(57)【要約】  2枚の基板の間隔を一定に保つとともに、基板間に保持される電解液の量及び流動性を制御することにより、再現性に優れ安定した性能を持つ色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供する。  少なくとも一方の透明基板表面に透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された2枚の基板を重ね合わせ、該2枚の基板の間に電解液を封入してなる色素増感型太陽電池において、該2枚の基板間において、２本以上の線材からなる網目状の部材であって電極として働く部材を配置していること特徴とする色素増感型太陽電池。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の透明基板表面に透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された２枚の基板を重ね合わせ、該2枚の基板の間に電解液を封入してなる色素増感型太陽電池において、
該２枚の基板間において、２本以上の線材を網目状に編み込んでなる部材であって電極として働く部材を配置していること特徴とする色素増感型太陽電池。
【請求項２】
前記線材は導電性を有していることを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池。
【請求項３】
前記線材は絶縁性であり、前記線材の片側又は両側の表面に導電性被膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池。
【請求項４】
前記線材の厚さは、前記基板の透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された表面における凹凸の高さよりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の色素増感型太陽電池。
【請求項５】
前記２枚の基板のうち、透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成されていない基板は絶縁性であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の色素増感型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する色素増感型太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
1991年にグレッツェルらが発表した色素増感太陽電池は、シリコン半導体のp-n接合による太陽電池とは異なるメカニズムによって作動し、変換効率が高くしかも製造コストが安いという利点があり、この太陽電池は、内部に電解液を封入してあることから、色素増感型太陽電池とも呼ばれる。【０００３】
この太陽電池は、図４に示すように、透明基板１の一方の面に形成された透明導電膜７と、増感色素を担持させた半導体電極（色素増感半導体電極４）が形成された導電性基板５とを電解液を含ませた状態で重ね合わせ、その周囲に樹脂を塗って封止されている。導電性基板の表面に設けられた多孔質な酸化チタン皮膜にルテニウム錯体など太陽光を効率的に吸収することができる増感色素がコ−ティングされたものを色素増感半導体電極として用いると、光によって励起された電子が酸化チタンに注入されて電気を流すことができる。このタイプの太陽電池では、電子の授受のために電解液が必要であり、一般的にはヨウ素電解液が用いられている。
【特許文献１】特公平８−１５０９７号公報。
【特許文献２】特開２０００−１７３６８０号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図４に示す従来の色素増感太陽電池では、電解液を封止するために周辺部（断面部付近）に厚い樹脂を塗布し硬化させているのみであり、2枚の基板の間隔が太陽電池の作製毎に違っていたり、1つの太陽電池内でも異なっていたりするため、電解液の量が一定とならず、太陽電池を傾けると電解液が流出してしまうなどの再現性・安定性の問題があった。【０００５】
また、色素増感半導体電極として用いられる多孔質の酸化チタン皮膜は、塗布方法や粒径や厚さによって表面の凹凸形状が異なるものであるが、その凸部が対向する基板の導電膜と接触してしまうと、色素増感半導体電極と導電膜とが電解液を介さず通電されてしまうことになるため、電子の授受が十分に行われず、太陽電池としての効率の低下、性能の不安定化を招いてしまう。【０００６】
そこで、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、2枚の基板の間隔を一定に保つとともに、基板間に保持される電解液の量及び流動性を制御することにより、再現性に優れ安定した性能を持つ色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは鋭意研究の結果、色素増感型太陽電池の両基板間に網目状に編み込んだ線材を挟み込み、これにより電解液を保持することで、上記の課題が解決されることに想到した。【０００８】
すなわち、本発明は、少なくとも一方の透明基板表面に透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された２枚の基板を重ね合わせ、該2枚の基板の間に電解液を封入してなる色素増感型太陽電池において、該２枚の基板間において、２本以上の線材を網目状に編み込んでなる部材であって電極として働く部材を配置していること特徴とする色素増感型太陽電池を提供するものである。【０００９】
本発明の色素増感型太陽電池において、前記線材は導電性を有していることを特徴とする。あるいは、前記線材は絶縁性であり、前記線材の片側又は両側の表面に導電性被膜が形成されていてもよい。【００１０】
本発明の色素増感型太陽電池において、前記線材の厚さは、前記基板の透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された表面における凹凸の高さよりも大きいことを特徴とする。【００１１】
本発明の色素増感型太陽電池において、前記２枚の基板のうち、透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成されていない基板は絶縁性であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明した通り、本発明によれば、２つの基板間に電解液保持・電極材を配置することにより、保持される電解液の量が安定し、その流動性が抑制されるとともに、色素増感半導体電極と導電膜とが電解液を介さないで通電されることがなくなるため、効率がよく再現性に優れ安定した性能を持つ色素増感型太陽電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の色素増感型太陽電池の構成例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の色素増感型太陽電池の製造工程の例を示すプロセスフロー図である。
【図３】本発明の色素増感型太陽電池における電解液保持・電極材の構成例を示す図である。
【図４】従来の色素増感型太陽電池の構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  基板
２  電解液保持・電極材
３  電解液
４  色素増感半導体電極
５  透明ガラス基板
６  透明導電性膜
７  導電膜
８  シール材
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態としての色素増感型太陽電池について図面を用いて参照しながら説明する。本発明の実施形態の色素増感型太陽電池の概略断面図を図１に示す。【００１６】
図１において、本実施形態の色素増感型太陽電池は、基板１と、色素増感半導体電極４及び透明導電性膜６が形成された透明ガラス基板５とを有しており、両基板の間には、網目状の電解液保持・電極材２が配置され、電解液３が含まれている。尚、両基板は側面にシール材を塗布して封止してあるが、ここでは図示を省略している。【００１７】
基板１は、絶縁性のガラス基板やセラミックス基板、金属やカーボン等々の導電性材料を形成した基板、あるいは金属板などで構成することができる。透明ガラス基板５は、透明のプラスチック基板等で代用してもよい。色素増感半導体電極４は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム等から構成することができるが、これらに限定されるものではない。透明導電性膜６は、ＩＴＯ（錫含有酸化インジュウム）、酸化錫、酸化亜鉛等から構成することができるが、これらに限定されるものではなく、透過率を低下させない程度の膜厚の白金やメタル、又は炭素膜も適用可能である。シール材は、温度により硬度が変化する材料などであって、基板間を封止できるものであればよい。【００１８】
電解液保持・電極材２は、複数の線材を網目状に編み込んだメッシュ状になっており、線材の編み込み方については、平織、綾織、平畳織、綾畳織などがある。1本の線材を編み込んだものだけではなく、2本以上の線材をよじった撚り線ものを編み込んだものを用いてもよい。電解液保持・電極材２の線材の形状は、角柱状、円柱状等とすることができるが、これらに限定されるものではない。前記電解液保持・電極材２の厚みは、導電性基板の表面の凹凸や色素増感半導体電極４の凹凸よりも大きければよく、一般的には数μｍ〜1ｍｍ程度、より好ましくは数十μｍ〜数百μｍ程度とする。電解液保持・電極材２の網目間隔や線材径などについては、網目間や線材間に電解液が浸み込んで電解液の流動が抑制されるという効果が生じるように、任意に選択すればよい。【００１９】
電解液保持・電極材２の線材の材質は、ステンレスやＡｌやＮｉ等の金属性の導電性材料を用いるもののほか、ガラス、アルミナ等のセラミックス、ナイロンやポリイミド等の高分子からなる絶縁材料の片側の表面にＰｔやカーボンやＡｌやＮｉ等の金属を蒸着やメッキ法で被膜したものであってもよいが、これらに限定されるのもではなく、使用する電解液に溶解したり、電解液を弾いたり（撥水性）しないものであればよい。【００２０】
次に、本発明の実施形態の色素増感型太陽電池の製造方法について、図２を参照しながら説明する。【００２１】
まず、透明ガラス基板５として、透明なガラス基板又はプラスチック基板を用意し、この基板上にＩＴＯ（錫含有酸化インジュウム）、酸化錫、酸化亜鉛等からなる、もしくは透過率を低下させない程度の膜厚の白金、Ｔｉ等のメタル又は炭素膜等からなる透明導電性膜６を形成する。【００２２】
次に、透明導電性膜６の表面上に酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム等の金属酸化物微粒子と少量の有機高分子とを含有するコロイド溶液を印刷法等により塗布し、自然乾燥させた後、500℃の温度で加熱処理して有機高分子を揮発させる。このとき、金属酸化物微粒子を塗布した表面には、微細な細孔が形成される。ここで、表面の凹凸の高さをαステップ等の表面形状評価装置で測定しておく。このようにして透明導電性膜６の表面上に形成した多孔質の金属酸化膜を増感色素の溶液に浸漬し、その表面に増感色素を吸着させて、色素増感半導体電極４を形成する。【００２３】
このようにして透明導電性基板５に形成された色素増感半導体電極４の上に、網目状に編み込まれた電解液保持・電極材２を配置する。図３は、この電解液保持・電極材２の配置を概略的に示す上面図である。このとき、電解液保持・電極材２は、上記で測定した色素増感半導体電極４表面の凹凸の高さよりも厚みが大きいものを準備することとする。【００２４】
その後、電解液保持・電極材２を上方から挟むようにして基板１を重ね合わせ、基板間にヨウ素電解液を注入し、基板間の周囲にシール材を塗布する。尚、電解液３は、ヨウ素電解液に限定されるものではなく、酸化・還元種を含む有機電解液であればよい。
【実施例】
【００２５】
実施例１
上記した実施形態による色素増感型太陽電池を以下の様な手順で製作した。大きさが２×３ｃｍ、厚さ2.8mmのガラス基板を2枚用意し、一枚には透明導電性膜６としてITO膜をスパッタ法で200nm形成した。この表面の凹凸の高さはほぼ１μｍ以下であった。透明導電性膜６を形成した基板５上にテープ等でマスキングし塗布した後、粒径約20nmの光触媒用酸化チタンを水とポリエチレングリコール、硝酸を加えよく混ぜペースト状にし、印刷した。【００２６】
次に、大気中500℃で30分間加熱処理し、冷却し平均厚さ10μm程度のチタニア膜とした。この表面の凹凸の高さはほぼ30μｍ以下であった。これより、使用する電解液保持・電極材２は30μｍ以上の厚みを持つものを使用することとした。さらに、上記で形成したチタニア膜をルテニウム錯体のアセトニトリル溶液に浸漬した。その結果、皮膜を構成する酸化チタン微粒子上に、増感色素であるルテニウム錯体が吸着、コ−ティングされ、色素増感半導体電極４が形成された。【００２７】
電解液保持・電極材２としては、16μｍ径のステンレス製の線材３本を縄状にしたワイヤーを作成した後、ほぼピッチ100μｍで網目状にしたメッシュを作製した。厚さは約50μｍとなった。色素増感半導体電極４を形成した基板５ともう一方の基板１との間に電解液保持・電極材２を挟むようにして重ね合わせた後、基板間にヨウ素電解液３を注入した。【００２８】
ヨウ素電解液３としては、0.5Ｍヨウ化リチウムと0.05Ｍヨウ素を３−メトキシプロピオニトリルとアセトニトリル混合溶液に溶解したものを用いた。さらに、ディスペンサーを用いて基板間の周辺にシール材を塗布し封止して、色素増感型太陽電池を作製した。【００２９】
実施例２
本実施例では、実施例１で用いた電解液保持・電極材の片側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のＰｔを被膜したものを用いた以外は実施例１と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。【００３０】
実施例３
本実施例では、実施例１で用いた電解液保持・電極材の両側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のＰｔを被膜したものを用いた以外は実施例１と同様にして色素増感型太陽電池 を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。【００３１】
実施例４
本実施例では、電解液保持・電極材２として、16μｍ径のナイロン線材を用い、厚さ100μｍ程度のピッチ100μｍ程度のメッシュとした。この電解液保持・電極材２の片側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のＰｔを被膜したものを用いて、実施例１と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。【００３２】
比較例
上記の実施例に対する比較例として、電解液保持・電極材２を用いない以外は実施例１と同様にして色素増感型太陽電池を１０セル作製した。【００３３】
比較結果
実施例1〜４で作製した色素増感型太陽電池に、キセノンランプを照射して起電力を測定したところ、比較例のセルは１００ｍＷ、１ｃｍ2あたりの短絡電流は５〜１５ｍＡ、開放電圧は０.５７〜０．６５Ｖであったのに対し、実施例１のセルは１ｃｍ2あたりの短絡電流は約１５ｍＡ、開放電圧は約０.６Ｖ、実施例２のセルは１ｃｍ2あたりの短絡電流は約２０ｍＡ、開放電圧は約０．６５Ｖ、実施例３のセルは１ｃｍ2あたりの短絡電流は約２５ｍＡ、開放電圧は約０．６５Ｖ、実施例４のセルは１０セルとも１ｃｍ2あたりの短絡電流は約８ｍＡ、開放電圧は約０.６０Ｖ、であった。【００３４】
このように、本発明の色素増感型太陽電池は、再現性に優れ安定した性能を有するものであることが確認できた。【００３５】
以上、本発明の色素増感型太陽電池及びその製造方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。
【図１】
2005122322.tif 000002
【図２】
2005122322.tif 000003
【図３】
2005122322.tif 000004
【図４】
2005122322.tif 000005
【国際調査報告】
2005122322.tif 000006
2005122322.tif 000007
2005122322.tif 000008
2005122322.tif 000009