光触媒型太陽光電池
【課題】
耐久性に優れ、製造単価の低い製造プロセスにて製造が行え、単純な構造な太陽光電池。
【解決手段】
バンドギャップの異なる電子伝導性を有する半導体を、イオン伝導体を介して対向させ、光によって励起される電子のエネルギー順位が異なることにより発電を行う太陽光電池
耐久性に優れ、製造単価の低い製造プロセスにて製造が行え、単純な構造な太陽光電池。
【解決手段】
バンドギャップの異なる電子伝導性を有する半導体を、イオン伝導体を介して対向させ、光によって励起される電子のエネルギー順位が異なることにより発電を行う太陽光電池
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンドギャップの異なる電子伝導性半導体を利用した太陽光電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽電池は、シリコン半導体にリンあるいはホウ素など５価と３価の元素をドープさせ性質の異なる２種類（Ｐ型、Ｎ型）の半導体を重ね合わせてもので、太陽光が当ると電子（−）と正孔（＋）が発生し、正孔はＰ型半導体へ、電子はＮ型半導体へ引き寄せられ、この二つの半導体・電極に電球やモーターの様な負荷をつなぐと、電流が流れる仕組みとなっていた。
この種の太陽電池は、太陽光の殆どの波長で利用できるという特徴があるが、反面、起電力は単位セル当り０.３Ｖと低いものであった。また、材料そのものの作成には多大な電気エネルギーを要し、その結果、発電コストが高いものとなっていた。
【０００３】
低コストの太陽電池として、開発されたものとして、湿式太陽電池（グレッツエル電池）と呼ばれるものが提案されている。これは色素増感型太陽電池であり、シリコン半導体を利用せず、ヨウ素溶液を介した電気化学的なセル構造をもつものである。具体的には、透明な導電性ガラス板に二酸化チタン粉末を焼き付け、色素を吸着させた電極と、同じく導電性ガラス板の対極から構成され、電解質溶液の酸化還元反応の結果、電流を流す構造となっている。
この構造の場合、材料が安価であることと、作製に大掛かりな設備を必要としないことから低コストの太陽電池として期待されている。反面、使用する色素の耐久性と水溶液の電解液を用いる為、密封が難しく、その結果耐久性に問題があり実用面に課題が残っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した目的を達成する為、鋭意検討の結果、バンドギャップの異なる電子伝導性半導体と、当該半導体を両側においたイオン伝導体を有する事で、光により励起される電子のエネルギー順位が異なる結果、発電を起こす事が可能であり、かつ製造単価の低い製造プロセスと単純なる構造とすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【０００５】
本発明による太陽光電池によれば、耐久性に優れ、製造単価の低い製造プロセスにて製造が行え、単純な構造な太陽光電池が得られ、太陽光電池の普及へとつながる事が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明の太陽光電池の一例を示す概略断面図である。図１に示す太陽光電池は、半導体基板と対向基板との間にイオン伝導体を挟持してなる。
半導体基板は、基体上に導電層を形成している。電子伝導性を有する材料としては、二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タングステンなど多くのＮ型半導体が使用可能であり、異なるバンドギャップとなる材料を選択することで一対の基板を形成することが出来る。
イオン伝導体としては、マンガンゲル型電解質、スズゲル型電解質、陽イオン交換膜が使用可能である。
バンドギャップが異なる電子伝導性半導体により、光により励起される電子のエネルギー順位が異なる結果、イオン伝導体を介して、回路が閉回路となり、電流が流れる事となる。
【０００７】
電子伝導性を有する材料、例えば、二酸化チタンをフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス基板に付着させるには、熱化学的重合反応、具体的にはアドバンスドゾルゲル法（本発明者による発明された手法：特許番号３７４３４７２号）・従来のゾルゲル法や、蒸着法（スパッタ法）を使用すればよい。
アドバンスドゾルゲル法は、酸化物前駆体溶液（クラスター錯体）を作製する方法で、本溶液は従来のゾルゲル法のコロイド溶液と異なり、母体金属酸化物のドープ体が得られる。得られたドープ体は、任意の割合でスズやマンガン等の前駆体と混合された混合物ではない。
ドープ化学種によって二酸化チタンのバンド構造を変化させると、光照射時、フェルミ準位に差が生じる。このようなフェルミ準位の異なる半導体を一対として、その間にイオン伝導体を置くと光電池としての性質が発現する。
【実施例】
【０００８】
フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス基板に、アドバンスドゾルゲル法により、酸化マンガンおよび酸化スズを酸化チタンにそれぞれドープさせた。得られたドープ体は、チタンに対して、上記金属が置換されている。さらに上記一対の基板の間に、スズゲル型電解質を挟持させた試料を作成した。
上記試料を用いてセル面積４×４cmの大きさの試験体を作成し、光源としては擬似太陽光として、照度１５０００ルクス、紫外線、２.０mW／cm2を利用して電圧・電流測定を行った。その結果図３および図４に示す。
【０００９】
各々、光源がオフの時は、電圧／電流とも値を示さないが、オンの時は、電圧０.７５Ｖ或いは定常電流５００μＡが測定された。
この反応モデルを図２に示す。図２の様に、光（ｈV）のエネルギーを受け、酸化・還元反応が起こり、閉回路を形成し、電流が流れていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明の太陽光電池は、従来型の太陽光電池と比較して、材料作製の多大な電気エネルギーを必要とすることなく、また耐久性に優れており、太陽光電池の普及へとつながる事が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の太陽光電池の概念構造図
【図２】本発明の太陽光電池の反応モデル図
【図３】実施例での発生電圧
【図４】実施例での発生電流
【符号の説明】
【００１２】
１ ＦＴＯガラス
２ Ｔｉ−Ｍｎ Ｏｘｉｄｅ
３ Ｔｉ−Ｓｎ Ｏｘｉｄｅ
４ マンガンゲル型電解質
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンドギャップの異なる電子伝導性半導体を利用した太陽光電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽電池は、シリコン半導体にリンあるいはホウ素など５価と３価の元素をドープさせ性質の異なる２種類（Ｐ型、Ｎ型）の半導体を重ね合わせてもので、太陽光が当ると電子（−）と正孔（＋）が発生し、正孔はＰ型半導体へ、電子はＮ型半導体へ引き寄せられ、この二つの半導体・電極に電球やモーターの様な負荷をつなぐと、電流が流れる仕組みとなっていた。
この種の太陽電池は、太陽光の殆どの波長で利用できるという特徴があるが、反面、起電力は単位セル当り０.３Ｖと低いものであった。また、材料そのものの作成には多大な電気エネルギーを要し、その結果、発電コストが高いものとなっていた。
【０００３】
低コストの太陽電池として、開発されたものとして、湿式太陽電池（グレッツエル電池）と呼ばれるものが提案されている。これは色素増感型太陽電池であり、シリコン半導体を利用せず、ヨウ素溶液を介した電気化学的なセル構造をもつものである。具体的には、透明な導電性ガラス板に二酸化チタン粉末を焼き付け、色素を吸着させた電極と、同じく導電性ガラス板の対極から構成され、電解質溶液の酸化還元反応の結果、電流を流す構造となっている。
この構造の場合、材料が安価であることと、作製に大掛かりな設備を必要としないことから低コストの太陽電池として期待されている。反面、使用する色素の耐久性と水溶液の電解液を用いる為、密封が難しく、その結果耐久性に問題があり実用面に課題が残っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した目的を達成する為、鋭意検討の結果、バンドギャップの異なる電子伝導性半導体と、当該半導体を両側においたイオン伝導体を有する事で、光により励起される電子のエネルギー順位が異なる結果、発電を起こす事が可能であり、かつ製造単価の低い製造プロセスと単純なる構造とすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【０００５】
本発明による太陽光電池によれば、耐久性に優れ、製造単価の低い製造プロセスにて製造が行え、単純な構造な太陽光電池が得られ、太陽光電池の普及へとつながる事が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明の太陽光電池の一例を示す概略断面図である。図１に示す太陽光電池は、半導体基板と対向基板との間にイオン伝導体を挟持してなる。
半導体基板は、基体上に導電層を形成している。電子伝導性を有する材料としては、二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タングステンなど多くのＮ型半導体が使用可能であり、異なるバンドギャップとなる材料を選択することで一対の基板を形成することが出来る。
イオン伝導体としては、マンガンゲル型電解質、スズゲル型電解質、陽イオン交換膜が使用可能である。
バンドギャップが異なる電子伝導性半導体により、光により励起される電子のエネルギー順位が異なる結果、イオン伝導体を介して、回路が閉回路となり、電流が流れる事となる。
【０００７】
電子伝導性を有する材料、例えば、二酸化チタンをフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス基板に付着させるには、熱化学的重合反応、具体的にはアドバンスドゾルゲル法（本発明者による発明された手法：特許番号３７４３４７２号）・従来のゾルゲル法や、蒸着法（スパッタ法）を使用すればよい。
アドバンスドゾルゲル法は、酸化物前駆体溶液（クラスター錯体）を作製する方法で、本溶液は従来のゾルゲル法のコロイド溶液と異なり、母体金属酸化物のドープ体が得られる。得られたドープ体は、任意の割合でスズやマンガン等の前駆体と混合された混合物ではない。
ドープ化学種によって二酸化チタンのバンド構造を変化させると、光照射時、フェルミ準位に差が生じる。このようなフェルミ準位の異なる半導体を一対として、その間にイオン伝導体を置くと光電池としての性質が発現する。
【実施例】
【０００８】
フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス基板に、アドバンスドゾルゲル法により、酸化マンガンおよび酸化スズを酸化チタンにそれぞれドープさせた。得られたドープ体は、チタンに対して、上記金属が置換されている。さらに上記一対の基板の間に、スズゲル型電解質を挟持させた試料を作成した。
上記試料を用いてセル面積４×４cmの大きさの試験体を作成し、光源としては擬似太陽光として、照度１５０００ルクス、紫外線、２.０mW／cm2を利用して電圧・電流測定を行った。その結果図３および図４に示す。
【０００９】
各々、光源がオフの時は、電圧／電流とも値を示さないが、オンの時は、電圧０.７５Ｖ或いは定常電流５００μＡが測定された。
この反応モデルを図２に示す。図２の様に、光（ｈV）のエネルギーを受け、酸化・還元反応が起こり、閉回路を形成し、電流が流れていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明の太陽光電池は、従来型の太陽光電池と比較して、材料作製の多大な電気エネルギーを必要とすることなく、また耐久性に優れており、太陽光電池の普及へとつながる事が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の太陽光電池の概念構造図
【図２】本発明の太陽光電池の反応モデル図
【図３】実施例での発生電圧
【図４】実施例での発生電流
【符号の説明】
【００１２】
１ ＦＴＯガラス
２ Ｔｉ−Ｍｎ Ｏｘｉｄｅ
３ Ｔｉ−Ｓｎ Ｏｘｉｄｅ
４ マンガンゲル型電解質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のバンドギャップの異なる電子伝導性半導体と、当該半導体間に位置するイオン伝導体を有する太陽光電池
【請求項２】
光により当該電子伝導性半導体に励起される電子のエネルギー順位が異なることで、発電を起こす事を特徴とした請求項１に記載の太陽光電池
【請求項３】
電子伝導性半導体がＮ型半導体である事を特徴とした請求項２に記載の太陽電池
【請求項４】
Ｎ型半導体が二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タングステンのいずれかからなる請求項３に記載の太陽電池
【請求項５】
イオン伝導体がマンガンゲル型電解質、スズゲル型電解質または陽イオン交換膜のいずれかであることを特徴とした請求項１に記載の太陽光電池
【請求項１】
一対のバンドギャップの異なる電子伝導性半導体と、当該半導体間に位置するイオン伝導体を有する太陽光電池
【請求項２】
光により当該電子伝導性半導体に励起される電子のエネルギー順位が異なることで、発電を起こす事を特徴とした請求項１に記載の太陽光電池
【請求項３】
電子伝導性半導体がＮ型半導体である事を特徴とした請求項２に記載の太陽電池
【請求項４】
Ｎ型半導体が二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タングステンのいずれかからなる請求項３に記載の太陽電池
【請求項５】
イオン伝導体がマンガンゲル型電解質、スズゲル型電解質または陽イオン交換膜のいずれかであることを特徴とした請求項１に記載の太陽光電池
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２３４４５１（Ｐ２００７−２３４４５１Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５５９６３（Ｐ２００６−５５９６３）
【出願日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【出願人】（３０５０６０５６７）国立大学法人富山大学 (194)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【出願人】（３０５０６０５６７）国立大学法人富山大学 (194)
【Ｆターム（参考）】
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