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JP6176698B2 - 色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセル - Google Patents

色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセル Download PDF

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Description

この出願の発明は、水晶等の２酸化ケイ素と色素増感２酸化チタンを組み合わせて起電する色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルに係る。
シリコン等の半導体を用いた半導体ソーラーセルは変換効率が高い反面、高純度の材料を使用するため高価である。
比較的安価なソーラーセルとして２酸化チタン（ＴｉＯ２）あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるソーラーセルがある。
２酸化チタンが起電に利用できる光は波長が３８０nm以下の紫外線のみであり、この波長領域の紫外線は太陽光中の４％に過ぎなく、太陽光の利用効率は最大でも４％、実際には１％がせいぜいであるため、太陽光の利用効率はきわめて低い。
二酸化チタンソーラーセルが利用できる光の範囲を拡げ、太陽光の利用率を上げるために二酸化チタン起電体５にルテニウム錯体色素を付着させた色素増感型２酸化チタン起電体７は可視光の一部によっても起電できるため、色素増感型ソーラーセル（ＤＳＳＣ：Dye Sentitized Solar Cell）は可視光の一部によっても起電する。
本発明者等は、２酸化ケイ素である人工水晶又は溶融石英が、光起電能を有することを発見し、国際公開公報ＷＯ２０１１／０４９１５６号に記載された２酸化ケイ素ソーラーセルを提案した。
図１（ａ）に概念図を示す２酸化ケイ素ソーラーセルは、各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板２１及び２３のＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を対向させて配置し、その間に０.１５〜０.２０mmの厚さを有する２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）粒子焼成体に電解質を混入させた２酸化ケイ素起電体２６を収納して構成されている。
ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。
図１（ｂ）に示したのは国際公開ＷＯ２０１２／１２４６５５号公報及び国際公開ＷＯ２０１２／１２４６５６号公報に示された本発明者等による図１（ａ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルとは異なる構造の２酸化ケイ素ソーラーセルの概念図である。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４は電荷取り出し電極として機能する。これらの構成は図１（ａ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルと同じ構造である。
２７は酸化ケイ素焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液２８から分離されている。
図１（ｃ）に示したのはＷＯ２０１２／１２４６５５号公報及びＷＯ２０１２／１２４６５６号公報に示された本発明者等による図１（ｂ）に示した２酸化ケイ素ソーラーセルにさらに２酸化チタンソーラーセルを組み合わせたタンデム構成のソーラーセルの概念図である。
この図において、２１及び２３は各々ＦＴＯ膜２２及びＦＴＯ膜２４を有するガラス基板であり、２７は酸化ケイ素焼成体からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液２８から分離されている。図１（ｃ）に示したソーラーセルはさらに２酸化チタン焼結体からなる２酸化チタン起電体である。
本出願人はタンデム構成のソーラーセルの２酸化チタン焼結体２９にルテニウム色素等の増感色素を吸着させた色素増感タンデムソーラーセルをＷＯ２０１２／１２４６５５号公報及びＷＯ２０１２／１２４６５６号公報で示した。
色素増感タンデムソーラーセルの具体的な構造を図１（ｄ）及び（ｅ）で説明する。（ｅ）は色素増感タンデムソーラーセルの断面図、（ｄ）は光入射面側から見た上面図である。
（ｄ）において、３１及び３３は各々ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４を有するガラス基板であり、ＦＴＯ膜３２及びＦＴＯ膜３４は電荷取り出し電極として機能する。３７は２酸化ケイ素からなる２酸化ケイ素起電体であり、電解液３８からは分離されている。３５は白金膜、３９は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体、４０及び４１は取り出し電極、４２は取り出し電極４０と４１を離隔するとともに電解液３８、２酸化チタン起電体３９及び２酸化ケイ素起電体３７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
上面図である（ｄ）においてスペーサ４２はソーラーセルを収納するためにソーラーセルの周囲を取り囲んでおり、取り出し電極４０及び４１がソーラーセルの外部に露出している。光は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体３９に入射するが、増感色素の色に遮られ２酸化ケイ素起電体は見えない。
この色素増感タンデムソーラーセルのＦＴＯ薄膜４が形成された透光性基板３は１０cm×１０cmの大きさであり、２酸化ケイ素起電体は９cm×８．５cm＝７６．５cm２の大きさである。
この色素増感タンデムソーラーセルの光入射面全面７６．５cm２に０．６Sun（０．６ｋｗ／ｍ２）相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．７８Ｖ、短絡電流２１．５mＡが得られている。
国際公開ＷＯ２０１１／０４９１５６号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１２４６５５号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１２４６５６号公報
この出願に係る発明はより大きな出力を得ることが可能な色素増感タンデムソーラーセルを得ることを課題とする。
本発明者等は色素増感タンデムソーラーセルの光入射側に配置される色素増感２酸化チタン起電体を光入射面の全面に形成するよりも、部分的に形成した方がより大きな短絡電流を得ることができることを発見した。
この知見に基づき、光入射面の色素増感２酸化チタン起電体を光入射面に部分的に配置した色素増感タンデムソーラーセルを提供する。
光入射側に配置される色素増感２酸化チタン起電体を光入射面に部分的に形成した色素増感タンデムソーラーセルは光入射面全面に色素増感２酸化チタン起電体を形成したものよりも大きな短絡電流を得ることができる。
本出願人による従来技術である２酸化ケイ素ソーラーセル及び色素増感タンデムソーラーセルの説明図。 この出願に係る実施例１の色素増感タンデムソーラーセルの説明図。 この出願に係る実施例２の色素増感タンデムソーラーセルの説明図。 この出願に係る実施例３の色素増感タンデムソーラーセルの説明図。 この出願に係る実施例４の色素増感タンデムソーラーセルの説明図。 この出願に係る実施例５の色素増感タンデムソーラーセルの説明図。
図２に示したのは図１（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）の色素増感タンデムソーラーセルにこの出願の発明を適用した実施例１の色素増感タンデムソーラーセルの概念図である。
この図において、（ａ）は色素増感タンデムソーラーセルの具体的な構造の説明図、（ｂ）は色素増感タンデムソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｃ）は（ｂ）の色素増感タンデムソーラーセルの断面図である。
１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラスあるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂等の透光性基板であり、ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４は電荷取り出し電極として機能する。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
１１は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体、９及び１０は取り出し電極、６は取り出し電極９と１０を離隔するとともに電解液８、２酸化チタン起電体１１及び２酸化ケイ素起電体７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
色素増感２酸化チタン起電体１１は２本の帯状に形成され、両方の取り出し電極９及び１０に隣接して配置されている。なお、２本の帯状に形成された色素増感２酸化チタン起電体１１と１１の間には何も配置されない。
色素増感２酸化チタン起電体１１は光入射面の全面に配置されているのではなく部分的に（実施例の場合約１／５）にのみ配置されているので、２酸化ケイ素起電体７の大部分は光入射面側から見えている。
この色素増感タンデムソーラーセルのＦＴＯ薄膜４が形成された透光性基板３は１０cm×１０cmの大きさであり、２酸化ケイ素起電体は９cm×８．５cm＝７６．５cm２の大きさである。
この色素増感タンデムソーラーセルの光入射面全面７６．５cm２に０．６Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．８２Ｖ、短絡電流４５．６mＡが得られた。この短絡電流値は図１（ｄ），（ｅ）に示した色素増感タンデムソーラーセルの短絡電流値の２．１２倍である。
図３に示したのは図２に示した色素増感タンデムソーラーセルの構成を一部変更した実施例２の色素増感タンデムソーラーセルの概念図である。
この図において、（ａ）は色素増感タンデムソーラーセルの具体的な構造の説明図、（ｂ）は色素増感タンデムソーラーセルを光入射面側から見た上面図、（ｃ）は（ｂ）の色増感タンデムソーラーセルの断面図である。
１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラスあるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂等の透光性基板であり、ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４は電荷取り出し電極として機能する。
５は透光性基板３のＦＴＯ薄膜４に塩化白金酸を塗布焼成して形成した白金膜、７は白金膜５上に形成された２酸化ケイ素起電体、８は電解液である。
１１，１１は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体、９及び１０は取り出し電極、６は取り出し電極９と１０を離隔するとともに電解液８、２酸化チタン起電体１１及び２酸化ケイ素起電体７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
色素増感２酸化チタン起電体１１は２本の帯状に形成され、両方の出力電極（以降「取り出し電極」ともいう。）９及び１０に隣接して配置されている。
帯状の２本の色素増感２酸化チタン起電体１１と１１の間には増感色素が吸着されていない２酸化チタン起電体１２が配置されている。
この色素増感タンデムソーラーセルのＦＴＯ薄膜４が形成された透光性基板３は１０cm×１０cmの大きさであり、２酸化ケイ素起電体は９cm×８．５cm＝７６．５cm２の大きさである。
この色素増感タンデムソーラーセルの光入射面全面７６．５cm２に０．６Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．７５Ｖ、短絡電流３２．３mＡが得られた。この短絡電流値は図１（ｄ），（ｅ）に示した色素増感タンデムソーラーセルの短絡電流値の１．５０倍である。
図４に示したのは、図３に示した２本の帯状に形成された色素増感タンデムソーラーセルの色素増感２酸化チタン起電体１２を、両側の取り出し電極９及び１０と直交するように配置した実施例３の色素増感２酸化チタンタンデムソーラーセルの光入射面側の上面図である。
１及び３は各々ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４を有するガラスあるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂等の透光性基板であり、ＦＴＯ膜２及びＦＴＯ膜４は電荷取り出し電極として機能する。
１２は増感色素を吸着した２酸化チタン起電体、９及び１０は取り出し電極、６は取り出し電極９と１０を離隔するとともに電解液８、２酸化チタン起電体１２及び２酸化ケイ素起電体７を収納する空間を確保するためのスペーサである。
色素増感２酸化チタン起電体１２は２本の帯状に形成され、光入射面の両端に取り出し電極９及び１０と直交して配置されている。
２本の帯状に形成された色素増感２酸化チタン起電体１２と１２の間には何も配置されないものと増感色素が吸着されていない２酸化チタン起電体が配置されたものがある。
この色素増感タンデムソーラーセルのＦＴＯ薄膜が形成された透光性基板は１０cm×１０cmの大きさであり、２酸化ケイ素起電体は９cm×８．５cm＝７６．５cm２の大きさである。
この色素増感タンデムソーラーセルの光入射面全面７６．５cm２に０．６Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．８Ｖ、短絡電流３９．８mＡが得られた。この短絡電流値は図１（ｄ），（ｅ）に示した色素増感タンデムソーラーセルの短絡電流値の１．８５倍となる。
図５に示したのは図３に示した色素増感タンデムソーラーセルの取り出し電極９，１０と並行して設けられた２本の帯状の色素増感２酸化チタン起電体１１と図４に示した色素増感タンデムソーラーセルの取り出し電極９，１０と直交して設けられた２本の帯状の色素増感２酸化チタン起電体１２を一体化した帯状体１３として、光入射面の外周辺に配置されている。
帯状に形成された色素増感２酸化チタン起電体１３の内部に何も配置されないものと増感色素が吸着されていない２酸化チタン起電体が配置されたものがある。
この色素増感タンデムソーラーセルのＦＴＯ薄膜が形成された透光性基板は１０cm×１０cmの大きさであり、２酸化ケイ素起電体は９cm×８．５cm＝７６．５cm２の大きさである。
この色素増感タンデムソーラーセルの光入射面全面７６．５cm２に０．６Sun相当の人工太陽光を照射したところ、開放電圧０．８５Ｖ、短絡電流５３．４mＡが得られた。この短絡電流値は図１（ｄ），（ｅ）に示した色素増感タンデムソーラーセルの短絡電流値の２．４８倍となる。
図２〜４に示した他に、図６に示したように島状に配置する構成もある。
この場合も色素増感２酸化チタン起電体１４が配置されていない部分に何も配置されないものと増感色素が吸着されていない２酸化チタン起電体が配置されたものがある。
短絡電流が最大２．４８倍にも増大するこの出願に係る色素増感タンデム２酸化ケイ素ソーラーセルは、発電能力の向上だけではなく、使用する２酸化ケイ素の量も節減でき、極めて有用である。
２，４，２２，２４、３２，３４ ＦＴＯ膜
１，３，２１，２３，３１，３３ ガラス基板
７，２６，２７，３７ ２酸化ケイ素起電体
８，２８，３８ 電解液
５，３５ 白金膜
１１，１２，１３，１４，３９ 色素増感２酸化チタン起電体
９，１０，４０，４１ 取り出し電極
６，４２ スペーサ

Claims (7)

  1. 透明導電膜が形成された２枚の透光性基板が各々の透明導電膜を向かい合わせて配置され、
    前記透光性基板の一方に２酸化ケイ素起電体が配置され、
    前記透光性基板の他方に色素増感２酸化チタン起電体が配置され、
    前記２枚の透光性基板の間に電解質が充填された色素増感タンデムソーラーセルであって、
    前記色素増感２酸化チタン起電体は、光入射面となる前記透光性基板の一部分のみに形成されていることを特徴とする色素増感タンデムソーラーセル。
  2. 前記色素増感２酸化チタン起電体が２本の帯状体であり、前記色素増感タンデムソーラーセルの光入射面となる前記透光性基板の端部に出力電極と並行して配置されたことを特徴とする請求項１の色素増感タンデムソーラーセル。
  3. 前記色素増感２酸化チタン起電体が２本の帯状体であり、前記色素増感タンデムソーラーセルの光入射面となる前記透光性基板の端部に出力電極と直交して配置されたことを特徴とする請求項１の色素増感タンデムソーラーセル。
  4. 前記色素増感２酸化チタン起電体が１本の帯状体であり、前記色素増感タンデムソーラーセルの光入射面となる前記透光性基板の外周辺に配置されたことを特徴とする請求項１の色素増感タンデムソーラーセル。
  5. 前記色素増感２酸化チタン起電体が、前記色素増感タンデムソーラーセルの光入射面となる前記透光性基板に島状に配置されたことを特徴とする請求項１の色素増感タンデムソーラーセル。
  6. 前記色素増感２酸化チタン起電体が配置されていない光入射面となる前記透光性基板には、起電体が配置されていないことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の色素増感タンデムソーラーセル。
  7. 前記色素増感２酸化チタン起電体が配置されていない光入射面となる前記透光性基板には、増感色素を含まない２酸化チタン起電体が配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の色素増感タンデムソーラーセル。
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