メッシュ電極を利用した光電セル
【課題】光電セルの少なくとも１つの露光側にメッシュ電極を使用する光電セルの様々な実施形態を提供する。
【解決手段】光電セルは、２つの電極の間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層と電荷キャリア媒体とからなる。少なくとも１つの露光側電極はメッシュの形の不透明材料から作られる。光電セルは、電極と電荷キャリア媒体との間の電荷移動、電流の流れ、またはその両方を容易にするために、電極のうちの少なくとも１つに隣接して配設された触媒媒体も含む。
【解決手段】光電セルは、２つの電極の間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層と電荷キャリア媒体とからなる。少なくとも１つの露光側電極はメッシュの形の不透明材料から作られる。光電セルは、電極と電荷キャリア媒体との間の電荷移動、電流の流れ、またはその両方を容易にするために、電極のうちの少なくとも１つに隣接して配設された触媒媒体も含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
メッシュ電極を利用した光電セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
我々の化石燃料の消費および依存を低減したいという願望から、多くの光電材料およびデバイスが開発されてきた。光電材料およびデバイスがエネルギー源として広く採用されるには、主として光電セルの製造に伴うコストおよび技術的な困難が制約となっている。光電セルが商業的に使用可能なエネルギー源であるためには、ある妥当な時間枠内でセルによって生成される電気エネルギーで、それらのセルのエネルギーのコストおよび材料のコストが回収可能でなければならない。
【０００３】
２つの電極の間に配設された光電材料を含む典型的な光電セル（サンドイッチ型）を製造するとき、入射光に対する電極の一方または両方の透明性は、経済的および技術的な重要要件になり得る。サンドイッチ型のセルにおいて、セルの少なくとも一方の側は露光側、すなわち入射光がそれを通過して光電材料に到達するセルの側である。光電材料の最大出力エネルギーは、それが受取る入射光の量に依存するので、サンドイッチ型光電セルは露光側電極としてほとんど常に半導体酸化膜（例えばインジウム・スズ酸化物など）を使用する。それらの半導体酸化膜は比較的コストを要し、製造が困難であるが、有用な光電セルを製造するには伝導性と共に透明性が必要であると一般に考えられ、かつ教示されているため、従来技術の光電セルでは、これらの膜に半導体のみが用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、光電セルの少なくとも１つの露光側にメッシュ電極を使用する光電セルの様々な実施形態を提供する。適切なメッシュ電極材料は、金属線材、伝導性ポリマー繊維、金属被覆すなわち金属化された合成ポリマー繊維（例えばナイロンなど）、および金属被覆すなわち金属化された天然繊維（例えば亜麻、綿、羊毛、絹など）を含むが、それらに限定されない。メッシュ電極は、好適には、例えば金属線材・メッシュ、金属被覆すなわち金属化された繊維、またはその両方など、金属メッシュを含む。本明細書で用いられる「線材（ｗｉｒｅ）」の語は、断面が実質的に円形または楕円形のメッシュ・ストランドだけではなく、断面が、例えば半円形、正方形、および矩形などの非円形および非楕円形のストランドも指す。
【０００５】
金属メッシュの線材または繊維は不透明（すなわち光を遮断する）であるが、本発明の光電セルは、露光側電極として半導体酸化膜を使用する先行技術のセルを超える幾つかの利点を提供することが可能である。例えば、高伝導性の金属（例えばステンレス鋼またはチタンなど）からなる金属メッシュ電極の伝導性は、現在入手可能な最良の透明半導体酸化膜の伝導性を凌駕する。また、様々な実施形態において、メッシュ電極を用いて光電セルを形成することにより、それらのセルに半導体酸化膜電極を用いることに伴うコストおよび技術的な問題が低減または除去される。さらに、可撓性メッシュ電極を用いることによって、剛性基板上に光電セルを製造するために典型的に用いられるバッチ法とは対照的に、連続製造法（例えばロール−ツー−ロール、ウェブなど）による本発明の光電セルの製造が容易となる。
【０００６】
さらに、本発明のメッシュ電極の不透明な部分は本質的に電極全体の透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｉｖｉｔｙ）を低下させるが、線材（または繊維）直径とメッシュの単位面積当たりの線材（または繊維）数とを適切に選択することによって、様々な実施形態において
、本発明は８０％を超える透過率のメッシュ電極を提供する。様々な実施形態において、本発明の光電セルは約６０％〜約９５％の範囲の透過率を有する露光側メッシュ電極を含む。露光側メッシュ電極は好適には約８０％を超える透過率を有し、さらに好適には透過率は約９０％を超える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様によれば、本発明は、２つの電極の間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層と電荷キャリア媒体とからなる光電セルを提供する。少なくとも１つの露光側電極はメッシュの形の不透明材料から作られる。また好適には、光電セルは、電極と電荷キャリア媒体との間の電荷移動、電流の流れ、またはその両方を容易にするために、電極のうちの少なくとも１つに隣接して配設された触媒媒体も含む。
【０００８】
本明細書で用いられる「光増感ナノ・マトリックス層（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｎａｎｏｍａｔｒｉｘ ｌａｙｅｒ）」の語は、ナノ粒子、ヘテロ接合複合材料、またはその組合せからなる光増感層を含む。一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は１つ以上の種類の相互接続されたナノ粒子を含み、光増感剤を含むことも可能である。適切なナノ粒子の例は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化テルビウム、酸化タンタル、およびそれらの組合せからなるナノ粒子を含むが、それらに限定されない。光増感剤は、例えば、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン（ｐｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、またはピロールなど、色素または有機分子であることが可能である。別の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は、例えば、ポリチオフェン中のフラーレン複合材など、ヘテロ接合複合材料からなる。様々な実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層には長距離秩序は必要でないことが理解される。例えば、光増感ナノ・マトリックス層が結晶である必要はなく、粒子領域または相領域が、規則的に、反復的に、または周期的に配列されている必要はない。
【０００９】
一実施形態において、少なくとも１つの露光側電極は金属材料からなるメッシュ電極である。金属材料は、好適には、白金、ステンレス鋼、またはそれらの合金、もしくはそれらのうちの１つ以上からなる。他の適切な金属材料は、パラジウム、チタン、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。さらに、好適には、メッシュ電極は可撓性メッシュ材料からなる。可撓性メッシュ材料によって、例えばロール−ツー−ロール法またはウェブ法など、連続製造法で本発明の光電セルを製造することが容易となる。
【００１０】
別の実施形態において、少なくとも１つの露光側電極は、メッシュの開口部に堆積された半導体酸化膜を備えるメッシュ電極からなる。それらの実施形態においては半導体酸化物が使用されるが、半導体酸化膜の製造仕様は先行技術の光電セルで必要とされ得るよりも厳密でないことが可能である。例えば、メッシュ電極であるから、セルから外部負荷へ電流を伝達するために、セルが半導体酸化膜のみに依存する必要がない。したがって、例えば、先行技術の光電セルで必要とされ得るよりも低い品質の半導体酸化膜（例えば、より低い伝導性のもの）を使用することが可能であり得る。
【００１１】
別の実施形態において、本発明の光電セルはさらに第１の基板と第２の基板とを含む。第１の基板と第２の基板との間には、２つの電極と、光増感ナノ・マトリックス層と、電荷キャリア媒体とが配設されている。１つの場合には、メッシュ電極は、例えば露光側基板である第１基板中に、部分的に埋込まれる。好適には、メッシュ電極のうちの少なくとも一部は、第１基板への部分的埋込みの前、部分的埋込みの後、または部分的埋込みの前および後の両方に、触媒媒体で被覆される。別の場合には、部分的に埋込まれたメッシュ電極は、さらに、第１基板上とメッシュの開口部中とに堆積された半導体酸化膜を含む。
【００１２】
別の態様において、本発明は第１の可撓性基板と、可撓性メッシュ電極と、第１の可撓性電極とからなる可撓性光電材料を提供する。光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体の両方は、第１の可撓性電極と可撓性メッシュ電極との間に配設される。適切な第１の可撓性電極は、メッシュ電極、伝導性箔、および伝導性膜を含むが、それらに限定されない。一実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板に隣接して配設される。他の実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板上に堆積された金属層からなる。
【００１３】
別の態様において、本発明は２つの電極の間に配設された光活性材料からなる光電セルを提供する。少なくとも１つの露光側電極はメッシュの形の不透明な材料から作られる。光活性材料はケイ素の形（例えば結晶、多結晶、非晶質など）、薄膜型の光導体（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｅｒ）、または光増感ナノ・マトリックス材料であることが可能である。
【００１４】
別の態様において、本発明は、直列、並列、またはその両方の組合せで相互接続された、本発明の２つ以上の光電セルを有する光電モジュールを提供する。好適には、光電モジュールは第１基板と第２基板との間に配設された光電セルから形成される。光電セルは各々、第１電極とメッシュ電極との間に配設された光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体からなる。一実施形態において、電気絶縁性材料が光電セルの間に配設され、２つ以上の光電セルは、電気絶縁性材料の中に埋込まれ、かつ１つの光電セルのメッシュ電極と別の光電セルの第１電極とに電気的に接触している線材によって、電気的に直列に接続される。好適には、電気的な絶縁材料は接着特性も有し、例えば、２つの基板または基板部分を結合し、本発明による光電モジュールの形成を容易にすることが可能である。
【００１５】
別の態様において、本発明は本発明の複数の光電セルからなる光電モジュールの製造方法を提供する。この方法は、ロール−ツー−ロール法またはウェブ法などの連続製造法を用いて、そうした光電モジュールの製造を容易にする。一実施形態では、方法には、第１の基板上に一群の光電セル部分を形成し、第１の基板上の２つ以上の光電セル部分の間に電気的絶縁材料を配設し、第２の基板上に一群の光電セル部分を形成し、第１の基板上の２つ以上の光電セル部分の間の電気的絶縁材料に線材を埋込み、それぞれの基板と光電セル部分とを組合わせて複数の光電セルを形成することからなり、２つ以上の光電セルは線材によって電気的に直列に接続される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明によるメッシュ電極からなる光電セルの様々な実施形態の概略断面図。
【図１Ｂ】本発明によるメッシュ電極からなる光電セルの様々な実施形態の概略断面図。
【図２Ａ】本発明によるメッシュ電極と半導体酸化膜とを含む光電セルの様々な実施形態の概略断面図。
【図２Ｂ】本発明によるメッシュ電極と半導体酸化膜とを含む光電セルの様々な実施形態を示す概略断面図。
【図３Ａ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図３Ｂ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図３Ｃ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図３Ｄ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図４Ａ】１つの露光側を有する本発明による光電セルおよび光電モジュールの一実施形態の概略断面図。
【図４Ｂ】２つの露光側を有する本発明による光電セルおよび光電モジュールの一実施形態の概略断面図。
【図５Ａ】メッシュ電極の実施形態の顕微鏡写真。
【図５Ｂ】メッシュ電極の実施形態の顕微鏡写真。
【図６】本発明の光電セルまたは光電モジュールを形成するために用いられ得る連続製造法の様々な実施形態を描く図。
【図７】光活性材料からなる、本発明の一態様による光電セルの一実施形態の概略断面図。
【図８】本発明による、金属Ｍの酸化物のナノ粒子用のポリリンカーの例示的な実施形態を描く例示的な化学構造図。
【図９】本発明による、金属Ｍの酸化物のナノ粒子用のポリリンカーの例示的な実施形態を描く別の例示的な化学構造図。
【図１０Ａ】本発明による、ポリリンカーによって相互接続されたナノ粒子膜の例示的な化学構造図。
【図１０Ｂ】本発明による、基板の酸化物層に付着された、図３Ａの相互接続されたナノ粒子膜を示す図。
【図１１】ポリ（ｎ−ブチルチタネート）の化学構造図。
【図１２Ａ】本発明による、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）によって相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子膜の化学構造図。
【図１２Ｂ】本発明による、基板の酸化物層に付着された、図１２Ａの相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子膜を示す図。
【図１２Ｃ】本発明による、メッシュ電極に付着された、図１２Ａの相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子膜を示す図。
【図１３】可撓性光電セルの全体または部分の形成に用いられ得る連続製造法の例示的な実施形態を示す図。
【図１４】例示的な太陽電池の電流−電圧曲線を示す図。
【図１５】本発明による、例示的な太陽電池の電流−電圧曲線を示す図。
【図１６】２つの追加の例示的な太陽電池の電流−電圧曲線を示す図。
【図１７】本発明による、半導体プライマー層被膜のコーティングの例示的な実施形態を描く図。
【図１８Ａ】本発明による、例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１８Ｂ】本発明による、例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１８Ｃ】本発明による、例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１９Ａ】本発明による、追加の例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１９Ｂ】本発明による、追加の例示的な共増感剤の化学構造図。
【図２０】光電セルを特徴付けるために用いた４５５ｎｍのカットオフ・フィルタ（ＧＣ４５５）の吸収を示すグラフ。
【図２１】ジフェニルアミノ安息香酸の吸収を示すグラフ。
【図２２】金属イオンを用いてゲル化した電解質の例示的な実施形態を描く図。
【図２３】リチウムイオンによる有機ポリマーの錯化によって形成されたゲル電解質を描く図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の前述のおよび他の目的、特徴、利点は、以下の本発明の様々な実施形態の説明および添付の図面からさらに完全に理解されるであろう。図面において、一般に同様の参照記号は異なる図面を通じて同じ構成要素を指す。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、その代りに、本発明の原理を示すために強調されている。
【００１８】
Ａ．メッシュ電極を用いた光電セル
本発明は、光電セルの少なくとも１つの露光側にメッシュ電極を用いた光電セルの様々な実施形態を提供する。好適には、メッシュ電極は、例えば金属線材・メッシュ、金属被覆すなわち金属化された繊維、またはその両方など、金属メッシュからなる。
【００１９】
一実施形態において、本発明は線材・メッシュの露光側電極を有する色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）を提供する。太陽電池の光増感ナノ・マトリックス層は、光増感され、かつ相互接続されたナノ粒子材料からなる。一実施形態において、線材・メッシュ電極はＤＳＳＣの透明なカソードとして機能することが可能である。好適には、メッシュは少なくとも部分的に触媒媒体で被覆されている。例えばメッシュは、例えば、電気化学セル中で塩化白金酸を用いることによる電気化学的析出によって、真空蒸着によって、または例えば塩化白金酸などの白金化合物を含む被膜の熱分解によって、白金化（ｐｌａｎｔｉｎｉｚｅｄ）が可能である。別の実施形態において、線材・メッシュ電極は、例えば、光増感相互接続ナノ粒子材料が線材・メッシュに被覆され、ＤＳＳＣのアノードとして機能することが可能である。さらに、線材・メッシュ電極はＤＳＳＣのアノードおよびカソードの両方として用いることが可能であり、例えば、ＤＳＳＣの両方の側からの光透過は有利であると考えられる。
【００２０】
図１Ａおよび図１Ｂには、第１電極１０８、１０９と、光電セル１００、１０１の露光側１１４、１１５のメッシュ電極１１２、１１３との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層１０２、１０３と、電荷キャリア媒体１０６、１０７とを含む、本発明の様々な実施形態による光電セル１００、１０１を描く。図１Ａに描いたように、メッシュ電極１１２は光電セル１００のカソードとして働き、図１Ｂに描いたように、メッシュ電極１１３は光電セル１０１のアノードとして働く。好適には、光電セルはさらに、触媒媒体１１８、１１９を含む。一実施形態において、触媒媒体１１８は電荷キャリア媒体１０６とメッシュ電極１１２とに電気的に接触して配設される。他の実施形態において、触媒媒体１１９は電荷キャリア媒体１０７と第１電極１０９とに電気的に接触して配設される。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続することが可能である。
【００２１】
好適には、光電セルは２つの基板を含み、それら２つの基板の間には、電極と、光増感ナノ・マトリックス層と、電荷キャリア媒体とが配設されている。再び図１Ａと図１Ｂを参照すると、様々な実施形態において、光電セルは第１の光透過性の基板１２０、１２１と、第２基板１２４、１２５とを含む。また、好適には、例えば連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、基板は可撓性である。
【００２２】
様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。保護被膜は、例えば汚染物質（例えば塵埃（ｄｉｒｔ）、水または酸素）をセルの中に入れない能力、セル中の化学種または組成物を保持する能力、およびセルを保護するすなわち耐久性を高める能力に基づいて選択可能である。適切な保護被膜はフッ素化炭化水素ポリマーを含むが、それに限定されない。
【００２３】
本明細書で用いられる「光透過性の基板（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」の語は、動作波長範囲で基板に入射する可視光の約６０％以上を透過する基板を指す。適切な基板は、可撓性、半剛性、および剛性の基板を含む。好適には、基板の厚さは、約６マイクロメートル（μｍすなわちミクロン）〜約２００μｍの範囲である。適切な可撓性基板の例は、光電セルに使用される基板材料の厚さにおいて約５，０００メガパスカル（ＭＰａ）未満の曲げ弾性率を有する基板を含むが、それに限定されない。以下でさらに詳細に説明するように、可撓性で光透
過性の基板に適合した温度および加熱時間で本発明による可撓性光電セルの作製を可能にする、ナノ粒子相互接続の方法が本明細書では提供される。好適には、可撓性で光透過性の基板はポリマー材料を含む。適切な基板材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｍｉｄｅ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリマー性炭化水素、セルロース誘導体、またはそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。
【００２４】
本発明の光電セルに使用する基板は有色であってもよく、無色であってもよい。好適には、基板は非散乱性かつ透明である。基板は１つ以上の実質的に平坦な表面を有してもよく、実質的に非平坦であってもよい。例えば、非平坦な基板は湾曲した表面または階段状の表面（例えば、フレネル・レンズを形成する）を有してもよく、パターン形成されていてもよい。
【００２５】
光電セルのメッシュ電極は伝導性メッシュ材料からなる。適切なメッシュ材料は、金属（例えばパラジウム、白金、チタン、ステンレス鋼、およびそれらの合金など）ならびに例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリチオフェン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｅｎｅ）誘導体およびポリアニリンなどの伝導性ポリマーを含むが、それらに限定されない。好適には、メッシュ材料は金属線材からなる。伝導性メッシュ材料は、例えば金属被覆すなわち金属化によって伝導性を付与された電気絶縁性材料からなることも可能である。電気絶縁性材料は、例えば製織繊維または光学繊維など、繊維からなることが可能である。適切な繊維の例は、合成ポリマー繊維（例えばナイロンなど）および天然繊維（例えば亜麻、綿、羊毛、絹など）を含む。好適には、メッシュ電極は可撓性であり、例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にする。
【００２６】
本発明のメッシュ電極は、例えば線材（または繊維）直径およびメッシュ密度（すなわち、メッシュの単位面積当たりの線材（または繊維）の数）に関して広範囲の形態を取り得る。メッシュは、例えば、任意の数の開口部形状を有して、規則的または不規則であることが可能である。メッシュの形状の因子が本発明に不可欠でないことは理解される。適切なメッシュ形状因子（例えば線材直径、メッシュ密度など）は、例えば、メッシュの線材（または繊維）の伝導性、所望の透過率、可撓性、機械的強度、またはそれらのうちの１つ以上に基づいて選択可能である。
【００２７】
一実施形態において、メッシュ電極は、約１μｍ〜約４００μｍの範囲の平均線材直径と、約６０％〜約９５％の範囲の線材間平均開口面積とを有する金属線材・メッシュからなる。１つの場合には、金属線材メッシュは約１０μｍ〜約２００μｍの平均線材直径と、約７５％〜約９０％の範囲の線材間平均開口面積とを有する。１つの場合には、メッシュ電極は、約２５μｍ〜約３５μｍの範囲の平均線材直径と、約８０％〜約８５％の範囲の線材間平均開口面積とを有するステンレス鋼の織り（ｗｏｖｅｎ）線材メッシュからなる。好適には、ステンレス鋼は、３３２ステンレス鋼からなるか、例えば、電荷キャリア材料またはナノ・マトリックス層の任意の腐食特性に対する適切な耐性を有する幾つかの他のステンレス鋼からなる。例えば、一部の実施形態において、３１６ステンレス鋼は充分な腐食耐性を有する。
【００２８】
別の実施形態において、メッシュ電極は、約１０μｍ〜約４００μｍの範囲の平均繊維直径と、約６０％〜約９５％の範囲の繊維間平均開口面積とを有する、金属被覆された繊維メッシュからなる。１つの場合には、繊維メッシュは、約１０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均繊維直径と、約７５％〜約９０％の範囲の繊維間平均開口面積とを有する。１つの場合には、メッシュ電極は、約１μｍ〜約５０μｍの範囲の厚さを有するチタンで被覆されたナイロン繊維からなり、得られるメッシュは、約１０μｍ〜約２５０μｍの範囲の平均繊維直径と、約６０％〜約９５％の範囲の繊維間の平均開口面積とを有する。
【００２９】
様々な実施形態において、メッシュ電極はさらに、メッシュの開口部に堆積させた透明な半導体酸化膜を含む。メッシュ電極であるから、セルから外部負荷へ電流を伝達するために、セルが透明な半導体酸化膜のみに依存する必要がない。このことによって、例えば、先行技術の光電セルに必要とされ得るよりも、低い品質の半導体酸化膜（例えば、より低い伝導性のもの）、薄い半導体酸化膜、またはその両方を使用することが可能となる。
【００３０】
一実施形態において、半導体酸化膜はメッシュ電極の線材（または繊維）を実質的に被覆しない。別の実施形態において、メッシュ電極は透明な半導体酸化膜で被覆される。透明な半導体酸化膜は、メッシュ電極の線材の間に透明で均一な半導体表面を提供することが可能である。好適には、透明な半導体酸化膜およびメッシュ電極は電気的に接触しており、結果として、メッシュ電極が電子をセルから外部負荷へ伝導することを容易にする。例えば、ＤＳＳＣにてアノードとして働くメッシュ電極については、透明な半導体酸化膜は相互接続ナノ粒子材料に半導体表面を提供し、光で発生された（ｐｈｏｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｄ）電子を相互接続ナノ粒子材料から取出すことを補助することが可能である。さらに、例えば、ＤＳＳＣにてカソードとして働くメッシュ電極については、透明な半導体酸化膜は、触媒媒体、電荷キャリア媒体、またはその両方に半導体表面を提供し、メッシュ電極からそれらの媒体への電子移動を補助することが可能である。
【００３１】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、様々な実施形態において、光電セル２００、２０１は、第１電極２０８、２０９と、光電セル２００、２０１の露光側２１４、２１５のメッシュ電極２１２、２１３と、メッシュ電極の少なくとも開口部に配設された透明な半導体酸化膜２１６、２１７との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層２０２、２０３と、電荷キャリア媒体２０６、２０７とを含む。好適には、光電セルはさらに、触媒媒体２１８、２１９を含む。一実施形態において、触媒媒体２１８は電荷キャリア媒体２０６とメッシュ電極２１２とに電気的に接触して配設されるが、好適には、触媒媒体も透明な半導体酸化膜２１６の少なくとも一部に電気的に接触して配設される。別の実施形態において、触媒媒体２１９は電荷キャリア媒体２０７と第１電極２０９とに電気的に接触して配設されるが、好適には、触媒媒体も透明な半導体酸化膜２１７の少なくとも一部に電気的に接触して配設される。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。好適には、光電セルはさらに、第１の光透過性の基板２２０、２２１と、第２基板２２４、２２５とを含む。好適には、例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、基板は可撓性である。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００３２】
適切な透明半導体酸化膜材料は、インジウム・スズ酸化物（「ＩＴＯ」）、フッ素ドープした酸化スズ、酸化スズなどを含むが、それらに限定されない。一実施形態において、透明な半導体酸化膜は厚さ約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの層として堆積される。他の実施形態において、透明な半導体酸化膜は厚さ約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍである。
【００３３】
様々な実施形態において、メッシュ電極は光電セルの基板の中に部分的に埋込まれる。一実施形態において、メッシュ電極をセルの基板に部分的に埋込むことによって、連続製造法による製造およびより高い耐久性のセルの製造が容易となる。一実施形態において、メッシュ電極は、例えば露光側基板である第１基板中に、部分的に埋込まれる。好適には、メッシュ電極のうちの少なくとも一部は、第１基板への部分的埋込みの前、部分的埋込みの後、または部分的埋込みの前および後の両方に、触媒媒体で被覆される。
【００３４】
好適には、メッシュ電極の全体が、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約７０％程度の深さまで基板中に埋込まれる。メッシュを基板に充分に定着させることが可能な
最小程度までメッシュが基板に埋込まれることによって、例えば、電荷キャリアまたはナノ・マトリックス層とメッシュとの電気的な接触面積を最大にすることが好適である。例えば、織り線材・メッシュを有する一実施形態において、線材の交差の下に位置する線材は基板に完全に埋込まれ、交差の上に位置する線材は埋込まれず、線材の交差の間の線材の部分は部分的に埋込まれる。
【００３５】
基板に埋込まれたメッシュ電極を含む様々な実施形態において、メッシュ電極の線材は、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約３０％を超える距離、基板の上に出る。一実施形態において、メッシュ電極の線材が、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約２５％〜約５０％の距離、基板の上に出るように、メッシュ電極が基板に埋込まれる。
【００３６】
基板に埋込まれたメッシュ電極を含む様々な他の実施形態において、メッシュ電極の線材（または繊維）は、好適には、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約７０％程度の深さまで基板中に埋込まれる。一実施形態において、線材（または繊維）は、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約５０％〜約７５％の範囲の深さまで基板に埋込まれる。
【００３７】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、様々な実施形態において、光電セル３００、３０１は、第１電極３０８、３０９と、光電セル３００、３０１の露光側３１４、３１５のメッシュ電極３１２、３１３との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層３０２、３０３と、電荷キャリア媒体３０６、３０７とを含む。メッシュ電極３１２、３１３は、第１の光透過性の基板３２０、３２１に部分的に埋込まれている。好適には、光電セルはさらに、第２基板３２４、３２５を含む。例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、好適には、基板は可撓性である。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００３８】
また、光電セルがさらに触媒媒体３１８、３１９を含むことも好適である。一実施形態において、触媒媒体３１８は電荷キャリア媒体３０６とメッシュ電極３１２とに電気的に接触して配設される。別の実施形態において、触媒媒体３１９は電荷キャリア媒体３０７と第１電極３０９とに電気的に接触して配設される。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。
【００３９】
様々な実施形態において、部分的に埋込まれたメッシュ電極を有する本発明の光電セルはさらに、メッシュの開口部に配設された半導体酸化膜を含む。図３Ｃおよび図３Ｄを参照すると、様々な実施形態において、光電セル３５０、３５１は、第１電極３５８、３５９と、光電セル３５０、３５１の露光側３６４、３６５のメッシュ電極３６２、３６３と、メッシュ電極の少なくとも開口部に配設された透明な半導体酸化膜３６６、３６７との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層３５２、３５３と、電荷キャリア媒体３５６、３５７とを含む。メッシュ電極３６２、３６３は、第１の光透過性の基板３７０、３７１中に部分的に埋込まれている。例えば連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、基板は可撓性であることが好ましい。好適には、光電セルはさらに、第２基板３７４、３７５を含む。例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、好適には、基板は可撓性である。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００４０】
また、光電セルがさらに触媒媒体３６８、３６９を含むことも好適である。一実施形態において、触媒媒体３６８は電荷キャリア媒体３５６とメッシュ電極３６２とに電気的に接触して配設されるが、好適には、透明な半導体酸化膜３６６の少なくとも一部にも電気
的に接触する。別の実施形態において、触媒媒体３６９は電荷キャリア媒体３５７と第１電極３５９とに電気的に接触して配設されるが、好適には、透明な半導体酸化膜３６７の少なくとも一部にも電気的に接触する。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。
【００４１】
本発明の第１電極（例えば図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂ、４〜６に示したものなど）は、メッシュ、金属箔、堆積金属層、伝導性ポリマー膜、半導体酸化膜、またはそれらのうちの１つ以上の組合せを含む、広範囲の形態を取り得るが、それらに限定されない。光電セルの第１電極の側が露光側でもある場合、第１電極は、触媒媒体で被覆されたメッシュ電極と、メッシュ開口部に透明な半導体酸化膜を有するメッシュ電極とを含む、本明細書に説明するメッシュ電極からなることが好適である。他の実施形態において、第１電極は金属箔からなることが好適である。第１電極用の適切な金属箔材料の例は、パラジウム、白金、チタン、ステンレス鋼、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。様々な実施形態において、第１電極は約１０μｍ〜約１００μｍの範囲の平均厚さを有する金属箔からなる。好適には、金属箔は約２５μｍ〜約５０μｍの範囲の平均厚さを有する。
【００４２】
一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層が、色素増感相互接続二酸化チタン・ナノ粒子材料からなる場合、第１電極は厚さ約２５μｍのチタン金属箔からなる。１つの場合には、光増感ナノ・マトリックス層はチタン金属箔、または適切なプライマー層（以下でさらに説明する）の上に直接形成される。
【００４３】
別の実施形態において、第１電極は基板上に堆積された金属層からなる。適切な金属は、パラジウム、白金、チタン、ステンレス鋼、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。様々な実施形態において、堆積金属層は約０．１μｍ〜約３μｍの範囲の平均厚さを有する。好適には、堆積金属層は約０．５μｍ〜約１μｍの範囲の平均厚さを有する。
【００４４】
別の実施形態において、第１電極は、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリアニリン、およびポリチオフェン誘導体など、伝導性ポリマーからなる。
さらに別の実施形態において、第１電極は、例えばＩＴＯ、フッ素ドープした酸化スズ、酸化スズなど、透明な半導体酸化膜を含む光透過性の材料からなる。１つの場合には、第１電極は厚さ約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの層として基板上に堆積される。他の場合には、第１電極は厚さ約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍである。
【００４５】
別の態様において、本発明は、第１の可撓性基板と、可撓性メッシュ電極と、第１の可撓性電極とからなる可撓性光電材料を提供する。光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体の両方は、第１の可撓性電極と可撓性メッシュ電極との間に配設される。好適には、光電材料は、電荷キャリア媒体に電気的に接触する触媒媒体を含む。また、様々な実施形態において、可撓性光電材料はさらに、可撓性メッシュ電極と、第１の可撓性電極と、光増感ナノ・マトリックス層と、電荷キャリア媒体とが、第１の可撓性基板と第２基板との間に配設されるように、第２基板を含む。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１の可撓性電極、可撓性メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。
【００４６】
可撓性光電材料は、図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂ、４〜６に示したものを含む広範囲の形態を取り得るが、それらに限定されない。例えば、様々な実施形態において、光電材料の第１の可撓性基板は第１の光透過性の基板であってよい。好適には、可撓性の光透過性の基板はポリマー材料からなる。適切な基板材料は、ポリエチレンテレフタレ
ート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリマー性炭化水素、セルロース誘導体、またはそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。
【００４７】
他の実施形態において、第１の可撓性基板は露光側基板ではない。これらの実施形態において、１つの場合には、第１の可撓性基板は不透明である。別の場合には、可撓性光電材料はさらに、材料の露光側に透明な保護被膜を含む。第１の可撓性基板が露光側基板でない場合、広範囲の材料が可撓性基板としての使用に適切であることは理解される。好適な基板材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、およびポリカーボネートを含む。他の適切な基板材料は、セルロース誘導体（ｃｅｌｌｏｓｉｃｓ）（充填および非充填）、ポリアミド、およびそれらのコポリマー、ポリエーテル、ならびにポリエーテルケトンを含むが、それらに限定されない。
【００４８】
適切な保護被膜はフッ素化炭化水素ポリマーおよびジシロキサンを含むが、それらに限定されない。例えば、可撓性光電材料が可撓性メッシュ電極として線材・メッシュ露光側電極を有するＤＳＳＣからなり、セルの光増感ナノ・マトリックス層が、光増感相互接続ナノ粒子材料からなる場合、好ましい保護被膜はＴｅｆｚｅｌ（登録商標）（デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ））を含むが、それに限定されない。
【００４９】
適切な第１の可撓性電極は、メッシュ電極、伝導性箔、伝導性膜、および本明細書に説明される他の第１電極を含むが、それらに限定されない。一実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板に隣接して配設される。別の実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板上に堆積された金属層からなる。また、可撓性光電材料の第１の可撓性電極の側が露光側でもある場合、第１の可撓性電極は、可撓性であると本明細書で説明したようなメッシュ電極からなることが好適である。
【００５０】
本発明の光電セルの光増感ナノ・マトリックス層は、光増感ナノ粒子材料、ヘテロ接合複合材料、またはそれらの組合せを含むことが可能である。上で説明したように、長距離秩序が光増感ナノ・マトリックス層に存在することは可能であるが、光増感ナノ・マトリックス層には長距離秩序は必要でないことが理解される。例えば、光増感ナノ・マトリックス層が結晶である必要はなく、粒子領域または相領域が、規則的に、反復的に、または周期的に配列されている必要はない。一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約１ミクロン（μｍ）〜約５μｍである。別の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約５μｍ〜約２０μｍである。光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約８μｍ〜約１５μｍであり、光増感相互接続ナノ粒子からなることが好適である。
【００５１】
一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層はヘテロ接合複合材料を含む。適切なヘテロ接合複合材料は、フラーレン（例えばＣ６０）、フラーレン粒子、またはカーボンナノチューブを含む。ヘテロ接合複合材料は、ポリチオフェンまたは一部の他の正孔輸送材料中に分散されてもよい。様々な実施形態において、ヘテロ接合複合材料は、平均寸法が約１４ｎｍ〜約５００ｎｍのフラーレン粒子、フラーレン粒子集合体、またはその両方を含む。適切なヘテロ接合複合材料の他の例は、ポリフェニレンビニレンなどの共役ポリマーを非ポリマー材料と共に含む複合材である。様々な実施形態において、ヘテロ接合複合材料は厚さ約０．１μｍ〜約２０μｍである。好適には、ヘテロ接合複合材料は厚さ約０．１μｍである。
【００５２】
別の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は１つ以上の種類の相互接続ナノ粒子を含む。適切なナノ粒子は、式ＭｘＯｙのナノ粒子を含むが、それらに限定されない。ここでＭは、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ランタン（Ｌａ）、タンタル（Ｔａ）、テルビウム（Ｔｂ）、またはス
ズ（Ｓｎ）であってよく、ｘおよびｙは零より大きな整数である。他の適切なナノ粒子材料は、チタン、ジルコニウム、ランタン、ニオブ、スズ、タンタル、テルビウム、およびタングステンの、硫化物、セレン化物、テルル化物、および酸化物、ならびにそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｎＯ２、チタン酸ナトリウム、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム、およびニオブ酸カリウムは、適切なナノ粒子材料である。様々な実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は、平均寸法が約２ｎｍ〜約１００ｎｍのナノ粒子を含む。他の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は、平均寸法が約１０ｎｍ〜約４０ｎｍのナノ粒子を含む。好適には、ナノ粒子は平均寸法が約２０ｎｍの二酸化チタン粒子である。
【００５３】
ナノ粒子は、例えば高温で焼結することによって、または好適には、例えばポリ（ｎ−ブチルチタネート）などの反応性のポリマー性連結剤によって、相互接続することが可能である。以下にさらに詳細に説明するように、ポリマー性連結剤（以降「ポリリンカー（ｐｏｌｙｌｉｎｋｅｒ）」）は、相互接続ナノ粒子層の製造を比較的低温（約３００℃未満）で、および様々な実施形態においては室温で可能にする。比較的低温の相互接続法は、可撓性ポリマー基板上に本発明の光電セルを製造することを可能にする。可撓性基板を使用することによって、本発明はセルを製造するための連続製造法の使用をさらに容易にする。
【００５４】
様々な実施形態において、相互接続ナノ粒子材料は光増感（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｔｉｚｉｎｇ）剤によって光増感される。光増感剤は入射可視光の電気への変換を促進して所望の光電効果を生じる。光増感剤は入射光を吸収し、光増感剤中の電子を励起すると考えられている。次いで、励起された電子のエネルギーは、光増感剤の励起レベルから相互接続ナノ粒子の伝導帯に移動する。この電子移動によって、有効な電荷分離と所望の光電効果が生じる。したがって、相互接続ナノ粒子の伝導帯中の電子は、光電セルに電気的に接続された外部負荷を駆動するために利用可能となる。
【００５５】
光増感剤は相互接続ナノ粒子上に吸着（例えば、化学吸着、物理吸着、またはその両方）される。光増感剤は、相互接続ナノ粒子の表面に吸着されてもよく、相互接続ナノ粒子の全体６０３に吸着されてもよく、またはその両方に吸着されてもよい。光増感剤は、例えば、動作波長範囲で光子を吸収する能力、相互接続ナノ粒子の伝導帯において自由電子（または正孔）を生成する能力、および相互接続ナノ粒子と錯形成する能力または相互接続ナノ粒子を吸着する能力に基づいて選択される。適切な光増感剤は、ナノ粒子に対して、例えば、ＴｉＯ２表面のＴｉ（ＩＶ）部位に対してキレート可能な、カルボキシル基、ヒドロキシル基、またはその両方などの官能基を有する色素を含んでよい。適切な色素の例は、アントシアニン、ポルフィリン、フタロシアニン、メロシアニン、シアニン、スクアラート、エオシン、および金属含有色素を含むが、それらに限定されない。金属含有色素は、例えば、シス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−２５ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）（「Ｎ３色素（Ｎ３ ｄｙｅ）」）、トリス（イソチオシアナト）−ルテニウム（ＩＩ）−２，２’：６’，２”−ターピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸、シス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウム、シス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）、およびトリス（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ジクロリドなどであり、これら全てはソラロニクス（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ）から入手可能である。
【００５６】
本発明の光電セルの電荷キャリア媒体部分は、光電セル中に層を形成してもよく、光増感ナノ・マトリックス層を形成する材料に分散されてもよく、またはその両方の組合せで
あってもよい。電荷キャリア媒体は、接地電位または電流源から光増感ナノ・マトリックス層（またはそれに関連する光増感剤、もしくはその両方）へ電荷が移動するのを容易にする材料である。適切な電荷キャリア材料の一般的な分類は、溶媒系液体電解質と、多価電解質と、ポリマー電解質と、固体電解質と、ｎ型およびｐ型輸送材料（例えば伝導性ポリマー）と、ゲル電解質とを含むが、それらに限定されない。これらを以下でさらに詳細に説明する。
【００５７】
電荷キャリア媒体において、他の選択も可能である。例えば、電解質組成物は、式ＬｉＸのリチウム塩を含んでもよい。ここで、Ｘはヨウ化物、臭化物、塩化物、過塩素酸塩、チオシアネート、トリフルオロメチルスルホネート、またはヘキサフルオロホスフェートである。一実施形態において、電荷キャリア媒体はレドックス（ｒｅｄｏｘ）系を含む。適切なレドックス系は有機レドックス系、無機レドックス系、またはその両方を含んでよい。それらのレドックス系の例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含むが、それらに限定されない。さらに、電解質溶液は式ＭｉＸｊを有してもよい。ここで、ｉおよびｊは１以上であり、Ｘはアニオンであり、Ｍはリチウム（Ｌｉ）、銅（Ｃｕ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、ランタニド、コバルト（Ｃｏ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）からなる群から選択される。適切なアニオンは、塩化物、過塩素酸塩、チオシアネート、トリフルオロメチルスルホネート、およびヘキサフルオロホスフェートを含むが、それらに限定されない。
【００５８】
電荷キャリア媒体は、複数の部位で金属イオンと錯化可能な有機化合物と、リチウムなどの金属イオンと、電解質溶液とを有する電解質組成物を含むことが可能である。これらの材料を組み合わせて、電荷キャリア媒体中で使用するのに適切なゲル化電解質組成物を生成することが可能である。一実施形態において、電荷キャリア媒体はレドックス系を含む。適切なレドックス系は有機レドックス系、無機レドックス系、またはその両方を含んでよい。それらのレドックス系の例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含むが、それらに限定されない。
【００５９】
幾つかの実施形態において、電荷キャリア媒体はポリマー電解質を含む。１つの場合には、ポリマー電解質はポリ（ハロゲン化ビニルイミダゾリウム）と、ヨウ化リチウムとを含む。別の場合には、ポリマー電解質はポリビニルピリジニウム塩を含む。さらに別の実施形態において、電荷キャリア媒体は固体電解質を含む。１つの場合には、固体電解質はヨウ化リチウムと、ヨウ化ピリジニウム（ｐｙｒｉｄｉｍｕｍ）とを含む。別の場合には、固体電解質はヨウ化イミダゾリウム置換体を含む。
【００６０】
幾つかの実施形態において、電荷キャリア媒体は様々な種類のポリマー多価電解質を含む。１つの場合には、多価電解質は、約５重量％〜約１００重量％（例えば５〜６０％、５〜４０％、または５〜２０％）のポリマー、例えばイオン伝導性ポリマーと、約５重量％〜約９５重量％（例えば３５〜９５％、６０〜９５％、または８０〜９５％）の可塑剤と、約０．０５Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）〜約１０Ｍの有機ヨウ化物または無機ヨウ化物のレドックス電解質（例えば約０．０５Ｍ〜約１０Ｍ、例えば０．０５〜２Ｍ、０．０５〜１Ｍ、または０．０５〜０．５Ｍ）と、約０．０１Ｍ〜約１Ｍ（例えば０．０５〜５Ｍ、０．０５〜２Ｍ、または０．０５〜１Ｍ）のヨウ素とを含む。イオン伝導性ポリマーは、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（アクリル）（ＰＭＭＡ）、ポリエーテル、およびポリフェノールを含んでよい。適切な可塑剤の例は、エチルカーボネート、プロピレンカーボネート、カーボネートの混合物、有機ホスフェート、ブチロラクトン、およびジアルキルフタレートを含むが、
それらに限定されない。
【００６１】
好適には、本発明の光電セルは、電荷キャリア媒体に電気的に接触して配設された触媒媒体も含む。適切な触媒媒体材料は、例えば、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、活性炭、パラジウム、白金、および正孔輸送ポリマー（例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリチオフェン誘導体、およびポリアニリン）を含む。好適には、触媒媒体は、電極、基板、基板被膜、電極被膜、またはそれらのうちの１つ以上に対する触媒媒体の接着を促進するために、さらにチタンまたは幾つかの他の適切な金属を含む。好適には、チタンは厚さ約０．５ｎｍ（５オングストローム（Å））で、領域に、または層として、堆積される。
【００６２】
一実施形態において、触媒媒体は厚さ約１．３ｎｍ〜約３．５ｎｍ（約１３Å〜約３５Å）の白金層からなる。別の実施形態において、触媒媒体は厚さ約１．５ｎｍ〜約５．０ｎｍ（約１５Å〜約５０Å）の白金層からなる。別の実施形態において、触媒媒体は厚さ約１．０ｎｍ〜約８０．０ｎｍ（約１０Å〜約８００Å）の白金層からなる。好適には、触媒媒体は厚さ約０．５ｎｍ（約５Å）の白金層を含む。メッシュ電極が本発明の光電セルのカソードとして働く一実施形態において、触媒媒体は、好適には、少なくとも電荷キャリア媒体に面するメッシュの側を被覆する、厚さ約５．０ｎｍ（約５０Å）の白金層からなる。
【００６３】
一実施形態において、触媒媒体は伝導性ポリマーからなる。適切な伝導性ポリマーの例は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリチオフェン誘導体、およびポリアニリンを含むが、それらに限定されない。
【００６４】
別の態様において、本発明は、直列、並列、またはその両方の組合せで相互接続された、２つ以上の本発明の光電セルを有する光電モジュールを提供する。好適には、光電モジュールは第１基板と第２基板との間に配設された光電セルから形成される。
【００６５】
図４には、本発明の様々な実施形態による、単一の露光側４０２を備える光電モジュール４００を描く。光電セルは各々、第１電極４０８とメッシュ電極４１０との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層４０４と電荷キャリア媒体４０６とからなり、好適には、メッシュ電極４１０は少なくとも部分的に触媒媒体で被覆される。好適には、光電セルは第１の光透過性の基板４１２と第２基板４１４との間に配設される。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００６６】
電気絶縁性材料４１６は光電セルの間に配設され、２つ以上の光電セルは、電気絶縁性材料４１６の中に埋込まれ、かつ１つの光電セルの第１電極と別の光電セルのメッシュ電極とに電気的に接触している線材４１８によって、電気的に直列に接続される。好適には、側部封止材４２０（例えば、テープ、被膜など）を用いて、光電セルを封止して保護する。
【００６７】
一実施形態において、メッシュ電極４１０は、ラミネート接着剤４２２を用いて第１の光透過性の基板４１２に接着される。様々な実施形態において、メッシュ電極４１０は、例えば、上記および図３Ａ〜３Ｄに関して本明細書で説明するように、第１の光透過性の基板４１２に部分的に埋込まれる。また、本明細書で説明するように、メッシュ電極４１０はさらに、少なくともメッシュ電極４１０の開口部に配設された透明な半導体酸化膜（図示せず）を含んでもよい。
【００６８】
図４に示したように、メッシュ電極４１０は、それぞれ関連する光電セルのカソードと
して働く。例えば、入射光４２５が光増感ナノ・マトリックス層４０４と相互作用して光電子を発生する。示したように、光電子によってモジュールの１つ以上のセルを通じる電流路４２７が生じ、外部負荷４３３に出力を与えることが可能なように、セルは直列に接続されている。さらに、光電セルを外部負荷４３３に電気的に接続するために、線材またはリード線を第１電極４０８、メッシュ電極４１０、またはその両方に接続してもよい。
【００６９】
図５には、入射光４５３に対する２つの露光側４５１、４５２を有する、本発明の様々な実施形態による光電モジュール４５０を描く。光電セルは各々、第１電極４５８（これもメッシュ電極の形である）とメッシュ電極４６０との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層４５４と電荷キャリア媒体４５６とからなり、好適には、メッシュ電極４６０は少なくとも部分的に触媒媒体で被覆される。光電セルは、好適には、第１の光透過性の基板４６２と第２の光透過性の基板４６４との間に配設される。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００７０】
電気絶縁性材料４６６は光電セルの間に配設され、２つ以上の光電セルは、電気絶縁性材料４６６に埋込まれ、かつ１つの光電セルの第１電極と別の光電セルのメッシュ電極とに電気的に接触している線材４６８によって、電気的に直列に接続される。好適には、側部封止材４７０（例えば、テープ、被膜など）を用いて、光電セルを封止して保護する。
【００７１】
一実施形態において、電極４５８、４６０のうちの一方または両方は、隣接する基板４６２、４６４に、ラミネート接着剤４７２を用いて接着される。様々な実施形態において、電極４５８、４６０のうちの一方または両方は、例えば、上記および図３Ａ〜３Ｄに関して本明細書で説明するように、隣接する基板４６２、４６４に部分的に埋込まれる。また、本明細書で説明するように、電極４５８、４６０のうちの一方または両方はさらに、少なくとも電極のメッシュの開口部に配設された透明な半導体酸化膜（図示せず）を含んでもよい。
【００７２】
好適には、光電モジュールの電気絶縁材料も接着特性を有し、例えば、２つの基板または基板部分を結合して、本発明による光電モジュールの形成を容易にすることが可能である。適切な絶縁材料は、エポキシおよびアクリレートを含むが、それらに限定されない。
【００７３】
光電セルを相互接続する線材に適切な材料は、チタン、ステンレス鋼、銅（ｃｏｏｐｅｒ）、銀、金、白金、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。好適には、光電セルを相互接続する線材は、ステンレス鋼からなる。理解されるように、光電セルを相互接続する線材の寸法は、例えば、光電セル間の距離に基づいて、および、セルの第１電極と、隣接するセルのメッシュ電極との間の距離に基づいて選択される。
【００７４】
本発明の光電モジュールはさらに、電極／対極の接触による短絡の防止を補助するために、メッシュ電極と第１電極との間に、電気絶縁性のビーズ、ロッド（ｒｏｄ）、または繊維（以降、集合的に「スペーサ」と呼ぶ）を含んでもよい。例えば、スペーサは、電荷キャリア媒体、絶縁材料、またはその両方に配設されてよい。スペーサの寸法（例えば、直径）および長さは、例えば、線材の太さと、光電セルを相互接続する線材の間の開口空間の寸法とに基づいて選択可能である。大面積のセルからなるモジュールにおいて、電極間の空間を維持し、それによって短絡接触を防止することは重要要件になり得る。
【００７５】
メッシュ電極、基板、光増感ナノ・マトリックス層、電荷キャリア媒体、触媒媒体、および本明細書に説明する任意の他の特徴（例えば、低温相互接続、プライマー層など）が、本発明の光電モジュールに使用されてよいことが理解される。さらに、本発明の光電モジュールは、可撓性光電モジュールであってよいことも理解される。本発明による可撓性
光電モジュールは、例えば、可撓性電極および基板材料を使用することによって作製され得る。適切な可撓性材料および方法は、例えば、可撓性光電セル、連続製造法による製造、またはその両方に関して説明されたものなど、本明細書に説明されるものを含むが、それらに限定されない。
【００７６】
好適な実施形態において、光電モジュールは、例えば、メッシュ電極は白金被覆されたステンレス鋼からなり、光増感ナノ・マトリックス層は色素増感相互接続二酸化チタン・ナノ粒子からなり、かつ第１電極はチタン箔（または、モジュールの第１電極の側が露光側でもある場合にはステンレス鋼メッシュ電極）からなる、本発明による複数のＤＳＳＣからなる。光電セルを相互接続する線材は、ステンレス鋼、銅、銀、金、白金の線材からなり、絶縁材料は、炭化水素、ポリマーのポリプロピレン誘導体、エポキシ、ウレタン、シロキサン、およびフッ素化炭化水素からなり、第１の光透過性の基板はＰＥＮからなり、かつ第２基板はＰＥＮからなる。さらに、モジュールは、マレイン酸処理されたポリエチレンのテープ（例えば、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能なＢｙｎｅｌ（商標）など）を側部封止材として封止される。
【００７７】
一実施形態において、様々な構成要素の寸法は以下の通りである。（１）線材間の平均開口面積が約８２％で、厚さ０．００１μｍの白金被膜を有する平均直径３５μｍの３１６ステンレス鋼線材のメッシュ電極、（２）第１電極は厚さ２５μｍのチタン箔であり、（３）第１の光透過性の基板は厚さ約７５μｍのＰＥＮであり、（４）第２基板は厚さ約７５μｍのＰＥＮであり、（５）光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約１０μｍ〜約１５μｍであり、シス−ビス（イソシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウムと、シス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）とを含む色素で増感された、平均直径２０〜４０ｎｍの二酸化チタン・ナノ粒子からなり、（６）電荷キャリア媒体は、厚さ約５μｍ〜約３５μｍで、ヨウ化カリウム／ヨウ素電解質からなり、（７）光電セルを接続する線材は平均直径５０μｍのステンレス鋼線材からなり、（８）絶縁材料は接着剤（例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能なＢｙｎｅｌ（商標）など）からなる。モジュールの第１電極の側が露光側でもある別の実施形態では、第１電極は、線材間の平均開口面積が約８２％で、かつ平均直径３５μｍの３１６ステンレス鋼線材のメッシュ電極であり、第２基板は光透過性の基板で、かつ厚さ約７５μｍのＰＥＮからなり、残りの構成要素は、この段落で直前に説明した寸法を実質的に有する。
【００７８】
広範囲のメッシュ構造を本発明のメッシュ電極として用いることが可能である。図５Ａおよび図５Ｂには各々、メッシュ電極の実施形態の例を示す。図５Ａには、フッ素ポリマー接着剤５０４に部分的に埋込まれたエキスパンディド金属メッシュ（ｅｘｐａｎｄｅｄ
ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）電極５０２の、顕微鏡写真５００を示す。メッシュ５０２は１つのチタン箔から作られたエキスパンディド金属メッシュであり、メッシュ５０２を生じるように、一連のスリットが穿孔され、引き伸ばされている。図５Ａのメッシュのストランドは、幅が約６２ミクロン〜約７５ミクロンであり、メッシュの開口面積は約６０％である。別の実施形態において、メッシュ電極は約８０％〜約８５％の範囲の開口面積を有する、幅約２５ミクロンのストランドのエキスパンディド金属メッシュからなる。好適な実施形態において、メッシュ電極は９０％以上の開口面積を有する、幅約２５ミクロンのストランドのエキスパンディド金属メッシュからなる。
【００７９】
図５Ｂには、フッ素ポリマー接着剤５１４に部分的に埋込まれた、織り線材・メッシュ電極５１２の顕微鏡写真５１０を示す。メッシュ５０２は、開口面積が約８２％であり、かつ線材５１６間の間隔が約３３０μｍであるメッシュに織られた、直径約３０μｍ（０．００１２インチ）の３１６ステンレス鋼の線材からなる。なお、線材の交差にて、下に
位置する線材部分（紙面から最も奥の線材）は実質的に、または完全にフッ素ポリマー接着剤５１４に埋込まれており、上に位置する線材部分は、フッ素ポリマー接着剤５１４にわずかにのみ埋込まれているか、または埋込まれていない。メッシュの一部は完全に埋込まれ、他の部分は埋込まれていないが、メッシュ全体はフッ素ポリマー接着剤５１４に部分的に埋込まれていることが理解される。
【００８０】
別の態様において、本発明は、光電セルと、複数の本発明の光電セルからなるモジュールとの製造方法を提供し、例えば、ロール−ツー−ロール法またはウェブ法など、連続製造法を用いて製造を容易にする。これらの方法は、例えば、ＤＳＳＣの製造に用いられ得る。
【００８１】
例えば、連続的かつコスト効率的な組立ライン法を用いて多数のＤＳＳＣを製造する現行法は、最良の場合でも、非常に困難である。半導体酸化膜を適切な電極として形成することにより、膜のクラッキングの防止方法および適切な膜の形成方法は制限される。そうした制限のために製造が遅延されることによって、コストが増大し得る。比較すると、メッシュ電極の使用またはメッシュ電極および箔電極の使用により、製造速度の増大は容易になる。例えば、メッシュおよび箔電極は、大きなシートまたはロールで提供されることが可能であり、それらの電極によって連続製造法の使用とコスト効率との向上が促進される。
【００８２】
さらに、ＤＳＳＣの連続組立法に伴う困難は、セルの支持体、すなわち一般に剛性でありかつ典型的にはガラスや金属などの耐熱性材料を含む基板から生じる。この主な理由は、溶融ナノ結晶を製造するための高温焼結法（典型的には約４００〜５００℃）に関連する。剛性基板材料は、その真の性質により、一般に、製造のための連続法よりも、より高価なバッチ法に適している。
【００８３】
図６には、本発明の光電セルおよびモジュールを形成するために用いられ得る連続製造法６００の様々な実施形態を描く。一実施形態において、光電セルまたはモジュールは前進する第１の光透過性の基板６０５上に形成される。基板６０５は、ローラー６０８を用いる製造運転中に、連続的に前進されてもよく、周期的に前進されてもよく、不規則に前進されてもよい。一実施形態において、メッシュ電極はロール６１０に収容され、前進する基板６０５に付着される。
【００８４】
光電モジュールを製造するための方法の様々な実施形態において、メッシュ電極はメッシュ部分の間の間隙に配設された絶縁材料を有する剥離シート上に支持された断続的なメッシュからなる。他の実施形態において、メッシュは所望の長さに切断されて、前進する基板６０５に付着され、絶縁材料はメッシュの部分間の空隙に配設される。さらなる実施形態において、絶縁材料は前進する基板６０５上に配設され、前進する基板に対して剥離シートからメッシュ部分が適用される（または切断され適用される）。さらに様々な実施形態において、絶縁材料が、メッシュ電極を基板に付着させるため、メッシュ電極を基板または基板上の被膜に部分的に埋込むため、またはその両方に用いられる、接着剤、ポリマー材料、熱硬化性材料、またはそれらのうちの１つ以上として働くことも可能である。
【００８５】
多くの方法で、前進する基板６０５にメッシュ電極を付着させることが可能である。例えば、様々な実施形態において、メッシュ電極ロール６１０の前、メッシュ電極ロール６１０の後、またはその両方で適用可能な接着剤を用いて、メッシュ電極を付着させる。様々な実施形態において、メッシュを基板または基板上の被膜に部分的に埋込むことによって、前進する基板６０５にメッシュ電極を付着させる。例えば、一実施形態では、メッシュ電極を部分的に埋込むため、メッシュ電極を加熱して、前進する基板６０５に押し込む。別の実施形態では、前進する基板を加熱して、前進する基板６０５の１つの側を軟化さ
せ、軟化した基板中にメッシュ電極を押し込む。別の実施形態では、前進する基板６０５上にポリマー層を被覆し、メッシュ電極、ポリマー層、またはその両方を加熱して、部分的に電極を埋込むためにメッシュ電極をポリマー層に押し込む。さらに別の実施形態では、前進する基板６０５に熱硬化性材料を被覆し（メッシュ電極ロールの前、後、または前後の両方）、メッシュ電極を部分的に埋込むために熱硬化性材料を加熱する。
【００８６】
さらに、一実施形態において、メッシュ電極は、前進する基板６０５への付着の前に、最初に少なくとも部分的に触媒媒体（例えば白金、伝導性ポリマー）で被覆される。別の実施形態において、触媒媒体６１５は、前進する基板６０５にメッシュ電極が付着された後にメッシュ電極上に堆積される。様々な実施形態において、触媒媒体は白金からなる。一実施形態において、メッシュ電極は最初に、電気化学セル中で例えば塩化白金酸を用いる電気化学的析出によって、真空蒸着によって、または白金化合物（例えば、塩化白金酸）を含む被膜の熱分解によって、白金化される。メッシュ電極は、次いで、例えば前進する基板６０５に付着され、白金が電気化学的に析出される。
【００８７】
様々な実施形態において、次いで電荷キャリア媒体６２０が堆積される。電荷キャリア媒体６２０は、例えば噴霧コーティング、ローラー・コーティング、ナイフ・コーティング、またはブレード・コーティングによって適用されてよい。電荷キャリア媒体６２０は、イオン伝導性ポリマー、可塑剤、およびヨウ化物とヨウ素との混合物を有する溶液を形成することによって調製され得る。ポリマーは、機械的安定性、寸法的安定性、またはその両方を提供し、可塑剤はゲル相／液体相の転移温度を補い、ヨウ化物とヨウ素とはレドックス電解質として作用する。
【００８８】
一実施形態において、次いで相互接続ナノ粒子材料６２５が堆積される。本明細書に説明するように、相互接続ナノ粒子材料６２５は、ポリリンカーおよび金属酸化物ナノ粒子を有する溶液を、前進するシート上に適用することによって形成され得る。ポリリンカー−ナノ粒子溶液は、浸漬タンク、押出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を含むが、それらに限定されない任意の適切な技術によって適用されてよい。様々な他の実施形態において、ポリリンカー溶液および金属酸化物ナノ粒子が別々に適用されて相互接続ナノ粒子材料６２５を形成する。一実施形態において、ポリリンカー溶液は、前進するシートに対して適用され、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）はポリリンカー上に配置される。他の実施形態において、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）が、前進するシートに適用され、ポリリンカー溶液はナノ粒子に適用されて、相互接続ナノ粒子材料６２５を形成する。
【００８９】
本明細書に説明したように、光増感相互接続ナノ粒子材料を（および、それによって光増感ナノ・マトリックス層の様々な実施形態を）生成するために、広範囲の光増感剤６３０が、ナノ粒子に対して、ナノ粒子と共に、またはその両方で適用されてよい。光増感剤６３０の堆積後、所望の最終製品に応じて、前進するシートをさらなる加工段階へと進めてもよい。
【００９０】
光電モジュールを製造する方法の様々な実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体は、間隙に絶縁材料が配設された断続的な層として堆積される。様々な実施形態では、相互接続線材は間隙および適用された絶縁材料に配設される。様々な他の実施形態では、相互接続線材は予め適用された絶縁材料を含んだ間隙に配設される。さらに様々な実施形態では、絶縁材料が、相互接続線材の位置を保持するため、完成されたモジュールを一体に保持することを容易にするため、またはその両方のために用いられる、接着剤、ポリマー材料、熱硬化性材料、またはそれらのうちの１つ以上として働くことも可能である。
【００９１】
様々な実施形態において、ロール６３５に収容される箔（またはメッシュ）を含む第１電極は、ロールに収容され、前進するシートに適用される。別の実施形態において、第１電極はロール６３５に収容され、最初に第２基板６４０に付着される。
【００９２】
光電モジュールを製造する方法の様々な実施形態において、第１電極は、箔（またはメッシュ）の部分の間の間隙に絶縁材料が配設された剥離シート上に支持された断続的な箔（またはメッシュ）からなる。他の実施形態において、箔（またはメッシュ）は所望の長さに切断され、第２基板（または前進するシート）に付着されて、絶縁材料が箔（またはメッシュ）の部分の間の間隙に配設される。さらなる実施形態において、絶縁材料は第２基板（または前進するシート）上に配設され、箔（またはメッシュ）部分は剥離シートから第２基板（または前進するシート）へ適用される（または切断して適用される）。さらに、様々な実施形態において、絶縁材料が、第１電極を基板（または前進するシート）に付着させるため、第１電極を基板または基板の被膜に部分的に埋込むため、またはその両方のために用いられる、接着剤、ポリマー材料、熱硬化性材料、またはそれらのうちの１つ以上として働くことも可能である。
【００９３】
多くの方法で、第２基板６４０に第１電極を付着させることが可能である。例えば、様々な実施形態において、第１電極ロール６３５の前、第１電極ロール６３５の後、またはその両方で適用可能な接着剤を用いて、第１電極を付着させる。様々な実施形態において、第１電極を基板または基板上の被膜に部分的に埋込むことによって、第２基板６４０に第１電極を付着させる。適切な埋込みの方法の例は、メッシュ電極に関して上で説明した。
【００９４】
他の実施形態において、第１電極は、堆積させた金属層、半導体酸化膜、またはその両方からなり、例えば、熱蒸着、低温スパッタリング、真空蒸着、またはそれらのうちの１つ以上によって、第２基板６４０の目標領域に堆積される。他の実施形態において、第１電極は、タンク浸漬、押出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を含むが、それらに限定されない任意の適切な技術によって適用された伝導性ポリマーからなる。さらに、第１電極がメッシュからなる実施形態では、透明な半導体酸化膜が、例えば、少なくともメッシュの開口部に真空被覆されてもよい。
【００９５】
さらに、光電モジュールを製造する方法の様々な実施形態では、製造法の任意の点で、前進するシート６０５にスペーサを適用してもよい。
様々な実施形態によれば、次いで、前進するシート６０５に第２基板６４０（第１電極を付着していてもよい）が適用され、連続製造法６００を用いた光電セル（またはモジュール）が完成される。
【００９６】
本発明の光電セルおよびモジュールを形成するために用いられ得る連続製造法の上記の様々な実施形態は例示であり、順序が逆転されてもよいことは理解される。例えば、一実施形態では、第１電極が基板に付着され、光増感ナノ・マトリックス層が第１電極上に形成される。
【００９７】
実施例１：メッシュ電極の光電セル
この実施例では、ＰＥＮからなる厚さ７５μｍの可撓性基板に積層された厚さ２５μｍのチタン箔と、高温焼結された二酸化チタン・ナノ粒子層（０．５ｍＭのシス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウム、およびシス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）色素を用いて色素増感された）と、ヨウ化カリウム／ヨウ素電解質と、ステンレス鋼メッシュ電極とから、３種の光電セルを組み立てた。メッシュ電極は、直径が３０μｍ、かつ線材間の開口面積
が約８２％のメッシュであり、３１６ステンレス鋼の織り線材から作成した。セルへの組み込みの前に、ステンレス鋼メッシュ電極を、電気化学的に白金化（厚さ約０．００１μｍの白金被膜で）するとともに、ＰＥＮからなる厚さ７５μｍの可撓性基板に接合した。メッシュ電極をセルのカソードとしてセルに組み込んだ。
【００９８】
完成された太陽電池は、表１にリストしたエアマス（ＡＭ）１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）にて、以下の光電（ＰＶ）特性を示した。測定した特性は以下の通りである。平均の太陽変換効率（「η」）、フィル・ファクタ（ＦＦ）、平均開放電圧（「ＶＯＣ」）、短絡電流（「ＩＳＣ」）、最大出力時電圧（「Ｖｍ」）。なお、フィル・ファクタ（「ＦＦ」）は、開放電圧と短絡電流との積に対する、太陽および最大出力ピットプット（ｐｉｔｐｕｔ）時電流（「Ｉｍ」）変換効率の比から計算可能である。すなわち、ＦＦ＝η／［ＶＯＣ×ＩＳＣ］である。
【００９９】
【表１】
【０１００】
図７を参照すると、別の態様において、本発明は、露光側７０１を有する光電セル７００を提供する。光電セル７００は、第１電極７０４と露光側メッシュ電極７０６との間に配設された光活性材料７０２からなる。光活性材料は、ケイ素（例えば結晶、多結晶、非晶質など）、薄膜型光導体、または光増感ナノ・マトリックス材料の形態であることが可能である。好適には、「光電セル（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌ）」はさらに、第１の光透過性の基板７０８と第２基板７１０とを含む。
【０１０１】
Ｂ．ナノ粒子の低温相互接続
上で説明したように、一実施形態において、本発明は、比較的低い「焼結」温度（約３００℃未満）で薄膜太陽電池の製造を可能にする、ポリマー性連結剤（以降「ポリリンカー」）を提供する。「焼結」の語は従来では高温（約４００℃を超える）の方法を指すが、本明細書で用いられる「焼結」の語は温度を特定せず、代わりに、一般に任意の適切な温度でナノ粒子を相互接続する方法を指す。１つの例示的な実施形態において、本発明はポリリンカーを用いて薄膜太陽電池中のナノ粒子を相互接続する方法を提供する。別の例示的な実施形態によれば、比較的低温の焼結法によって、そうした光電セルを可撓性ポリマー基板を用いて製造することが可能となる。可撓性基板を利用することによって、本発明では、連続的なロール−ツー−ロールまたはウェブ製造法を用いることも可能である。
【０１０２】
図８および図９には、本発明による例示的なポリリンカーの化学構造を概略的に描く。描かれた特定のポリリンカー構造は、式ＭｘＯｙのナノ粒子に対して用いられる。ここで、Ｍは例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ランタン（Ｌａ）、タンタル（Ｔａ）、テルビウム（Ｔｂ）、またはスズ（Ｓｎ）であってよく、ｘおよびｙは零より大きな整数である。図８の例示的な実施形態によれば、ポリリンカー８００は金属酸化物ナノ粒子と構造が類似している主鎖構造１０２と、反応基（ＯＲ）ｉとを含む。ここで、Ｒは例えば、アセテート、アルキル、アルケン、ア
ルキン、芳香族、またはアシル基、もしくは水素原子であってよく、ｉは零より大きな整数である。適切なアルキル基は、エチル、プロピル、ブチル、およびペンチル基を含むが、それらに限定されない。適切なアルケンは、エテン、プロペン、ブテン、およびペンテンを含むが、それらに限定されない。適切なアルキンは、エチン、プロピン、ブチン、およびペンチンを含むが、それらに限定されない。適切な芳香族基は、フェニル、ベンジル、およびフェノールを含むが、それらに限定されない。適切なアシル基は、アセチル、およびベンゾイルを含むが、それらに限定されない。さらに例えば、塩素、臭素、およびヨウ素を含むハロゲンを反応基（ＯＲ）ｉに置き換えてもよい。
【０１０３】
図９を参照すると、ポリリンカー９１０は、反応基（ＯＲ）ｉと反応基（ＯＲ）ｉ＋１とを含む、２つの−Ｍ−Ｏ−Ｍ−Ｏ−Ｍ−Ｏ−主鎖構造を含む分岐した主鎖構造を有する。ここで、Ｒは例えば、上述で挙げた原子、分子、または化合物のうちの１つであってよく、ｉは零より大きな整数である。２つの主鎖構造は金属酸化物ナノ粒子に類似した構造を有する。集合的に、図９に描いた構造は、−Ｍ（ＯＲ）ｉ−Ｏ−（Ｍ（ＯＲ）ｉ−Ｏ）ｎ−Ｍ（ＯＲ）ｉ＋１で表され、ｉおよびｎは零より大きな整数である。
【０１０４】
図１０Ａには、ＭｘＯｙナノ粒子１００２をポリリンカー１００４と相互接続して得られる化学構造１０００を概略的に描く。様々な実施形態において、ポリリンカー１００４は、それぞれ図８および図９に描いたポリリンカー８００および９１０の化学構造を有する。例示的な実施形態によれば、ナノ粒子１００２は、室温以下の温度または約３００℃未満の高温で、ナノ粒子１００２をポリリンカー１００４と接触させることによって相互接続される。好適には、ナノ粒子１００２との接触を促進するため、ポリリンカー１００４は溶媒中に分散される。適切な溶媒は、特に、様々なアルコール、塩素化炭化水素（例えばクロロホルム）、ケトン、環状および直鎖状のいずれかの誘導体、および芳香族溶媒を含むが、それらに限定されない。ナノ粒子１００２の表面水酸基とポリリンカー１００４のポリマー鎖のアルコキシ基との反応によって、非常に安定な共有結合を通じて多くのナノ粒子１００２が互いに架橋（すなわち、リンク）される結果、ナノ粒子１００２が相互接続されると考えられる。また、ポリリンカー１００４はナノ粒子１００２に類似の化学構造を有するポリマー材料であるので、ナノ粒子１００２とポリリンカー１００４との結合（すなわち、リンク）部位がわずかであっても、非焼結または非相互接続ナノ粒子膜よりも優れた電気特性および機械特性の組合せを有する、高度に相互接続されたナノ粒子膜が生じると考えられる。例えば電気特性は、例えばπ共役による１つのナノ粒子から別のナノ粒子への電子または正孔の移動を促進する、電子、正孔、またはその両方を伝導する特性を含む。機械特性は、例えば、改良された可撓性を含む。
【０１０５】
やはり図１０Ａを参照すると、低濃度ではポリリンカー１００４は、単一のポリリンカー１００４ポリマーが多くのナノ粒子１００２を連結して、架橋結合したナノ粒子ネットワークを形成することが可能である。しかしながら、ポリリンカー１００４ポリマーの濃度を増加させることによって、さらに多くのポリリンカー１００４分子がナノ粒子１００２の表面に結合し、ポリマー被覆されたナノ粒子１０００し得る。そうしたポリマー被覆ナノ粒子１０００は、ポリマーの可撓性のため、薄膜として加工され得る。ポリリンカーのポリマーとナノ粒子との電気特性および構造特性の類似のため、ポリマー被覆ナノ粒子の電気特性は、有意には影響を受けないと考えられる。
【０１０６】
図１０Ｂには、電気伝導体である酸化物層被膜１０１０を含む可撓性基板１００８上に形成された、図１０Ａの相互接続ナノ粒子膜１０００の例示的な実施形態の化学構造１００６を描く。詳細には、可撓性の光透過性の基板１００８上にそうしたナノ粒子膜１０００を形成するために、ポリリンカーが用いられ得る。可撓性基板１００８の例は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリマー炭化水素、セルロース誘導体、それらの組合せなどを含む。ＰＥＴおよびＰＥＮ
基板は、１つ以上の電気伝導性の酸化物層被膜１０１０、例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープした酸化スズ、酸化スズ、酸化亜鉛などの酸化物層被膜で被覆されてよい。
【０１０７】
好適な一実施形態によれば、例示的ポリリンカーを用いることによって、本発明の方法は、４００℃よりも有意に低い温度、および好適には約３００℃未満で、ナノ粒子１００２を相互接続する。そのような温度範囲での作業によって、従来の高温焼結方法では破壊的に変形し得るような、可撓性基板１００８の使用が可能となる。１つの例示的な実施形態において、例示的な構造１００６は、基板１００８上のポリリンカー１００４を用いて、約３００℃未満の温度でナノ粒子１００２を相互接続することによって形成される。別の実施形態において、ナノ粒子１００２は、ポリリンカー１００４を用いて約１００℃未満の温度で相互接続される。さらに別の実施形態において、ナノ粒子１００２は、ほぼ室温および室内圧力（ｒｏｏｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、それぞれ約１８℃〜約２２℃および約１ａｔｍ（約７６０ｍｍＨｇ）、にて、ポリリンカー１００４を用いて相互接続される。
【０１０８】
ナノ粒子が基板上に堆積される実施形態において、ポリリンカーの反応基は、基板、基板被膜、基板の酸化物層、またはそれらのうちの１つ以上と結合する。反応基は、例えば、共有結合、イオン結合、水素結合、またはそれらのうちの１つ以上によって、基板、基板被膜、基板の酸化物層、またはそれらのうちの１つ以上と結合してよい。ポリリンカーの反応基と基板上の酸化物層との反応によって、ポリリンカーを介するナノ粒子の基板への接続が生じると考えられる。
【０１０９】
本発明の様々な実施形態によれば、室温以下の温度または約３００℃未満の高温で、適切な溶媒に分散した適切なポリリンカーにナノ粒子を接触させることによって、金属酸化物ナノ粒子が相互接続される。ナノ粒子は多くの方法でポリリンカー溶液と接触されてよく、例えば、ナノ粒子膜を基板上に形成してから、ポリリンカー溶液中に浸漬してもよい。ナノ粒子膜を基板上に形成し、ポリリンカー溶液を膜上に噴霧してもよい。ポリリンカーおよびナノ粒子を共に溶液中に分散し、次いで溶液を基板上に堆積させてもよい。ナノ粒子分散液を調製するために、例えば、マイクロ流動化（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｉｎｇ）、摩砕（ａｔｔｒｉｔｔｉｎｇ）、およびボール・ミリングなどの技術を用いてもよい。さらに、基板と、ポリリンカーが堆積されたナノ粒子膜との上に、ポリリンカー溶液が堆積されてもよい。
【０１１０】
ポリリンカーおよびナノ粒子が共に溶液中に分散される実施形態において、得られたポリリンカー−ナノ粒子溶液を用いて、単一の工程にて、相互接続ナノ粒子膜を基板上に形成してもよい。この実施形態の様々な場合では、例えば、スクリーン印刷およびグラビア印刷技術など、印刷技術を用いる膜の堆積を容易にするために、ポリリンカー−ナノ粒子溶液の粘度を選択してよい。基板と、ポリリンカーが堆積されたナノ粒子膜との上に、ポリリンカー溶液が堆積される実施形態において、所望の接着厚さを達成するためにポリリンカーの濃度を調節してもよい。さらに、ナノ粒子膜の堆積の前に、堆積されたポリリンカー溶液から過剰の溶媒を除去してもよい。
【０１１１】
本発明は式ＭｘＯｙの材料のナノ粒子の相互接続に限定されない。適切なナノ粒子材料は、チタン、ジルコニウム、ランタン、ニオブ、スズ、タンタル、テルビウム、およびタングステンの、硫化物、セレン化物、テルル化物、および酸化物、ならびにそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｎＯ２、チタン酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムは適切なナノ粒子材料である。
【０１１２】
ポリリンカーは１つ以上の種類の反応基を含んでよい。例えば、図８〜１０Ｂの例示的な実施形態には、１つの種類の反応基ＯＲを描いた。しかしながら、ポリリンカーは幾つかの種類の反応基、例えばＯＲ、ＯＲ’、ＯＲ”などを含んでもよい。ここで、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、水素、アルキル、アルケン、アルキン、芳香族、またはアシル基のうちの１つ以上であり、もしくはＯＲ、ＯＲ’、およびＯＲ”のうちの１つ以上はハロゲン化物である。例えば、ポリリンカーは、−［Ｏ−Ｍ（ＯＲ）ｉ（ＯＲ’）ｊ−］−、および［Ｏ−Ｍ（ＯＲ）ｉ（ＯＲ’）ｊ（ＯＲ”）ｋ−］−などの式のポリマー単位を含んでよい。ここで、ｉ、ｊ、およびｋは、零より大きな整数である。
【０１１３】
図１１には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子と共に使用するための代表的なポリリンカー、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１１００の化学構造を描く。ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１１００のための適切な溶媒は、特に、様々なアルコール、塩素化炭化水素、（例えばクロロホルム）、ケトン、環状および直鎖状のいずれかの誘導体、および芳香族溶媒を含むが、それらに限定されない。好適には、溶媒はｎ−ブタノールである。ポリ（ｎ−ブチルチタネート）ポリリンカー４００は、ブトキシ（Ｏｂｕ）反応基を有する分岐した−Ｔｉ−Ｏ−Ｔｉ−Ｏ−Ｔｉ−Ｏ−主鎖構造を含む。
【０１１４】
図１２Ａには、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）ポリリンカー分子１２０４によって相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子１２０２からなる、ナノ粒子膜１２００の化学構造を描く。ＴｉＯ２ナノ粒子１２０２の表面水酸基とポリリンカー１２０４のブトキシ基１２０６（または他のアルコキシ基）との反応によって、非常に安定な共有結合を通じて多くのナノ粒子１２０２が互いに架橋（または結合）される結果、ナノ粒子１２０２が相互接続されると考えられる。また、ポリリンカー１２０４はＴｉＯ２に類似の化学構造を有するポリマー材料であるので、ナノ粒子１２０２とポリリンカー１２０４間との結合（すなわち、リンク）部位がわずかであっても、非焼結または非相互接続ナノ粒子膜よりも優れた電気特性および機械的特性の組合せを有する高度に相互接続されたナノ粒子膜１２００をもたらすと考えられる。
【０１１５】
図１２Ｂには、ポリリンカー溶液を基板１２１０に適用し、次いでポリリンカー１２０４上にナノ粒子１２０２を堆積させることによって、電気伝導性酸化物層被膜１２１２を含む基板１２１０上に形成された、図１２Ａのナノ粒子膜１２００の化学構造１２０８を描く。二酸化チタン・ナノ粒子１２０２を用いる例示的な例において、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４を含むポリリンカー溶液は、ｎ−ブタノール中に溶解され、基板１２１０に適用される。ポリリンカー１２０４の濃度を調整して、ポリリンカー溶液の所望の接着厚さを得ることが可能である。次いで、二酸化チタン・ナノ粒子膜１２００は、ポリリンカーで被覆された基板１２１０上に堆積される。ＴｉＯ２ナノ粒子の表面水酸基とポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４の反応性ブトキシ基１２０６（または他のアルコキシ基）との反応は、ナノ粒子１２０２を相互接続させると共に、ナノ粒子１２０２を基板１２１０上の酸化物層１２１２と接続させる。
【０１１６】
図１２Ｃには、ポリリンカー溶液をメッシュ電極１２１４に適用し、次いでポリリンカー１２０４上にナノ粒子１２０２を堆積させることによって、金属線材・メッシュ電極１２１４上に形成された、図１２Ａのナノ粒子膜１２００の化学構造１２０８を描く。一実施形態において、メッシュ電極１２１４はさらに、少なくともメッシュ電極１２１４の開口部の間に配設された透明な半導体酸化膜１２１６を含む。二酸化チタン・ナノ粒子１２０２を用いる例示的な例において、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４を含むポリリンカー溶液は、ｎ−ブタノール中に溶解され、メッシュ電極１２１４と、存在する場合には、透明な半導体酸化膜１２１６とに適用される。ポリリンカー１２０４の濃度を調整して、ポリリンカー溶液の所望の接着厚さを得ることが可能である。次いで、二酸化チタン・ナノ粒子膜１２００は、ポリリンカーで被覆されたメッシュ電極１２１４上と、存在す
る場合には、透明な半導体酸化膜１２１６とに堆積される。ＴｉＯ２ナノ粒子の表面水酸基とポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４の反応性ブトキシ基１２０６（または他のアルコキシ基）との反応は、ナノ粒子１２０２を相互接続させると共に、ナノ粒子１２０２をメッシュ電極１２１４上の酸化物層と、存在する場合には、透明な半導体酸化膜１２１６とに接続させる。
【０１１７】
別の態様において、本発明は、例えば、ロール−ツー−ロール法またはウェブ法など連続製造法を用いる、基板上に相互接続金属酸化物ナノ粒子の層を形成する方法も提供する。これらの方法は、例えば、ＤＳＳＣの製造に用いられ得る。例えば、連続的かつコスト効率的な組立ライン法を用いて多数のＤＳＳＣを製造する現行法は、最良の場合でも、非常に困難である。ＤＳＳＣの連続組立法に伴う困難は、セルの支持体、すなわち一般に剛性でありかつ典型的にはガラスや金属などの耐熱性材料を含む基板から生じる。この主な理由は、溶融ナノ結晶を製造するための高温焼結法（典型的には約４００〜５００℃）に関連する。剛性基板材料は、その真の性質により、一般に、製造のための連続法よりも、より高価なバッチ法に適している。
【０１１８】
図１３には、例えば、図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｄ、および４〜６に示した光電セルの全体または部分を形成するのに用いられ得る、連続製造法１３００の例示的な実施形態を描く。例示的な実施形態によれば、相互接続ナノ粒子膜は前進する基板シート１３０５上に形成される。基板シート１３０５は、ローラー１３０８を用いる製造運転中に、連続的に前進されてもよく、周期的に前進されてもよく、不規則に前進されてもよい。この例示的な実施形態において、光電セルの１電極の基礎として働く導体材料１３１０は、前進する基板１３０５上に堆積される。様々な実施形態において、導体材料１３１０は熱蒸着または低温スパッタリングによって基板１３０５の目標領域に堆積されてよい。さらに、導体材料１３１０は、例えば、真空蒸着によって堆積されてもよい。
【０１１９】
図１３に示した例示的な実施形態によれば、次いで光増感ナノ粒子材料１３１５が堆積される。本明細書に説明するように、光増感ナノ粒子材料１３１５はポリリンカーおよび金属酸化物ナノ粒子を有する溶液を、前進する基板シート１３０５上に適用することによって形成され得る。ポリリンカー−ナノ粒子溶液は、浸漬タンク、押出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を含むが、それらに限定されない任意の適切な技術によって適用されてよい。他の例示的な実施形態において、前進する基板シート１３０５にポリリンカー溶液および金属酸化物ナノ粒子が別々に適用されて、光増感ナノ粒子材料１３１５を形成する。１つの例示的な実施形態において、ポリリンカー溶液は、前進する基板１３０５に対して適用され、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）はポリリンカー上に配置される。他の例示的な実施形態において、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）が、前進する基板１３０５に適用され、ポリリンカー溶液はナノ粒子に適用されて、光増感ナノ粒子材料１３１５を形成する。本明細書に説明するように、光増感ナノ粒子材料１３１５を製造するために、広範囲の光増感剤が、ナノ粒子に対して、ナノ粒子と共に、またはその両方で適用されてよい。
【０１２０】
光増感ナノ・マトリックス材料１３１５の堆積後、所望の最終製品に応じて、基板シート１３０５をさらなる加工段階へと進めてもよい。この例示的な実施形態によれば、接地電位または電流源から光増感ナノ粒子材料１３１５へ電荷が移動するのを容易にする、電荷キャリア材料１３２０が堆積される。電荷キャリア材料１３２０は、例えば噴霧コーティング、ローラー・コーティング、ナイフ・コーティング、またはブレード・コーティングによって適用されてよい。イオン伝導性ポリマー、可塑剤、およびヨウ化物とヨウ素との混合物を有する溶液を形成することによって調製され得る。ポリマーは、機械的安定性、寸法的安定性、またはその両方を提供し、可塑剤はゲル相／液体相の転移温度を補い、ヨウ化物とヨウ素とはレドックス電解質として作用する。
【０１２１】
さらに図１３を参照すると、次いで、光電セル内の光励起された分子によって排出された電子の移動を促進する、触媒媒体層１３２５が堆積される。続いて、第２導体層１３３０が堆積される。第２導体層１３３０は光電セルの第２電極の基礎として働く。次いで、第２の可撓性基板１３３５が巻き出され（ｕｎｗｏｕｎｄ）、前進するシート１３０５に適用されて、連続製造法１３００を用いた光電セルが完成される。
【０１２２】
二酸化チタン・ナノ粒子を含むＤＳＳＣに関する、本発明のさらなる例示的な実施例を以下に提供する。以下の実施例は例示であり、限定することを意図していない。したがって、本発明は、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、チタン酸ナトリウム、およびニオブ酸カリウムのナノ粒子を含むがそれらに限定されない、広範囲のナノ粒子に適用されてよいことが理解される。さらに、本発明は、ＤＳＳＣに加えて、例えば金属酸化物および半導体被膜など、広範囲の用途の相互接続ナノ粒子の形成に一般に適用可能であることが理解される。
【０１２３】
実施例２：ポリリンカーの浸漬コーティング塗布
この例示的な実施例では、ＤＳＳＣを以下のように形成した。二酸化チタン・ナノ粒子膜をＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスに被覆した。ポリリンカー溶液は、１％（重量で）のポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液であった。この実施形態では、好適には、溶媒中のポリリンカーの濃度は５重量％未満であった。粒子を相互接続するために、ナノ粒子膜で被覆したスライドをポリリンカー溶液に１５分間浸漬し、次いで１５０℃で３０分間加熱した。ポリリンカーで処理したＴｉＯ２膜を、次いで３×１０−４Ｎ３色素溶液で１時間、光増感した。次いで、デュポンから入手可能な約０．０５ｍｍ（２ミル）のＳＵＲＬＹＮ（登録商標）１７０２ホット・メルト接着剤を用いて、三ヨウ化物系の液体レドックス電解質をＴｉＯ２膜被覆スライドガラス、白金被覆ＳｎＯ２：Ｆスライドガラス間に挟むことによって、ポリリンカーで処理したＴｉＯ２膜で被覆したスライドガラスから０．６ｃｍ２の光電セルを作成した。白金被膜は厚さ約６０ｎｍであった。セルはＡＭ１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）で３．３３％程度の太陽変換効率を示した。完成した太陽電池は、平均太陽変換効率（「η」）が３．０２％、平均開放電圧（「ＶＯＣ」）が０．６６Ｖ、平均短絡電流（「ＩＳＣ」）が８．７１ｍＡ／ｃｍ２、平均フィル・ファクタ（ＦＦ）が０．４９（０．４８〜０．５２）であった。図８には、浸漬コーティングされた光電セルの電流電圧曲線８０２を示すグラフ８００を描く。
【０１２４】
実施例３：ポリリンカー−ナノ粒子溶液塗布
この例示的な実施例では、二酸化チタン（約８０％のアナターゼと２０％のルチル結晶ＴｉＯ２ナノ粒子とを含むチタニアであり、デグサ−ヒュルス（Ｄｅｇｕｓｓａ−Ｈｕｌｓ）から入手可能であるＰ２５）のｎ−ブタノール懸濁液５．０ｍＬを、１ｍＬのｎ−ブタノール中の０．２５ｇのポリ（ｎ−ブチルチタネート）に添加した。この実施形態では、好適には、ポリリンカー−ナノ粒子溶液中のポリリンカーの濃度は約５０重量％未満であった。懸濁液の粘度は、明らかな粒子分離のないまま、ミルク状から歯磨きペースト状まで変化した。ウェット膜の厚さを決定する厚さ６０μｍのテープとガードナーナイフとを用いて、パターン形成したＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスにペーストを展延した。被膜を室温で乾燥して膜を形成した。続いて、風乾した膜を１５０℃で３０分間加熱処理して溶媒を除去し、３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液で一晩増感させた。増感させた光電極を所望の寸法に切断し、白金被覆（厚さ６０ｎｍ）したＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスと三ヨウ化物系液体電解質との間に挟んだ。完成した太陽電池は、６つのセルの平均で、ＡＭ１．５条件にて２．９％（２．５７％〜３．３８％）のηを示した。平均ＶＯＣは０．６８Ｖ（０．６６〜０．７１Ｖ）、平均ＩＳＣは８．５５ｍＡ／ｃｍ２（７．４５〜１０．４ｍＡ／ｃｍ２）、平均フィル・ファクタは０．４９（０．４８〜０．５
２）であった。図１５には、ポリリンカー−ナノ粒子溶液から形成された光電セルの電流−電圧曲線１５０２を示すグラフ１５００を描く。
【０１２５】
実施例４：ポリリンカーなしで形成したＤＳＳＣセル
この例示的な実施例では、約３７．５％の固形分を含有する二酸化チタン懸濁水溶液（Ｐ２５）を、ミクロフルイダイザー（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｅｒ）を用いて調製し、被覆スライドガラス上に被覆されているフッ素化ＳｎＯ２伝導性電極（１５Ω／ｃｍ２）上にスピン・コートした。二酸化チタンで被覆したスライドを約１５分間、風乾し、１５０℃で１５分間、熱処理した。スライドをオーブンから取り出し、約８０℃まで冷却し、３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液に約１時間浸漬した。増感させた二酸化チタン光電極を色素溶液から取り出し、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で乾燥した。増感させた光電極を小片（０．７ｃｍ×０．５〜１ｃｍの活性面積）に切断し、白金被覆ＳｎＯ２：Ｆの透明な伝導性スライドガラスの間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリル（３−ｍｅｔｈｏｘｙｂｕｔｙｒｏｎｉｔｄｌｅ）の液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。このようにして作製した光電セルは、ＡＭ１．５条件にて約３．８３％の平均太陽変換効率を示した。これらのセルの、ＡＭ１．５条件でのηと、光電特性ＩＳＣ、ＶＯＣ、最大出力時電圧（「Ｖｍ」）、および最大出力時電流（「Ｉｍ」）とを、表１の列Ａに挙げる。図１６には、ポリリンカーなしで形成した光電セルの電流−電圧曲線１６０２を示すグラフ１６００を描く。
【０１２６】
【表２】
【０１２７】
実施例５：様々な濃度のポリリンカー溶液を用いて形成したＤＳＳＣセル
この例示的な実施例では、約３７．５％の固形分を含有するＰ２５懸濁液を、ミクロフルイダイザーを用いて調製し、フッ素化ＳｎＯ２伝導性電極（１５Ω／ｃｍ２）で被覆されているスライドガラス上にスピン・コートした。二酸化チタンで被覆したスライドを約１５分間、風乾し、１５０℃で１５分間、熱処理した。ナノ粒子の相互接続（ポリ連結）を行うため、二酸化チタン被覆伝導性スライドガラスを、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）を含むｎ−ブタノールのポリリンカー溶液に、５分間浸漬した。使用したポリリンカー溶液は、０．１重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）、０．４重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）、１重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）、２重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）であった。５分後に、スライドガラスをポリリンカー溶液から取り出し、約１５分間風乾し、オーブン中１５０℃で１５分間熱処理して溶媒を除去した。スライドをオーブンから取り出し、約８０℃まで冷却し、３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液に約１時間浸漬した。増感させた二酸化チタン光電極を色素溶液から取り出し、エタノ
ールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で乾燥した。増感させた光電極を小片（０．７ｃｍ×０．５〜１ｃｍの活性面積）に切断し、白金被覆ＳｎＯ２：Ｆの透明な伝導性スライドガラスの間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。作製したセルの、ＡＭ１．５条件でのηと、光電特性ＩＳＣ、ＶＯＣ、Ｖｍ、Ｉｍとを、表２に挙げる。０．１重量％溶液は列Ｂに、０．４重量％溶液は列Ｃに、１重量％溶液は列Ｄに、２重量％溶液は列Ｅに挙げる。図１６には、ポリリンカーを用いて形成した光電セルの電流−電圧曲線１６０８を描く。
【０１２８】
実施例６：改質剤溶液
この例示的な実施例では、二酸化チタンで被覆された透明な伝導性酸化物被覆スライドガラスを、実施例５に説明したようにスピン・コーティング法によって調製した。酸化チタン被覆伝導性スライドガラスを、０．０１Ｍのポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液を含むポリリンカー溶液で５分間処理し、ナノ粒子を相互接続させた。スライドをポリリンカー溶液から取り出した後、約５分間風乾した。スライドを後に改質剤溶液に約１分間浸漬した。使用した改質剤溶液は、水／エタノールの１：１混合物、１Ｍのｔ−ブチルピリジンの水／エタノール１：１混合物溶液、０．０５ＭのＨＣｌの水／エタノール１：１混合物溶液であった。スライドガラスのうちの１つを、加湿器からの蒸気で１５秒間処理した。スライドを１５分間風乾し、１５０℃で１５分間熱処理して溶媒を除去し、次いで３×１０−４ＭのＮ３色素溶液で約１時間、増感させた。増感させた光電極を白金被覆ＳｎＯ２：Ｆで被覆したスライドガラスに挟み、１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を用いて、光電特性を調べた。酸はこれらの光電セルの光伝導性と効率との増大を補助すると思われる。この実施例のセルの、ＡＭ１．５条件でのηおよび光電特性を、表３に以下の通りに挙げる。改質剤溶液に浸漬しておらず、ポリリンカー溶液で処理していないスライドガラス（列Ａ）、改質剤溶液に浸漬していないが、ポリリンカー溶液で処理したスライドガラス（列Ｂ）、スライドを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで水／エタノール１：１混合物に浸漬したもの（列Ｃ）、スライドガラスを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで１Ｍのｔ−ブチルピリジンの水／エタノール１：１混合物溶液に浸漬したもの（列Ｄ）、スライドガラスを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで０．０５ＭのＨＣｌの水／エタノール１：１混合物溶液に浸漬したもの（列Ｅ）、スライドガラスを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで加湿器からの蒸気で処理したもの（列Ｆ）。
【０１２９】
【表３】
【０１３０】
実施例７：相互接続後に１５０℃まで加熱
この例示的な実施例では、二酸化チタンで被覆された透明な伝導性酸化物被覆スライドガラスを、実施例５に説明したようにスピン・コーティング法によって調製した。スライドガラスを、０．０１Ｍのポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液に３０秒間浸漬し、１５分間風乾した。スライドを後に１５０℃で１０分間、オーブン中で熱処理した。熱処理した酸化チタン層をＮ３色素溶液で１時間、増感させ、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で１０分間加温した。増感させた光電極を０．７×０．８ｃｍの活性面積の光セルに切断し、白金化伝導性電極の間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。光電セルは、全てＡＭ１．５条件にて、平均ηが３．８８％（３．８３、３．９、３．９２）、平均ＶＯＣが０．７３Ｖ（０．７３、０．７４、０．７３Ｖ）、平均ＩＳＣが９．６ｍＡ／ｃｍ２（９．８８、９．６５、９．２６）であった。
【０１３１】
実施例８：相互接続後に７０℃まで加熱
この例示的な実施例では、二酸化チタンで被覆された透明な伝導性酸化物被覆スライドガラスを、実施例５に説明したようにスピン・コーティング法によって調製した。スライドガラスを、０．０１Ｍのポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液に３０秒間浸漬し、１５分間風乾した。スライドを後に７０℃で１０分間、オーブン中で熱処理した。熱処理した酸化チタン層をＮ３色素溶液で１時間、増感させ、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラスで１０分間加温した。増感させた光電極を０．７×０．７ｃｍの活性面積の光セルに切断し、白金化伝導性電極の間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。光電セルは、全てＡＭ１．５条件にて、平均ηが３．６２％（３．５５、３．７３、３．５７）、平均ＶＯＣが０．７５Ｖ（０．７４、０．７４、０．７６Ｖ）、平均ＩＳＣが７．９６ｍＡ／ｃｍ２（７．６９、８．２２、７．９７）であった。
【０１３２】
実施例９：可撓性透明基板上に形成
この例示的な実施例では、厚さ約２００μｍ、約１２．７ｃｍ（５インチ）×約２．４ｍ（８フィート）平方のＰＥＴ基板をＩＴＯで被覆して、ループ・コーター（ｌｏｏｐ ｃｏａｔｅｒ）に装填した。二酸化チタンのｎ−ブタノール懸濁液（固形分２５％のＰ２５）１８．０ｍＬを、ｎ−ブタノール１０ｍＬ中の０．５ｇのポリ（ｎ−ブチルチタネート）をインライン混合（ｉｎ−ｌｉｎｅ ｂｌｅｎｄｅｄ）し、ＩＴＯ被覆ＰＥＴシート上に被覆した。堆積の後、被膜を約５０℃で約１分間加熱した。次いで、相互接続ナノ粒子層を３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液を用いてコーティングすることによって色素増感させた。
【０１３３】
Ｃ．半導体酸化物配合物
さらなる例示的な実施形態において、本発明は、本明細書に説明するように、低温ナノ粒子相互接続を用いて形成された、本発明のＤＳＳＣと共に使用するための半導体酸化物配合物を提供する。半導体酸化物配合物は、室温で被覆され、約５０℃〜約１５０℃で乾燥されて、例えば、電極（メッシュ電極および触媒媒体で被覆されたメッシュ電極を含む）と、透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）で被覆されたプラスチック基板とに対する良好な接着性を有する、機械的に安定な半導体ナノ粒子膜を生成する。一実施形態において、光増感相互接続ナノ粒子材料のナノ粒子半導体は、市場で入手可能なＴｉＯ２ナノ粒子の懸濁水溶液から、ポリマー・バインダから、および酢酸を用いて、並びに酢酸を用いずに形成される。適切なポリマー・バインダは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＯＥＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニル（ＰＶＡ）、および他の水溶性ポリマーを含むが、それらに限定されない。ポリマーに対する半導体酸化物粒子（例えばＴｉＯ２）の比率は、重量で約１００
：０．１〜１００：２０、好適には重量で１００：１〜１００：１０であることが可能である。配合物中の酢酸の存在は、例えば、ＴＣＯ被覆基板への被膜の接着向上を改良する。しかしながら、本発明のこの態様において酢酸は不可欠ではなく、酢酸を用いない半導体酸化物分散液は充分機能する。別の実施形態において、ＴｉＯ２ナノ粒子は、例えばイソプロピルアルコールなどの有機溶媒中に例えばＰＶＰ、ビューツバル（ｂｕｔｖａｒ（登録商標））、エチルセルロースなどのポリマー・バインダと共に分散される。
【０１３４】
別の例示的な実施形態において、半導体酸化物被膜の機械的完全性と、それらの被膜に基づく色素増感セルの光電性能とは、半導体ナノ粒子を相互接続させるために架橋剤を用いることによって、さらに改良可能である。この目的のために、本明細書に述べるポリリンカーを用いてもよい。これらの架橋剤は、例えば、チタニア・コーティング配合物中に直接的に適用されてもよく、チタニア被膜を乾燥する工程に続いて、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの有機溶媒の溶液として適用されてもよい。例えば、約７０℃〜約１４０℃の範囲の温度まで続いて膜を加熱することによって、ＴｉＯ２ナノ粒子間にＴｉＯ２架橋を形成する。好適には、この実施例のポリリンカーの濃度は、チタニアを基準にして約０．０１〜約２０重量％である。
【０１３５】
Ｄ．半導体プライマー層被膜
別の例示的な実施形態において、本発明は、半導体酸化物材料と、およびＤＳＳＣを形成するための素地材料上への半導体酸化物ナノ粒子層の被覆方法とを提供する。図１７には、本発明の様々な実施形態によるコーティング法の例示的な実施形態１７００を描く。例示的な一実施形態において、素地材料１７１０は半導体酸化物の第１のプライマー層１７２０で被覆され、次いで半導体酸化物のナノ粒子１７３０懸濁液がプライマー層１７２０の上に被覆される。特に、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｎＯを含む、半導体金属酸化物は、薄膜、微粒子、または前駆体溶液の形で、真空コーティング、スピン・コーティング、ブレード・コーティング、または他の被覆方法を用いて、プライマー層被膜として用いられてよい。
【０１３６】
一実施形態において、プライマー層１７２０は真空被覆した半導体酸化膜（例えばＴｉＯ２膜）を含む。別の実施形態において、プライマー層１７２０は半導体酸化物（例えばＴｉＯ２、ＳｎＯ２）の微粒子の薄い被膜を含む。プライマー層１７２０はポリリンカーまたは前駆体溶液の薄い層を含んでもよく、その１つの例は図４に示したＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマー４００である。本発明の例示的な一実施形態によれば、素地材料１７１０は、例えば図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｄおよび４〜６の光電セルの幾つかの実施形態に見られるような、可撓性の光透過性の基板である。また、素地材料１７１０は、透明な伝導性プラスチック基板であってもよい。例示的な一実施形態によれば、ナノ粒子１７３０の懸濁液は光増感相互接続ナノ粒子材料である。
【０１３７】
プライマー層１７２０は、ナノ構造半導体酸化膜（例えば層１７３０など）の素地材料１７１０に対する接着を改良する。それらのプライマー層によるＤＳＳＣの性能向上が観察されており、これを以下に説明する。この向上は、半導体酸化物ナノ粒子（または光電極）と透明伝導性酸化物で被覆したプラスチック基板との間の接着の増大や、より高い並列抵抗（ｓｈｕｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）によるものである。
【０１３８】
二酸化チタン・ナノ粒子層を含むＤＳＳＣに関する、本発明のこの態様の様々な例示的な実施形態の実施例は以下の通りである。
実施例１０：ナノ粒子ＴｉＯ２光電極に対するプライマー層として真空被覆されたＴｉＯ２
この例示的な実施例では、ポリエステル（ここではＰＥＴ）基板上に被覆されたＩＴＯ層の上に厚さ２．５ｎｍ〜１００ｎｍの薄いＴｉＯ２膜を真空下でスパッタ被覆した。ス
パッタ被覆された薄いＴｉＯ２を有するＩＴＯ／ＰＥＴと、無地のＩＴＯ／ＰＥＴ（すなわちスパッタ被覆された薄いＴｉＯ２のない部分）との両方に、ＴｉＯ２（平均粒子寸法２１０ｎｍのＰ２５）の水系スラリーをスピン被覆した。被覆した膜をポリ［Ｔｉ（ＯＢＵ）４］のブタノール溶液に浸漬し、次いで１２０℃で２分間、熱処理した。低温反応で相互接続した膜をＮ３色素の非プロトン性極性溶媒系溶液（８ｍＭ）に２分間浸漬した。光電セルは白金（ＰＴ）の対極と、Ｉ／Ｉ３液体電解質、０．０５ｍｍ（２ミル）のＳＵＲＬＹＮ（登録商標）と、銅伝導性テープとで作製した。Ｉ−Ｖ特性の測定をソーラシミュレータで行った。
【０１３９】
無地ＩＴＯ／ＰＥＴの接着と比較したナノ構造ＴｉＯ２の接着。フィル・ファクタの向上が同様に達成された。薄いＴｉＯ２がスパッタ被覆されたＩＴＯ／ＰＥＴ上に作製した光電セルでは、０．６７程度のＦＦが測定された。無地のＩＴＯ／ＰＥＴ上に作製した光電セルでは、０．６０を超えるＦＦは観察されなかった。薄いＴｉＯ２がスパッタ被覆されたＩＴＯ／ＰＥＴ上に調製した光電極では、より高い光電変換効率（無地のＩＴＯ／ＰＥＴから作製した光電極よりも約１７％高い）が測定された。このスパッタ被覆されたＴｉＯ２を有するＩＴＯ／ＰＥＴ上に作製した光電セルでは、並列抵抗の向上も観察された。
【０１４０】
実施例１１：ＴｉＯ２懸濁液用のプライマー層としてのＴｉＯ２微粒子
この例示的な実施例では、ＰＥＴ基板上のＩＴＯの突起間の谷間に固着するのに充分細かいＴｉＯ２の微粒子を、チタン（ＩＶ）イソプロポキシドの加水分解によって調製した。次いで、この微粒子を８００回転／分（ｒｐｍ）でＩＴＯ層上にスピン被覆した。次いで、平均粒子寸法約２１ｎｍの３７％ＴｉＯ２（Ｐ２５）懸濁液を８００回転／分で微粒子層の上にスピン被覆した。被覆したＴｉＯ２をＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液に１５分間浸漬することによって低温相互接続し、続いてスライドガラス加温器にて５０℃で乾燥した後、１２０℃で２分間、加熱した。相互接続した被膜を８ｍＭの非プロトン性極性溶媒溶液に２分間浸漬することによってＮ３色素で染色し、次いでエタノールで洗い、スライドガラス加温器にて５０℃で２分間、乾燥した。対照の被膜は、微粒子プライマーのコートを行わないことを除き、同じように調製した。セルの性能特性をソーラシミュレータを用いて測定した。試験および対照での結果を下の表４に示す。ＴｉＯ２懸濁液用のプライマー被膜として酸化スズ微粒子では、類似の改良が生じた。
【０１４１】
【表４】
【０１４２】
実施例１２：ＴｉＯ２用プライマー層としてのチタン（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーのブタノール溶液（前駆体溶液）
別の試験では、Ｔｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液をＩＴＯ／ＰＥＴプラスチックの素地の上に８００回転／分でスピン被覆した。平均粒子寸法約２１ｎｍの４３％ＴｉＯ２（Ｐ２５）懸濁液を８００回転／分でスピン被覆した。被覆したＴｉＯ２をブタノール中のＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液にＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液に１５分間浸漬することによって低温相互接続し、続いてスライドガラス加温器
にて５０℃で乾燥した後、１２０℃で２分間、加熱した。被膜を８ｍＭの非プロトン性極性溶媒溶液に２分間浸漬することによってＮ３色素で染色し、次いでエタノールで洗い、スライドガラス加温器にて５０℃で２分間、乾燥した。対照の被膜は、微粒子プライムマーのコートを行わないことを除き、同じように調製した。セルのＩ−Ｖ特性をソーラシミュレータで測定した。試験および対照での結果を下の表５に示す。
【０１４３】
【表５】
【０１４４】
Ｅ．光増感剤：共増感剤（ｃｏ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ）
例示的な一実施形態によれば、上述の光増感剤は、第１に増感色素と、第２に電子供与体である「共増感剤」とを含む。光増感相互接続ナノ粒子材料を形成するために、第１の増感色素と共増感剤とが一緒に添加されてもよく、別に添加されてもよい。増感色素は入射可視光を電気に変換して所望の光電効果を生じるのを促進する。例示的な一実施形態において、共増感剤は電子を受容体に供与して安定なカチオン・ラジカルを生成し、増感色素から半導体酸化物ナノ粒子材料への電荷移動の効率を改良し、増感色素または共増感剤への逆電子移動を低減させる。好適には、共増感剤は、（１）窒素原子上の孤立電子対（ｆｒｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｐａｉｒ）と窒素原子が結合している芳香環の混成軌道との共役による、電子移動に続く、それらの混成軌道によるカチオン・ラジカルの共鳴安定化、および（２）カルボキシやホスフェートなど、共増感剤を半導体酸化物に定着させる機能を有する配位基を含む。適切な共増感剤の例は、芳香族アミン（例えばトリフェニルアミンおよびその誘導体など）、カルバゾール、他の縮合環類を含むが、それらに限定されない。
【０１４５】
共増感剤は光増感相互接続ナノ粒子材料の伝導帯に電子的に結合する。適切な配位基は、カルボキシル基、ホスフェート基、もしくは、例えば、オキシムまたはアルファケトエノレートなどのキレート基を含むが、それらに限定されない。
【０１４６】
以下の表６〜１２には、高温焼結または低温相互接続されたチタニアの表面に、共増感剤が増感色素と共に吸収されたとき、光電セルの効率が高まることを示す結果を示す。表６〜１２において、特性測定はＡＭ１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）を用いて行った。１ｍのＬｉＩ、１Ｍのｔ−ブチルピリジン、および０．５ＭのＩ２を含む３−メトキシプロパニトリル（３−ｍｅｔｈｘｙｐｒｏｐａｎｉｔｒｉｌｅ）の液体電解質を使用した。表に示したデータは、低温相互接続（表９，１１，１２）と高温焼結（表６，７，８，１０）のチタニア・ナノ粒子の両方で、１つ以上のセルの動作パラメーターが向上することを示している。記載の太陽電池特性は、η、ＶＯＣ、ＩＳＣ、ＦＦ、Ｖｍ、Ｉｍを含む。共増感剤に対する増感剤の比率は増感化溶液中の光増感剤の濃度に基づく。
【０１４７】
特に、共増感剤の濃度が色素濃度の約５０ｍｏｌ％未満であれば、芳香族アミンが増感チタニア太陽電池の電池性能を高めることが見出された。好適な芳香族アミンの一般的な分子構造の１例を、図１８および図１９に示す。共増感剤の濃度は、好適には約１ｍｏｌ％〜約２０ｍｏｌ％の範囲であり、さらに好適には約１ｍｏｌ％〜約５ｍｏｌ％の範囲である。
【０１４８】
図１８Ａには、共増感剤として働き得る化学構造１８００を描く。分子１８００は配位基またはキレート基Ａによって、ナノ粒子層の表面を吸着する。上述のように、Ａはカルボン酸基またはその誘導体、ホスフェート基、オキシムまたはアルファケトエノレートであってよい。図１８Ｂには構造１８００の特定の実施形態１８１０、すなわちＤＰＡＢＡ（ジフェニルアミノ安息香酸）を描いており、Ａ＝ＣＯＯＮである。図１３ＣにはＤＥＡＰＡ（Ｎ’，Ｎ−ジフェニルアミノフェニルプロピオン酸）と呼ばれる他の特定のアミン１８２０を描いており、Ａはカルボン酸誘導体ＣＯＯＮである。
【０１４９】
図１９Ａには、共増感剤または増感色素として働き得る化学構造１９３０を示す。この分子は５００ｎｍを超える放射を吸収せず、その配位基またはキレート基Ａによってナノ粒子層の表面に吸着される。Ａはカルボン酸基またはその誘導体、ホスフェート基、オキシムまたはアルファケトエノレートであってよい。Ｒ１およびＲ２は各々フェニル、アルキル、置換フェニル、またはベンジル基であってよい。好適には、アルキル基は１〜１０の炭素を含む。図１９Ｂには、構造１９３０の特定の実施形態１９４０、すなわち、ＤＰＡＣＡ（２，６ビス（４−安息香酸（ｂｅｚｏｉｃａｃｉｄ））−４−（４−Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニルピリジンカルボン酸）を描いており、Ｒ１およびＲ２はフェニルでありＡはＣＯＯＨである。
【０１５０】
ＤＰＡＣＡは以下のように合成され得る。１．４９ｇ（９．０８ｍｍｏｌ）の４−アセチル安息香酸、１．６９ｇ（６．１８ｍｍｏｌ）の４−Ｎ，Ｎ−ジフェニルベンズアルデヒド、５．８ｇ（７５．２ｍｍｏｌ）の酢酸アンモニウムを凝縮器と攪拌棒を備える１００ｍｌの丸底フラスコ中の６０ｍｌの酢酸に添加した。溶液を窒素下で５時間攪拌しながら還流加熱した。反応物を室温まで冷却し、１５０ｍｌの水に注ぎ、それを１５０ｍｌのジクロロメタンで抽出した。ジクロロメタンを分離し、回転式エバポレータで留去し、黄色油分を得た。次いで、油分を４％のメタノール／ジクロロメタンを用いてシリカゲル・カラムで溶離して、橙色固体の生成物を得た。この固体をメタノールで洗い、真空乾燥して０．９２０ｇの２，６ビス（４−安息香酸（ｖｅｎｚｏｉｃａｃｉｄ））−４−（−４Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニルピリジン（ＤＰＡＣＡ）を得た。融点は１９９〜２００℃であり、λｍａｘは４２１ｎｍ、モル消光係数（ｍｏｌａｒ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）Ｅは３９，２００Ｌｍｏｌ−１ｃｍ−１であった。構造はＮＭＲ分光器によって確認した。
【０１５１】
表６には、１ｎＭのＮ３色素と３つの濃度のＤＰＡＢＡとの溶液に終夜浸漬することによって光増感した、高温焼結チタニアの結果を示す。表６には、好適な２０／１（色素／共増感剤）の比率において、平均ηが最大であることも示す。
【０１５２】
【表６】
【０１５３】
表７には、セルへの照射中、カットオフ・フィルターを用いてＩ−Ｖ特性を試験した結果を示す（第３および第４のエントリ）。表７には、ＤＰＡＢＡの存在時、セルの効率がさらに向上することも示されており、このことは、フィルターの非存在時の効果が、単にＤＰＡＢＡによるＵＶ光の吸収と、それに続く電荷の注入によるものではないことを示している。図２０には、本発明の例示的な実施形態による光電セルの特性測定に用いたカットオフ・フィルターの吸収対波長のプロット２０００を示す。図２１には、４００ｎｍ未満を吸収するＤＰＡＢＡの吸収対波長のプロット２１００を示す。カットオフ・フィルターの吸収が大きいので、ＤＰＡＢＡの吸収帯域には光はほとんど到達しない。
【０１５４】
【表７】
【０１５５】
表８には、トリフェニルアミン自体（すなわち、カルボキシ基など、チタニアを錯化する基がない）の添加は、記載条件下で有意に効率を向上させないことを示す。
【０１５６】
【表８】
【０１５７】
表９には、低温相互接続チタニアを用いた効果と、２０／１（色素／共増感剤）の比率が好適であることを示す。
【０１５８】
【表９】
【０１５９】
表１０には、共増感剤に対する色素の比率を２０／１に維持したまま、高濃度のＮ３色素を用いて増感させた高温焼結チタニアの結果を示す。エントリ１とエントリ２には、共増感剤による電池性能の増大を示す。エントリ３には、ＤＰＡＢＡ単独での増感剤としての効果を示しており、低強度のＵＶ照射を含む全太陽スペクトルの照射時に、この材料自体が増感剤として働くことを示している。
【０１６０】
【表１０】
【０１６１】
表１１には、低温相互接続チタニアの結果を示す。エントリ５には、ＤＰＡＣＡ単独での増感剤としての効果を示しており、低強度のＵＶ照射を含む全太陽スペクトルの照射時に、この材料自体が増感剤として働くことを示している。
【０１６２】
【表１１】
【０１６３】
表１２には、低温相互接続チタニアの結果を示す。エントリ６には、ＤＥＡＰＡ単独での増感剤としての効果を示しており、低強度のＵＶ照射を含む全太陽スペクトルの照射時に、この材料自体が増感剤として働くことを示している。
【０１６４】
【表１２】
【０１６５】
Ｅ．電荷キャリア媒体：ゲル電解質
さらなる実施形態によれば、本発明は、リチウムイオンなどの金属イオンを用いてゲル化される、多重に錯化可能な分子（すなわち、錯化可能な２つ以上の配位子を含む分子）とレドックス電解質溶液とを含む電解質組成物からなる光電セルを提供する。多重に錯化可能な化合物は、典型的には複数の部位で金属イオンと錯化することが可能な有機化合物である。電解質組成物は可逆的なレドックス化学種とすることが可能である。この可逆的なレドックス化学種は、それ自体液体であってもよく、または、固体成分であって、還元−酸化反応サイクルに関与せずにレドックス化学種の溶媒として働く非レドックス活性の溶媒に溶解されてもよい。例には、レドックス活性イオンを含まない通常の有機溶媒および溶融塩が含まれる。レドックス化学種の例は、特に、例えば、ヨウ化物／三ヨウ化物、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含む。レドックス成分は
、全ての溶融塩を含む、非水性溶媒に溶解される。ヨウ化物系の溶融塩、例えばメチルプロピルイミダゾリウムヨウ化物、エチルブチルイミダゾリウムヨウ化物、メチルヘキシルイミダゾリウムヨウ化物などは、それ自体レドックス活性であり、レドックス活性液体として使用可能でもあり、あるいは、酸化−還元反応サイクルを行わない通常の有機溶媒または溶融塩などの非レドックス活性材料で希釈され、使用することが可能である。多座無機配位子もゲル化化合物の原料としてもよい。
【０１６６】
図２２には、金属イオンを用いてゲル化させた電解質の例示的な実施形態を描く。ポリ（４−ビニルピリジン）と錯化したリチウムイオンを示す。リチウムイオンおよび有機化合物、この場合複数の部位でリチウムイオンと錯化可能なポリ（４−ビニルピリジン）分子は、適切な電解質溶液のゲル化に使用することが可能である。本発明によって調製された電解質組成物は、少量の水と、溶融ヨウ化物塩と、有機ポリマーと、リチウムなどの金属イオンの添加によってゲル化する他の適切な化合物とを含んでよい。ゲル化した電解質は、１つ以上のメッシュ電極を用いた光電セルと、個々の可撓性光電セルと、典型的な太陽電池と、光電繊維と、相互接続された光電モジュールと、他の適切な装置とに組み込まれてよい。図２２に示した点線は、適切な金属イオンの導入後の、構成要素の電解質溶液と有機化合物とのゲル化時に、光電セルのゲル電解質中に生じる結合の種類を表す。
【０１６７】
複数の部位で金属イオンと錯化可能であるとともに、本発明での使用に適する有機化合物の非網羅的な一覧は、様々なポリマーと、星形／デンドリマー状分子と、例えば、ウレタン、エステル、エチレン／プロピレンオキシド／イミン部位、ピリジン、ピリミジン、Ｎ−オキシド、イミダゾール、オキサゾール、トリアゾール、ビピリジン、キノリン、ポリアミン、ポリアミド、尿素、β−ジケトン、β−ヒドロキシケトンなどの複数の官能基を含む他の分子とである。
【０１６８】
より一般的には、様々な実施形態に使用される多重に錯化可能な分子は、錯体形成可能な２つ以上の配位子または配位基を有する、ポリマー分子または小さな有機分子であってよい。配位基は、例えば、特に酸素、窒素、硫黄、またはリンなど、高電子密度の１つ以上の供与性原子を含むとともに、適切な金属イオンと単座または多座の錯体を形成する官能基である。配位基は非ポリマー材料またはポリマー材料中の側鎖または主鎖の一部、もしくはデンドリマーまたは星形分子の一部として存在してよい。単座配位子の例は、例えば、特に、エチレンオキシ、アルキル−オキシ基、ピリジン、およびアルキル−イミン化合物を含む。二座および多座配位子の例は、ビピリジン、ポリピリジン、ウレタン基、カルボキシル基、およびアミドを含む。
【０１６９】
本発明の様々な実施形態によれば、リチウムイオンを含むゲル電解質２２００を有する色素増感光電セルは、室温以下の温度、または約３００℃未満の高温で作製される。温度は約１００℃未満であってよく、好適には、電解質溶液のゲル化は室温かつ標準的な圧力で行われる。様々な例示的な実施形態において、スクリーン印刷およびグラビア印刷技術などの印刷技術を用いるゲル電解質の堆積を容易にするために、電解質溶液の粘度を調整してよい。様々な配位子とリチウムイオンの錯化をより高い温度で破壊することによって、ＤＳＳＣ系の光電モジュール製造中ののゲル電解質組成物の加工を容易にすることが可能となり得る。熱的に可逆または不可逆のゲルを形成するために、他の金属イオンを使用してもよい。適切な金属イオンは、Ｌｉ＋、Ｃｕ２＋、Ｂａ２＋、Ｚｎ２＋、Ｎｉ２＋、ＬＮ３＋（または他のランタニド）、Ｃｏ２＋、Ｃａ２＋、Ａｌ３＋、Ｍｇ２＋、および配位子と錯化する任意の金属イオンを含む。
【０１７０】
図２３は、有機ポリマー、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）のリチウムイオンによる錯化によって形成されたゲル電解質２３００を描いている。ＰＥＯポリマー部はリチウムイオンの周りに錯化され、互いに架橋した形で示されている。他の実施形態において、様々
なポリマー鎖と錯化した金属イオンは、可逆性レドックス電解質物質に組み込まれてゲル化を促進することが可能である。組合せから得られるゲル電解質組成物は、光電繊維、光電セル、および電気的に相互接続された光電モジュールなどの様々な光電セルの実施形態に使用するのに適している。
【０１７１】
図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｄ、４〜６に戻って参照すれば、電荷キャリア媒体は複数の部位で金属イオンと錯化可能な有機化合物を有する電解質組成物と、リチウムなどの金属イオンと、電解質溶液とを含むことが可能である。これらの材料を組み合わせて、電荷キャリア媒体に使用するのに適したゲル化電解質組成物を製造することが可能である。一実施形態において、電荷キャリア媒体はレドックス系を含む。適切なレドックス系は、有機、無機レドックス系、またはその両方を含んでよい。それらの系の例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含むが、それらに限定されない。
【０１７２】
電解質組成物を有するＤＳＳＣに関する本発明のさらなる例示的実施例を以下に提供する。以下の例示的実施例に使用される光電極は、以下の手順に従って調製した。チタニア懸濁水溶液（固形分３０〜３７％の懸濁液調製技術を用いて調製したＰ２５）を、ＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラス（１５Ω／ｃｍ２）上にスピン・キャストした。酸化チタニウム被膜の典型的な厚さは約８μｍであった。被覆したスライドを室温で風乾し、４５０℃で３０分間焼結した。スライドガラスを約８０℃まで冷却した後、スライドガラスを３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液に約１時間浸漬した。スライドガラスを取り出し、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で約１０分間乾燥した。スライドガラスを約０．７ｃｍ×０．７ｃｍ平方の活性面積のセルに切断した。調製したゲルをガラス棒を用いて光電極上に適用し、白金被覆されたＳｎＯ２：Ｆ被覆の伝導性スライドガラスの間に挟んだ。セルの性能をＡＭ１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）で測定した。
【０１７３】
実施例１３：標準的なイオン性液体系電解質組成物におけるヨウ化リチウムの効果
この例示的な実施例では、使用した標準的なイオン性液体系レドックス電解質組成物は、９９％（重量で）のヨウ化イミダゾリウム系イオン性液体と、１％の水（重量で）とを含む混合物に、０．２５Ｍのヨウ素と０．３Ｍのメチルベンズイミダゾールとを組み合わせたものであった。様々な実験的試みにおいて、０．１０Ｍ以上のヨウ素濃度を有する電解質溶液が最良の太陽変換効率を示した。標準的な組成物において、イオン性液体としてヨウ化ブチルメチルイミダゾリウム（ＭｅＢｕＩｍＩ）を用いた。ヨウ素濃度の増加と共に光電圧は低下したが、少なくともヨウ素濃度０．２５Ｍまでは、光伝導性および変換効率は増加した。標準的な組成物に対してヨウ化リチウムを添加すると、光電特性ＶＯＣ、ＩＳＣと、ηとが増大した。したがって、ゲル化剤としてのリチウムの使用に加え、光電効率全体を改良するように働く場合がある。表１３に、光電特性に対するＬｉＩの効果をまとめる。
【０１７４】
【表１３】
【０１７５】
ここで参照するフィル・ファクタ（「ＦＦ」）は、開放電圧と短絡電流との積に対する太陽変換効率の比から計算可能である。すなわち、ＦＦ＝η／［ＶＯＣ×ＩＳＣ］である。
【０１７６】
実施例１４：光電特性向上におけるカチオンの効果
光電特性の向上がリチウムまたはヨウ化物の存在によるものか否かを確認するために、リチウム、カリウム、セシウムを含むカチオンと組み合わせたヨウ化物と、テトラプロピルアンモニウムヨウ化物とを用いて対照実験を行った。ヨウ化物濃度は標準電解質組成物の３７６μｍｏｌ／グラムに固定した。使用した標準的な組成物は、９９％のＭｅＢｕＩＭＩと、１％の水とを含む混合物に、０．２５Ｍのヨウ素と０．３Ｍのメチルベンズイミダゾールとを組み合わせたものであった。標準電解質組成物のグラム当たり３７６μｍｏｌの様々なヨウ化物塩を電解質に溶解した。ＬｉＩの完全な溶解を観察した。他の塩は溶解に長い時間を要し、実験中に完全には溶解しなかった。様々なカチオンを含む調製した電解質を用いて、ＤＳＳＣ系の光電セルを作製した。表１４には、光電特性に対する様々なカチオンの効果を示す。表１４の第２列から明らかなように、Ｌｉ＋イオンは標準の処方に比べて向上した光電特性を示し、他のカチオンは光電特性の向上に寄与しない。
【０１７７】
【表１４】
【０１７８】
実施例１５：イオン性液体の種類の効果
本発明の一態様において、ＭｅＢｕＩｍＩ系の電解質組成物は、ＭｅＰｒＩｍＩ系の電解質よりもわずかに良好に機能することが見出された。さらに、表１５に示すように、実験結果はＭｅＢｕＩｍＩとＭｅＰｒＩｍＩの１／１混合物は、ＭｅＢｕＩｍｉよりも良好な性能を示している。
【０１７９】
【表１５】
【０１８０】
実施例１６：二臭素化合物の代わりに組成物Ａ中にＬｉ誘発ゲル化を用いること
この例示的な実施例では、組成物Ａは、９９．５重量％のヨウ化１−メチル−３−プロピルイミダゾリウムと０．５重量％の水からなる混合溶媒中に０．０９Ｍのヨウ素を溶解
することによって調製した。次いで、窒素含有化合物のポリ（４−ビニルピリジン）（「Ｐ４ＶＰ」）０．２ｇを、１０ｇの組成物Ａに溶解した。さらに、ゲル電解質の前駆体である電解質組成物を得るため、得られた組成物Ａ溶液に、有機臭化物の１，６−ジブロモヘキサン０．２ｇを溶解した。
【０１８１】
（ｉ）２重量％のＰ４ＶＰと、（ｉｉ）９９．５％のＭｅＰｒＩｍＩおよび０．５％の水を含む混合物とを含む電解質組成物に、ゲル化剤として５重量％のヨウ化リチウム（標準電解質組成物のグラム当たり３７６μｍｏｌのリチウム塩）を用いたとき、急速にゲル化が起きた。ゲルはＬｉ誘発ゲルを含むバイアルを上下逆に傾けたとき流動しなかった。二臭素化合物を用いる１手段では、架橋領域が液体中に懸濁して相分離された電解質を生成し、これは（１００℃３０分間のゲル化後にも）流動した。ＬｉＩの有無による組成物Ａの光電特性の比較を、以下の表１６および表１７に示す。この結果では、リチウムイオンを用いるとＤＳＳＣ系の光電セル製造に適した機能性ゲルが得られ、光電特性も改良されることを示している。
【０１８２】
【表１６】
【０１８３】
【表１７】
【０１８４】
実施例１７：ＤＳＳＣの効率および光電圧に対するリチウム塩のアニオンの効果
ＤＳＳＣの全効率の向上に対するリチウムの役割を明らかにするために、リチウムの対イオンの効果を調べる実験を行った。セルの光電特性を調査するために、ＭｅＰｒＩｍＩ、１％の水、０．２５Ｍのヨウ素、０．３Ｍメチルベンズイミダゾールを含む電解質組成物のグラム当たり、３７６μｍｏｌのＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌを用いた。これらの電解質を含むセルの光電特性を表１８に示す。
【０１８５】
【表１８】
【０１８６】
実施例１８：不活性化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）およびＤＳＳＣの効率と光電圧との改良
光電セルの分野において、不活性化の用語は、太陽電池の電解質内の化学種への電子移動を低減させる方法を指す。不活性化は、典型的には、ｔ−ブチルピリジンメトキシプロピオニトリルまたは他の適切な化合物の溶液中にナノ粒子層を浸漬することによって処理することを含む。スポンジなどの光電セルのナノ・マトリックス層を色素で処理した後、ナノ・マトリックス層には色素を吸着していない領域が存在する場合がある。不活性化法は、典型的にはＤＳＳＣ上で行われて、非染色領域に存在する薬品を減少させる結果として、可逆的な電子移動反応が停止することを防止する。典型的な不活性化法は、様々なリチウム塩、他のアルカリ金属塩、またはその両方を含むイオン性液体組成物がＤＳＳＣに使用される時、必要である。不活性化法なしに、リチウムの塩化物塩を用いて０．６５Ｖを超える光電圧が達成された。
【０１８７】
この例示的な実施例では、１０重量％のｔ−ブチルピリジンを含むメトキシプロピオニトリル溶液に浸漬することによって、ＤＳＳＣを不活性化した。不活性化の後、４０℃に保ったスライドガラス加温器上でＤＳＳＣを約１０分間乾燥した。この調査では、使用した標準電解質組成物のグラム当たり３７６μｍｏｌのＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌを用いて、ＭｅＰｒＩｍＩ、１％の水、０．３Ｍのメチルベンズイミダゾール、および０．２５Ｍのヨウ素を含む電解質組成物をゲル化した。ｔ−ブチルピリジン系の不活性化試薬を電解質に添加すると、ＤＳＳＣの光電圧は高くなったが、光伝導性の低下によってＤＳＳＣの効率は低下した。様々なハロゲン化リチウムを含む電解質の光電特性に対する不活性化の効果を表１９にまとめる。
【０１８８】
【表１９】
【０１８９】
実施例１９：ポリビニルピリジンを含む電解質組成物のゲル化におけるリチウムの役割とゲル化に対する他のアルカリ金属イオンの効果
リチウム・カチオンは、錯化可能なポリマー、例えばＰ４ＶＰを２重量％程度含むイオン性液体組成物のゲル化に独特の効果を示すと思われる。ナトリウム、カリウムおよびセシウムなど、他のアルカリ金属イオンを使用してゲル化実験を行った。ヨウ化リチウム、塩化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウムなどアルカリ金属塩を、ヨウ化プロピルメチルイミダゾリウム（ｐｒｏｐｌｙｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｉｏｄｉ
ｄｅ）（ＭｅＰｒＩｍＩ）、１％の水、０．２５Ｍのヨウ素、および０．３Ｍのチルベンズイミダゾール（ｔｈｙｌｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）を含む電解質組成物の部分に加えた。ヨウ化リチウムを含む組成物のみが、用いた実験条件下でゲル化した。ナトリウム、カリウム、セシウムを含む残り３つの組成物は、用いた実験条件下でゲル化しなかった。カルシウム、マグネシウム、亜鉛など２価の金属イオン、もしくはアルミニウムまたは他の遷移金属イオンなど３価の金属は、他の可ゲル化塩であり得る。
【０１９０】
実施例２０：イオン性液体電解質ゲルに対するヨウ素とリチウム濃度との効果
この例示的な実施例では、ＭｅＢｕＩｍＩ、ヨウ素、２重量％のＰ４ＶＰを含む電解質組成物にリチウム塩を添加することによってゲルを調製した。高温焼結しＮ３色素増感した酸化チタン光電極と白金化ＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスとを用いて、ゲルの光電特性を試験した。ＬｉＩとＬｉＣｌの両方とも、Ｐ４ＶＰなどの錯化可能なポリマーを少量（２％で充分であった）含むイオン性液体系組成物をゲル化した。メチルベンズイミダゾールを欠く組成物では、リチウムは光電圧に影響を与えなかった。５重量％は、イオン性液体のグラム当たり約３７６μｍｏｌのリチウム塩を含む組成物と、９９重量％のヨウ化ブチルメチルイミダゾリウム、１重量％の水、０．３Ｍのメチルベンズイミダゾール、および０．２５Ｍのヨウ素の混合物とに相当する。したがって、１重量％はイオン性液体組成物のグラム当たり３７６／５μｍｏｌのリチウム塩に相当する。光電特性を表２０にまとめる。
【０１９１】
【表２０】
【０１９２】
実施例２１：レドックス電解質ゲルのゲル化性および光電特性に対するポリマー濃度の効果
この例示的な実施例では、ポリマー濃度を変化させ、ゲル粘度および光電特性に対する効果を調査した。この調査に使用した電解質組成物は、９９％のＭｅＢｕＩｍＩ、１％の水、０．２５Ｍのヨウ素、０．６ＭのＬｉＩ、および０．３Ｍのメチルベンズイミダゾールを含む混合物であった。ポリマーＰ４ＶＰの濃度は１％から５％に変化させた。１％のＰ４ＶＰでの電解質組成物は、ゲルを含むバイアルを下に傾けたとき、ゆっくりと流動した。２％、３％、および５％でのゲルは流動しなかった。５％のＰ４ＶＰでのゲルは、２％のＰ４ＶＰの調製と比較して充分に堅牢であった。表２１に、調査した様々なＰ４ＶＰ含有量のゲルの光電特性をまとめる。
【０１９３】
この結果は、Ｐ４ＶＰ含有量の増加によって得た粘度の増加によって、光電特性が変化しないことを示す。したがって、光電特性の低下を生じることなく、ゲルの粘度を調整可
能である。高いηを達成するにはメチルベンズイミダゾールが必要な場合がある。ヨウ素濃度を０．２５Ｍまで増加させた場合にも、効率は増加した。０．２５Ｍを超えると光電圧は劇的に低下し、全効率を低下させた。セシウム、ナトリウム、カリウム、またはテトラアルキルアンモニウムイオンなど他の金属イオンまたはカチオンは、効率の向上に寄与せず、電解質溶液のゲル化を生じないことが見出された。さらに、塩化物アニオンは、メチルベンズイミダゾールを含む組成物の光伝導性を低下させることなく光電圧を改良することによって、リチウムと共に効率を向上させることが見出された。
【０１９４】
【表２１】
【０１９５】
請求項は、特にその効果を特記しない限り、記述された順序または要素を制限するものと理解されるものではない。特定の例示的な実施形態を参照して本発明を具体的に図示し説明したが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および詳細における様々な変更を加えることが可能であることが理解される。例として、開示した任意の特徴を開示した他の任意の特徴と組み合わせて、本発明による光電セルまたはモジュールを形成してもよい。したがって、以下の特許請求の範囲および精神の範囲の内にある全ての実施形態およびその均等物が本発明として請求される。
【技術分野】
【０００１】
メッシュ電極を利用した光電セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
我々の化石燃料の消費および依存を低減したいという願望から、多くの光電材料およびデバイスが開発されてきた。光電材料およびデバイスがエネルギー源として広く採用されるには、主として光電セルの製造に伴うコストおよび技術的な困難が制約となっている。光電セルが商業的に使用可能なエネルギー源であるためには、ある妥当な時間枠内でセルによって生成される電気エネルギーで、それらのセルのエネルギーのコストおよび材料のコストが回収可能でなければならない。
【０００３】
２つの電極の間に配設された光電材料を含む典型的な光電セル（サンドイッチ型）を製造するとき、入射光に対する電極の一方または両方の透明性は、経済的および技術的な重要要件になり得る。サンドイッチ型のセルにおいて、セルの少なくとも一方の側は露光側、すなわち入射光がそれを通過して光電材料に到達するセルの側である。光電材料の最大出力エネルギーは、それが受取る入射光の量に依存するので、サンドイッチ型光電セルは露光側電極としてほとんど常に半導体酸化膜（例えばインジウム・スズ酸化物など）を使用する。それらの半導体酸化膜は比較的コストを要し、製造が困難であるが、有用な光電セルを製造するには伝導性と共に透明性が必要であると一般に考えられ、かつ教示されているため、従来技術の光電セルでは、これらの膜に半導体のみが用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、光電セルの少なくとも１つの露光側にメッシュ電極を使用する光電セルの様々な実施形態を提供する。適切なメッシュ電極材料は、金属線材、伝導性ポリマー繊維、金属被覆すなわち金属化された合成ポリマー繊維（例えばナイロンなど）、および金属被覆すなわち金属化された天然繊維（例えば亜麻、綿、羊毛、絹など）を含むが、それらに限定されない。メッシュ電極は、好適には、例えば金属線材・メッシュ、金属被覆すなわち金属化された繊維、またはその両方など、金属メッシュを含む。本明細書で用いられる「線材（ｗｉｒｅ）」の語は、断面が実質的に円形または楕円形のメッシュ・ストランドだけではなく、断面が、例えば半円形、正方形、および矩形などの非円形および非楕円形のストランドも指す。
【０００５】
金属メッシュの線材または繊維は不透明（すなわち光を遮断する）であるが、本発明の光電セルは、露光側電極として半導体酸化膜を使用する先行技術のセルを超える幾つかの利点を提供することが可能である。例えば、高伝導性の金属（例えばステンレス鋼またはチタンなど）からなる金属メッシュ電極の伝導性は、現在入手可能な最良の透明半導体酸化膜の伝導性を凌駕する。また、様々な実施形態において、メッシュ電極を用いて光電セルを形成することにより、それらのセルに半導体酸化膜電極を用いることに伴うコストおよび技術的な問題が低減または除去される。さらに、可撓性メッシュ電極を用いることによって、剛性基板上に光電セルを製造するために典型的に用いられるバッチ法とは対照的に、連続製造法（例えばロール−ツー−ロール、ウェブなど）による本発明の光電セルの製造が容易となる。
【０００６】
さらに、本発明のメッシュ電極の不透明な部分は本質的に電極全体の透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｉｖｉｔｙ）を低下させるが、線材（または繊維）直径とメッシュの単位面積当たりの線材（または繊維）数とを適切に選択することによって、様々な実施形態において
、本発明は８０％を超える透過率のメッシュ電極を提供する。様々な実施形態において、本発明の光電セルは約６０％〜約９５％の範囲の透過率を有する露光側メッシュ電極を含む。露光側メッシュ電極は好適には約８０％を超える透過率を有し、さらに好適には透過率は約９０％を超える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様によれば、本発明は、２つの電極の間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層と電荷キャリア媒体とからなる光電セルを提供する。少なくとも１つの露光側電極はメッシュの形の不透明材料から作られる。また好適には、光電セルは、電極と電荷キャリア媒体との間の電荷移動、電流の流れ、またはその両方を容易にするために、電極のうちの少なくとも１つに隣接して配設された触媒媒体も含む。
【０００８】
本明細書で用いられる「光増感ナノ・マトリックス層（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｎａｎｏｍａｔｒｉｘ ｌａｙｅｒ）」の語は、ナノ粒子、ヘテロ接合複合材料、またはその組合せからなる光増感層を含む。一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は１つ以上の種類の相互接続されたナノ粒子を含み、光増感剤を含むことも可能である。適切なナノ粒子の例は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化テルビウム、酸化タンタル、およびそれらの組合せからなるナノ粒子を含むが、それらに限定されない。光増感剤は、例えば、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン（ｐｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、またはピロールなど、色素または有機分子であることが可能である。別の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は、例えば、ポリチオフェン中のフラーレン複合材など、ヘテロ接合複合材料からなる。様々な実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層には長距離秩序は必要でないことが理解される。例えば、光増感ナノ・マトリックス層が結晶である必要はなく、粒子領域または相領域が、規則的に、反復的に、または周期的に配列されている必要はない。
【０００９】
一実施形態において、少なくとも１つの露光側電極は金属材料からなるメッシュ電極である。金属材料は、好適には、白金、ステンレス鋼、またはそれらの合金、もしくはそれらのうちの１つ以上からなる。他の適切な金属材料は、パラジウム、チタン、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。さらに、好適には、メッシュ電極は可撓性メッシュ材料からなる。可撓性メッシュ材料によって、例えばロール−ツー−ロール法またはウェブ法など、連続製造法で本発明の光電セルを製造することが容易となる。
【００１０】
別の実施形態において、少なくとも１つの露光側電極は、メッシュの開口部に堆積された半導体酸化膜を備えるメッシュ電極からなる。それらの実施形態においては半導体酸化物が使用されるが、半導体酸化膜の製造仕様は先行技術の光電セルで必要とされ得るよりも厳密でないことが可能である。例えば、メッシュ電極であるから、セルから外部負荷へ電流を伝達するために、セルが半導体酸化膜のみに依存する必要がない。したがって、例えば、先行技術の光電セルで必要とされ得るよりも低い品質の半導体酸化膜（例えば、より低い伝導性のもの）を使用することが可能であり得る。
【００１１】
別の実施形態において、本発明の光電セルはさらに第１の基板と第２の基板とを含む。第１の基板と第２の基板との間には、２つの電極と、光増感ナノ・マトリックス層と、電荷キャリア媒体とが配設されている。１つの場合には、メッシュ電極は、例えば露光側基板である第１基板中に、部分的に埋込まれる。好適には、メッシュ電極のうちの少なくとも一部は、第１基板への部分的埋込みの前、部分的埋込みの後、または部分的埋込みの前および後の両方に、触媒媒体で被覆される。別の場合には、部分的に埋込まれたメッシュ電極は、さらに、第１基板上とメッシュの開口部中とに堆積された半導体酸化膜を含む。
【００１２】
別の態様において、本発明は第１の可撓性基板と、可撓性メッシュ電極と、第１の可撓性電極とからなる可撓性光電材料を提供する。光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体の両方は、第１の可撓性電極と可撓性メッシュ電極との間に配設される。適切な第１の可撓性電極は、メッシュ電極、伝導性箔、および伝導性膜を含むが、それらに限定されない。一実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板に隣接して配設される。他の実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板上に堆積された金属層からなる。
【００１３】
別の態様において、本発明は２つの電極の間に配設された光活性材料からなる光電セルを提供する。少なくとも１つの露光側電極はメッシュの形の不透明な材料から作られる。光活性材料はケイ素の形（例えば結晶、多結晶、非晶質など）、薄膜型の光導体（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｅｒ）、または光増感ナノ・マトリックス材料であることが可能である。
【００１４】
別の態様において、本発明は、直列、並列、またはその両方の組合せで相互接続された、本発明の２つ以上の光電セルを有する光電モジュールを提供する。好適には、光電モジュールは第１基板と第２基板との間に配設された光電セルから形成される。光電セルは各々、第１電極とメッシュ電極との間に配設された光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体からなる。一実施形態において、電気絶縁性材料が光電セルの間に配設され、２つ以上の光電セルは、電気絶縁性材料の中に埋込まれ、かつ１つの光電セルのメッシュ電極と別の光電セルの第１電極とに電気的に接触している線材によって、電気的に直列に接続される。好適には、電気的な絶縁材料は接着特性も有し、例えば、２つの基板または基板部分を結合し、本発明による光電モジュールの形成を容易にすることが可能である。
【００１５】
別の態様において、本発明は本発明の複数の光電セルからなる光電モジュールの製造方法を提供する。この方法は、ロール−ツー−ロール法またはウェブ法などの連続製造法を用いて、そうした光電モジュールの製造を容易にする。一実施形態では、方法には、第１の基板上に一群の光電セル部分を形成し、第１の基板上の２つ以上の光電セル部分の間に電気的絶縁材料を配設し、第２の基板上に一群の光電セル部分を形成し、第１の基板上の２つ以上の光電セル部分の間の電気的絶縁材料に線材を埋込み、それぞれの基板と光電セル部分とを組合わせて複数の光電セルを形成することからなり、２つ以上の光電セルは線材によって電気的に直列に接続される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明によるメッシュ電極からなる光電セルの様々な実施形態の概略断面図。
【図１Ｂ】本発明によるメッシュ電極からなる光電セルの様々な実施形態の概略断面図。
【図２Ａ】本発明によるメッシュ電極と半導体酸化膜とを含む光電セルの様々な実施形態の概略断面図。
【図２Ｂ】本発明によるメッシュ電極と半導体酸化膜とを含む光電セルの様々な実施形態を示す概略断面図。
【図３Ａ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図３Ｂ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図３Ｃ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図３Ｄ】部分的に埋込まれたメッシュ電極を含む、本発明の様々な実施形態による光電セルの一部の概略断面図。
【図４Ａ】１つの露光側を有する本発明による光電セルおよび光電モジュールの一実施形態の概略断面図。
【図４Ｂ】２つの露光側を有する本発明による光電セルおよび光電モジュールの一実施形態の概略断面図。
【図５Ａ】メッシュ電極の実施形態の顕微鏡写真。
【図５Ｂ】メッシュ電極の実施形態の顕微鏡写真。
【図６】本発明の光電セルまたは光電モジュールを形成するために用いられ得る連続製造法の様々な実施形態を描く図。
【図７】光活性材料からなる、本発明の一態様による光電セルの一実施形態の概略断面図。
【図８】本発明による、金属Ｍの酸化物のナノ粒子用のポリリンカーの例示的な実施形態を描く例示的な化学構造図。
【図９】本発明による、金属Ｍの酸化物のナノ粒子用のポリリンカーの例示的な実施形態を描く別の例示的な化学構造図。
【図１０Ａ】本発明による、ポリリンカーによって相互接続されたナノ粒子膜の例示的な化学構造図。
【図１０Ｂ】本発明による、基板の酸化物層に付着された、図３Ａの相互接続されたナノ粒子膜を示す図。
【図１１】ポリ（ｎ−ブチルチタネート）の化学構造図。
【図１２Ａ】本発明による、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）によって相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子膜の化学構造図。
【図１２Ｂ】本発明による、基板の酸化物層に付着された、図１２Ａの相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子膜を示す図。
【図１２Ｃ】本発明による、メッシュ電極に付着された、図１２Ａの相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子膜を示す図。
【図１３】可撓性光電セルの全体または部分の形成に用いられ得る連続製造法の例示的な実施形態を示す図。
【図１４】例示的な太陽電池の電流−電圧曲線を示す図。
【図１５】本発明による、例示的な太陽電池の電流−電圧曲線を示す図。
【図１６】２つの追加の例示的な太陽電池の電流−電圧曲線を示す図。
【図１７】本発明による、半導体プライマー層被膜のコーティングの例示的な実施形態を描く図。
【図１８Ａ】本発明による、例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１８Ｂ】本発明による、例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１８Ｃ】本発明による、例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１９Ａ】本発明による、追加の例示的な共増感剤の化学構造図。
【図１９Ｂ】本発明による、追加の例示的な共増感剤の化学構造図。
【図２０】光電セルを特徴付けるために用いた４５５ｎｍのカットオフ・フィルタ（ＧＣ４５５）の吸収を示すグラフ。
【図２１】ジフェニルアミノ安息香酸の吸収を示すグラフ。
【図２２】金属イオンを用いてゲル化した電解質の例示的な実施形態を描く図。
【図２３】リチウムイオンによる有機ポリマーの錯化によって形成されたゲル電解質を描く図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の前述のおよび他の目的、特徴、利点は、以下の本発明の様々な実施形態の説明および添付の図面からさらに完全に理解されるであろう。図面において、一般に同様の参照記号は異なる図面を通じて同じ構成要素を指す。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、その代りに、本発明の原理を示すために強調されている。
【００１８】
Ａ．メッシュ電極を用いた光電セル
本発明は、光電セルの少なくとも１つの露光側にメッシュ電極を用いた光電セルの様々な実施形態を提供する。好適には、メッシュ電極は、例えば金属線材・メッシュ、金属被覆すなわち金属化された繊維、またはその両方など、金属メッシュからなる。
【００１９】
一実施形態において、本発明は線材・メッシュの露光側電極を有する色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）を提供する。太陽電池の光増感ナノ・マトリックス層は、光増感され、かつ相互接続されたナノ粒子材料からなる。一実施形態において、線材・メッシュ電極はＤＳＳＣの透明なカソードとして機能することが可能である。好適には、メッシュは少なくとも部分的に触媒媒体で被覆されている。例えばメッシュは、例えば、電気化学セル中で塩化白金酸を用いることによる電気化学的析出によって、真空蒸着によって、または例えば塩化白金酸などの白金化合物を含む被膜の熱分解によって、白金化（ｐｌａｎｔｉｎｉｚｅｄ）が可能である。別の実施形態において、線材・メッシュ電極は、例えば、光増感相互接続ナノ粒子材料が線材・メッシュに被覆され、ＤＳＳＣのアノードとして機能することが可能である。さらに、線材・メッシュ電極はＤＳＳＣのアノードおよびカソードの両方として用いることが可能であり、例えば、ＤＳＳＣの両方の側からの光透過は有利であると考えられる。
【００２０】
図１Ａおよび図１Ｂには、第１電極１０８、１０９と、光電セル１００、１０１の露光側１１４、１１５のメッシュ電極１１２、１１３との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層１０２、１０３と、電荷キャリア媒体１０６、１０７とを含む、本発明の様々な実施形態による光電セル１００、１０１を描く。図１Ａに描いたように、メッシュ電極１１２は光電セル１００のカソードとして働き、図１Ｂに描いたように、メッシュ電極１１３は光電セル１０１のアノードとして働く。好適には、光電セルはさらに、触媒媒体１１８、１１９を含む。一実施形態において、触媒媒体１１８は電荷キャリア媒体１０６とメッシュ電極１１２とに電気的に接触して配設される。他の実施形態において、触媒媒体１１９は電荷キャリア媒体１０７と第１電極１０９とに電気的に接触して配設される。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続することが可能である。
【００２１】
好適には、光電セルは２つの基板を含み、それら２つの基板の間には、電極と、光増感ナノ・マトリックス層と、電荷キャリア媒体とが配設されている。再び図１Ａと図１Ｂを参照すると、様々な実施形態において、光電セルは第１の光透過性の基板１２０、１２１と、第２基板１２４、１２５とを含む。また、好適には、例えば連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、基板は可撓性である。
【００２２】
様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。保護被膜は、例えば汚染物質（例えば塵埃（ｄｉｒｔ）、水または酸素）をセルの中に入れない能力、セル中の化学種または組成物を保持する能力、およびセルを保護するすなわち耐久性を高める能力に基づいて選択可能である。適切な保護被膜はフッ素化炭化水素ポリマーを含むが、それに限定されない。
【００２３】
本明細書で用いられる「光透過性の基板（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」の語は、動作波長範囲で基板に入射する可視光の約６０％以上を透過する基板を指す。適切な基板は、可撓性、半剛性、および剛性の基板を含む。好適には、基板の厚さは、約６マイクロメートル（μｍすなわちミクロン）〜約２００μｍの範囲である。適切な可撓性基板の例は、光電セルに使用される基板材料の厚さにおいて約５，０００メガパスカル（ＭＰａ）未満の曲げ弾性率を有する基板を含むが、それに限定されない。以下でさらに詳細に説明するように、可撓性で光透
過性の基板に適合した温度および加熱時間で本発明による可撓性光電セルの作製を可能にする、ナノ粒子相互接続の方法が本明細書では提供される。好適には、可撓性で光透過性の基板はポリマー材料を含む。適切な基板材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｍｉｄｅ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリマー性炭化水素、セルロース誘導体、またはそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。
【００２４】
本発明の光電セルに使用する基板は有色であってもよく、無色であってもよい。好適には、基板は非散乱性かつ透明である。基板は１つ以上の実質的に平坦な表面を有してもよく、実質的に非平坦であってもよい。例えば、非平坦な基板は湾曲した表面または階段状の表面（例えば、フレネル・レンズを形成する）を有してもよく、パターン形成されていてもよい。
【００２５】
光電セルのメッシュ電極は伝導性メッシュ材料からなる。適切なメッシュ材料は、金属（例えばパラジウム、白金、チタン、ステンレス鋼、およびそれらの合金など）ならびに例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリチオフェン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｅｎｅ）誘導体およびポリアニリンなどの伝導性ポリマーを含むが、それらに限定されない。好適には、メッシュ材料は金属線材からなる。伝導性メッシュ材料は、例えば金属被覆すなわち金属化によって伝導性を付与された電気絶縁性材料からなることも可能である。電気絶縁性材料は、例えば製織繊維または光学繊維など、繊維からなることが可能である。適切な繊維の例は、合成ポリマー繊維（例えばナイロンなど）および天然繊維（例えば亜麻、綿、羊毛、絹など）を含む。好適には、メッシュ電極は可撓性であり、例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にする。
【００２６】
本発明のメッシュ電極は、例えば線材（または繊維）直径およびメッシュ密度（すなわち、メッシュの単位面積当たりの線材（または繊維）の数）に関して広範囲の形態を取り得る。メッシュは、例えば、任意の数の開口部形状を有して、規則的または不規則であることが可能である。メッシュの形状の因子が本発明に不可欠でないことは理解される。適切なメッシュ形状因子（例えば線材直径、メッシュ密度など）は、例えば、メッシュの線材（または繊維）の伝導性、所望の透過率、可撓性、機械的強度、またはそれらのうちの１つ以上に基づいて選択可能である。
【００２７】
一実施形態において、メッシュ電極は、約１μｍ〜約４００μｍの範囲の平均線材直径と、約６０％〜約９５％の範囲の線材間平均開口面積とを有する金属線材・メッシュからなる。１つの場合には、金属線材メッシュは約１０μｍ〜約２００μｍの平均線材直径と、約７５％〜約９０％の範囲の線材間平均開口面積とを有する。１つの場合には、メッシュ電極は、約２５μｍ〜約３５μｍの範囲の平均線材直径と、約８０％〜約８５％の範囲の線材間平均開口面積とを有するステンレス鋼の織り（ｗｏｖｅｎ）線材メッシュからなる。好適には、ステンレス鋼は、３３２ステンレス鋼からなるか、例えば、電荷キャリア材料またはナノ・マトリックス層の任意の腐食特性に対する適切な耐性を有する幾つかの他のステンレス鋼からなる。例えば、一部の実施形態において、３１６ステンレス鋼は充分な腐食耐性を有する。
【００２８】
別の実施形態において、メッシュ電極は、約１０μｍ〜約４００μｍの範囲の平均繊維直径と、約６０％〜約９５％の範囲の繊維間平均開口面積とを有する、金属被覆された繊維メッシュからなる。１つの場合には、繊維メッシュは、約１０μｍ〜約２００μｍの範囲の平均繊維直径と、約７５％〜約９０％の範囲の繊維間平均開口面積とを有する。１つの場合には、メッシュ電極は、約１μｍ〜約５０μｍの範囲の厚さを有するチタンで被覆されたナイロン繊維からなり、得られるメッシュは、約１０μｍ〜約２５０μｍの範囲の平均繊維直径と、約６０％〜約９５％の範囲の繊維間の平均開口面積とを有する。
【００２９】
様々な実施形態において、メッシュ電極はさらに、メッシュの開口部に堆積させた透明な半導体酸化膜を含む。メッシュ電極であるから、セルから外部負荷へ電流を伝達するために、セルが透明な半導体酸化膜のみに依存する必要がない。このことによって、例えば、先行技術の光電セルに必要とされ得るよりも、低い品質の半導体酸化膜（例えば、より低い伝導性のもの）、薄い半導体酸化膜、またはその両方を使用することが可能となる。
【００３０】
一実施形態において、半導体酸化膜はメッシュ電極の線材（または繊維）を実質的に被覆しない。別の実施形態において、メッシュ電極は透明な半導体酸化膜で被覆される。透明な半導体酸化膜は、メッシュ電極の線材の間に透明で均一な半導体表面を提供することが可能である。好適には、透明な半導体酸化膜およびメッシュ電極は電気的に接触しており、結果として、メッシュ電極が電子をセルから外部負荷へ伝導することを容易にする。例えば、ＤＳＳＣにてアノードとして働くメッシュ電極については、透明な半導体酸化膜は相互接続ナノ粒子材料に半導体表面を提供し、光で発生された（ｐｈｏｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｄ）電子を相互接続ナノ粒子材料から取出すことを補助することが可能である。さらに、例えば、ＤＳＳＣにてカソードとして働くメッシュ電極については、透明な半導体酸化膜は、触媒媒体、電荷キャリア媒体、またはその両方に半導体表面を提供し、メッシュ電極からそれらの媒体への電子移動を補助することが可能である。
【００３１】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、様々な実施形態において、光電セル２００、２０１は、第１電極２０８、２０９と、光電セル２００、２０１の露光側２１４、２１５のメッシュ電極２１２、２１３と、メッシュ電極の少なくとも開口部に配設された透明な半導体酸化膜２１６、２１７との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層２０２、２０３と、電荷キャリア媒体２０６、２０７とを含む。好適には、光電セルはさらに、触媒媒体２１８、２１９を含む。一実施形態において、触媒媒体２１８は電荷キャリア媒体２０６とメッシュ電極２１２とに電気的に接触して配設されるが、好適には、触媒媒体も透明な半導体酸化膜２１６の少なくとも一部に電気的に接触して配設される。別の実施形態において、触媒媒体２１９は電荷キャリア媒体２０７と第１電極２０９とに電気的に接触して配設されるが、好適には、触媒媒体も透明な半導体酸化膜２１７の少なくとも一部に電気的に接触して配設される。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。好適には、光電セルはさらに、第１の光透過性の基板２２０、２２１と、第２基板２２４、２２５とを含む。好適には、例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、基板は可撓性である。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００３２】
適切な透明半導体酸化膜材料は、インジウム・スズ酸化物（「ＩＴＯ」）、フッ素ドープした酸化スズ、酸化スズなどを含むが、それらに限定されない。一実施形態において、透明な半導体酸化膜は厚さ約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの層として堆積される。他の実施形態において、透明な半導体酸化膜は厚さ約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍである。
【００３３】
様々な実施形態において、メッシュ電極は光電セルの基板の中に部分的に埋込まれる。一実施形態において、メッシュ電極をセルの基板に部分的に埋込むことによって、連続製造法による製造およびより高い耐久性のセルの製造が容易となる。一実施形態において、メッシュ電極は、例えば露光側基板である第１基板中に、部分的に埋込まれる。好適には、メッシュ電極のうちの少なくとも一部は、第１基板への部分的埋込みの前、部分的埋込みの後、または部分的埋込みの前および後の両方に、触媒媒体で被覆される。
【００３４】
好適には、メッシュ電極の全体が、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約７０％程度の深さまで基板中に埋込まれる。メッシュを基板に充分に定着させることが可能な
最小程度までメッシュが基板に埋込まれることによって、例えば、電荷キャリアまたはナノ・マトリックス層とメッシュとの電気的な接触面積を最大にすることが好適である。例えば、織り線材・メッシュを有する一実施形態において、線材の交差の下に位置する線材は基板に完全に埋込まれ、交差の上に位置する線材は埋込まれず、線材の交差の間の線材の部分は部分的に埋込まれる。
【００３５】
基板に埋込まれたメッシュ電極を含む様々な実施形態において、メッシュ電極の線材は、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約３０％を超える距離、基板の上に出る。一実施形態において、メッシュ電極の線材が、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約２５％〜約５０％の距離、基板の上に出るように、メッシュ電極が基板に埋込まれる。
【００３６】
基板に埋込まれたメッシュ電極を含む様々な他の実施形態において、メッシュ電極の線材（または繊維）は、好適には、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約７０％程度の深さまで基板中に埋込まれる。一実施形態において、線材（または繊維）は、メッシュの線材（または繊維）の平均直径の約５０％〜約７５％の範囲の深さまで基板に埋込まれる。
【００３７】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、様々な実施形態において、光電セル３００、３０１は、第１電極３０８、３０９と、光電セル３００、３０１の露光側３１４、３１５のメッシュ電極３１２、３１３との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層３０２、３０３と、電荷キャリア媒体３０６、３０７とを含む。メッシュ電極３１２、３１３は、第１の光透過性の基板３２０、３２１に部分的に埋込まれている。好適には、光電セルはさらに、第２基板３２４、３２５を含む。例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、好適には、基板は可撓性である。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００３８】
また、光電セルがさらに触媒媒体３１８、３１９を含むことも好適である。一実施形態において、触媒媒体３１８は電荷キャリア媒体３０６とメッシュ電極３１２とに電気的に接触して配設される。別の実施形態において、触媒媒体３１９は電荷キャリア媒体３０７と第１電極３０９とに電気的に接触して配設される。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。
【００３９】
様々な実施形態において、部分的に埋込まれたメッシュ電極を有する本発明の光電セルはさらに、メッシュの開口部に配設された半導体酸化膜を含む。図３Ｃおよび図３Ｄを参照すると、様々な実施形態において、光電セル３５０、３５１は、第１電極３５８、３５９と、光電セル３５０、３５１の露光側３６４、３６５のメッシュ電極３６２、３６３と、メッシュ電極の少なくとも開口部に配設された透明な半導体酸化膜３６６、３６７との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層３５２、３５３と、電荷キャリア媒体３５６、３５７とを含む。メッシュ電極３６２、３６３は、第１の光透過性の基板３７０、３７１中に部分的に埋込まれている。例えば連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、基板は可撓性であることが好ましい。好適には、光電セルはさらに、第２基板３７４、３７５を含む。例えば、連続製造法による光電セルの形成を容易にするために、好適には、基板は可撓性である。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００４０】
また、光電セルがさらに触媒媒体３６８、３６９を含むことも好適である。一実施形態において、触媒媒体３６８は電荷キャリア媒体３５６とメッシュ電極３６２とに電気的に接触して配設されるが、好適には、透明な半導体酸化膜３６６の少なくとも一部にも電気
的に接触する。別の実施形態において、触媒媒体３６９は電荷キャリア媒体３５７と第１電極３５９とに電気的に接触して配設されるが、好適には、透明な半導体酸化膜３６７の少なくとも一部にも電気的に接触する。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１電極、メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。
【００４１】
本発明の第１電極（例えば図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂ、４〜６に示したものなど）は、メッシュ、金属箔、堆積金属層、伝導性ポリマー膜、半導体酸化膜、またはそれらのうちの１つ以上の組合せを含む、広範囲の形態を取り得るが、それらに限定されない。光電セルの第１電極の側が露光側でもある場合、第１電極は、触媒媒体で被覆されたメッシュ電極と、メッシュ開口部に透明な半導体酸化膜を有するメッシュ電極とを含む、本明細書に説明するメッシュ電極からなることが好適である。他の実施形態において、第１電極は金属箔からなることが好適である。第１電極用の適切な金属箔材料の例は、パラジウム、白金、チタン、ステンレス鋼、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。様々な実施形態において、第１電極は約１０μｍ〜約１００μｍの範囲の平均厚さを有する金属箔からなる。好適には、金属箔は約２５μｍ〜約５０μｍの範囲の平均厚さを有する。
【００４２】
一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層が、色素増感相互接続二酸化チタン・ナノ粒子材料からなる場合、第１電極は厚さ約２５μｍのチタン金属箔からなる。１つの場合には、光増感ナノ・マトリックス層はチタン金属箔、または適切なプライマー層（以下でさらに説明する）の上に直接形成される。
【００４３】
別の実施形態において、第１電極は基板上に堆積された金属層からなる。適切な金属は、パラジウム、白金、チタン、ステンレス鋼、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。様々な実施形態において、堆積金属層は約０．１μｍ〜約３μｍの範囲の平均厚さを有する。好適には、堆積金属層は約０．５μｍ〜約１μｍの範囲の平均厚さを有する。
【００４４】
別の実施形態において、第１電極は、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリアニリン、およびポリチオフェン誘導体など、伝導性ポリマーからなる。
さらに別の実施形態において、第１電極は、例えばＩＴＯ、フッ素ドープした酸化スズ、酸化スズなど、透明な半導体酸化膜を含む光透過性の材料からなる。１つの場合には、第１電極は厚さ約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの層として基板上に堆積される。他の場合には、第１電極は厚さ約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍである。
【００４５】
別の態様において、本発明は、第１の可撓性基板と、可撓性メッシュ電極と、第１の可撓性電極とからなる可撓性光電材料を提供する。光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体の両方は、第１の可撓性電極と可撓性メッシュ電極との間に配設される。好適には、光電材料は、電荷キャリア媒体に電気的に接触する触媒媒体を含む。また、様々な実施形態において、可撓性光電材料はさらに、可撓性メッシュ電極と、第１の可撓性電極と、光増感ナノ・マトリックス層と、電荷キャリア媒体とが、第１の可撓性基板と第２基板との間に配設されるように、第２基板を含む。さらに、光電セルを外部負荷に電気的に接続するために、線材またはリード線（図示せず）を第１の可撓性電極、可撓性メッシュ電極、またはその両方に接続してもよい。
【００４６】
可撓性光電材料は、図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂ、４〜６に示したものを含む広範囲の形態を取り得るが、それらに限定されない。例えば、様々な実施形態において、光電材料の第１の可撓性基板は第１の光透過性の基板であってよい。好適には、可撓性の光透過性の基板はポリマー材料からなる。適切な基板材料は、ポリエチレンテレフタレ
ート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリマー性炭化水素、セルロース誘導体、またはそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。
【００４７】
他の実施形態において、第１の可撓性基板は露光側基板ではない。これらの実施形態において、１つの場合には、第１の可撓性基板は不透明である。別の場合には、可撓性光電材料はさらに、材料の露光側に透明な保護被膜を含む。第１の可撓性基板が露光側基板でない場合、広範囲の材料が可撓性基板としての使用に適切であることは理解される。好適な基板材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、およびポリカーボネートを含む。他の適切な基板材料は、セルロース誘導体（ｃｅｌｌｏｓｉｃｓ）（充填および非充填）、ポリアミド、およびそれらのコポリマー、ポリエーテル、ならびにポリエーテルケトンを含むが、それらに限定されない。
【００４８】
適切な保護被膜はフッ素化炭化水素ポリマーおよびジシロキサンを含むが、それらに限定されない。例えば、可撓性光電材料が可撓性メッシュ電極として線材・メッシュ露光側電極を有するＤＳＳＣからなり、セルの光増感ナノ・マトリックス層が、光増感相互接続ナノ粒子材料からなる場合、好ましい保護被膜はＴｅｆｚｅｌ（登録商標）（デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ））を含むが、それに限定されない。
【００４９】
適切な第１の可撓性電極は、メッシュ電極、伝導性箔、伝導性膜、および本明細書に説明される他の第１電極を含むが、それらに限定されない。一実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板に隣接して配設される。別の実施形態において、第１の可撓性電極は第１の可撓性基板上に堆積された金属層からなる。また、可撓性光電材料の第１の可撓性電極の側が露光側でもある場合、第１の可撓性電極は、可撓性であると本明細書で説明したようなメッシュ電極からなることが好適である。
【００５０】
本発明の光電セルの光増感ナノ・マトリックス層は、光増感ナノ粒子材料、ヘテロ接合複合材料、またはそれらの組合せを含むことが可能である。上で説明したように、長距離秩序が光増感ナノ・マトリックス層に存在することは可能であるが、光増感ナノ・マトリックス層には長距離秩序は必要でないことが理解される。例えば、光増感ナノ・マトリックス層が結晶である必要はなく、粒子領域または相領域が、規則的に、反復的に、または周期的に配列されている必要はない。一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約１ミクロン（μｍ）〜約５μｍである。別の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約５μｍ〜約２０μｍである。光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約８μｍ〜約１５μｍであり、光増感相互接続ナノ粒子からなることが好適である。
【００５１】
一実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層はヘテロ接合複合材料を含む。適切なヘテロ接合複合材料は、フラーレン（例えばＣ６０）、フラーレン粒子、またはカーボンナノチューブを含む。ヘテロ接合複合材料は、ポリチオフェンまたは一部の他の正孔輸送材料中に分散されてもよい。様々な実施形態において、ヘテロ接合複合材料は、平均寸法が約１４ｎｍ〜約５００ｎｍのフラーレン粒子、フラーレン粒子集合体、またはその両方を含む。適切なヘテロ接合複合材料の他の例は、ポリフェニレンビニレンなどの共役ポリマーを非ポリマー材料と共に含む複合材である。様々な実施形態において、ヘテロ接合複合材料は厚さ約０．１μｍ〜約２０μｍである。好適には、ヘテロ接合複合材料は厚さ約０．１μｍである。
【００５２】
別の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は１つ以上の種類の相互接続ナノ粒子を含む。適切なナノ粒子は、式ＭｘＯｙのナノ粒子を含むが、それらに限定されない。ここでＭは、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ランタン（Ｌａ）、タンタル（Ｔａ）、テルビウム（Ｔｂ）、またはス
ズ（Ｓｎ）であってよく、ｘおよびｙは零より大きな整数である。他の適切なナノ粒子材料は、チタン、ジルコニウム、ランタン、ニオブ、スズ、タンタル、テルビウム、およびタングステンの、硫化物、セレン化物、テルル化物、および酸化物、ならびにそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｎＯ２、チタン酸ナトリウム、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム、およびニオブ酸カリウムは、適切なナノ粒子材料である。様々な実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は、平均寸法が約２ｎｍ〜約１００ｎｍのナノ粒子を含む。他の実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層は、平均寸法が約１０ｎｍ〜約４０ｎｍのナノ粒子を含む。好適には、ナノ粒子は平均寸法が約２０ｎｍの二酸化チタン粒子である。
【００５３】
ナノ粒子は、例えば高温で焼結することによって、または好適には、例えばポリ（ｎ−ブチルチタネート）などの反応性のポリマー性連結剤によって、相互接続することが可能である。以下にさらに詳細に説明するように、ポリマー性連結剤（以降「ポリリンカー（ｐｏｌｙｌｉｎｋｅｒ）」）は、相互接続ナノ粒子層の製造を比較的低温（約３００℃未満）で、および様々な実施形態においては室温で可能にする。比較的低温の相互接続法は、可撓性ポリマー基板上に本発明の光電セルを製造することを可能にする。可撓性基板を使用することによって、本発明はセルを製造するための連続製造法の使用をさらに容易にする。
【００５４】
様々な実施形態において、相互接続ナノ粒子材料は光増感（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｔｉｚｉｎｇ）剤によって光増感される。光増感剤は入射可視光の電気への変換を促進して所望の光電効果を生じる。光増感剤は入射光を吸収し、光増感剤中の電子を励起すると考えられている。次いで、励起された電子のエネルギーは、光増感剤の励起レベルから相互接続ナノ粒子の伝導帯に移動する。この電子移動によって、有効な電荷分離と所望の光電効果が生じる。したがって、相互接続ナノ粒子の伝導帯中の電子は、光電セルに電気的に接続された外部負荷を駆動するために利用可能となる。
【００５５】
光増感剤は相互接続ナノ粒子上に吸着（例えば、化学吸着、物理吸着、またはその両方）される。光増感剤は、相互接続ナノ粒子の表面に吸着されてもよく、相互接続ナノ粒子の全体６０３に吸着されてもよく、またはその両方に吸着されてもよい。光増感剤は、例えば、動作波長範囲で光子を吸収する能力、相互接続ナノ粒子の伝導帯において自由電子（または正孔）を生成する能力、および相互接続ナノ粒子と錯形成する能力または相互接続ナノ粒子を吸着する能力に基づいて選択される。適切な光増感剤は、ナノ粒子に対して、例えば、ＴｉＯ２表面のＴｉ（ＩＶ）部位に対してキレート可能な、カルボキシル基、ヒドロキシル基、またはその両方などの官能基を有する色素を含んでよい。適切な色素の例は、アントシアニン、ポルフィリン、フタロシアニン、メロシアニン、シアニン、スクアラート、エオシン、および金属含有色素を含むが、それらに限定されない。金属含有色素は、例えば、シス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−２５ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）（「Ｎ３色素（Ｎ３ ｄｙｅ）」）、トリス（イソチオシアナト）−ルテニウム（ＩＩ）−２，２’：６’，２”−ターピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸、シス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウム、シス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）、およびトリス（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）ジクロリドなどであり、これら全てはソラロニクス（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ）から入手可能である。
【００５６】
本発明の光電セルの電荷キャリア媒体部分は、光電セル中に層を形成してもよく、光増感ナノ・マトリックス層を形成する材料に分散されてもよく、またはその両方の組合せで
あってもよい。電荷キャリア媒体は、接地電位または電流源から光増感ナノ・マトリックス層（またはそれに関連する光増感剤、もしくはその両方）へ電荷が移動するのを容易にする材料である。適切な電荷キャリア材料の一般的な分類は、溶媒系液体電解質と、多価電解質と、ポリマー電解質と、固体電解質と、ｎ型およびｐ型輸送材料（例えば伝導性ポリマー）と、ゲル電解質とを含むが、それらに限定されない。これらを以下でさらに詳細に説明する。
【００５７】
電荷キャリア媒体において、他の選択も可能である。例えば、電解質組成物は、式ＬｉＸのリチウム塩を含んでもよい。ここで、Ｘはヨウ化物、臭化物、塩化物、過塩素酸塩、チオシアネート、トリフルオロメチルスルホネート、またはヘキサフルオロホスフェートである。一実施形態において、電荷キャリア媒体はレドックス（ｒｅｄｏｘ）系を含む。適切なレドックス系は有機レドックス系、無機レドックス系、またはその両方を含んでよい。それらのレドックス系の例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含むが、それらに限定されない。さらに、電解質溶液は式ＭｉＸｊを有してもよい。ここで、ｉおよびｊは１以上であり、Ｘはアニオンであり、Ｍはリチウム（Ｌｉ）、銅（Ｃｕ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、ランタニド、コバルト（Ｃｏ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）からなる群から選択される。適切なアニオンは、塩化物、過塩素酸塩、チオシアネート、トリフルオロメチルスルホネート、およびヘキサフルオロホスフェートを含むが、それらに限定されない。
【００５８】
電荷キャリア媒体は、複数の部位で金属イオンと錯化可能な有機化合物と、リチウムなどの金属イオンと、電解質溶液とを有する電解質組成物を含むことが可能である。これらの材料を組み合わせて、電荷キャリア媒体中で使用するのに適切なゲル化電解質組成物を生成することが可能である。一実施形態において、電荷キャリア媒体はレドックス系を含む。適切なレドックス系は有機レドックス系、無機レドックス系、またはその両方を含んでよい。それらのレドックス系の例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含むが、それらに限定されない。
【００５９】
幾つかの実施形態において、電荷キャリア媒体はポリマー電解質を含む。１つの場合には、ポリマー電解質はポリ（ハロゲン化ビニルイミダゾリウム）と、ヨウ化リチウムとを含む。別の場合には、ポリマー電解質はポリビニルピリジニウム塩を含む。さらに別の実施形態において、電荷キャリア媒体は固体電解質を含む。１つの場合には、固体電解質はヨウ化リチウムと、ヨウ化ピリジニウム（ｐｙｒｉｄｉｍｕｍ）とを含む。別の場合には、固体電解質はヨウ化イミダゾリウム置換体を含む。
【００６０】
幾つかの実施形態において、電荷キャリア媒体は様々な種類のポリマー多価電解質を含む。１つの場合には、多価電解質は、約５重量％〜約１００重量％（例えば５〜６０％、５〜４０％、または５〜２０％）のポリマー、例えばイオン伝導性ポリマーと、約５重量％〜約９５重量％（例えば３５〜９５％、６０〜９５％、または８０〜９５％）の可塑剤と、約０．０５Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）〜約１０Ｍの有機ヨウ化物または無機ヨウ化物のレドックス電解質（例えば約０．０５Ｍ〜約１０Ｍ、例えば０．０５〜２Ｍ、０．０５〜１Ｍ、または０．０５〜０．５Ｍ）と、約０．０１Ｍ〜約１Ｍ（例えば０．０５〜５Ｍ、０．０５〜２Ｍ、または０．０５〜１Ｍ）のヨウ素とを含む。イオン伝導性ポリマーは、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（アクリル）（ＰＭＭＡ）、ポリエーテル、およびポリフェノールを含んでよい。適切な可塑剤の例は、エチルカーボネート、プロピレンカーボネート、カーボネートの混合物、有機ホスフェート、ブチロラクトン、およびジアルキルフタレートを含むが、
それらに限定されない。
【００６１】
好適には、本発明の光電セルは、電荷キャリア媒体に電気的に接触して配設された触媒媒体も含む。適切な触媒媒体材料は、例えば、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、活性炭、パラジウム、白金、および正孔輸送ポリマー（例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリチオフェン誘導体、およびポリアニリン）を含む。好適には、触媒媒体は、電極、基板、基板被膜、電極被膜、またはそれらのうちの１つ以上に対する触媒媒体の接着を促進するために、さらにチタンまたは幾つかの他の適切な金属を含む。好適には、チタンは厚さ約０．５ｎｍ（５オングストローム（Å））で、領域に、または層として、堆積される。
【００６２】
一実施形態において、触媒媒体は厚さ約１．３ｎｍ〜約３．５ｎｍ（約１３Å〜約３５Å）の白金層からなる。別の実施形態において、触媒媒体は厚さ約１．５ｎｍ〜約５．０ｎｍ（約１５Å〜約５０Å）の白金層からなる。別の実施形態において、触媒媒体は厚さ約１．０ｎｍ〜約８０．０ｎｍ（約１０Å〜約８００Å）の白金層からなる。好適には、触媒媒体は厚さ約０．５ｎｍ（約５Å）の白金層を含む。メッシュ電極が本発明の光電セルのカソードとして働く一実施形態において、触媒媒体は、好適には、少なくとも電荷キャリア媒体に面するメッシュの側を被覆する、厚さ約５．０ｎｍ（約５０Å）の白金層からなる。
【００６３】
一実施形態において、触媒媒体は伝導性ポリマーからなる。適切な伝導性ポリマーの例は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリチオフェン誘導体、およびポリアニリンを含むが、それらに限定されない。
【００６４】
別の態様において、本発明は、直列、並列、またはその両方の組合せで相互接続された、２つ以上の本発明の光電セルを有する光電モジュールを提供する。好適には、光電モジュールは第１基板と第２基板との間に配設された光電セルから形成される。
【００６５】
図４には、本発明の様々な実施形態による、単一の露光側４０２を備える光電モジュール４００を描く。光電セルは各々、第１電極４０８とメッシュ電極４１０との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層４０４と電荷キャリア媒体４０６とからなり、好適には、メッシュ電極４１０は少なくとも部分的に触媒媒体で被覆される。好適には、光電セルは第１の光透過性の基板４１２と第２基板４１４との間に配設される。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００６６】
電気絶縁性材料４１６は光電セルの間に配設され、２つ以上の光電セルは、電気絶縁性材料４１６の中に埋込まれ、かつ１つの光電セルの第１電極と別の光電セルのメッシュ電極とに電気的に接触している線材４１８によって、電気的に直列に接続される。好適には、側部封止材４２０（例えば、テープ、被膜など）を用いて、光電セルを封止して保護する。
【００６７】
一実施形態において、メッシュ電極４１０は、ラミネート接着剤４２２を用いて第１の光透過性の基板４１２に接着される。様々な実施形態において、メッシュ電極４１０は、例えば、上記および図３Ａ〜３Ｄに関して本明細書で説明するように、第１の光透過性の基板４１２に部分的に埋込まれる。また、本明細書で説明するように、メッシュ電極４１０はさらに、少なくともメッシュ電極４１０の開口部に配設された透明な半導体酸化膜（図示せず）を含んでもよい。
【００６８】
図４に示したように、メッシュ電極４１０は、それぞれ関連する光電セルのカソードと
して働く。例えば、入射光４２５が光増感ナノ・マトリックス層４０４と相互作用して光電子を発生する。示したように、光電子によってモジュールの１つ以上のセルを通じる電流路４２７が生じ、外部負荷４３３に出力を与えることが可能なように、セルは直列に接続されている。さらに、光電セルを外部負荷４３３に電気的に接続するために、線材またはリード線を第１電極４０８、メッシュ電極４１０、またはその両方に接続してもよい。
【００６９】
図５には、入射光４５３に対する２つの露光側４５１、４５２を有する、本発明の様々な実施形態による光電モジュール４５０を描く。光電セルは各々、第１電極４５８（これもメッシュ電極の形である）とメッシュ電極４６０との間に配設された、光増感ナノ・マトリックス層４５４と電荷キャリア媒体４５６とからなり、好適には、メッシュ電極４６０は少なくとも部分的に触媒媒体で被覆される。光電セルは、好適には、第１の光透過性の基板４６２と第２の光透過性の基板４６４との間に配設される。様々な実施形態において、保護被膜を１つ以上の基板に代用してもよく、１つ以上の基板に加えて用いてもよい。
【００７０】
電気絶縁性材料４６６は光電セルの間に配設され、２つ以上の光電セルは、電気絶縁性材料４６６に埋込まれ、かつ１つの光電セルの第１電極と別の光電セルのメッシュ電極とに電気的に接触している線材４６８によって、電気的に直列に接続される。好適には、側部封止材４７０（例えば、テープ、被膜など）を用いて、光電セルを封止して保護する。
【００７１】
一実施形態において、電極４５８、４６０のうちの一方または両方は、隣接する基板４６２、４６４に、ラミネート接着剤４７２を用いて接着される。様々な実施形態において、電極４５８、４６０のうちの一方または両方は、例えば、上記および図３Ａ〜３Ｄに関して本明細書で説明するように、隣接する基板４６２、４６４に部分的に埋込まれる。また、本明細書で説明するように、電極４５８、４６０のうちの一方または両方はさらに、少なくとも電極のメッシュの開口部に配設された透明な半導体酸化膜（図示せず）を含んでもよい。
【００７２】
好適には、光電モジュールの電気絶縁材料も接着特性を有し、例えば、２つの基板または基板部分を結合して、本発明による光電モジュールの形成を容易にすることが可能である。適切な絶縁材料は、エポキシおよびアクリレートを含むが、それらに限定されない。
【００７３】
光電セルを相互接続する線材に適切な材料は、チタン、ステンレス鋼、銅（ｃｏｏｐｅｒ）、銀、金、白金、およびそれらの合金を含むが、それらに限定されない。好適には、光電セルを相互接続する線材は、ステンレス鋼からなる。理解されるように、光電セルを相互接続する線材の寸法は、例えば、光電セル間の距離に基づいて、および、セルの第１電極と、隣接するセルのメッシュ電極との間の距離に基づいて選択される。
【００７４】
本発明の光電モジュールはさらに、電極／対極の接触による短絡の防止を補助するために、メッシュ電極と第１電極との間に、電気絶縁性のビーズ、ロッド（ｒｏｄ）、または繊維（以降、集合的に「スペーサ」と呼ぶ）を含んでもよい。例えば、スペーサは、電荷キャリア媒体、絶縁材料、またはその両方に配設されてよい。スペーサの寸法（例えば、直径）および長さは、例えば、線材の太さと、光電セルを相互接続する線材の間の開口空間の寸法とに基づいて選択可能である。大面積のセルからなるモジュールにおいて、電極間の空間を維持し、それによって短絡接触を防止することは重要要件になり得る。
【００７５】
メッシュ電極、基板、光増感ナノ・マトリックス層、電荷キャリア媒体、触媒媒体、および本明細書に説明する任意の他の特徴（例えば、低温相互接続、プライマー層など）が、本発明の光電モジュールに使用されてよいことが理解される。さらに、本発明の光電モジュールは、可撓性光電モジュールであってよいことも理解される。本発明による可撓性
光電モジュールは、例えば、可撓性電極および基板材料を使用することによって作製され得る。適切な可撓性材料および方法は、例えば、可撓性光電セル、連続製造法による製造、またはその両方に関して説明されたものなど、本明細書に説明されるものを含むが、それらに限定されない。
【００７６】
好適な実施形態において、光電モジュールは、例えば、メッシュ電極は白金被覆されたステンレス鋼からなり、光増感ナノ・マトリックス層は色素増感相互接続二酸化チタン・ナノ粒子からなり、かつ第１電極はチタン箔（または、モジュールの第１電極の側が露光側でもある場合にはステンレス鋼メッシュ電極）からなる、本発明による複数のＤＳＳＣからなる。光電セルを相互接続する線材は、ステンレス鋼、銅、銀、金、白金の線材からなり、絶縁材料は、炭化水素、ポリマーのポリプロピレン誘導体、エポキシ、ウレタン、シロキサン、およびフッ素化炭化水素からなり、第１の光透過性の基板はＰＥＮからなり、かつ第２基板はＰＥＮからなる。さらに、モジュールは、マレイン酸処理されたポリエチレンのテープ（例えば、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能なＢｙｎｅｌ（商標）など）を側部封止材として封止される。
【００７７】
一実施形態において、様々な構成要素の寸法は以下の通りである。（１）線材間の平均開口面積が約８２％で、厚さ０．００１μｍの白金被膜を有する平均直径３５μｍの３１６ステンレス鋼線材のメッシュ電極、（２）第１電極は厚さ２５μｍのチタン箔であり、（３）第１の光透過性の基板は厚さ約７５μｍのＰＥＮであり、（４）第２基板は厚さ約７５μｍのＰＥＮであり、（５）光増感ナノ・マトリックス層は厚さ約１０μｍ〜約１５μｍであり、シス−ビス（イソシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウムと、シス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）とを含む色素で増感された、平均直径２０〜４０ｎｍの二酸化チタン・ナノ粒子からなり、（６）電荷キャリア媒体は、厚さ約５μｍ〜約３５μｍで、ヨウ化カリウム／ヨウ素電解質からなり、（７）光電セルを接続する線材は平均直径５０μｍのステンレス鋼線材からなり、（８）絶縁材料は接着剤（例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能なＢｙｎｅｌ（商標）など）からなる。モジュールの第１電極の側が露光側でもある別の実施形態では、第１電極は、線材間の平均開口面積が約８２％で、かつ平均直径３５μｍの３１６ステンレス鋼線材のメッシュ電極であり、第２基板は光透過性の基板で、かつ厚さ約７５μｍのＰＥＮからなり、残りの構成要素は、この段落で直前に説明した寸法を実質的に有する。
【００７８】
広範囲のメッシュ構造を本発明のメッシュ電極として用いることが可能である。図５Ａおよび図５Ｂには各々、メッシュ電極の実施形態の例を示す。図５Ａには、フッ素ポリマー接着剤５０４に部分的に埋込まれたエキスパンディド金属メッシュ（ｅｘｐａｎｄｅｄ
ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）電極５０２の、顕微鏡写真５００を示す。メッシュ５０２は１つのチタン箔から作られたエキスパンディド金属メッシュであり、メッシュ５０２を生じるように、一連のスリットが穿孔され、引き伸ばされている。図５Ａのメッシュのストランドは、幅が約６２ミクロン〜約７５ミクロンであり、メッシュの開口面積は約６０％である。別の実施形態において、メッシュ電極は約８０％〜約８５％の範囲の開口面積を有する、幅約２５ミクロンのストランドのエキスパンディド金属メッシュからなる。好適な実施形態において、メッシュ電極は９０％以上の開口面積を有する、幅約２５ミクロンのストランドのエキスパンディド金属メッシュからなる。
【００７９】
図５Ｂには、フッ素ポリマー接着剤５１４に部分的に埋込まれた、織り線材・メッシュ電極５１２の顕微鏡写真５１０を示す。メッシュ５０２は、開口面積が約８２％であり、かつ線材５１６間の間隔が約３３０μｍであるメッシュに織られた、直径約３０μｍ（０．００１２インチ）の３１６ステンレス鋼の線材からなる。なお、線材の交差にて、下に
位置する線材部分（紙面から最も奥の線材）は実質的に、または完全にフッ素ポリマー接着剤５１４に埋込まれており、上に位置する線材部分は、フッ素ポリマー接着剤５１４にわずかにのみ埋込まれているか、または埋込まれていない。メッシュの一部は完全に埋込まれ、他の部分は埋込まれていないが、メッシュ全体はフッ素ポリマー接着剤５１４に部分的に埋込まれていることが理解される。
【００８０】
別の態様において、本発明は、光電セルと、複数の本発明の光電セルからなるモジュールとの製造方法を提供し、例えば、ロール−ツー−ロール法またはウェブ法など、連続製造法を用いて製造を容易にする。これらの方法は、例えば、ＤＳＳＣの製造に用いられ得る。
【００８１】
例えば、連続的かつコスト効率的な組立ライン法を用いて多数のＤＳＳＣを製造する現行法は、最良の場合でも、非常に困難である。半導体酸化膜を適切な電極として形成することにより、膜のクラッキングの防止方法および適切な膜の形成方法は制限される。そうした制限のために製造が遅延されることによって、コストが増大し得る。比較すると、メッシュ電極の使用またはメッシュ電極および箔電極の使用により、製造速度の増大は容易になる。例えば、メッシュおよび箔電極は、大きなシートまたはロールで提供されることが可能であり、それらの電極によって連続製造法の使用とコスト効率との向上が促進される。
【００８２】
さらに、ＤＳＳＣの連続組立法に伴う困難は、セルの支持体、すなわち一般に剛性でありかつ典型的にはガラスや金属などの耐熱性材料を含む基板から生じる。この主な理由は、溶融ナノ結晶を製造するための高温焼結法（典型的には約４００〜５００℃）に関連する。剛性基板材料は、その真の性質により、一般に、製造のための連続法よりも、より高価なバッチ法に適している。
【００８３】
図６には、本発明の光電セルおよびモジュールを形成するために用いられ得る連続製造法６００の様々な実施形態を描く。一実施形態において、光電セルまたはモジュールは前進する第１の光透過性の基板６０５上に形成される。基板６０５は、ローラー６０８を用いる製造運転中に、連続的に前進されてもよく、周期的に前進されてもよく、不規則に前進されてもよい。一実施形態において、メッシュ電極はロール６１０に収容され、前進する基板６０５に付着される。
【００８４】
光電モジュールを製造するための方法の様々な実施形態において、メッシュ電極はメッシュ部分の間の間隙に配設された絶縁材料を有する剥離シート上に支持された断続的なメッシュからなる。他の実施形態において、メッシュは所望の長さに切断されて、前進する基板６０５に付着され、絶縁材料はメッシュの部分間の空隙に配設される。さらなる実施形態において、絶縁材料は前進する基板６０５上に配設され、前進する基板に対して剥離シートからメッシュ部分が適用される（または切断され適用される）。さらに様々な実施形態において、絶縁材料が、メッシュ電極を基板に付着させるため、メッシュ電極を基板または基板上の被膜に部分的に埋込むため、またはその両方に用いられる、接着剤、ポリマー材料、熱硬化性材料、またはそれらのうちの１つ以上として働くことも可能である。
【００８５】
多くの方法で、前進する基板６０５にメッシュ電極を付着させることが可能である。例えば、様々な実施形態において、メッシュ電極ロール６１０の前、メッシュ電極ロール６１０の後、またはその両方で適用可能な接着剤を用いて、メッシュ電極を付着させる。様々な実施形態において、メッシュを基板または基板上の被膜に部分的に埋込むことによって、前進する基板６０５にメッシュ電極を付着させる。例えば、一実施形態では、メッシュ電極を部分的に埋込むため、メッシュ電極を加熱して、前進する基板６０５に押し込む。別の実施形態では、前進する基板を加熱して、前進する基板６０５の１つの側を軟化さ
せ、軟化した基板中にメッシュ電極を押し込む。別の実施形態では、前進する基板６０５上にポリマー層を被覆し、メッシュ電極、ポリマー層、またはその両方を加熱して、部分的に電極を埋込むためにメッシュ電極をポリマー層に押し込む。さらに別の実施形態では、前進する基板６０５に熱硬化性材料を被覆し（メッシュ電極ロールの前、後、または前後の両方）、メッシュ電極を部分的に埋込むために熱硬化性材料を加熱する。
【００８６】
さらに、一実施形態において、メッシュ電極は、前進する基板６０５への付着の前に、最初に少なくとも部分的に触媒媒体（例えば白金、伝導性ポリマー）で被覆される。別の実施形態において、触媒媒体６１５は、前進する基板６０５にメッシュ電極が付着された後にメッシュ電極上に堆積される。様々な実施形態において、触媒媒体は白金からなる。一実施形態において、メッシュ電極は最初に、電気化学セル中で例えば塩化白金酸を用いる電気化学的析出によって、真空蒸着によって、または白金化合物（例えば、塩化白金酸）を含む被膜の熱分解によって、白金化される。メッシュ電極は、次いで、例えば前進する基板６０５に付着され、白金が電気化学的に析出される。
【００８７】
様々な実施形態において、次いで電荷キャリア媒体６２０が堆積される。電荷キャリア媒体６２０は、例えば噴霧コーティング、ローラー・コーティング、ナイフ・コーティング、またはブレード・コーティングによって適用されてよい。電荷キャリア媒体６２０は、イオン伝導性ポリマー、可塑剤、およびヨウ化物とヨウ素との混合物を有する溶液を形成することによって調製され得る。ポリマーは、機械的安定性、寸法的安定性、またはその両方を提供し、可塑剤はゲル相／液体相の転移温度を補い、ヨウ化物とヨウ素とはレドックス電解質として作用する。
【００８８】
一実施形態において、次いで相互接続ナノ粒子材料６２５が堆積される。本明細書に説明するように、相互接続ナノ粒子材料６２５は、ポリリンカーおよび金属酸化物ナノ粒子を有する溶液を、前進するシート上に適用することによって形成され得る。ポリリンカー−ナノ粒子溶液は、浸漬タンク、押出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を含むが、それらに限定されない任意の適切な技術によって適用されてよい。様々な他の実施形態において、ポリリンカー溶液および金属酸化物ナノ粒子が別々に適用されて相互接続ナノ粒子材料６２５を形成する。一実施形態において、ポリリンカー溶液は、前進するシートに対して適用され、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）はポリリンカー上に配置される。他の実施形態において、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）が、前進するシートに適用され、ポリリンカー溶液はナノ粒子に適用されて、相互接続ナノ粒子材料６２５を形成する。
【００８９】
本明細書に説明したように、光増感相互接続ナノ粒子材料を（および、それによって光増感ナノ・マトリックス層の様々な実施形態を）生成するために、広範囲の光増感剤６３０が、ナノ粒子に対して、ナノ粒子と共に、またはその両方で適用されてよい。光増感剤６３０の堆積後、所望の最終製品に応じて、前進するシートをさらなる加工段階へと進めてもよい。
【００９０】
光電モジュールを製造する方法の様々な実施形態において、光増感ナノ・マトリックス層および電荷キャリア媒体は、間隙に絶縁材料が配設された断続的な層として堆積される。様々な実施形態では、相互接続線材は間隙および適用された絶縁材料に配設される。様々な他の実施形態では、相互接続線材は予め適用された絶縁材料を含んだ間隙に配設される。さらに様々な実施形態では、絶縁材料が、相互接続線材の位置を保持するため、完成されたモジュールを一体に保持することを容易にするため、またはその両方のために用いられる、接着剤、ポリマー材料、熱硬化性材料、またはそれらのうちの１つ以上として働くことも可能である。
【００９１】
様々な実施形態において、ロール６３５に収容される箔（またはメッシュ）を含む第１電極は、ロールに収容され、前進するシートに適用される。別の実施形態において、第１電極はロール６３５に収容され、最初に第２基板６４０に付着される。
【００９２】
光電モジュールを製造する方法の様々な実施形態において、第１電極は、箔（またはメッシュ）の部分の間の間隙に絶縁材料が配設された剥離シート上に支持された断続的な箔（またはメッシュ）からなる。他の実施形態において、箔（またはメッシュ）は所望の長さに切断され、第２基板（または前進するシート）に付着されて、絶縁材料が箔（またはメッシュ）の部分の間の間隙に配設される。さらなる実施形態において、絶縁材料は第２基板（または前進するシート）上に配設され、箔（またはメッシュ）部分は剥離シートから第２基板（または前進するシート）へ適用される（または切断して適用される）。さらに、様々な実施形態において、絶縁材料が、第１電極を基板（または前進するシート）に付着させるため、第１電極を基板または基板の被膜に部分的に埋込むため、またはその両方のために用いられる、接着剤、ポリマー材料、熱硬化性材料、またはそれらのうちの１つ以上として働くことも可能である。
【００９３】
多くの方法で、第２基板６４０に第１電極を付着させることが可能である。例えば、様々な実施形態において、第１電極ロール６３５の前、第１電極ロール６３５の後、またはその両方で適用可能な接着剤を用いて、第１電極を付着させる。様々な実施形態において、第１電極を基板または基板上の被膜に部分的に埋込むことによって、第２基板６４０に第１電極を付着させる。適切な埋込みの方法の例は、メッシュ電極に関して上で説明した。
【００９４】
他の実施形態において、第１電極は、堆積させた金属層、半導体酸化膜、またはその両方からなり、例えば、熱蒸着、低温スパッタリング、真空蒸着、またはそれらのうちの１つ以上によって、第２基板６４０の目標領域に堆積される。他の実施形態において、第１電極は、タンク浸漬、押出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を含むが、それらに限定されない任意の適切な技術によって適用された伝導性ポリマーからなる。さらに、第１電極がメッシュからなる実施形態では、透明な半導体酸化膜が、例えば、少なくともメッシュの開口部に真空被覆されてもよい。
【００９５】
さらに、光電モジュールを製造する方法の様々な実施形態では、製造法の任意の点で、前進するシート６０５にスペーサを適用してもよい。
様々な実施形態によれば、次いで、前進するシート６０５に第２基板６４０（第１電極を付着していてもよい）が適用され、連続製造法６００を用いた光電セル（またはモジュール）が完成される。
【００９６】
本発明の光電セルおよびモジュールを形成するために用いられ得る連続製造法の上記の様々な実施形態は例示であり、順序が逆転されてもよいことは理解される。例えば、一実施形態では、第１電極が基板に付着され、光増感ナノ・マトリックス層が第１電極上に形成される。
【００９７】
実施例１：メッシュ電極の光電セル
この実施例では、ＰＥＮからなる厚さ７５μｍの可撓性基板に積層された厚さ２５μｍのチタン箔と、高温焼結された二酸化チタン・ナノ粒子層（０．５ｍＭのシス−ビス（イソチオシアナト）ビス（２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボキシラト）−ルテニウム（ＩＩ）ビス−テトラブチルアンモニウム、およびシス−ビス（イソシアナト）（２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボキシラト）ルテニウム（ＩＩ）色素を用いて色素増感された）と、ヨウ化カリウム／ヨウ素電解質と、ステンレス鋼メッシュ電極とから、３種の光電セルを組み立てた。メッシュ電極は、直径が３０μｍ、かつ線材間の開口面積
が約８２％のメッシュであり、３１６ステンレス鋼の織り線材から作成した。セルへの組み込みの前に、ステンレス鋼メッシュ電極を、電気化学的に白金化（厚さ約０．００１μｍの白金被膜で）するとともに、ＰＥＮからなる厚さ７５μｍの可撓性基板に接合した。メッシュ電極をセルのカソードとしてセルに組み込んだ。
【００９８】
完成された太陽電池は、表１にリストしたエアマス（ＡＭ）１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）にて、以下の光電（ＰＶ）特性を示した。測定した特性は以下の通りである。平均の太陽変換効率（「η」）、フィル・ファクタ（ＦＦ）、平均開放電圧（「ＶＯＣ」）、短絡電流（「ＩＳＣ」）、最大出力時電圧（「Ｖｍ」）。なお、フィル・ファクタ（「ＦＦ」）は、開放電圧と短絡電流との積に対する、太陽および最大出力ピットプット（ｐｉｔｐｕｔ）時電流（「Ｉｍ」）変換効率の比から計算可能である。すなわち、ＦＦ＝η／［ＶＯＣ×ＩＳＣ］である。
【００９９】
【表１】
【０１００】
図７を参照すると、別の態様において、本発明は、露光側７０１を有する光電セル７００を提供する。光電セル７００は、第１電極７０４と露光側メッシュ電極７０６との間に配設された光活性材料７０２からなる。光活性材料は、ケイ素（例えば結晶、多結晶、非晶質など）、薄膜型光導体、または光増感ナノ・マトリックス材料の形態であることが可能である。好適には、「光電セル（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌ）」はさらに、第１の光透過性の基板７０８と第２基板７１０とを含む。
【０１０１】
Ｂ．ナノ粒子の低温相互接続
上で説明したように、一実施形態において、本発明は、比較的低い「焼結」温度（約３００℃未満）で薄膜太陽電池の製造を可能にする、ポリマー性連結剤（以降「ポリリンカー」）を提供する。「焼結」の語は従来では高温（約４００℃を超える）の方法を指すが、本明細書で用いられる「焼結」の語は温度を特定せず、代わりに、一般に任意の適切な温度でナノ粒子を相互接続する方法を指す。１つの例示的な実施形態において、本発明はポリリンカーを用いて薄膜太陽電池中のナノ粒子を相互接続する方法を提供する。別の例示的な実施形態によれば、比較的低温の焼結法によって、そうした光電セルを可撓性ポリマー基板を用いて製造することが可能となる。可撓性基板を利用することによって、本発明では、連続的なロール−ツー−ロールまたはウェブ製造法を用いることも可能である。
【０１０２】
図８および図９には、本発明による例示的なポリリンカーの化学構造を概略的に描く。描かれた特定のポリリンカー構造は、式ＭｘＯｙのナノ粒子に対して用いられる。ここで、Ｍは例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ランタン（Ｌａ）、タンタル（Ｔａ）、テルビウム（Ｔｂ）、またはスズ（Ｓｎ）であってよく、ｘおよびｙは零より大きな整数である。図８の例示的な実施形態によれば、ポリリンカー８００は金属酸化物ナノ粒子と構造が類似している主鎖構造１０２と、反応基（ＯＲ）ｉとを含む。ここで、Ｒは例えば、アセテート、アルキル、アルケン、ア
ルキン、芳香族、またはアシル基、もしくは水素原子であってよく、ｉは零より大きな整数である。適切なアルキル基は、エチル、プロピル、ブチル、およびペンチル基を含むが、それらに限定されない。適切なアルケンは、エテン、プロペン、ブテン、およびペンテンを含むが、それらに限定されない。適切なアルキンは、エチン、プロピン、ブチン、およびペンチンを含むが、それらに限定されない。適切な芳香族基は、フェニル、ベンジル、およびフェノールを含むが、それらに限定されない。適切なアシル基は、アセチル、およびベンゾイルを含むが、それらに限定されない。さらに例えば、塩素、臭素、およびヨウ素を含むハロゲンを反応基（ＯＲ）ｉに置き換えてもよい。
【０１０３】
図９を参照すると、ポリリンカー９１０は、反応基（ＯＲ）ｉと反応基（ＯＲ）ｉ＋１とを含む、２つの−Ｍ−Ｏ−Ｍ−Ｏ−Ｍ−Ｏ−主鎖構造を含む分岐した主鎖構造を有する。ここで、Ｒは例えば、上述で挙げた原子、分子、または化合物のうちの１つであってよく、ｉは零より大きな整数である。２つの主鎖構造は金属酸化物ナノ粒子に類似した構造を有する。集合的に、図９に描いた構造は、−Ｍ（ＯＲ）ｉ−Ｏ−（Ｍ（ＯＲ）ｉ−Ｏ）ｎ−Ｍ（ＯＲ）ｉ＋１で表され、ｉおよびｎは零より大きな整数である。
【０１０４】
図１０Ａには、ＭｘＯｙナノ粒子１００２をポリリンカー１００４と相互接続して得られる化学構造１０００を概略的に描く。様々な実施形態において、ポリリンカー１００４は、それぞれ図８および図９に描いたポリリンカー８００および９１０の化学構造を有する。例示的な実施形態によれば、ナノ粒子１００２は、室温以下の温度または約３００℃未満の高温で、ナノ粒子１００２をポリリンカー１００４と接触させることによって相互接続される。好適には、ナノ粒子１００２との接触を促進するため、ポリリンカー１００４は溶媒中に分散される。適切な溶媒は、特に、様々なアルコール、塩素化炭化水素（例えばクロロホルム）、ケトン、環状および直鎖状のいずれかの誘導体、および芳香族溶媒を含むが、それらに限定されない。ナノ粒子１００２の表面水酸基とポリリンカー１００４のポリマー鎖のアルコキシ基との反応によって、非常に安定な共有結合を通じて多くのナノ粒子１００２が互いに架橋（すなわち、リンク）される結果、ナノ粒子１００２が相互接続されると考えられる。また、ポリリンカー１００４はナノ粒子１００２に類似の化学構造を有するポリマー材料であるので、ナノ粒子１００２とポリリンカー１００４との結合（すなわち、リンク）部位がわずかであっても、非焼結または非相互接続ナノ粒子膜よりも優れた電気特性および機械特性の組合せを有する、高度に相互接続されたナノ粒子膜が生じると考えられる。例えば電気特性は、例えばπ共役による１つのナノ粒子から別のナノ粒子への電子または正孔の移動を促進する、電子、正孔、またはその両方を伝導する特性を含む。機械特性は、例えば、改良された可撓性を含む。
【０１０５】
やはり図１０Ａを参照すると、低濃度ではポリリンカー１００４は、単一のポリリンカー１００４ポリマーが多くのナノ粒子１００２を連結して、架橋結合したナノ粒子ネットワークを形成することが可能である。しかしながら、ポリリンカー１００４ポリマーの濃度を増加させることによって、さらに多くのポリリンカー１００４分子がナノ粒子１００２の表面に結合し、ポリマー被覆されたナノ粒子１０００し得る。そうしたポリマー被覆ナノ粒子１０００は、ポリマーの可撓性のため、薄膜として加工され得る。ポリリンカーのポリマーとナノ粒子との電気特性および構造特性の類似のため、ポリマー被覆ナノ粒子の電気特性は、有意には影響を受けないと考えられる。
【０１０６】
図１０Ｂには、電気伝導体である酸化物層被膜１０１０を含む可撓性基板１００８上に形成された、図１０Ａの相互接続ナノ粒子膜１０００の例示的な実施形態の化学構造１００６を描く。詳細には、可撓性の光透過性の基板１００８上にそうしたナノ粒子膜１０００を形成するために、ポリリンカーが用いられ得る。可撓性基板１００８の例は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリマー炭化水素、セルロース誘導体、それらの組合せなどを含む。ＰＥＴおよびＰＥＮ
基板は、１つ以上の電気伝導性の酸化物層被膜１０１０、例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープした酸化スズ、酸化スズ、酸化亜鉛などの酸化物層被膜で被覆されてよい。
【０１０７】
好適な一実施形態によれば、例示的ポリリンカーを用いることによって、本発明の方法は、４００℃よりも有意に低い温度、および好適には約３００℃未満で、ナノ粒子１００２を相互接続する。そのような温度範囲での作業によって、従来の高温焼結方法では破壊的に変形し得るような、可撓性基板１００８の使用が可能となる。１つの例示的な実施形態において、例示的な構造１００６は、基板１００８上のポリリンカー１００４を用いて、約３００℃未満の温度でナノ粒子１００２を相互接続することによって形成される。別の実施形態において、ナノ粒子１００２は、ポリリンカー１００４を用いて約１００℃未満の温度で相互接続される。さらに別の実施形態において、ナノ粒子１００２は、ほぼ室温および室内圧力（ｒｏｏｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、それぞれ約１８℃〜約２２℃および約１ａｔｍ（約７６０ｍｍＨｇ）、にて、ポリリンカー１００４を用いて相互接続される。
【０１０８】
ナノ粒子が基板上に堆積される実施形態において、ポリリンカーの反応基は、基板、基板被膜、基板の酸化物層、またはそれらのうちの１つ以上と結合する。反応基は、例えば、共有結合、イオン結合、水素結合、またはそれらのうちの１つ以上によって、基板、基板被膜、基板の酸化物層、またはそれらのうちの１つ以上と結合してよい。ポリリンカーの反応基と基板上の酸化物層との反応によって、ポリリンカーを介するナノ粒子の基板への接続が生じると考えられる。
【０１０９】
本発明の様々な実施形態によれば、室温以下の温度または約３００℃未満の高温で、適切な溶媒に分散した適切なポリリンカーにナノ粒子を接触させることによって、金属酸化物ナノ粒子が相互接続される。ナノ粒子は多くの方法でポリリンカー溶液と接触されてよく、例えば、ナノ粒子膜を基板上に形成してから、ポリリンカー溶液中に浸漬してもよい。ナノ粒子膜を基板上に形成し、ポリリンカー溶液を膜上に噴霧してもよい。ポリリンカーおよびナノ粒子を共に溶液中に分散し、次いで溶液を基板上に堆積させてもよい。ナノ粒子分散液を調製するために、例えば、マイクロ流動化（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｉｎｇ）、摩砕（ａｔｔｒｉｔｔｉｎｇ）、およびボール・ミリングなどの技術を用いてもよい。さらに、基板と、ポリリンカーが堆積されたナノ粒子膜との上に、ポリリンカー溶液が堆積されてもよい。
【０１１０】
ポリリンカーおよびナノ粒子が共に溶液中に分散される実施形態において、得られたポリリンカー−ナノ粒子溶液を用いて、単一の工程にて、相互接続ナノ粒子膜を基板上に形成してもよい。この実施形態の様々な場合では、例えば、スクリーン印刷およびグラビア印刷技術など、印刷技術を用いる膜の堆積を容易にするために、ポリリンカー−ナノ粒子溶液の粘度を選択してよい。基板と、ポリリンカーが堆積されたナノ粒子膜との上に、ポリリンカー溶液が堆積される実施形態において、所望の接着厚さを達成するためにポリリンカーの濃度を調節してもよい。さらに、ナノ粒子膜の堆積の前に、堆積されたポリリンカー溶液から過剰の溶媒を除去してもよい。
【０１１１】
本発明は式ＭｘＯｙの材料のナノ粒子の相互接続に限定されない。適切なナノ粒子材料は、チタン、ジルコニウム、ランタン、ニオブ、スズ、タンタル、テルビウム、およびタングステンの、硫化物、セレン化物、テルル化物、および酸化物、ならびにそれらの組合せを含むが、それらに限定されない。例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｎＯ２、チタン酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムは適切なナノ粒子材料である。
【０１１２】
ポリリンカーは１つ以上の種類の反応基を含んでよい。例えば、図８〜１０Ｂの例示的な実施形態には、１つの種類の反応基ＯＲを描いた。しかしながら、ポリリンカーは幾つかの種類の反応基、例えばＯＲ、ＯＲ’、ＯＲ”などを含んでもよい。ここで、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、水素、アルキル、アルケン、アルキン、芳香族、またはアシル基のうちの１つ以上であり、もしくはＯＲ、ＯＲ’、およびＯＲ”のうちの１つ以上はハロゲン化物である。例えば、ポリリンカーは、−［Ｏ−Ｍ（ＯＲ）ｉ（ＯＲ’）ｊ−］−、および［Ｏ−Ｍ（ＯＲ）ｉ（ＯＲ’）ｊ（ＯＲ”）ｋ−］−などの式のポリマー単位を含んでよい。ここで、ｉ、ｊ、およびｋは、零より大きな整数である。
【０１１３】
図１１には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）ナノ粒子と共に使用するための代表的なポリリンカー、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１１００の化学構造を描く。ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１１００のための適切な溶媒は、特に、様々なアルコール、塩素化炭化水素、（例えばクロロホルム）、ケトン、環状および直鎖状のいずれかの誘導体、および芳香族溶媒を含むが、それらに限定されない。好適には、溶媒はｎ−ブタノールである。ポリ（ｎ−ブチルチタネート）ポリリンカー４００は、ブトキシ（Ｏｂｕ）反応基を有する分岐した−Ｔｉ−Ｏ−Ｔｉ−Ｏ−Ｔｉ−Ｏ−主鎖構造を含む。
【０１１４】
図１２Ａには、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）ポリリンカー分子１２０４によって相互接続された二酸化チタン・ナノ粒子１２０２からなる、ナノ粒子膜１２００の化学構造を描く。ＴｉＯ２ナノ粒子１２０２の表面水酸基とポリリンカー１２０４のブトキシ基１２０６（または他のアルコキシ基）との反応によって、非常に安定な共有結合を通じて多くのナノ粒子１２０２が互いに架橋（または結合）される結果、ナノ粒子１２０２が相互接続されると考えられる。また、ポリリンカー１２０４はＴｉＯ２に類似の化学構造を有するポリマー材料であるので、ナノ粒子１２０２とポリリンカー１２０４間との結合（すなわち、リンク）部位がわずかであっても、非焼結または非相互接続ナノ粒子膜よりも優れた電気特性および機械的特性の組合せを有する高度に相互接続されたナノ粒子膜１２００をもたらすと考えられる。
【０１１５】
図１２Ｂには、ポリリンカー溶液を基板１２１０に適用し、次いでポリリンカー１２０４上にナノ粒子１２０２を堆積させることによって、電気伝導性酸化物層被膜１２１２を含む基板１２１０上に形成された、図１２Ａのナノ粒子膜１２００の化学構造１２０８を描く。二酸化チタン・ナノ粒子１２０２を用いる例示的な例において、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４を含むポリリンカー溶液は、ｎ−ブタノール中に溶解され、基板１２１０に適用される。ポリリンカー１２０４の濃度を調整して、ポリリンカー溶液の所望の接着厚さを得ることが可能である。次いで、二酸化チタン・ナノ粒子膜１２００は、ポリリンカーで被覆された基板１２１０上に堆積される。ＴｉＯ２ナノ粒子の表面水酸基とポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４の反応性ブトキシ基１２０６（または他のアルコキシ基）との反応は、ナノ粒子１２０２を相互接続させると共に、ナノ粒子１２０２を基板１２１０上の酸化物層１２１２と接続させる。
【０１１６】
図１２Ｃには、ポリリンカー溶液をメッシュ電極１２１４に適用し、次いでポリリンカー１２０４上にナノ粒子１２０２を堆積させることによって、金属線材・メッシュ電極１２１４上に形成された、図１２Ａのナノ粒子膜１２００の化学構造１２０８を描く。一実施形態において、メッシュ電極１２１４はさらに、少なくともメッシュ電極１２１４の開口部の間に配設された透明な半導体酸化膜１２１６を含む。二酸化チタン・ナノ粒子１２０２を用いる例示的な例において、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４を含むポリリンカー溶液は、ｎ−ブタノール中に溶解され、メッシュ電極１２１４と、存在する場合には、透明な半導体酸化膜１２１６とに適用される。ポリリンカー１２０４の濃度を調整して、ポリリンカー溶液の所望の接着厚さを得ることが可能である。次いで、二酸化チタン・ナノ粒子膜１２００は、ポリリンカーで被覆されたメッシュ電極１２１４上と、存在す
る場合には、透明な半導体酸化膜１２１６とに堆積される。ＴｉＯ２ナノ粒子の表面水酸基とポリ（ｎ−ブチルチタネート）１２０４の反応性ブトキシ基１２０６（または他のアルコキシ基）との反応は、ナノ粒子１２０２を相互接続させると共に、ナノ粒子１２０２をメッシュ電極１２１４上の酸化物層と、存在する場合には、透明な半導体酸化膜１２１６とに接続させる。
【０１１７】
別の態様において、本発明は、例えば、ロール−ツー−ロール法またはウェブ法など連続製造法を用いる、基板上に相互接続金属酸化物ナノ粒子の層を形成する方法も提供する。これらの方法は、例えば、ＤＳＳＣの製造に用いられ得る。例えば、連続的かつコスト効率的な組立ライン法を用いて多数のＤＳＳＣを製造する現行法は、最良の場合でも、非常に困難である。ＤＳＳＣの連続組立法に伴う困難は、セルの支持体、すなわち一般に剛性でありかつ典型的にはガラスや金属などの耐熱性材料を含む基板から生じる。この主な理由は、溶融ナノ結晶を製造するための高温焼結法（典型的には約４００〜５００℃）に関連する。剛性基板材料は、その真の性質により、一般に、製造のための連続法よりも、より高価なバッチ法に適している。
【０１１８】
図１３には、例えば、図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｄ、および４〜６に示した光電セルの全体または部分を形成するのに用いられ得る、連続製造法１３００の例示的な実施形態を描く。例示的な実施形態によれば、相互接続ナノ粒子膜は前進する基板シート１３０５上に形成される。基板シート１３０５は、ローラー１３０８を用いる製造運転中に、連続的に前進されてもよく、周期的に前進されてもよく、不規則に前進されてもよい。この例示的な実施形態において、光電セルの１電極の基礎として働く導体材料１３１０は、前進する基板１３０５上に堆積される。様々な実施形態において、導体材料１３１０は熱蒸着または低温スパッタリングによって基板１３０５の目標領域に堆積されてよい。さらに、導体材料１３１０は、例えば、真空蒸着によって堆積されてもよい。
【０１１９】
図１３に示した例示的な実施形態によれば、次いで光増感ナノ粒子材料１３１５が堆積される。本明細書に説明するように、光増感ナノ粒子材料１３１５はポリリンカーおよび金属酸化物ナノ粒子を有する溶液を、前進する基板シート１３０５上に適用することによって形成され得る。ポリリンカー−ナノ粒子溶液は、浸漬タンク、押出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、およびグラビア印刷を含むが、それらに限定されない任意の適切な技術によって適用されてよい。他の例示的な実施形態において、前進する基板シート１３０５にポリリンカー溶液および金属酸化物ナノ粒子が別々に適用されて、光増感ナノ粒子材料１３１５を形成する。１つの例示的な実施形態において、ポリリンカー溶液は、前進する基板１３０５に対して適用され、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）はポリリンカー上に配置される。他の例示的な実施形態において、金属酸化物ナノ粒子（好適には溶媒中に分散）が、前進する基板１３０５に適用され、ポリリンカー溶液はナノ粒子に適用されて、光増感ナノ粒子材料１３１５を形成する。本明細書に説明するように、光増感ナノ粒子材料１３１５を製造するために、広範囲の光増感剤が、ナノ粒子に対して、ナノ粒子と共に、またはその両方で適用されてよい。
【０１２０】
光増感ナノ・マトリックス材料１３１５の堆積後、所望の最終製品に応じて、基板シート１３０５をさらなる加工段階へと進めてもよい。この例示的な実施形態によれば、接地電位または電流源から光増感ナノ粒子材料１３１５へ電荷が移動するのを容易にする、電荷キャリア材料１３２０が堆積される。電荷キャリア材料１３２０は、例えば噴霧コーティング、ローラー・コーティング、ナイフ・コーティング、またはブレード・コーティングによって適用されてよい。イオン伝導性ポリマー、可塑剤、およびヨウ化物とヨウ素との混合物を有する溶液を形成することによって調製され得る。ポリマーは、機械的安定性、寸法的安定性、またはその両方を提供し、可塑剤はゲル相／液体相の転移温度を補い、ヨウ化物とヨウ素とはレドックス電解質として作用する。
【０１２１】
さらに図１３を参照すると、次いで、光電セル内の光励起された分子によって排出された電子の移動を促進する、触媒媒体層１３２５が堆積される。続いて、第２導体層１３３０が堆積される。第２導体層１３３０は光電セルの第２電極の基礎として働く。次いで、第２の可撓性基板１３３５が巻き出され（ｕｎｗｏｕｎｄ）、前進するシート１３０５に適用されて、連続製造法１３００を用いた光電セルが完成される。
【０１２２】
二酸化チタン・ナノ粒子を含むＤＳＳＣに関する、本発明のさらなる例示的な実施例を以下に提供する。以下の実施例は例示であり、限定することを意図していない。したがって、本発明は、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、チタン酸ナトリウム、およびニオブ酸カリウムのナノ粒子を含むがそれらに限定されない、広範囲のナノ粒子に適用されてよいことが理解される。さらに、本発明は、ＤＳＳＣに加えて、例えば金属酸化物および半導体被膜など、広範囲の用途の相互接続ナノ粒子の形成に一般に適用可能であることが理解される。
【０１２３】
実施例２：ポリリンカーの浸漬コーティング塗布
この例示的な実施例では、ＤＳＳＣを以下のように形成した。二酸化チタン・ナノ粒子膜をＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスに被覆した。ポリリンカー溶液は、１％（重量で）のポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液であった。この実施形態では、好適には、溶媒中のポリリンカーの濃度は５重量％未満であった。粒子を相互接続するために、ナノ粒子膜で被覆したスライドをポリリンカー溶液に１５分間浸漬し、次いで１５０℃で３０分間加熱した。ポリリンカーで処理したＴｉＯ２膜を、次いで３×１０−４Ｎ３色素溶液で１時間、光増感した。次いで、デュポンから入手可能な約０．０５ｍｍ（２ミル）のＳＵＲＬＹＮ（登録商標）１７０２ホット・メルト接着剤を用いて、三ヨウ化物系の液体レドックス電解質をＴｉＯ２膜被覆スライドガラス、白金被覆ＳｎＯ２：Ｆスライドガラス間に挟むことによって、ポリリンカーで処理したＴｉＯ２膜で被覆したスライドガラスから０．６ｃｍ２の光電セルを作成した。白金被膜は厚さ約６０ｎｍであった。セルはＡＭ１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）で３．３３％程度の太陽変換効率を示した。完成した太陽電池は、平均太陽変換効率（「η」）が３．０２％、平均開放電圧（「ＶＯＣ」）が０．６６Ｖ、平均短絡電流（「ＩＳＣ」）が８．７１ｍＡ／ｃｍ２、平均フィル・ファクタ（ＦＦ）が０．４９（０．４８〜０．５２）であった。図８には、浸漬コーティングされた光電セルの電流電圧曲線８０２を示すグラフ８００を描く。
【０１２４】
実施例３：ポリリンカー−ナノ粒子溶液塗布
この例示的な実施例では、二酸化チタン（約８０％のアナターゼと２０％のルチル結晶ＴｉＯ２ナノ粒子とを含むチタニアであり、デグサ−ヒュルス（Ｄｅｇｕｓｓａ−Ｈｕｌｓ）から入手可能であるＰ２５）のｎ−ブタノール懸濁液５．０ｍＬを、１ｍＬのｎ−ブタノール中の０．２５ｇのポリ（ｎ−ブチルチタネート）に添加した。この実施形態では、好適には、ポリリンカー−ナノ粒子溶液中のポリリンカーの濃度は約５０重量％未満であった。懸濁液の粘度は、明らかな粒子分離のないまま、ミルク状から歯磨きペースト状まで変化した。ウェット膜の厚さを決定する厚さ６０μｍのテープとガードナーナイフとを用いて、パターン形成したＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスにペーストを展延した。被膜を室温で乾燥して膜を形成した。続いて、風乾した膜を１５０℃で３０分間加熱処理して溶媒を除去し、３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液で一晩増感させた。増感させた光電極を所望の寸法に切断し、白金被覆（厚さ６０ｎｍ）したＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスと三ヨウ化物系液体電解質との間に挟んだ。完成した太陽電池は、６つのセルの平均で、ＡＭ１．５条件にて２．９％（２．５７％〜３．３８％）のηを示した。平均ＶＯＣは０．６８Ｖ（０．６６〜０．７１Ｖ）、平均ＩＳＣは８．５５ｍＡ／ｃｍ２（７．４５〜１０．４ｍＡ／ｃｍ２）、平均フィル・ファクタは０．４９（０．４８〜０．５
２）であった。図１５には、ポリリンカー−ナノ粒子溶液から形成された光電セルの電流−電圧曲線１５０２を示すグラフ１５００を描く。
【０１２５】
実施例４：ポリリンカーなしで形成したＤＳＳＣセル
この例示的な実施例では、約３７．５％の固形分を含有する二酸化チタン懸濁水溶液（Ｐ２５）を、ミクロフルイダイザー（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｅｒ）を用いて調製し、被覆スライドガラス上に被覆されているフッ素化ＳｎＯ２伝導性電極（１５Ω／ｃｍ２）上にスピン・コートした。二酸化チタンで被覆したスライドを約１５分間、風乾し、１５０℃で１５分間、熱処理した。スライドをオーブンから取り出し、約８０℃まで冷却し、３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液に約１時間浸漬した。増感させた二酸化チタン光電極を色素溶液から取り出し、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で乾燥した。増感させた光電極を小片（０．７ｃｍ×０．５〜１ｃｍの活性面積）に切断し、白金被覆ＳｎＯ２：Ｆの透明な伝導性スライドガラスの間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリル（３−ｍｅｔｈｏｘｙｂｕｔｙｒｏｎｉｔｄｌｅ）の液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。このようにして作製した光電セルは、ＡＭ１．５条件にて約３．８３％の平均太陽変換効率を示した。これらのセルの、ＡＭ１．５条件でのηと、光電特性ＩＳＣ、ＶＯＣ、最大出力時電圧（「Ｖｍ」）、および最大出力時電流（「Ｉｍ」）とを、表１の列Ａに挙げる。図１６には、ポリリンカーなしで形成した光電セルの電流−電圧曲線１６０２を示すグラフ１６００を描く。
【０１２６】
【表２】
【０１２７】
実施例５：様々な濃度のポリリンカー溶液を用いて形成したＤＳＳＣセル
この例示的な実施例では、約３７．５％の固形分を含有するＰ２５懸濁液を、ミクロフルイダイザーを用いて調製し、フッ素化ＳｎＯ２伝導性電極（１５Ω／ｃｍ２）で被覆されているスライドガラス上にスピン・コートした。二酸化チタンで被覆したスライドを約１５分間、風乾し、１５０℃で１５分間、熱処理した。ナノ粒子の相互接続（ポリ連結）を行うため、二酸化チタン被覆伝導性スライドガラスを、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）を含むｎ−ブタノールのポリリンカー溶液に、５分間浸漬した。使用したポリリンカー溶液は、０．１重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）、０．４重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）、１重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）、２重量％のポリ（ｎ−ブチルチタネート）であった。５分後に、スライドガラスをポリリンカー溶液から取り出し、約１５分間風乾し、オーブン中１５０℃で１５分間熱処理して溶媒を除去した。スライドをオーブンから取り出し、約８０℃まで冷却し、３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液に約１時間浸漬した。増感させた二酸化チタン光電極を色素溶液から取り出し、エタノ
ールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で乾燥した。増感させた光電極を小片（０．７ｃｍ×０．５〜１ｃｍの活性面積）に切断し、白金被覆ＳｎＯ２：Ｆの透明な伝導性スライドガラスの間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。作製したセルの、ＡＭ１．５条件でのηと、光電特性ＩＳＣ、ＶＯＣ、Ｖｍ、Ｉｍとを、表２に挙げる。０．１重量％溶液は列Ｂに、０．４重量％溶液は列Ｃに、１重量％溶液は列Ｄに、２重量％溶液は列Ｅに挙げる。図１６には、ポリリンカーを用いて形成した光電セルの電流−電圧曲線１６０８を描く。
【０１２８】
実施例６：改質剤溶液
この例示的な実施例では、二酸化チタンで被覆された透明な伝導性酸化物被覆スライドガラスを、実施例５に説明したようにスピン・コーティング法によって調製した。酸化チタン被覆伝導性スライドガラスを、０．０１Ｍのポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液を含むポリリンカー溶液で５分間処理し、ナノ粒子を相互接続させた。スライドをポリリンカー溶液から取り出した後、約５分間風乾した。スライドを後に改質剤溶液に約１分間浸漬した。使用した改質剤溶液は、水／エタノールの１：１混合物、１Ｍのｔ−ブチルピリジンの水／エタノール１：１混合物溶液、０．０５ＭのＨＣｌの水／エタノール１：１混合物溶液であった。スライドガラスのうちの１つを、加湿器からの蒸気で１５秒間処理した。スライドを１５分間風乾し、１５０℃で１５分間熱処理して溶媒を除去し、次いで３×１０−４ＭのＮ３色素溶液で約１時間、増感させた。増感させた光電極を白金被覆ＳｎＯ２：Ｆで被覆したスライドガラスに挟み、１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を用いて、光電特性を調べた。酸はこれらの光電セルの光伝導性と効率との増大を補助すると思われる。この実施例のセルの、ＡＭ１．５条件でのηおよび光電特性を、表３に以下の通りに挙げる。改質剤溶液に浸漬しておらず、ポリリンカー溶液で処理していないスライドガラス（列Ａ）、改質剤溶液に浸漬していないが、ポリリンカー溶液で処理したスライドガラス（列Ｂ）、スライドを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで水／エタノール１：１混合物に浸漬したもの（列Ｃ）、スライドガラスを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで１Ｍのｔ−ブチルピリジンの水／エタノール１：１混合物溶液に浸漬したもの（列Ｄ）、スライドガラスを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで０．０５ＭのＨＣｌの水／エタノール１：１混合物溶液に浸漬したもの（列Ｅ）、スライドガラスを最初にポリリンカー溶液で処理し、次いで加湿器からの蒸気で処理したもの（列Ｆ）。
【０１２９】
【表３】
【０１３０】
実施例７：相互接続後に１５０℃まで加熱
この例示的な実施例では、二酸化チタンで被覆された透明な伝導性酸化物被覆スライドガラスを、実施例５に説明したようにスピン・コーティング法によって調製した。スライドガラスを、０．０１Ｍのポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液に３０秒間浸漬し、１５分間風乾した。スライドを後に１５０℃で１０分間、オーブン中で熱処理した。熱処理した酸化チタン層をＮ３色素溶液で１時間、増感させ、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で１０分間加温した。増感させた光電極を０．７×０．８ｃｍの活性面積の光セルに切断し、白金化伝導性電極の間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。光電セルは、全てＡＭ１．５条件にて、平均ηが３．８８％（３．８３、３．９、３．９２）、平均ＶＯＣが０．７３Ｖ（０．７３、０．７４、０．７３Ｖ）、平均ＩＳＣが９．６ｍＡ／ｃｍ２（９．８８、９．６５、９．２６）であった。
【０１３１】
実施例８：相互接続後に７０℃まで加熱
この例示的な実施例では、二酸化チタンで被覆された透明な伝導性酸化物被覆スライドガラスを、実施例５に説明したようにスピン・コーティング法によって調製した。スライドガラスを、０．０１Ｍのポリ（ｎ−ブチルチタネート）のｎ−ブタノール溶液に３０秒間浸漬し、１５分間風乾した。スライドを後に７０℃で１０分間、オーブン中で熱処理した。熱処理した酸化チタン層をＮ３色素溶液で１時間、増感させ、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラスで１０分間加温した。増感させた光電極を０．７×０．７ｃｍの活性面積の光セルに切断し、白金化伝導性電極の間に挟んだ。１ＭのＬｉＩと、０．０５Ｍのヨウ素と、１Ｍのｔ−ブチルピリジンとを含む３−メトキシブチロニトリルの液体電解質を、毛細管作用によって、光電極と白金化伝導性電極の間に適用した。光電セルは、全てＡＭ１．５条件にて、平均ηが３．６２％（３．５５、３．７３、３．５７）、平均ＶＯＣが０．７５Ｖ（０．７４、０．７４、０．７６Ｖ）、平均ＩＳＣが７．９６ｍＡ／ｃｍ２（７．６９、８．２２、７．９７）であった。
【０１３２】
実施例９：可撓性透明基板上に形成
この例示的な実施例では、厚さ約２００μｍ、約１２．７ｃｍ（５インチ）×約２．４ｍ（８フィート）平方のＰＥＴ基板をＩＴＯで被覆して、ループ・コーター（ｌｏｏｐ ｃｏａｔｅｒ）に装填した。二酸化チタンのｎ−ブタノール懸濁液（固形分２５％のＰ２５）１８．０ｍＬを、ｎ−ブタノール１０ｍＬ中の０．５ｇのポリ（ｎ−ブチルチタネート）をインライン混合（ｉｎ−ｌｉｎｅ ｂｌｅｎｄｅｄ）し、ＩＴＯ被覆ＰＥＴシート上に被覆した。堆積の後、被膜を約５０℃で約１分間加熱した。次いで、相互接続ナノ粒子層を３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液を用いてコーティングすることによって色素増感させた。
【０１３３】
Ｃ．半導体酸化物配合物
さらなる例示的な実施形態において、本発明は、本明細書に説明するように、低温ナノ粒子相互接続を用いて形成された、本発明のＤＳＳＣと共に使用するための半導体酸化物配合物を提供する。半導体酸化物配合物は、室温で被覆され、約５０℃〜約１５０℃で乾燥されて、例えば、電極（メッシュ電極および触媒媒体で被覆されたメッシュ電極を含む）と、透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）で被覆されたプラスチック基板とに対する良好な接着性を有する、機械的に安定な半導体ナノ粒子膜を生成する。一実施形態において、光増感相互接続ナノ粒子材料のナノ粒子半導体は、市場で入手可能なＴｉＯ２ナノ粒子の懸濁水溶液から、ポリマー・バインダから、および酢酸を用いて、並びに酢酸を用いずに形成される。適切なポリマー・バインダは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＯＥＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニル（ＰＶＡ）、および他の水溶性ポリマーを含むが、それらに限定されない。ポリマーに対する半導体酸化物粒子（例えばＴｉＯ２）の比率は、重量で約１００
：０．１〜１００：２０、好適には重量で１００：１〜１００：１０であることが可能である。配合物中の酢酸の存在は、例えば、ＴＣＯ被覆基板への被膜の接着向上を改良する。しかしながら、本発明のこの態様において酢酸は不可欠ではなく、酢酸を用いない半導体酸化物分散液は充分機能する。別の実施形態において、ＴｉＯ２ナノ粒子は、例えばイソプロピルアルコールなどの有機溶媒中に例えばＰＶＰ、ビューツバル（ｂｕｔｖａｒ（登録商標））、エチルセルロースなどのポリマー・バインダと共に分散される。
【０１３４】
別の例示的な実施形態において、半導体酸化物被膜の機械的完全性と、それらの被膜に基づく色素増感セルの光電性能とは、半導体ナノ粒子を相互接続させるために架橋剤を用いることによって、さらに改良可能である。この目的のために、本明細書に述べるポリリンカーを用いてもよい。これらの架橋剤は、例えば、チタニア・コーティング配合物中に直接的に適用されてもよく、チタニア被膜を乾燥する工程に続いて、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの有機溶媒の溶液として適用されてもよい。例えば、約７０℃〜約１４０℃の範囲の温度まで続いて膜を加熱することによって、ＴｉＯ２ナノ粒子間にＴｉＯ２架橋を形成する。好適には、この実施例のポリリンカーの濃度は、チタニアを基準にして約０．０１〜約２０重量％である。
【０１３５】
Ｄ．半導体プライマー層被膜
別の例示的な実施形態において、本発明は、半導体酸化物材料と、およびＤＳＳＣを形成するための素地材料上への半導体酸化物ナノ粒子層の被覆方法とを提供する。図１７には、本発明の様々な実施形態によるコーティング法の例示的な実施形態１７００を描く。例示的な一実施形態において、素地材料１７１０は半導体酸化物の第１のプライマー層１７２０で被覆され、次いで半導体酸化物のナノ粒子１７３０懸濁液がプライマー層１７２０の上に被覆される。特に、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｎＯを含む、半導体金属酸化物は、薄膜、微粒子、または前駆体溶液の形で、真空コーティング、スピン・コーティング、ブレード・コーティング、または他の被覆方法を用いて、プライマー層被膜として用いられてよい。
【０１３６】
一実施形態において、プライマー層１７２０は真空被覆した半導体酸化膜（例えばＴｉＯ２膜）を含む。別の実施形態において、プライマー層１７２０は半導体酸化物（例えばＴｉＯ２、ＳｎＯ２）の微粒子の薄い被膜を含む。プライマー層１７２０はポリリンカーまたは前駆体溶液の薄い層を含んでもよく、その１つの例は図４に示したＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマー４００である。本発明の例示的な一実施形態によれば、素地材料１７１０は、例えば図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｄおよび４〜６の光電セルの幾つかの実施形態に見られるような、可撓性の光透過性の基板である。また、素地材料１７１０は、透明な伝導性プラスチック基板であってもよい。例示的な一実施形態によれば、ナノ粒子１７３０の懸濁液は光増感相互接続ナノ粒子材料である。
【０１３７】
プライマー層１７２０は、ナノ構造半導体酸化膜（例えば層１７３０など）の素地材料１７１０に対する接着を改良する。それらのプライマー層によるＤＳＳＣの性能向上が観察されており、これを以下に説明する。この向上は、半導体酸化物ナノ粒子（または光電極）と透明伝導性酸化物で被覆したプラスチック基板との間の接着の増大や、より高い並列抵抗（ｓｈｕｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）によるものである。
【０１３８】
二酸化チタン・ナノ粒子層を含むＤＳＳＣに関する、本発明のこの態様の様々な例示的な実施形態の実施例は以下の通りである。
実施例１０：ナノ粒子ＴｉＯ２光電極に対するプライマー層として真空被覆されたＴｉＯ２
この例示的な実施例では、ポリエステル（ここではＰＥＴ）基板上に被覆されたＩＴＯ層の上に厚さ２．５ｎｍ〜１００ｎｍの薄いＴｉＯ２膜を真空下でスパッタ被覆した。ス
パッタ被覆された薄いＴｉＯ２を有するＩＴＯ／ＰＥＴと、無地のＩＴＯ／ＰＥＴ（すなわちスパッタ被覆された薄いＴｉＯ２のない部分）との両方に、ＴｉＯ２（平均粒子寸法２１０ｎｍのＰ２５）の水系スラリーをスピン被覆した。被覆した膜をポリ［Ｔｉ（ＯＢＵ）４］のブタノール溶液に浸漬し、次いで１２０℃で２分間、熱処理した。低温反応で相互接続した膜をＮ３色素の非プロトン性極性溶媒系溶液（８ｍＭ）に２分間浸漬した。光電セルは白金（ＰＴ）の対極と、Ｉ／Ｉ３液体電解質、０．０５ｍｍ（２ミル）のＳＵＲＬＹＮ（登録商標）と、銅伝導性テープとで作製した。Ｉ−Ｖ特性の測定をソーラシミュレータで行った。
【０１３９】
無地ＩＴＯ／ＰＥＴの接着と比較したナノ構造ＴｉＯ２の接着。フィル・ファクタの向上が同様に達成された。薄いＴｉＯ２がスパッタ被覆されたＩＴＯ／ＰＥＴ上に作製した光電セルでは、０．６７程度のＦＦが測定された。無地のＩＴＯ／ＰＥＴ上に作製した光電セルでは、０．６０を超えるＦＦは観察されなかった。薄いＴｉＯ２がスパッタ被覆されたＩＴＯ／ＰＥＴ上に調製した光電極では、より高い光電変換効率（無地のＩＴＯ／ＰＥＴから作製した光電極よりも約１７％高い）が測定された。このスパッタ被覆されたＴｉＯ２を有するＩＴＯ／ＰＥＴ上に作製した光電セルでは、並列抵抗の向上も観察された。
【０１４０】
実施例１１：ＴｉＯ２懸濁液用のプライマー層としてのＴｉＯ２微粒子
この例示的な実施例では、ＰＥＴ基板上のＩＴＯの突起間の谷間に固着するのに充分細かいＴｉＯ２の微粒子を、チタン（ＩＶ）イソプロポキシドの加水分解によって調製した。次いで、この微粒子を８００回転／分（ｒｐｍ）でＩＴＯ層上にスピン被覆した。次いで、平均粒子寸法約２１ｎｍの３７％ＴｉＯ２（Ｐ２５）懸濁液を８００回転／分で微粒子層の上にスピン被覆した。被覆したＴｉＯ２をＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液に１５分間浸漬することによって低温相互接続し、続いてスライドガラス加温器にて５０℃で乾燥した後、１２０℃で２分間、加熱した。相互接続した被膜を８ｍＭの非プロトン性極性溶媒溶液に２分間浸漬することによってＮ３色素で染色し、次いでエタノールで洗い、スライドガラス加温器にて５０℃で２分間、乾燥した。対照の被膜は、微粒子プライマーのコートを行わないことを除き、同じように調製した。セルの性能特性をソーラシミュレータを用いて測定した。試験および対照での結果を下の表４に示す。ＴｉＯ２懸濁液用のプライマー被膜として酸化スズ微粒子では、類似の改良が生じた。
【０１４１】
【表４】
【０１４２】
実施例１２：ＴｉＯ２用プライマー層としてのチタン（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーのブタノール溶液（前駆体溶液）
別の試験では、Ｔｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液をＩＴＯ／ＰＥＴプラスチックの素地の上に８００回転／分でスピン被覆した。平均粒子寸法約２１ｎｍの４３％ＴｉＯ２（Ｐ２５）懸濁液を８００回転／分でスピン被覆した。被覆したＴｉＯ２をブタノール中のＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液にＴｉ（ＩＶ）ブトキシド・ポリマーの０．０１ｍｏｌ／Ｌブタノール溶液に１５分間浸漬することによって低温相互接続し、続いてスライドガラス加温器
にて５０℃で乾燥した後、１２０℃で２分間、加熱した。被膜を８ｍＭの非プロトン性極性溶媒溶液に２分間浸漬することによってＮ３色素で染色し、次いでエタノールで洗い、スライドガラス加温器にて５０℃で２分間、乾燥した。対照の被膜は、微粒子プライムマーのコートを行わないことを除き、同じように調製した。セルのＩ−Ｖ特性をソーラシミュレータで測定した。試験および対照での結果を下の表５に示す。
【０１４３】
【表５】
【０１４４】
Ｅ．光増感剤：共増感剤（ｃｏ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ）
例示的な一実施形態によれば、上述の光増感剤は、第１に増感色素と、第２に電子供与体である「共増感剤」とを含む。光増感相互接続ナノ粒子材料を形成するために、第１の増感色素と共増感剤とが一緒に添加されてもよく、別に添加されてもよい。増感色素は入射可視光を電気に変換して所望の光電効果を生じるのを促進する。例示的な一実施形態において、共増感剤は電子を受容体に供与して安定なカチオン・ラジカルを生成し、増感色素から半導体酸化物ナノ粒子材料への電荷移動の効率を改良し、増感色素または共増感剤への逆電子移動を低減させる。好適には、共増感剤は、（１）窒素原子上の孤立電子対（ｆｒｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｐａｉｒ）と窒素原子が結合している芳香環の混成軌道との共役による、電子移動に続く、それらの混成軌道によるカチオン・ラジカルの共鳴安定化、および（２）カルボキシやホスフェートなど、共増感剤を半導体酸化物に定着させる機能を有する配位基を含む。適切な共増感剤の例は、芳香族アミン（例えばトリフェニルアミンおよびその誘導体など）、カルバゾール、他の縮合環類を含むが、それらに限定されない。
【０１４５】
共増感剤は光増感相互接続ナノ粒子材料の伝導帯に電子的に結合する。適切な配位基は、カルボキシル基、ホスフェート基、もしくは、例えば、オキシムまたはアルファケトエノレートなどのキレート基を含むが、それらに限定されない。
【０１４６】
以下の表６〜１２には、高温焼結または低温相互接続されたチタニアの表面に、共増感剤が増感色素と共に吸収されたとき、光電セルの効率が高まることを示す結果を示す。表６〜１２において、特性測定はＡＭ１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）を用いて行った。１ｍのＬｉＩ、１Ｍのｔ−ブチルピリジン、および０．５ＭのＩ２を含む３−メトキシプロパニトリル（３−ｍｅｔｈｘｙｐｒｏｐａｎｉｔｒｉｌｅ）の液体電解質を使用した。表に示したデータは、低温相互接続（表９，１１，１２）と高温焼結（表６，７，８，１０）のチタニア・ナノ粒子の両方で、１つ以上のセルの動作パラメーターが向上することを示している。記載の太陽電池特性は、η、ＶＯＣ、ＩＳＣ、ＦＦ、Ｖｍ、Ｉｍを含む。共増感剤に対する増感剤の比率は増感化溶液中の光増感剤の濃度に基づく。
【０１４７】
特に、共増感剤の濃度が色素濃度の約５０ｍｏｌ％未満であれば、芳香族アミンが増感チタニア太陽電池の電池性能を高めることが見出された。好適な芳香族アミンの一般的な分子構造の１例を、図１８および図１９に示す。共増感剤の濃度は、好適には約１ｍｏｌ％〜約２０ｍｏｌ％の範囲であり、さらに好適には約１ｍｏｌ％〜約５ｍｏｌ％の範囲である。
【０１４８】
図１８Ａには、共増感剤として働き得る化学構造１８００を描く。分子１８００は配位基またはキレート基Ａによって、ナノ粒子層の表面を吸着する。上述のように、Ａはカルボン酸基またはその誘導体、ホスフェート基、オキシムまたはアルファケトエノレートであってよい。図１８Ｂには構造１８００の特定の実施形態１８１０、すなわちＤＰＡＢＡ（ジフェニルアミノ安息香酸）を描いており、Ａ＝ＣＯＯＮである。図１３ＣにはＤＥＡＰＡ（Ｎ’，Ｎ−ジフェニルアミノフェニルプロピオン酸）と呼ばれる他の特定のアミン１８２０を描いており、Ａはカルボン酸誘導体ＣＯＯＮである。
【０１４９】
図１９Ａには、共増感剤または増感色素として働き得る化学構造１９３０を示す。この分子は５００ｎｍを超える放射を吸収せず、その配位基またはキレート基Ａによってナノ粒子層の表面に吸着される。Ａはカルボン酸基またはその誘導体、ホスフェート基、オキシムまたはアルファケトエノレートであってよい。Ｒ１およびＲ２は各々フェニル、アルキル、置換フェニル、またはベンジル基であってよい。好適には、アルキル基は１〜１０の炭素を含む。図１９Ｂには、構造１９３０の特定の実施形態１９４０、すなわち、ＤＰＡＣＡ（２，６ビス（４−安息香酸（ｂｅｚｏｉｃａｃｉｄ））−４−（４−Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニルピリジンカルボン酸）を描いており、Ｒ１およびＲ２はフェニルでありＡはＣＯＯＨである。
【０１５０】
ＤＰＡＣＡは以下のように合成され得る。１．４９ｇ（９．０８ｍｍｏｌ）の４−アセチル安息香酸、１．６９ｇ（６．１８ｍｍｏｌ）の４−Ｎ，Ｎ−ジフェニルベンズアルデヒド、５．８ｇ（７５．２ｍｍｏｌ）の酢酸アンモニウムを凝縮器と攪拌棒を備える１００ｍｌの丸底フラスコ中の６０ｍｌの酢酸に添加した。溶液を窒素下で５時間攪拌しながら還流加熱した。反応物を室温まで冷却し、１５０ｍｌの水に注ぎ、それを１５０ｍｌのジクロロメタンで抽出した。ジクロロメタンを分離し、回転式エバポレータで留去し、黄色油分を得た。次いで、油分を４％のメタノール／ジクロロメタンを用いてシリカゲル・カラムで溶離して、橙色固体の生成物を得た。この固体をメタノールで洗い、真空乾燥して０．９２０ｇの２，６ビス（４−安息香酸（ｖｅｎｚｏｉｃａｃｉｄ））−４−（−４Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニルピリジン（ＤＰＡＣＡ）を得た。融点は１９９〜２００℃であり、λｍａｘは４２１ｎｍ、モル消光係数（ｍｏｌａｒ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）Ｅは３９，２００Ｌｍｏｌ−１ｃｍ−１であった。構造はＮＭＲ分光器によって確認した。
【０１５１】
表６には、１ｎＭのＮ３色素と３つの濃度のＤＰＡＢＡとの溶液に終夜浸漬することによって光増感した、高温焼結チタニアの結果を示す。表６には、好適な２０／１（色素／共増感剤）の比率において、平均ηが最大であることも示す。
【０１５２】
【表６】
【０１５３】
表７には、セルへの照射中、カットオフ・フィルターを用いてＩ−Ｖ特性を試験した結果を示す（第３および第４のエントリ）。表７には、ＤＰＡＢＡの存在時、セルの効率がさらに向上することも示されており、このことは、フィルターの非存在時の効果が、単にＤＰＡＢＡによるＵＶ光の吸収と、それに続く電荷の注入によるものではないことを示している。図２０には、本発明の例示的な実施形態による光電セルの特性測定に用いたカットオフ・フィルターの吸収対波長のプロット２０００を示す。図２１には、４００ｎｍ未満を吸収するＤＰＡＢＡの吸収対波長のプロット２１００を示す。カットオフ・フィルターの吸収が大きいので、ＤＰＡＢＡの吸収帯域には光はほとんど到達しない。
【０１５４】
【表７】
【０１５５】
表８には、トリフェニルアミン自体（すなわち、カルボキシ基など、チタニアを錯化する基がない）の添加は、記載条件下で有意に効率を向上させないことを示す。
【０１５６】
【表８】
【０１５７】
表９には、低温相互接続チタニアを用いた効果と、２０／１（色素／共増感剤）の比率が好適であることを示す。
【０１５８】
【表９】
【０１５９】
表１０には、共増感剤に対する色素の比率を２０／１に維持したまま、高濃度のＮ３色素を用いて増感させた高温焼結チタニアの結果を示す。エントリ１とエントリ２には、共増感剤による電池性能の増大を示す。エントリ３には、ＤＰＡＢＡ単独での増感剤としての効果を示しており、低強度のＵＶ照射を含む全太陽スペクトルの照射時に、この材料自体が増感剤として働くことを示している。
【０１６０】
【表１０】
【０１６１】
表１１には、低温相互接続チタニアの結果を示す。エントリ５には、ＤＰＡＣＡ単独での増感剤としての効果を示しており、低強度のＵＶ照射を含む全太陽スペクトルの照射時に、この材料自体が増感剤として働くことを示している。
【０１６２】
【表１１】
【０１６３】
表１２には、低温相互接続チタニアの結果を示す。エントリ６には、ＤＥＡＰＡ単独での増感剤としての効果を示しており、低強度のＵＶ照射を含む全太陽スペクトルの照射時に、この材料自体が増感剤として働くことを示している。
【０１６４】
【表１２】
【０１６５】
Ｅ．電荷キャリア媒体：ゲル電解質
さらなる実施形態によれば、本発明は、リチウムイオンなどの金属イオンを用いてゲル化される、多重に錯化可能な分子（すなわち、錯化可能な２つ以上の配位子を含む分子）とレドックス電解質溶液とを含む電解質組成物からなる光電セルを提供する。多重に錯化可能な化合物は、典型的には複数の部位で金属イオンと錯化することが可能な有機化合物である。電解質組成物は可逆的なレドックス化学種とすることが可能である。この可逆的なレドックス化学種は、それ自体液体であってもよく、または、固体成分であって、還元−酸化反応サイクルに関与せずにレドックス化学種の溶媒として働く非レドックス活性の溶媒に溶解されてもよい。例には、レドックス活性イオンを含まない通常の有機溶媒および溶融塩が含まれる。レドックス化学種の例は、特に、例えば、ヨウ化物／三ヨウ化物、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含む。レドックス成分は
、全ての溶融塩を含む、非水性溶媒に溶解される。ヨウ化物系の溶融塩、例えばメチルプロピルイミダゾリウムヨウ化物、エチルブチルイミダゾリウムヨウ化物、メチルヘキシルイミダゾリウムヨウ化物などは、それ自体レドックス活性であり、レドックス活性液体として使用可能でもあり、あるいは、酸化−還元反応サイクルを行わない通常の有機溶媒または溶融塩などの非レドックス活性材料で希釈され、使用することが可能である。多座無機配位子もゲル化化合物の原料としてもよい。
【０１６６】
図２２には、金属イオンを用いてゲル化させた電解質の例示的な実施形態を描く。ポリ（４−ビニルピリジン）と錯化したリチウムイオンを示す。リチウムイオンおよび有機化合物、この場合複数の部位でリチウムイオンと錯化可能なポリ（４−ビニルピリジン）分子は、適切な電解質溶液のゲル化に使用することが可能である。本発明によって調製された電解質組成物は、少量の水と、溶融ヨウ化物塩と、有機ポリマーと、リチウムなどの金属イオンの添加によってゲル化する他の適切な化合物とを含んでよい。ゲル化した電解質は、１つ以上のメッシュ電極を用いた光電セルと、個々の可撓性光電セルと、典型的な太陽電池と、光電繊維と、相互接続された光電モジュールと、他の適切な装置とに組み込まれてよい。図２２に示した点線は、適切な金属イオンの導入後の、構成要素の電解質溶液と有機化合物とのゲル化時に、光電セルのゲル電解質中に生じる結合の種類を表す。
【０１６７】
複数の部位で金属イオンと錯化可能であるとともに、本発明での使用に適する有機化合物の非網羅的な一覧は、様々なポリマーと、星形／デンドリマー状分子と、例えば、ウレタン、エステル、エチレン／プロピレンオキシド／イミン部位、ピリジン、ピリミジン、Ｎ−オキシド、イミダゾール、オキサゾール、トリアゾール、ビピリジン、キノリン、ポリアミン、ポリアミド、尿素、β−ジケトン、β−ヒドロキシケトンなどの複数の官能基を含む他の分子とである。
【０１６８】
より一般的には、様々な実施形態に使用される多重に錯化可能な分子は、錯体形成可能な２つ以上の配位子または配位基を有する、ポリマー分子または小さな有機分子であってよい。配位基は、例えば、特に酸素、窒素、硫黄、またはリンなど、高電子密度の１つ以上の供与性原子を含むとともに、適切な金属イオンと単座または多座の錯体を形成する官能基である。配位基は非ポリマー材料またはポリマー材料中の側鎖または主鎖の一部、もしくはデンドリマーまたは星形分子の一部として存在してよい。単座配位子の例は、例えば、特に、エチレンオキシ、アルキル−オキシ基、ピリジン、およびアルキル−イミン化合物を含む。二座および多座配位子の例は、ビピリジン、ポリピリジン、ウレタン基、カルボキシル基、およびアミドを含む。
【０１６９】
本発明の様々な実施形態によれば、リチウムイオンを含むゲル電解質２２００を有する色素増感光電セルは、室温以下の温度、または約３００℃未満の高温で作製される。温度は約１００℃未満であってよく、好適には、電解質溶液のゲル化は室温かつ標準的な圧力で行われる。様々な例示的な実施形態において、スクリーン印刷およびグラビア印刷技術などの印刷技術を用いるゲル電解質の堆積を容易にするために、電解質溶液の粘度を調整してよい。様々な配位子とリチウムイオンの錯化をより高い温度で破壊することによって、ＤＳＳＣ系の光電モジュール製造中ののゲル電解質組成物の加工を容易にすることが可能となり得る。熱的に可逆または不可逆のゲルを形成するために、他の金属イオンを使用してもよい。適切な金属イオンは、Ｌｉ＋、Ｃｕ２＋、Ｂａ２＋、Ｚｎ２＋、Ｎｉ２＋、ＬＮ３＋（または他のランタニド）、Ｃｏ２＋、Ｃａ２＋、Ａｌ３＋、Ｍｇ２＋、および配位子と錯化する任意の金属イオンを含む。
【０１７０】
図２３は、有機ポリマー、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）のリチウムイオンによる錯化によって形成されたゲル電解質２３００を描いている。ＰＥＯポリマー部はリチウムイオンの周りに錯化され、互いに架橋した形で示されている。他の実施形態において、様々
なポリマー鎖と錯化した金属イオンは、可逆性レドックス電解質物質に組み込まれてゲル化を促進することが可能である。組合せから得られるゲル電解質組成物は、光電繊維、光電セル、および電気的に相互接続された光電モジュールなどの様々な光電セルの実施形態に使用するのに適している。
【０１７１】
図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｄ、４〜６に戻って参照すれば、電荷キャリア媒体は複数の部位で金属イオンと錯化可能な有機化合物を有する電解質組成物と、リチウムなどの金属イオンと、電解質溶液とを含むことが可能である。これらの材料を組み合わせて、電荷キャリア媒体に使用するのに適したゲル化電解質組成物を製造することが可能である。一実施形態において、電荷キャリア媒体はレドックス系を含む。適切なレドックス系は、有機、無機レドックス系、またはその両方を含んでよい。それらの系の例は、硫酸セリウム（ＩＩＩ ）／セリウム（ＩＶ）、臭化ナトリウム／臭素、ヨウ化リチウム／ヨウ素、Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、およびビオロゲンを含むが、それらに限定されない。
【０１７２】
電解質組成物を有するＤＳＳＣに関する本発明のさらなる例示的実施例を以下に提供する。以下の例示的実施例に使用される光電極は、以下の手順に従って調製した。チタニア懸濁水溶液（固形分３０〜３７％の懸濁液調製技術を用いて調製したＰ２５）を、ＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラス（１５Ω／ｃｍ２）上にスピン・キャストした。酸化チタニウム被膜の典型的な厚さは約８μｍであった。被覆したスライドを室温で風乾し、４５０℃で３０分間焼結した。スライドガラスを約８０℃まで冷却した後、スライドガラスを３×１０−４ＭのＮ３色素のエタノール溶液に約１時間浸漬した。スライドガラスを取り出し、エタノールで洗い、４０℃のスライドガラス加温器で約１０分間乾燥した。スライドガラスを約０．７ｃｍ×０．７ｃｍ平方の活性面積のセルに切断した。調製したゲルをガラス棒を用いて光電極上に適用し、白金被覆されたＳｎＯ２：Ｆ被覆の伝導性スライドガラスの間に挟んだ。セルの性能をＡＭ１．５ソーラシミュレータ条件（すなわち、１０００Ｗ／ｍ２の強度の光の照射）で測定した。
【０１７３】
実施例１３：標準的なイオン性液体系電解質組成物におけるヨウ化リチウムの効果
この例示的な実施例では、使用した標準的なイオン性液体系レドックス電解質組成物は、９９％（重量で）のヨウ化イミダゾリウム系イオン性液体と、１％の水（重量で）とを含む混合物に、０．２５Ｍのヨウ素と０．３Ｍのメチルベンズイミダゾールとを組み合わせたものであった。様々な実験的試みにおいて、０．１０Ｍ以上のヨウ素濃度を有する電解質溶液が最良の太陽変換効率を示した。標準的な組成物において、イオン性液体としてヨウ化ブチルメチルイミダゾリウム（ＭｅＢｕＩｍＩ）を用いた。ヨウ素濃度の増加と共に光電圧は低下したが、少なくともヨウ素濃度０．２５Ｍまでは、光伝導性および変換効率は増加した。標準的な組成物に対してヨウ化リチウムを添加すると、光電特性ＶＯＣ、ＩＳＣと、ηとが増大した。したがって、ゲル化剤としてのリチウムの使用に加え、光電効率全体を改良するように働く場合がある。表１３に、光電特性に対するＬｉＩの効果をまとめる。
【０１７４】
【表１３】
【０１７５】
ここで参照するフィル・ファクタ（「ＦＦ」）は、開放電圧と短絡電流との積に対する太陽変換効率の比から計算可能である。すなわち、ＦＦ＝η／［ＶＯＣ×ＩＳＣ］である。
【０１７６】
実施例１４：光電特性向上におけるカチオンの効果
光電特性の向上がリチウムまたはヨウ化物の存在によるものか否かを確認するために、リチウム、カリウム、セシウムを含むカチオンと組み合わせたヨウ化物と、テトラプロピルアンモニウムヨウ化物とを用いて対照実験を行った。ヨウ化物濃度は標準電解質組成物の３７６μｍｏｌ／グラムに固定した。使用した標準的な組成物は、９９％のＭｅＢｕＩＭＩと、１％の水とを含む混合物に、０．２５Ｍのヨウ素と０．３Ｍのメチルベンズイミダゾールとを組み合わせたものであった。標準電解質組成物のグラム当たり３７６μｍｏｌの様々なヨウ化物塩を電解質に溶解した。ＬｉＩの完全な溶解を観察した。他の塩は溶解に長い時間を要し、実験中に完全には溶解しなかった。様々なカチオンを含む調製した電解質を用いて、ＤＳＳＣ系の光電セルを作製した。表１４には、光電特性に対する様々なカチオンの効果を示す。表１４の第２列から明らかなように、Ｌｉ＋イオンは標準の処方に比べて向上した光電特性を示し、他のカチオンは光電特性の向上に寄与しない。
【０１７７】
【表１４】
【０１７８】
実施例１５：イオン性液体の種類の効果
本発明の一態様において、ＭｅＢｕＩｍＩ系の電解質組成物は、ＭｅＰｒＩｍＩ系の電解質よりもわずかに良好に機能することが見出された。さらに、表１５に示すように、実験結果はＭｅＢｕＩｍＩとＭｅＰｒＩｍＩの１／１混合物は、ＭｅＢｕＩｍｉよりも良好な性能を示している。
【０１７９】
【表１５】
【０１８０】
実施例１６：二臭素化合物の代わりに組成物Ａ中にＬｉ誘発ゲル化を用いること
この例示的な実施例では、組成物Ａは、９９．５重量％のヨウ化１−メチル−３−プロピルイミダゾリウムと０．５重量％の水からなる混合溶媒中に０．０９Ｍのヨウ素を溶解
することによって調製した。次いで、窒素含有化合物のポリ（４−ビニルピリジン）（「Ｐ４ＶＰ」）０．２ｇを、１０ｇの組成物Ａに溶解した。さらに、ゲル電解質の前駆体である電解質組成物を得るため、得られた組成物Ａ溶液に、有機臭化物の１，６−ジブロモヘキサン０．２ｇを溶解した。
【０１８１】
（ｉ）２重量％のＰ４ＶＰと、（ｉｉ）９９．５％のＭｅＰｒＩｍＩおよび０．５％の水を含む混合物とを含む電解質組成物に、ゲル化剤として５重量％のヨウ化リチウム（標準電解質組成物のグラム当たり３７６μｍｏｌのリチウム塩）を用いたとき、急速にゲル化が起きた。ゲルはＬｉ誘発ゲルを含むバイアルを上下逆に傾けたとき流動しなかった。二臭素化合物を用いる１手段では、架橋領域が液体中に懸濁して相分離された電解質を生成し、これは（１００℃３０分間のゲル化後にも）流動した。ＬｉＩの有無による組成物Ａの光電特性の比較を、以下の表１６および表１７に示す。この結果では、リチウムイオンを用いるとＤＳＳＣ系の光電セル製造に適した機能性ゲルが得られ、光電特性も改良されることを示している。
【０１８２】
【表１６】
【０１８３】
【表１７】
【０１８４】
実施例１７：ＤＳＳＣの効率および光電圧に対するリチウム塩のアニオンの効果
ＤＳＳＣの全効率の向上に対するリチウムの役割を明らかにするために、リチウムの対イオンの効果を調べる実験を行った。セルの光電特性を調査するために、ＭｅＰｒＩｍＩ、１％の水、０．２５Ｍのヨウ素、０．３Ｍメチルベンズイミダゾールを含む電解質組成物のグラム当たり、３７６μｍｏｌのＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌを用いた。これらの電解質を含むセルの光電特性を表１８に示す。
【０１８５】
【表１８】
【０１８６】
実施例１８：不活性化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）およびＤＳＳＣの効率と光電圧との改良
光電セルの分野において、不活性化の用語は、太陽電池の電解質内の化学種への電子移動を低減させる方法を指す。不活性化は、典型的には、ｔ−ブチルピリジンメトキシプロピオニトリルまたは他の適切な化合物の溶液中にナノ粒子層を浸漬することによって処理することを含む。スポンジなどの光電セルのナノ・マトリックス層を色素で処理した後、ナノ・マトリックス層には色素を吸着していない領域が存在する場合がある。不活性化法は、典型的にはＤＳＳＣ上で行われて、非染色領域に存在する薬品を減少させる結果として、可逆的な電子移動反応が停止することを防止する。典型的な不活性化法は、様々なリチウム塩、他のアルカリ金属塩、またはその両方を含むイオン性液体組成物がＤＳＳＣに使用される時、必要である。不活性化法なしに、リチウムの塩化物塩を用いて０．６５Ｖを超える光電圧が達成された。
【０１８７】
この例示的な実施例では、１０重量％のｔ−ブチルピリジンを含むメトキシプロピオニトリル溶液に浸漬することによって、ＤＳＳＣを不活性化した。不活性化の後、４０℃に保ったスライドガラス加温器上でＤＳＳＣを約１０分間乾燥した。この調査では、使用した標準電解質組成物のグラム当たり３７６μｍｏｌのＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌを用いて、ＭｅＰｒＩｍＩ、１％の水、０．３Ｍのメチルベンズイミダゾール、および０．２５Ｍのヨウ素を含む電解質組成物をゲル化した。ｔ−ブチルピリジン系の不活性化試薬を電解質に添加すると、ＤＳＳＣの光電圧は高くなったが、光伝導性の低下によってＤＳＳＣの効率は低下した。様々なハロゲン化リチウムを含む電解質の光電特性に対する不活性化の効果を表１９にまとめる。
【０１８８】
【表１９】
【０１８９】
実施例１９：ポリビニルピリジンを含む電解質組成物のゲル化におけるリチウムの役割とゲル化に対する他のアルカリ金属イオンの効果
リチウム・カチオンは、錯化可能なポリマー、例えばＰ４ＶＰを２重量％程度含むイオン性液体組成物のゲル化に独特の効果を示すと思われる。ナトリウム、カリウムおよびセシウムなど、他のアルカリ金属イオンを使用してゲル化実験を行った。ヨウ化リチウム、塩化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウムなどアルカリ金属塩を、ヨウ化プロピルメチルイミダゾリウム（ｐｒｏｐｌｙｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｉｏｄｉ
ｄｅ）（ＭｅＰｒＩｍＩ）、１％の水、０．２５Ｍのヨウ素、および０．３Ｍのチルベンズイミダゾール（ｔｈｙｌｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）を含む電解質組成物の部分に加えた。ヨウ化リチウムを含む組成物のみが、用いた実験条件下でゲル化した。ナトリウム、カリウム、セシウムを含む残り３つの組成物は、用いた実験条件下でゲル化しなかった。カルシウム、マグネシウム、亜鉛など２価の金属イオン、もしくはアルミニウムまたは他の遷移金属イオンなど３価の金属は、他の可ゲル化塩であり得る。
【０１９０】
実施例２０：イオン性液体電解質ゲルに対するヨウ素とリチウム濃度との効果
この例示的な実施例では、ＭｅＢｕＩｍＩ、ヨウ素、２重量％のＰ４ＶＰを含む電解質組成物にリチウム塩を添加することによってゲルを調製した。高温焼結しＮ３色素増感した酸化チタン光電極と白金化ＳｎＯ２：Ｆ被覆スライドガラスとを用いて、ゲルの光電特性を試験した。ＬｉＩとＬｉＣｌの両方とも、Ｐ４ＶＰなどの錯化可能なポリマーを少量（２％で充分であった）含むイオン性液体系組成物をゲル化した。メチルベンズイミダゾールを欠く組成物では、リチウムは光電圧に影響を与えなかった。５重量％は、イオン性液体のグラム当たり約３７６μｍｏｌのリチウム塩を含む組成物と、９９重量％のヨウ化ブチルメチルイミダゾリウム、１重量％の水、０．３Ｍのメチルベンズイミダゾール、および０．２５Ｍのヨウ素の混合物とに相当する。したがって、１重量％はイオン性液体組成物のグラム当たり３７６／５μｍｏｌのリチウム塩に相当する。光電特性を表２０にまとめる。
【０１９１】
【表２０】
【０１９２】
実施例２１：レドックス電解質ゲルのゲル化性および光電特性に対するポリマー濃度の効果
この例示的な実施例では、ポリマー濃度を変化させ、ゲル粘度および光電特性に対する効果を調査した。この調査に使用した電解質組成物は、９９％のＭｅＢｕＩｍＩ、１％の水、０．２５Ｍのヨウ素、０．６ＭのＬｉＩ、および０．３Ｍのメチルベンズイミダゾールを含む混合物であった。ポリマーＰ４ＶＰの濃度は１％から５％に変化させた。１％のＰ４ＶＰでの電解質組成物は、ゲルを含むバイアルを下に傾けたとき、ゆっくりと流動した。２％、３％、および５％でのゲルは流動しなかった。５％のＰ４ＶＰでのゲルは、２％のＰ４ＶＰの調製と比較して充分に堅牢であった。表２１に、調査した様々なＰ４ＶＰ含有量のゲルの光電特性をまとめる。
【０１９３】
この結果は、Ｐ４ＶＰ含有量の増加によって得た粘度の増加によって、光電特性が変化しないことを示す。したがって、光電特性の低下を生じることなく、ゲルの粘度を調整可
能である。高いηを達成するにはメチルベンズイミダゾールが必要な場合がある。ヨウ素濃度を０．２５Ｍまで増加させた場合にも、効率は増加した。０．２５Ｍを超えると光電圧は劇的に低下し、全効率を低下させた。セシウム、ナトリウム、カリウム、またはテトラアルキルアンモニウムイオンなど他の金属イオンまたはカチオンは、効率の向上に寄与せず、電解質溶液のゲル化を生じないことが見出された。さらに、塩化物アニオンは、メチルベンズイミダゾールを含む組成物の光伝導性を低下させることなく光電圧を改良することによって、リチウムと共に効率を向上させることが見出された。
【０１９４】
【表２１】
【０１９５】
請求項は、特にその効果を特記しない限り、記述された順序または要素を制限するものと理解されるものではない。特定の例示的な実施形態を参照して本発明を具体的に図示し説明したが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および詳細における様々な変更を加えることが可能であることが理解される。例として、開示した任意の特徴を開示した他の任意の特徴と組み合わせて、本発明による光電セルまたはモジュールを形成してもよい。したがって、以下の特許請求の範囲および精神の範囲の内にある全ての実施形態およびその均等物が本発明として請求される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
メッシュ電極と、
第１電極とメッシュ電極との間に配設された光増感ナノ・マトリックス層と、
第１電極とメッシュ電極との間に配設された電荷キャリア媒体とから成る光電セル。
【請求項１】
第１電極と、
メッシュ電極と、
第１電極とメッシュ電極との間に配設された光増感ナノ・マトリックス層と、
第１電極とメッシュ電極との間に配設された電荷キャリア媒体とから成る光電セル。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−９３３２８（Ｐ２０１３−９３３２８Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６６６７０（Ｐ２０１２−２６６６７０）
【出願日】平成２４年１２月５日（２０１２．１２．５）
【分割の表示】特願２００６−５０７５０９（Ｐ２００６−５０７５０９）の分割
【原出願日】平成１６年３月２４日（２００４．３．２４）
【出願人】（３０８０１４８４６）メルク パテント ゲーエムベーハー (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月５日（２０１２．１２．５）
【分割の表示】特願２００６−５０７５０９（Ｐ２００６−５０７５０９）の分割
【原出願日】平成１６年３月２４日（２００４．３．２４）
【出願人】（３０８０１４８４６）メルク パテント ゲーエムベーハー (12)
【Ｆターム（参考）】
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