電解液を封止して成るモノリシック型の色素増感太陽電池において、前記カバーが彫込まれることで前記内部空間を形成する凹部と、前記凹部の周縁部を前記基板との間で封止する封止材とを備え、１枚の前記基板上には複数のセルが形成され、それらのセル間および／または外周には前記封止材が塗布され、その塗布パターンのセル側および／または外周側には、前記封止材の余剰分が流入する凹溝が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の色素増感太陽電池の製造方法は、太陽電池の波長に対する透光性を有する平面の基板上に、少なくとも透明電極層、多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されて、前記多孔質半導体層は色素吸着され、さらにカバーと前記基板との間に形成された内部空間に電解液を封止して成るモノリシック型の色素増感太陽電池の製造方法において、前記カバーに、前記内部空間を形成する凹部を彫込む工程と、前記凹部の周縁部に封止材を形成する工程と、前記封止材を固化させて前記カバーと基板とを接合する工程とを含み、１枚の前記基板上には複数のセルが形成され、それらのセル間および／または外周には前記封止材が塗布され、その塗布パターンのセル側および／または外周側に、前記封止材の余剰分が流入するための凹溝を形成する工程をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、光入射側となる太陽電池の波長に対する透光性を有する平面の基板上に、少なくとも透明電極層、多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されて、前記多孔質半導体層は色素吸着され、さらにカバーと前記基板との間に形成された内部空間に電解液を封止して成る色素増感太陽電池において、前記内部空間の形成を、従来の平板の一対の基板と、周縁部に形成する封止材の壁とによって形成するのではなく、カバーの側を彫込んで形成した凹部で実現する。
【００１１】
詳しくは、平面基板上に、少なくとも前記透明電極層、色素吸着された多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されるモノリシック型の色素増感太陽電池で、それらのパターンが形成されることのないカバーの側で、それらのパターンに対応する部分を、それらの合計膜厚以上の深さに、サンドブラストやエッチングなどで彫込んで、前記凹部を形成する。そして、基板とカバーとの周縁部を、封止材で接合して、前記凹部による内部空間を気密に封止する。
【００１２】
したがって、前記内部空間の高さ、すなわち膜厚を、カバーの彫込み深さで確保するので、封止材の厚みを極めて薄くすることができる。これによって、封止材の幅も狭くすることができ、狭額縁化して、基板からの太陽電池パネルの取れ数を増やしたり、同じ基板面積当りの発電量を増やしたりすることができる。さらに、発電効率を上げるために、多孔質半導体層上にさらに多孔質光反射層などを形成するなど、印刷層の膜厚がさらに厚くなっても、それに合わせてカバーの凹部を彫込めばよい。また、封止材は、狭い幅で、薄く塗布すればよく、特に太陽電池セルを多面取り取り生産した場合、ボトルネックとなる封止材の塗布を、従来のディスペンスから、スクリーン印刷へ工法転換することができ、封止の信頼性アップとともに、大幅な生産性の向上を実現することができる。
【００２３】
また、相互に直列または並列に接続されたり、或いは同時に大量で生産できるように、１枚の基板上に複数のセルが形成される色素増感太陽電池のパネルにおいて、そのパネルのセル間および／または外周を、さらに封止材で封止するにあたって、その封止材の塗布パターンのセル側および／または外周側に凹溝を形成しておく。
【００２４】
これによって、基板とカバーとを圧着させた際、余剰となった封止材は、この凹溝に流れ込み、該凹溝より内側に滲出しないので、不所望にセル内に封止材が滲出することを未然に防止することができる。さらに、封止材は薄膜化するので、内部応力が小さく、剥離強度が向上する。
【００２５】
また、本発明の色素増感太陽電池では、前記複数のセルは相互に切離して用いられ、前記凹溝部分には、カバーの外側からブレイクラインが形成されていることを特徴とする。
【００２６】
さらにまた、本発明の色素増感太陽電池の製造方法では、前記複数のセルは相互に切離して用いられ、前記凹溝部分には、前記カバーの外側から、ブレイクラインを形成する工程をさらに備えることを特徴とする。
【００２７】
上記の構成によれば、１枚の基板上に複数のセルが形成されて、セル間および／または外周に、余剰分の封止材が流れ込む凹溝を形成しておく場合に、カバーの反対側の面からは、ブレイクラインを形成しておく。
【００２８】
したがって、このブレイクラインと凹溝とによる薄肉部分を利用して、容易かつ確実に、個別のセルの切離しを行うことができる。また、ブレイクラインからセルを切離す際の衝撃に対しては、凹溝に流れ込んだ封止材の厚みのために、剥離などを防止することができる。
【００２９】
また、本発明の色素増感太陽電池では、前記セル間および／または外周における前記封止材として、ガラスフリットが用いられることを特徴とする。
【００３０】
上記の構成によれば、ガラスカバーの封止接着部に、予めガラスフリットペーストをスクリーン印刷等で印刷形成しておき、このガラスカバーをガラス基板に貼合わせて、レーザ光を照射して、あるいは全体を３００〜４５０℃に昇温して、前記ガラスフリットを溶融させて融着させることで、硬度が高くなり、強固な接着強度を得ることができる。これによって、完全な電解液溶媒飛散防止や水分封止の効果を得ることができるとともに、ブレイクも確実に行うことができる。
【００３１】
この点、従来は、ガラス基板とカバーガラスとの間は、前述のように５０〜７０μｍの隙間があるために、ガラスフリットペーストの塗布もスクリーン印刷で何回も重ね印刷したり、ディスペンサーで時間をかけて塗布することが必要であり、さらに昇温してガラスフリットを溶融させても、隙間が広いために気泡が入り易かったりして、良好な封止は困難であった。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の色素増感太陽電池およびその製造方法は、以上のように、光入射側となる太陽電池の波長に対する透光性を有する平面の基板上に、少なくとも透明電極層、多孔質半導体層、多孔質絶縁層および背面電極層が順次積層されて、前記多孔質半導体層は色素吸着され、さらにカバーと前記基板との間に形成された内部空間に電解液を封止して成るモノリシック型の色素増感太陽電池において、前記内部空間の形成を、従来の平板の一対の基板と、周縁部に形成する封止材の壁とによって形成するのではなく、カバーの側を彫込んで形成した凹部で実現する。
【００３５】
それゆえ、前記内部空間の高さ、すなわち各層の合計膜厚を、カバーの彫込み深さで確保するので、封止材の厚みを極めて薄くすることができる。これによって、封止材の幅も狭くすることができ、狭額縁化して、基板からの太陽電池パネルの取れ数を増やしたり、同じ基板面積当りの発電量を増やしたりすることができる。さらに、発電効率を上げるために、多孔質半導体層上にさらに多孔質光反射層などを形成するなど、印刷層の膜厚がさらに厚くなっても、それに合わせてカバーの凹部を彫込めばよい。また、封止材は、狭い幅で、薄く塗布すればよく、特に太陽電池セルを多面取り取り生産した場合、ボトルネックとなる封止材の塗布を、従来のディスペンスから、スクリーン印刷へ工法転換することができ、封止の信頼性アップとともに、大幅な生産性の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る色素増感太陽電池のセル構造を示す断面図である。
【図２】図１の一部分を拡大して示す断面図である。
【図３】図１および図２の色素増感太陽電池を備えて成る太陽電池パネルの正面図である。
【図４】図３の一部分を拡大して示す断面図である。
【図５】典型的な従来技術の色素増感太陽電池のセル構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、本発明の実施の一形態に係る色素増感太陽電池１のセル構造を示す断面図である。図１は、構造を理解し易くするために、厚み方向を強調して示している。この色素増感太陽電池１は、モノリシック型で、光入射側で、太陽電池の波長に対する透光性を有する平板の基板１１上に、少なくとも、透明電極層１２が形成され、その上に、色素吸着された多孔質半導体層および多孔質絶縁層１３が積層され、その上にカーボンなどの背面電極層１４が積層され、周囲に封止材１５が塗布されて、カバー１６で封止され、内部空間１７内に電解液１８が充填されて構成される。
【００３８】
注目すべきは、本実施形態の色素増感太陽電池１およびその製造方法によれば、カバー１６が彫込まれる工程を有し、その彫込みによって前記内部空間１７を形成する凹部１９が形成されていることである。彫込みの深さは、前記透明電極１２の厚さに、スクリーン印刷などで形成される多孔質半導体層および多孔質絶縁層１３ならびに背面電極層１４の印刷厚さを加えた厚さより予め定める寸法だけ深く設定される。前記凹部１９を彫込む工程は、カバー１６がガラス板から成る場合、平板状のガラス板に、フッ化水素系のエッチング液でのエッチング、またはサンドブラスト処理を行うことで容易に行うことができる。このカバー１６は、該色素増感太陽電池１の背面側となるので、凹部１９が、前記サンドブラストによる粗面や、エッチングによる非平滑面でも、問題は無い。
【００３９】
具体的には、市販のＦＴＯ（フッソドープ酸化スズ）やＩＴＯ（インジウムドープ酸化スズ）等をスパッタした透明電極層１２が形成されたガラス等の基板１１上に、微粒子酸化チタンペースト等により多孔質半導体層および微粒子ジルコニアペースト等により多孔質絶縁層１３ならびに導電性カーボンペースト等により背面電極層１４を順次スクリーン印刷形成する工程を行い、色素溶液に浸漬して前記多孔質半導体層に色素吸着させる一方、ガラス板等のカバー１６に前記凹部１９を彫込む工程および凹部１９の周縁部２０に封止材１５をスクリーン印刷する工程が行われ、それぞれ終了すると、基板１１の印刷面側とカバー１６の凹面側を貼合わせ、接着性樹脂やガラスフリット等の封止材１５を、紫外線、加熱、レーザ等で固化させて接合する工程が行われる。その後、内部空間１７に電解液１８が充填され、充填口が閉鎖される。
【００４０】
前記封止材１５としては、光硬化性のアクリレート樹脂、ＵＶ、熱併用硬化性のエポキシ変性アクリレート樹脂、具体的にはスリーボンド社製ＴＢ３０３５ＢやＴＢ３１１８などの樹脂を硬化させ、あるいは低融点ガラスフリットを塗布してレーザ融着させることで実現することができる。前記色素吸着は、カルボキシル基を有するＮ７１９やＮ７４９ブラック色素などのルテニウム系色素、クマリン系色素、ポリフィン色素等を、ジメチルホルムアミドやメタノールなどの有機溶媒に溶解させた溶液に浸漬・乾燥して、微粒子チタニア表面にそれらの色素を吸着させて行うことができる。電解液１８には、アセトニトリルやメトキシプロピオニトリル等の溶媒に、ヨウ化カリウムやジメチルプロピオイミダゾリウムヨウ素等を溶解し、さらにターシャリーブチルアミン等を添加したものを用いることができる。なお、ガラスフリットで高温封止する場合は、多孔質半導体層への色素吸着工程は、貼り合わせ工程後に行ってもよい。また、発電効率を向上させるために、多孔質半導体層上に、２００〜１０００ｎｍ程度の酸化チタンなどの反射性粒子を添加した反射層を印刷形成してもよい。
【００４１】
以上のように、本実施形態の色素増感太陽電池１およびその製造方法によれば、モノリシック型の色素増感太陽電池で、基板１１上には、少なくとも透明電極層１２、色素吸着された多孔質半導体層および多孔質絶縁層１３ならびに背面電極層１４が形成されているが、それらが形成されることの無いカバー１６の側で、それらのパターンに対応する部分を、各層の合計膜厚以上の深さに彫込んで凹部１９を形成するので、封止材１５の厚みを極めて薄くすることができる。
【００４２】
図２は、図１の色素増感太陽電池１のセル端縁部分を拡大して示す断面図である。図２で示すように、前記凹部１９の彫込みによって、該凹部１９の周縁部２０と基板１１との間の隙間Ｈ２を、極力０に近付けることができ、たとえば封止材１５をスクリーン印刷で形成することができる最小限の膜厚、３〜５μｍ程度で管理することができる。具体的には、５μｍ程度のスペーサ粒子を封止材１５に少量添加して、印刷・加圧貼り合わせすれば、隙間Ｈ２を、極めて安定的に、μｍ単位での管理が可能である。
【００４３】
したがって、接合部分（周縁部２０）の幅Ｗ２とのアスペクト比Ｗ２／Ｈ２を、電解液１８の溶媒の蒸発防止や、防湿性に充分な効果を得ることができる１４０倍としても、該幅Ｗ２は、０．７ｍｍと狭くすることができる。これによって、狭額縁化して、基板１１からの太陽電池（１）のパネルの取れ数を増やしたり、同じ基板面積当りの発電量を増やしたりすることができる。また、封止材１５は、狭い幅Ｗ２で、薄く（Ｈ２）塗布すればよく（厚塗りする必要が無く）、特に太陽電池セル（１）を多面取り取り生産した場合、ボトルネックとなる封止材の塗布を、従来のディスペンスから、スクリーン印刷へ工法転換することができ、封止の信頼性アップとともに、大幅な生産性の向上を実現することができる。モノリシック型の色素増感太陽電池は、最もコストと量産性に優れており、本実施形態では、さらにそれの信頼性および生産性を向上することができ、好適である。
【００４４】
また、注目すべきは、本実施形態の色素増感太陽電池１では、図２で拡大して示すように、凹部１９の周縁部２０に、粗面処理が施されていることである。特に、凹部１９がサンドブラストで形成される場合、彫込みが終了すると、或いは彫込みの終半に、カバー１６の全面にサンドブラスト処理を施す工程を行うだけでよい。そうすることで、封止材１５に対する周縁部２０の表面積（沿面距離）を増やすことができ、接合強度を高めることができるとともに、前記電解液１８の溶媒の蒸発防止や、防湿性に、より高い効果を得ることができる。
【００４５】
図３は、上述の色素増感太陽電池１を備えて成る太陽電池パネル３の正面図である。図１および図２の色素増感太陽電池１は、単体セルで説明しているが、多くの場合、１枚の基板３１（１１）上に、複数のセル（１）が形成され、それらが直列および／または並列に接続されて使用される。一方、単体セル（１）で使用される場合も、たとえば４００ｍｍ×３００ｍｍの基板３１から、９０ｍｍ×４５ｍｍのセル（１）が多面取り（２４ケ取り）で生産される。
【００４６】
そして、１枚の基板３１（１１）上に、複数のセル（１）が形成されて、それらのセル（１）間および／または基板３１（１１）の外周に、封止材１５が塗布される場合、注目すべきは、本実施形態では、その塗布パターン３２のセル側および／または外周側には、前記封止材１５の余剰分が流入する凹溝３３，３４が形成される工程が行われることである。図４は、図３の一部分を拡大して示す断面図である。図３の例では、セル（１）間には塗布パターン３２は形成されておらず、基板３１（１１）の外周に形成されている。さらに、図３の例では、塗布パターン３２の、内（セル）側には凹溝３３が、外側には凹溝３４が形成されているが、基板３１（１１）の大きさとセル（１）の大きさなどの兼ね合い、或いは外観や太陽電池としての性能上の問題などが無ければ、外側の凹溝３４については、任意である。
【００４７】
このように構成することで、基板３１（１１）とカバー１６とを圧着させた際、余剰となった封止材（３２）は、この凹溝３３，３４に流れ込み、該凹溝３３，３４より内側に滲出しないので、不所望にセル（１）内に封止材３３，３４が滲出することを未然に防止することができる。さらに、封止材（３２）は薄膜化するので、内部応力が小さく、剥離強度が向上する。
【００４８】
一方、前述のようにこの図３のパネルが多面取りされる場合、複数のセル（１）は相互に切離して用いられるので、外側の凹溝３４部分には、図４で示すように、カバー１６の外側から、ブレイクライン３５が形成されてもよい。このように構成することで、１枚の基板３１（１１）上に複数のセル（１）が形成されて、セル間および／または外周に、余剰分の封止材１５，３２が流れ込む凹溝３３，３４を形成しておく場合に、カバー１６の反対側の面からのブレイクライン３５と、凹溝３４とによる薄肉部分を利用して、容易かつ確実に、個別のセル（１）の切離しを行うことができる。また、ブレイクライン３５からセル（１）を切離す際の衝撃に対しては、凹溝３４に流れ込んだ封止材３２の厚みのために、剥離などを防止することができる。
【００４９】
その場合、封止材３２として、ガラスフリットを用い、それにレーザ光を照射して固化させることで封止を行うことができ、一方、ガラスフリットは固化すれば硬度が高く、前記ブレイクライン３５でのブレイクを確実に行うことができる。
【００５０】
ここで、凹型に形成した基板を用いて封止を行う色素増感太陽電池が、特開２０１０−１２３５５６号公報や、特開２００４−３６２７９３号公報に示されている。それらの従来技術によれば、多孔質酸化チタン、色素および電解液等を高分子吸収体でゴム状ゲル材としており、そのため厳密な封止（シール）に工夫したものではないが、凹部とリブ立てした壁との組合わせが示されている。
【００５１】
しかしながら、この従来技術は、透明導電性基板を含めて、両方の基板を凹凸に成形して、双方を嵌合させる構成である。したがって、高価な成形金型が必要であるのみならず、高温で成形するので、素材の熱膨張収縮やヒケ等のために、量産レベルのバラツキを含めると、導電性基材とカバー基材とをμｍ単位で管理することは極めて困難である。つまり、これらの従来技術は、基板の隙間をほぼ０に近付けて額縁幅を狭くするというよりも、横の隙間を縦にすることで額縁幅を狭くするものと考えることができる。
【００５２】
また、これらの従来技術では、凹型に成形した基材の凹部に透明電極や多孔質半導体層などをパターンで形成せねばならず、スクリーン印刷などの量産性の工法は使えず、きわめて特殊なマスキングをして、透明電極を、スパッタ形成や、多孔質半導体層のスプレーなどで形成しなければならず、量産性に乏しく、安価に製造することは困難である。したがって、カバー１６を、エッチングやサンドブラストで彫込み形成する本実施形態とは、量産性やコストが全く異なることになる。
【符号の説明】
【００５３】
１    色素増感太陽電池（セル）
１１    基板
１２    透明電極層
１３    多孔質半導体層および多孔質絶縁層
１４    背面電極層
１５    封止材
１６    カバー
１７    内部空間
１８    電解液
１９    凹部
２０    周縁部
３    太陽電池パネル
３１    基板
３２    塗布パターン
３３，３４    凹溝
３５    ブレイクライン
【図１】
0006914548.tif 000002
【図２】
0006914548.tif 000003
【図３】
0006914548.tif 000004
【図４】
0006914548.tif 000005
【図５】
0006914548.tif 000006