太陽電池モジュール
【課題】発電効率とデザイン性の双方を両立させやすい色素増感型太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽電池モジュール１３０は、複数のセル１００を含む。セル１００は、採光面側の作用極から電子を発生させ、非採光面側の対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池である。第１のセルの作用極と、隣の第２のセルの対極を接続することにより、複数のセルは直列接続される。ここで、太陽電池モジュール１３０に含まれる各セルは所定の第１軸に対して回転対称に配置される。第２のセルの作用極の欠切部には第１のセルの作用極の突出部が収容され、第１のセルの対極の欠切部には第２のセルの対極の突出部が収容される。連結導体は、第１のセルの作用極の突出部と第２のセルの対極の突出部を接続する。
【解決手段】太陽電池モジュール１３０は、複数のセル１００を含む。セル１００は、採光面側の作用極から電子を発生させ、非採光面側の対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池である。第１のセルの作用極と、隣の第２のセルの対極を接続することにより、複数のセルは直列接続される。ここで、太陽電池モジュール１３０に含まれる各セルは所定の第１軸に対して回転対称に配置される。第２のセルの作用極の欠切部には第１のセルの作用極の突出部が収容され、第１のセルの対極の欠切部には第２のセルの対極の突出部が収容される。連結導体は、第１のセルの作用極の突出部と第２のセルの対極の突出部を接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色素増感型太陽電池に関し、特に、太陽電池セルの構造および接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池に対する期待が高まっているが、その中でも色素増感型太陽電池（DSC:Dye Sensitized Solar Cell）が注目されている。色素増感型太陽電池は、印刷技術の延長で製造できる、成形しやすい、多様な色彩を実現できるためデザイン性に優れる、といったさまざまな利点を有する。色素増感型太陽電池のセル(以下、単に「セル」とよぶ）に光を当てると、セル内の色素が励起され、色素は電子を放出する。放出された電子は作用極とよばれる陰極から取り出される。電子は、外部負荷を経由して、対極とよばれる陽極に戻る。色素が電子放出と電子吸収を繰り返すことにより、電池としての機能が発揮される。色素増感型太陽電池は、屋外発電源に限らず、各種電子機器の主電源やバックアップ電源への応用も検討されている。
【０００３】
図７は、従来型の太陽電池モジュール２３０の概略断面図である。図７は特許文献１に開示されている例をさらに模式的に示すものであり、図７に基づいて色素増感型太陽電池の一般的な構成を説明する。太陽電池モジュール２３０においては、セル２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ・・・という複数のセル２２０（以下、まとめていうときには「セル２２０」とよぶ。他の部材についても同様に表記する。）が連結される。各セル２２０には、同図下方向から光２００が照射される。
【０００４】
太陽電池モジュール２３０の構造は以下の通りである。代表として、セル２２０ｂに注目する。セル２２０ｂにおいては、作用極側透明導電層２０６ｂと対極側透明導電層２０８ｂ、隔壁２１６によって空間が形成されている。この空間は電解質２１２によって満たされ、内部に半導体層２１０ｂを含む。半導体層２１０ｂは色素２１４を吸着している。半導体層２１０ｂは作用極側透明導電層２０６ｂ側に接着される。セル２２０ｂの作用極側透明導電層２０６ｂと、セル２２０ｃの対極側透明導電層２０８ｃは導電部材２２２によって接続される。同様に、セル２２０ｂの対極側透明導電層２０８ｂと、セル２２０ａの作用極側透明導電層２０６ａも導電部材２２２により接続される。電解質２１２が導電部材２２２を腐食するのを防ぐため、導電部材２２２の両側には耐薬性の隔壁２１６が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３７７号公報
【特許文献２】特開２００１−３５７８９７号公報
【特許文献３】特開２００９−１８１７９１号公報
【特許文献４】特開２００９−２３８５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような太陽電池モジュール２３０の主な課題として、以下の３点を挙げることができる。第１に、導電部材２２２とその両側の隔壁２１６が存在するため半導体層２１０のサイズを小さくせざるを得ない。この結果、太陽電池モジュール２３０の表面積のうち、採光に利用できる面積(以下、「有効発電面積」とよぶ）の割合が小さくなってしまう（以下、「課題１」とよぶ）。第２に、構造が複雑となる。特に、導電部材２２２周辺の構造が複雑であり製造が難しい（以下、「課題２」とよぶ）。第３に、一ヶ所でも不具合が発生すると太陽電池モジュール２３０全体が利用できなくなる。たとえば、セル２２０ｂとセル２２０ｃを接続する導電部材２２２が断線すると、その影響は太陽電池モジュール２３０全体に及ぶ（以下、「課題３」とよぶ）。
【０００７】
本発明は、本発明者らによる上記課題認識に基づいて完成された発明であり、その主たる目的は、有効発電面積を確保しやすく、製造・修理が容易な色素増感型太陽電池のセル構造、特に、セルの好適な接続方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる太陽電池モジュールは、採光面側に設けられる電極である作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられる電極である対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池の複数のセルと、第１のセルの作用極と第１のセルに隣接する第２のセルの対極をセルの外壁面上において接続することにより、複数のセルを直列接続する連結導体を備える。
【０００９】
ここでいう「外壁面上」とは、太陽電池モジュール自体の外壁面として露出する必要はなく、セルの外壁面上であればよい。連結導体をセル外壁面上に設けることにより、導電部材を封入する必要性がなくなるため、太陽電池モジュールのセル接続構造が簡素となる。連結導体が接続不良となっても、連結導体を修理・変更しやすいため、太陽電池モジュール全体としての利用を継続しやすい構成となる。また、セルとセルの接続部分の隔壁を薄くしやすい構造となるため、有効発電面積も拡大させやすくなる。
【００１０】
各セルは第１の軸に対して回転対称に配置され、複数のセルにより放射形状体の全部または一部が形成されてもよい。各セルの作用極および対極の双方には、第１の軸に対する回転方向に突起部が設けられてもよい。連結導体は、第１のセルの作用極の突出部と第２のセルの対極の突出部を接続してもよい。
【００１１】
第１の軸に対して複数のセルを回転対称に配列することにより、第１の軸を中心とした放射形状型太陽電池の全部または一部となる太陽電池モジュールが形成される。このような構成によれば、色素増感型太陽電池のデザインの自由度を拡げることができる。また、各セルの第１の軸に対する中心角をそろえることにより、セルのサイズ、ひいては、電気的特性を均一化させやすくなる。
【００１２】
各セルの作用極および対極の双方には、第１の軸に対する回転方向に欠切部が設けられてもよい。第２のセルの作用極に設けられる欠切部には、第１のセルの作用極に設けられる突出部が収容され、第１のセルの対極に設けられる欠切部には、第２のセルの対極に設けられる突出部が収容されてもよい。
【００１３】
各セルの形状は、第１の軸に対する中心角が略同一の扇形であってもよい。ここでいう略同一とは、たとえば、５％前後のずれは許容できる程度の同一性をいう。以下における「略」という用語の意味についても同様である。
【００１４】
各セルの有効発電面積は略同一であってもよい。有効発電面積をそろえることにより、各セルの起電力を均一化させやすくなる。
【００１５】
第１の軸に近い側を内周側、遠い側を外周側としたとき、作用極においては外周側端部に欠切部と突出部の双方を設け、対極においても外周側端部に欠切部と突出部の双方を設けてもよい。
【００１６】
あるいは、作用極においては外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部を設け、対極においても外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、有効発電面積を確保しやすく、製造・修理が容易な色素増感型太陽電池を実現させやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】色素増感型太陽電池のセルの概略断面図である。
【図２】太陽電池モジュールの概略斜視図である。
【図３】作用極導電膜および対極導電膜の連結方法を示す模式図である。
【図４】本実施形態の第１例における作用極導電膜および対極導電膜の接続関係を示す平面図である。
【図５】本実施形態の第２例における作用極導電膜および対極導電膜の接続関係を示す平面図である。
【図６】比較例における作用極導電膜および対極導電膜の接続関係を示す平面図である。
【図７】従来の太陽電池モジュールの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、色素増感型太陽電池のセルの概略断面図である。図１は１つ分のセル１００の構造を示す。同図右方向をｘ軸の正方向、上方向をｚ軸の正方向、同図紙面から奥に向かう方向をｙ軸の正方向とする。図１のセル１００は、同図下方向からの光２００によって発電する。光２００は、ｚ軸の正方向に照射される。
【００２１】
セル１００の構造は以下の通りである。セル１００において、非採光面側の対極側基板１０８上に対極導電膜１１０が設置される。対極側基板１０８と対極導電膜１１０、触媒層１２６をまとめて「対極」とよぶ。対極側基板１０８は、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のプラスチック基板、あるいは、ガラス基板として形成される。対極側基板１０８は、金属基板や合金基板、セラミックス基板、あるいは、これらの積層体として形成されてもよい。対極側基板１０８は、透光性を有することが好ましく、特に、可視光領域における透光性に優れる材料にて形成されることが好ましい。また、対極側基板１０８は、屈曲させやすい物質にて形成されてもよい。対極導電膜１１０は、透明導電膜として形成されてもよい。透明導電膜の具体例としては、インジウム・スズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化スズ(４)、酸化インジウム、フッ素ドープ酸化スズ（FTO:Fluorine doped tin oxide）などが挙げられる。透明導電膜（対極導電膜１１０）は、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スプレー法、スピンコート法、浸漬法等の既知の手法により形成されればよい。対極導電膜１１０には、表面改質処理が施されてもよい。表面改質処理の具体例としては、界面活性剤、有機溶剤、アルカリ水溶液等による脱脂処理、機械的研磨処理、水溶液への浸漬処理、電解液による予備電解処理、水洗処理、乾燥処理などが挙げられる。
【００２２】
対極導電膜１１０の表面には触媒層１２６が設けられる。触媒として白金を用いることが好ましい。白金のほか、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、モリブデン、チタン等の金属や、カーボン、導電性ポリマー等により触媒層１２６を形成してもよい。
【００２３】
採光面側の作用極側基板１０２の上には作用極導電膜１０４が設置される。作用極側基板１０２の材質は、対極側基板１０８の材質と同様である。
【００２４】
作用極導電膜１０４、対極導電膜１１０および隔壁１１２によって仕切られた空間には電解質１１６が満たされ、作用極導電膜１０４の表面には金属酸化物層１１４が形成される。作用極導電膜１０４は、透明導電膜として形成される。透明導電膜としては、対極導電膜１１０の具体例として挙げたものを好適に用いることができる。また、対極導電膜１１０同様、表面改質処理を行っても良い。
【００２５】
金属酸化物層１１４は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（４）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）等の金属酸化物を主成分とする多孔性の半導体層である。金属酸化物層１１４は、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、カドミウム、鉛、アンチモン、ビスマス等の金属や、これらの金属酸化物、金属カルコゲニドを含んでもよい。金属酸化物層１１４の厚みは、０．０５〜５０μｍ程度である。
【００２６】
金属酸化物層１１４の形成方法としては、金属酸化物粒子を含有する調合物を作用極導電膜１０４上に付与したあとに焼結する焼結法や、この調合物の付与後に５０〜１５０度程度、より好ましくは７０〜１５０度程度の低温処理を行う低温処理法が挙げられる。これらの方法によれば、金属酸化物の粒子が凝集した多孔質構造を容易に形成できる。環境負荷軽減の観点からは低温処理法の方が望ましい。低温処理法の場合、基板が樹脂を含む場合にも応用しやすいというメリットがある。
【００２７】
上述の調合物は、分散液、ゾル液、スラリー液等、分散媒を含む調合液であることが望ましい。分散媒としては、水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル、トルエン、ジメチルホルムアミド、エトキシエタノール、シクロヘキサノン等の各種有機溶媒が挙げられる。必要に応じて、他の界面活性剤、酸、キレート剤等の助剤を含んでもよい。
【００２８】
電解質１１６としては、レドックス電解質溶液やこれをゲル化した半固体電解質、あるいは、ｐ型半導体固体ホール輸送材料を成膜したもの等、電池において一般的に使用されているものを使用できる。電解液としては、ヨウ素、ヨウ化物、臭素、臭化物等を含むニトリル系溶媒を用いた溶液、エチレンカーボネート溶液、プロピレンカーボネート溶液等が挙げられる。本実施形態における電解質１１６は、ヨウ素（Ｉ２）を溶かした電解液である。電解液の濃度や添加剤等は、要求性能に応じて設定・選択されればよい。添加剤としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレンおよびそれらの誘導体等を利用したｐ型導電性ポリマー、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、トリアゾリウムイオンおよびそれらの誘導体とハロゲンイオンを組み合わせた溶融塩、ゲル化剤、オイルゲル化剤、分散剤、界面活性剤、安定化剤等を用いる。
【００２９】
多孔質性の金属酸化物層１１４の表面には色素１１８（増感色素）が吸着される。色素１１８は、水溶性、非水溶性、油溶性のいずれであってもよい。色素１１８の具体例としては、エオシンＹ等のキサンテン系色素、クマリン系色素、トリフェニルメタン系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素、ポルフィリン系色素、ポリピリジン金属錯体色素、ルテニウムビピリジウム系色素、アゾ色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリウム系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、オキソノール系色素、ポリメチン系色素、リボフラビン系色素等が挙げられる。色素１１８は、色素担持量を増加させるため、金属酸化物と相互作用する吸着性基を有することが好ましい。吸着性基の具体例としては、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基等が挙げられる。
【００３０】
色素１１８を金属酸化物層１１４に担持させる方法としては、色素１１８を含む溶液に金属酸化物層１１４を浸漬する方法や、色素１１８を含む溶液を金属酸化物層１１４に塗布する方法が挙げられる。色素１１８を含有する溶液は、水、エタノール系溶媒、ニトリル系溶媒、ケトン系溶媒等であってもよい。隔壁１１２の材料は樹脂、ガラスなどである。金属酸化物層１１４、作用極導電膜１０４および作用極側基板１０２をまとめて「作用極」とよぶ。なお、金属酸化物層１１４と作用極導電膜１０４の間に「中間層」を設けてもよい。中間層は、対極導電膜１１０に関連して上述した金属酸化物等により形成されることが好ましい。中間層は、蒸着法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、浸漬法、電析法等の公知の方法により形成される。中間層は透光性と導電性を有することが好ましい。中間層の厚みは、０．１〜５μｍ程度である。作用極導電膜１０４から対極導電膜１１０までの距離、すなわち、空間の厚みは１〜３００μｍ程度である。
【００３１】
セル１００の動作原理は以下の通りである。作用極側基板１０２および作用極導電膜１０４を透過した光２００により、金属酸化物層１１４表面の色素１１８が励起され、色素１１８は電子を金属酸化物層１１４に注入する。電子は、作用極導電膜１０４に放出される。電子を放出して酸化された色素は、レドックス対であるヨウ素イオンから電子を奪い、再還元され元に戻る。詳細は後述するが、作用極導電膜１０４に放出された電子は、隣のセル１００の対極導電膜１１０に供給される。隣のセル１００から供給された電子は、色素から電子を奪われたレドックス対を再還元する。このような流れの発電サイクルが継続する。以下、本実施形態において、１個のセル１００の起電力は０．５（Ｖ）であるとして説明する。
【００３２】
図２は、太陽電池モジュール１３０の概略斜視図である。本実施形態における色素増感型の太陽電池モジュール１３０の形状は、中空円盤形状である。太陽電池モジュール１３０は８つのセル１００ａ〜１００ｈを含む。各セル１００の形状は中心角４５度の扇形となる。すなわち、全てのセル１００は、仮想的な第１軸１３２に対して回転対称に配置される。ｘｙ平面における第１軸１３２の位置を集約点Ｐとよぶ。
【００３３】
セル１００ａの同図上側、すなわち、採光面側の作用極導電膜１０４からは負極端子１３４が引き出される。セル１００ａの対極導電膜１１０は、セル１００ｂの作用極導電膜１０４と連結導体（図示せず）を介して接続される。連結導体は、セル１００の外壁面１５０上に形成される。セル１００ｂの対極導電膜１１０は、セル１００ｃの作用極導電膜１０４と接続される。以下同様であり、セル１００ｇの対極導電膜１１０は、セル１００ｈの作用極導電膜１０４と接続される。セル１００ｈの対極導電膜１１０からは正極端子１３６が引き出される。
【００３４】
この結果、負極端子１３４と正極端子１３６の間において、８つのセル１００が直列接続されることになる。１個あたりのセル１００の起電力が０．５（Ｖ）の場合、太陽電池モジュール１３０全体としての起電力は０．５×８＝４．０（Ｖ）となる。なお、各セル１００の有効発電面積は略同一にそろえられている。これは、インピーダンス等の電気的特性のばらつきを抑制し、太陽電池モジュール１３０全体としての発電効率を高めるためである。詳細については、図４、図５等に関連して後述する。
【００３５】
図３は、作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の連結方法を示す模式図である。作用極導電膜１０４と対極導電膜１１０の形状は共に、扇形である。対極導電膜１１０ａの外周部分（第１軸１３２から遠い側）の一端には突起部１２２ａ、他端には欠切部１２４ａが設けられる。同様に、作用極導電膜１０４ａの外周部分の一端には突起部１４０ａ、他端には欠切部１４２ａが設けられる。セル１００ａの作用極導電膜１０４ａの欠切部１４２ａには、隣のセル１００ｂの作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂが入り込む。また、セル１００ａの対極導電膜１１０ａの突起部１２２ａは、セル１００ｂの作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂと対向する。対極導電膜１１０ａの突起部１２２ａと作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂを導体（連結導体）で接続することにより、金属酸化物層１１４から作用極導電膜１０４ｂに流入した自由電子を、隣のセル１００ａの対極導電膜１１０ａに供給できる。導電ペーストを突起部１４０と突起部１２２にそれぞれ塗布し、作用極側基板１０２と対極側基板１０８の貼り合わせ時にこれらを密着させることにより連結導体を形成してもよい。あるいは、セル１００に電解液を封止したあと、セル１００の外壁面上から導電ペーストを注入することにより連結導体を形成してもよい。いずれにしても、連結導体はセル１００（封止領域）の外壁面上に設けられる。ここでいう「外壁面」とはあくまでもセル１００の外壁面であればよく、太陽電池モジュール１３０自体の外壁面である必要はない。たとえば、セル１００を形成し、その外壁面に連結導体を形成し、連結導体を保護するカバー等を更に設けてもよい。このような連結方法により、複数のセル１００を直列接続させた「電池」を形成できる。
【００３６】
図４は、本実施形態の第１例における作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の接続関係を示す平面図である。第１例は、図３の構成に対応する。第１例においては、対極導電膜１１０の外周側端部に欠切部１２４と突起部１２２の両方が設けられる。作用極導電膜１０４も外周側端部に欠切部１４２と突起部１４０が設けられる。セル１００ｈにおいては、対極導電膜１１０ｈの突起部１２２ｈから正極端子１３６が引き出される。セル１００ａにおいては、作用極導電膜１０４ａの突起部１４０ａから負極端子１３４が引き出される。作用極導電膜１０４の上には、金属酸化物層１１４が形成される。金属酸化物層１１４は、外周側端部に２つの欠切部が形成された形状となる。負極端子１３６と正極端子１３４は、太陽電池モジュール１３０を平面視（ｚ軸方向）で見たときに重ならない位置に設置される。これにより、負極端子１３６と正極端子１３４が短絡しにくい構成となる。
【００３７】
第１例における太陽電池モジュール１３０の製造方法は以下の通りである。以降に示す第２例についても基本的に同様である。まず、作用極導電膜１０４となるＦＴＯを作用極側基板１０２に設け、ブラスト処理してパターニングする。次に、作用極導電膜１０４上に、酸化チタンペーストをスクリーン印刷で塗布し、約４５０度で９０分間加熱することにより、金属酸化物層１１４を形成する。次に、（４，４’−ジカルボン酸−２，２’−ビピリジン）ルテニウム（２）ジイソチアネートを３×１０−４Ｍで添加した無水エタノール溶液２０ｍｌに作用極側基板１０２を約１２時間浸漬する。浸漬後、無水アセトニトリルで洗浄し、自然乾燥させる。金属酸化物層１１４は、ルテニウム色素の吸着により深紅色となる。
【００３８】
対極導電膜１１０となるＦＴＯを対極側基板１０８に設け、対極導電膜１１０には１０ｎｍ厚の白金膜をスパッタリングする。この白金膜が触媒層１２６となる。触媒層１２６の表面をブラスト処理し、対極導電膜１１０と触媒層１２６を除去することによりパターンを形成する。
【００３９】
作用極側基板１０２の上にＵＶ硬化型封止接着剤をディスペンサーで塗布し、電解液を金属酸化物層１１４に滴下する。そして、作用極側基板１０２と対極側基板１０８を貼り合わせる。大気を解放させたあと、ＵＶ照射により封止接着剤を硬化させる。なお、電解液としては、テトラプロピルアンモニウムヨウジド（０．４Ｍ）とヨウ素（０．０４Ｍ）を含むメトキシプロピオニトリル溶液を用いる。貼り合わせ後、あるセル１００の作用極導電膜１０４と、となりのセル１００の触媒層１２６の間のセル外壁面上にＵＶ硬化型銀ペーストを挿入し、ＵＶ硬化させることにより、セル１００を直列接続する。
【００４０】
第１例の場合、金属酸化物層１１４ａ〜１１４ｈはいずれも同一サイズ・同一形状となっている。セル１００の電気的特性が同一となるため、太陽電池モジュール１３０全体としての発電効率が高くなる。また、対極導電膜１１０ａ〜１１０ｈと、作用極導電膜１０４ａ〜１０４ｈも、同一サイズ・同一形状であるため、単一のパターンニング・マスクにより対極導電膜１１０と作用極導電膜１０４の両方を形成できるという製造上のメリットがある。
【００４１】
導電部材を封入する構造ではないため、導電部材を両側から保護するための隔壁は必要ない。この結果、セルの接続部分の隔壁を薄くしやすくなり、有効発電面積を大きく確保できる。いいかえれば、太陽電池モジュール１３０の採光面の面積に占める有効発電面積の割合を大きくできるので、課題１を解決する上で有効である。連結導体はセル１００の外側で形成されるため、課題２、課題３を解決する上で有効である。
【００４２】
図５は、本実施形態の第２例における作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の接続関係を示す平面図である。第２例においては、対極導電膜１１０ｈの外周側端部に突起部１２２ｈ、内周側端部に欠切部１２４ｈが設けられる。一方、隣の対極導電膜１１０ｇの場合には、外周側端部に欠切部１２４ｇ、内周側端部に突起部１２２ｇが設けられる。第２例の対極導電膜１１０においては、突起部１２２と欠切部１２４が内周側と外周側に交互に現れる。作用極導電膜１０４についても同様である。作用極導電膜１０４ｈの外周側端部に欠切部１４２ｈ、内周側端部に突起部１４０ｈが設けられる。隣の作用極導電膜１０４ｇの場合には、外周側端部に突起部１４０ｇ、内周側端部に欠切部１４２ｇが設けられる。第２例の作用極導電膜１０４においては、突起部１４０と欠切部１４２が内周側と外周側に交互に現れる。
【００４３】
セル１００ｈにおいて、対極導電膜１１０ｈの突起部１２２ｈから正極端子１３６が引き出される。セル１００ａにおいて、作用極導電膜１０４ａの突起部１２２ａから負極端子１３４が引き出される。作用極導電膜１０４の上には、金属酸化物層１１４が形成される。金属酸化物層１１４は、外周側端部と内周側端部にそれぞれ欠切部が形成された形状となる。
【００４４】
第２例の場合においても、金属酸化物層１１４ａ〜１１４ｈはいずれも同一サイズ・同一形状となっている。セル１００の電気的特性が同一となるため、太陽電池モジュール１３０全体としての発電効率が高くなる。また、対極導電膜１１０ａ〜１１０ｈと、作用極導電膜１０４ａ〜１０４ｈは、対極導電膜１１０ｈと対極導電膜１１０ｇのような２パターンである。第２例においても、第１例と同様、課題１〜３を解決できる構成となっている。
【００４５】
図６は、比較例における作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の接続関係を示す平面図である。比較例においては、対極導電膜１１０および作用極導電膜１０４は、いずれも扇形であり突起部１４０、１２２や欠切部１４２、１２４を有しない。
【００４６】
比較例の場合、図７に関連して説明した従来型と同様、セル１００とセル１００の間に連結導体を設置している。このため、連結導体を腐食から守るため、連結導体を覆う隔壁が必要となる。この結果、太陽電池モジュール１３０全体としての有効発電面積が低下してしまう。この問題については、図７に関連して説明した通りである。本発明者らの実験によれば、第１例や第２例に比べて比較例の最大出力は約１８％低下することが確認された。連結導体が内蔵される構造となるため、いずれかの連結導体が導通不良となった場合には修復は困難であり、太陽電池モジュール１３０自体を破棄せざるを得なくなる。
【００４７】
一般的には、色素増感型太陽電池のセルは矩形状に形成されることが多い（特許文献１、２参照）。特許文献３では円形のセルを提案するが、単一のセルであるため十分な起電力を確保しにくい。これに対して、本実施形態における色素増感型太陽電池の太陽電池モジュール１３０は、扇形のセルを多数組み合わせることにより円形の太陽電池モジュール１３０を形成している。これにより、十分な起電力の確保しつつデザインのバリエーションを拡大できる。本実施形態における太陽電池モジュール１３０は円形であるが、多角形などその他の放射形状であってもよい。この場合には、セル１００の形状を台形や三角形とすればよい。本実施形態における太陽電池モジュール１３０によれば、従来の矩形型に限らず、さまざまな放射形状にも色素増感型太陽電池を対応させることが可能となる。
【００４８】
セル１００は、外周部分の連結導体により接続される。このため、有効発電面積を確保しつつ、複数のセル１００を直列接続しやすくなる。また、第１例や第２例のような構成によれば、金属酸化物層１１４を同一形状にて形成できるため、セル１００の有効発電面積を均一化しやすい。作用極導電膜１０４と対極導電膜１１０も同一形状であるため、製造プロセスを簡略化できるというメリットもある。
【００４９】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【符号の説明】
【００５０】
１００ セル、１０２ 作用極側基板、１０４ 作用極導電膜、１０８ 対極側基板、１１０ 対極導電膜、１１２ 隔壁、１１４ 金属酸化物層、１１６ 電解質、１１８ 色素、１２２ 突起部、１２４ 欠切部、１２６ 触媒層、１３０ 太陽電池モジュール、１３２ 第１軸、１３４ 正極端子、１３６ 負極端子、１４０ 突起部、１４２ 欠切部、２００ 光、２０２ 基板、２０４ 基板、２０６ 作用極側透明導電層、２０８ 対極側透明導電層、２１０ 半導体層、２１２ 電解質、２１４ 色素、２１６ 隔壁、２２０ セル、２２２ 導電部材、２３０ 太陽電池モジュール。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色素増感型太陽電池に関し、特に、太陽電池セルの構造および接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池に対する期待が高まっているが、その中でも色素増感型太陽電池（DSC:Dye Sensitized Solar Cell）が注目されている。色素増感型太陽電池は、印刷技術の延長で製造できる、成形しやすい、多様な色彩を実現できるためデザイン性に優れる、といったさまざまな利点を有する。色素増感型太陽電池のセル(以下、単に「セル」とよぶ）に光を当てると、セル内の色素が励起され、色素は電子を放出する。放出された電子は作用極とよばれる陰極から取り出される。電子は、外部負荷を経由して、対極とよばれる陽極に戻る。色素が電子放出と電子吸収を繰り返すことにより、電池としての機能が発揮される。色素増感型太陽電池は、屋外発電源に限らず、各種電子機器の主電源やバックアップ電源への応用も検討されている。
【０００３】
図７は、従来型の太陽電池モジュール２３０の概略断面図である。図７は特許文献１に開示されている例をさらに模式的に示すものであり、図７に基づいて色素増感型太陽電池の一般的な構成を説明する。太陽電池モジュール２３０においては、セル２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ・・・という複数のセル２２０（以下、まとめていうときには「セル２２０」とよぶ。他の部材についても同様に表記する。）が連結される。各セル２２０には、同図下方向から光２００が照射される。
【０００４】
太陽電池モジュール２３０の構造は以下の通りである。代表として、セル２２０ｂに注目する。セル２２０ｂにおいては、作用極側透明導電層２０６ｂと対極側透明導電層２０８ｂ、隔壁２１６によって空間が形成されている。この空間は電解質２１２によって満たされ、内部に半導体層２１０ｂを含む。半導体層２１０ｂは色素２１４を吸着している。半導体層２１０ｂは作用極側透明導電層２０６ｂ側に接着される。セル２２０ｂの作用極側透明導電層２０６ｂと、セル２２０ｃの対極側透明導電層２０８ｃは導電部材２２２によって接続される。同様に、セル２２０ｂの対極側透明導電層２０８ｂと、セル２２０ａの作用極側透明導電層２０６ａも導電部材２２２により接続される。電解質２１２が導電部材２２２を腐食するのを防ぐため、導電部材２２２の両側には耐薬性の隔壁２１６が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３７７号公報
【特許文献２】特開２００１−３５７８９７号公報
【特許文献３】特開２００９−１８１７９１号公報
【特許文献４】特開２００９−２３８５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような太陽電池モジュール２３０の主な課題として、以下の３点を挙げることができる。第１に、導電部材２２２とその両側の隔壁２１６が存在するため半導体層２１０のサイズを小さくせざるを得ない。この結果、太陽電池モジュール２３０の表面積のうち、採光に利用できる面積(以下、「有効発電面積」とよぶ）の割合が小さくなってしまう（以下、「課題１」とよぶ）。第２に、構造が複雑となる。特に、導電部材２２２周辺の構造が複雑であり製造が難しい（以下、「課題２」とよぶ）。第３に、一ヶ所でも不具合が発生すると太陽電池モジュール２３０全体が利用できなくなる。たとえば、セル２２０ｂとセル２２０ｃを接続する導電部材２２２が断線すると、その影響は太陽電池モジュール２３０全体に及ぶ（以下、「課題３」とよぶ）。
【０００７】
本発明は、本発明者らによる上記課題認識に基づいて完成された発明であり、その主たる目的は、有効発電面積を確保しやすく、製造・修理が容易な色素増感型太陽電池のセル構造、特に、セルの好適な接続方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる太陽電池モジュールは、採光面側に設けられる電極である作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられる電極である対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池の複数のセルと、第１のセルの作用極と第１のセルに隣接する第２のセルの対極をセルの外壁面上において接続することにより、複数のセルを直列接続する連結導体を備える。
【０００９】
ここでいう「外壁面上」とは、太陽電池モジュール自体の外壁面として露出する必要はなく、セルの外壁面上であればよい。連結導体をセル外壁面上に設けることにより、導電部材を封入する必要性がなくなるため、太陽電池モジュールのセル接続構造が簡素となる。連結導体が接続不良となっても、連結導体を修理・変更しやすいため、太陽電池モジュール全体としての利用を継続しやすい構成となる。また、セルとセルの接続部分の隔壁を薄くしやすい構造となるため、有効発電面積も拡大させやすくなる。
【００１０】
各セルは第１の軸に対して回転対称に配置され、複数のセルにより放射形状体の全部または一部が形成されてもよい。各セルの作用極および対極の双方には、第１の軸に対する回転方向に突起部が設けられてもよい。連結導体は、第１のセルの作用極の突出部と第２のセルの対極の突出部を接続してもよい。
【００１１】
第１の軸に対して複数のセルを回転対称に配列することにより、第１の軸を中心とした放射形状型太陽電池の全部または一部となる太陽電池モジュールが形成される。このような構成によれば、色素増感型太陽電池のデザインの自由度を拡げることができる。また、各セルの第１の軸に対する中心角をそろえることにより、セルのサイズ、ひいては、電気的特性を均一化させやすくなる。
【００１２】
各セルの作用極および対極の双方には、第１の軸に対する回転方向に欠切部が設けられてもよい。第２のセルの作用極に設けられる欠切部には、第１のセルの作用極に設けられる突出部が収容され、第１のセルの対極に設けられる欠切部には、第２のセルの対極に設けられる突出部が収容されてもよい。
【００１３】
各セルの形状は、第１の軸に対する中心角が略同一の扇形であってもよい。ここでいう略同一とは、たとえば、５％前後のずれは許容できる程度の同一性をいう。以下における「略」という用語の意味についても同様である。
【００１４】
各セルの有効発電面積は略同一であってもよい。有効発電面積をそろえることにより、各セルの起電力を均一化させやすくなる。
【００１５】
第１の軸に近い側を内周側、遠い側を外周側としたとき、作用極においては外周側端部に欠切部と突出部の双方を設け、対極においても外周側端部に欠切部と突出部の双方を設けてもよい。
【００１６】
あるいは、作用極においては外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部を設け、対極においても外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、有効発電面積を確保しやすく、製造・修理が容易な色素増感型太陽電池を実現させやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】色素増感型太陽電池のセルの概略断面図である。
【図２】太陽電池モジュールの概略斜視図である。
【図３】作用極導電膜および対極導電膜の連結方法を示す模式図である。
【図４】本実施形態の第１例における作用極導電膜および対極導電膜の接続関係を示す平面図である。
【図５】本実施形態の第２例における作用極導電膜および対極導電膜の接続関係を示す平面図である。
【図６】比較例における作用極導電膜および対極導電膜の接続関係を示す平面図である。
【図７】従来の太陽電池モジュールの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、色素増感型太陽電池のセルの概略断面図である。図１は１つ分のセル１００の構造を示す。同図右方向をｘ軸の正方向、上方向をｚ軸の正方向、同図紙面から奥に向かう方向をｙ軸の正方向とする。図１のセル１００は、同図下方向からの光２００によって発電する。光２００は、ｚ軸の正方向に照射される。
【００２１】
セル１００の構造は以下の通りである。セル１００において、非採光面側の対極側基板１０８上に対極導電膜１１０が設置される。対極側基板１０８と対極導電膜１１０、触媒層１２６をまとめて「対極」とよぶ。対極側基板１０８は、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のプラスチック基板、あるいは、ガラス基板として形成される。対極側基板１０８は、金属基板や合金基板、セラミックス基板、あるいは、これらの積層体として形成されてもよい。対極側基板１０８は、透光性を有することが好ましく、特に、可視光領域における透光性に優れる材料にて形成されることが好ましい。また、対極側基板１０８は、屈曲させやすい物質にて形成されてもよい。対極導電膜１１０は、透明導電膜として形成されてもよい。透明導電膜の具体例としては、インジウム・スズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化スズ(４)、酸化インジウム、フッ素ドープ酸化スズ（FTO:Fluorine doped tin oxide）などが挙げられる。透明導電膜（対極導電膜１１０）は、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スプレー法、スピンコート法、浸漬法等の既知の手法により形成されればよい。対極導電膜１１０には、表面改質処理が施されてもよい。表面改質処理の具体例としては、界面活性剤、有機溶剤、アルカリ水溶液等による脱脂処理、機械的研磨処理、水溶液への浸漬処理、電解液による予備電解処理、水洗処理、乾燥処理などが挙げられる。
【００２２】
対極導電膜１１０の表面には触媒層１２６が設けられる。触媒として白金を用いることが好ましい。白金のほか、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、モリブデン、チタン等の金属や、カーボン、導電性ポリマー等により触媒層１２６を形成してもよい。
【００２３】
採光面側の作用極側基板１０２の上には作用極導電膜１０４が設置される。作用極側基板１０２の材質は、対極側基板１０８の材質と同様である。
【００２４】
作用極導電膜１０４、対極導電膜１１０および隔壁１１２によって仕切られた空間には電解質１１６が満たされ、作用極導電膜１０４の表面には金属酸化物層１１４が形成される。作用極導電膜１０４は、透明導電膜として形成される。透明導電膜としては、対極導電膜１１０の具体例として挙げたものを好適に用いることができる。また、対極導電膜１１０同様、表面改質処理を行っても良い。
【００２５】
金属酸化物層１１４は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（４）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）等の金属酸化物を主成分とする多孔性の半導体層である。金属酸化物層１１４は、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、カドミウム、鉛、アンチモン、ビスマス等の金属や、これらの金属酸化物、金属カルコゲニドを含んでもよい。金属酸化物層１１４の厚みは、０．０５〜５０μｍ程度である。
【００２６】
金属酸化物層１１４の形成方法としては、金属酸化物粒子を含有する調合物を作用極導電膜１０４上に付与したあとに焼結する焼結法や、この調合物の付与後に５０〜１５０度程度、より好ましくは７０〜１５０度程度の低温処理を行う低温処理法が挙げられる。これらの方法によれば、金属酸化物の粒子が凝集した多孔質構造を容易に形成できる。環境負荷軽減の観点からは低温処理法の方が望ましい。低温処理法の場合、基板が樹脂を含む場合にも応用しやすいというメリットがある。
【００２７】
上述の調合物は、分散液、ゾル液、スラリー液等、分散媒を含む調合液であることが望ましい。分散媒としては、水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル、トルエン、ジメチルホルムアミド、エトキシエタノール、シクロヘキサノン等の各種有機溶媒が挙げられる。必要に応じて、他の界面活性剤、酸、キレート剤等の助剤を含んでもよい。
【００２８】
電解質１１６としては、レドックス電解質溶液やこれをゲル化した半固体電解質、あるいは、ｐ型半導体固体ホール輸送材料を成膜したもの等、電池において一般的に使用されているものを使用できる。電解液としては、ヨウ素、ヨウ化物、臭素、臭化物等を含むニトリル系溶媒を用いた溶液、エチレンカーボネート溶液、プロピレンカーボネート溶液等が挙げられる。本実施形態における電解質１１６は、ヨウ素（Ｉ２）を溶かした電解液である。電解液の濃度や添加剤等は、要求性能に応じて設定・選択されればよい。添加剤としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレンおよびそれらの誘導体等を利用したｐ型導電性ポリマー、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、トリアゾリウムイオンおよびそれらの誘導体とハロゲンイオンを組み合わせた溶融塩、ゲル化剤、オイルゲル化剤、分散剤、界面活性剤、安定化剤等を用いる。
【００２９】
多孔質性の金属酸化物層１１４の表面には色素１１８（増感色素）が吸着される。色素１１８は、水溶性、非水溶性、油溶性のいずれであってもよい。色素１１８の具体例としては、エオシンＹ等のキサンテン系色素、クマリン系色素、トリフェニルメタン系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素、ポルフィリン系色素、ポリピリジン金属錯体色素、ルテニウムビピリジウム系色素、アゾ色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリウム系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、オキソノール系色素、ポリメチン系色素、リボフラビン系色素等が挙げられる。色素１１８は、色素担持量を増加させるため、金属酸化物と相互作用する吸着性基を有することが好ましい。吸着性基の具体例としては、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基等が挙げられる。
【００３０】
色素１１８を金属酸化物層１１４に担持させる方法としては、色素１１８を含む溶液に金属酸化物層１１４を浸漬する方法や、色素１１８を含む溶液を金属酸化物層１１４に塗布する方法が挙げられる。色素１１８を含有する溶液は、水、エタノール系溶媒、ニトリル系溶媒、ケトン系溶媒等であってもよい。隔壁１１２の材料は樹脂、ガラスなどである。金属酸化物層１１４、作用極導電膜１０４および作用極側基板１０２をまとめて「作用極」とよぶ。なお、金属酸化物層１１４と作用極導電膜１０４の間に「中間層」を設けてもよい。中間層は、対極導電膜１１０に関連して上述した金属酸化物等により形成されることが好ましい。中間層は、蒸着法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、浸漬法、電析法等の公知の方法により形成される。中間層は透光性と導電性を有することが好ましい。中間層の厚みは、０．１〜５μｍ程度である。作用極導電膜１０４から対極導電膜１１０までの距離、すなわち、空間の厚みは１〜３００μｍ程度である。
【００３１】
セル１００の動作原理は以下の通りである。作用極側基板１０２および作用極導電膜１０４を透過した光２００により、金属酸化物層１１４表面の色素１１８が励起され、色素１１８は電子を金属酸化物層１１４に注入する。電子は、作用極導電膜１０４に放出される。電子を放出して酸化された色素は、レドックス対であるヨウ素イオンから電子を奪い、再還元され元に戻る。詳細は後述するが、作用極導電膜１０４に放出された電子は、隣のセル１００の対極導電膜１１０に供給される。隣のセル１００から供給された電子は、色素から電子を奪われたレドックス対を再還元する。このような流れの発電サイクルが継続する。以下、本実施形態において、１個のセル１００の起電力は０．５（Ｖ）であるとして説明する。
【００３２】
図２は、太陽電池モジュール１３０の概略斜視図である。本実施形態における色素増感型の太陽電池モジュール１３０の形状は、中空円盤形状である。太陽電池モジュール１３０は８つのセル１００ａ〜１００ｈを含む。各セル１００の形状は中心角４５度の扇形となる。すなわち、全てのセル１００は、仮想的な第１軸１３２に対して回転対称に配置される。ｘｙ平面における第１軸１３２の位置を集約点Ｐとよぶ。
【００３３】
セル１００ａの同図上側、すなわち、採光面側の作用極導電膜１０４からは負極端子１３４が引き出される。セル１００ａの対極導電膜１１０は、セル１００ｂの作用極導電膜１０４と連結導体（図示せず）を介して接続される。連結導体は、セル１００の外壁面１５０上に形成される。セル１００ｂの対極導電膜１１０は、セル１００ｃの作用極導電膜１０４と接続される。以下同様であり、セル１００ｇの対極導電膜１１０は、セル１００ｈの作用極導電膜１０４と接続される。セル１００ｈの対極導電膜１１０からは正極端子１３６が引き出される。
【００３４】
この結果、負極端子１３４と正極端子１３６の間において、８つのセル１００が直列接続されることになる。１個あたりのセル１００の起電力が０．５（Ｖ）の場合、太陽電池モジュール１３０全体としての起電力は０．５×８＝４．０（Ｖ）となる。なお、各セル１００の有効発電面積は略同一にそろえられている。これは、インピーダンス等の電気的特性のばらつきを抑制し、太陽電池モジュール１３０全体としての発電効率を高めるためである。詳細については、図４、図５等に関連して後述する。
【００３５】
図３は、作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の連結方法を示す模式図である。作用極導電膜１０４と対極導電膜１１０の形状は共に、扇形である。対極導電膜１１０ａの外周部分（第１軸１３２から遠い側）の一端には突起部１２２ａ、他端には欠切部１２４ａが設けられる。同様に、作用極導電膜１０４ａの外周部分の一端には突起部１４０ａ、他端には欠切部１４２ａが設けられる。セル１００ａの作用極導電膜１０４ａの欠切部１４２ａには、隣のセル１００ｂの作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂが入り込む。また、セル１００ａの対極導電膜１１０ａの突起部１２２ａは、セル１００ｂの作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂと対向する。対極導電膜１１０ａの突起部１２２ａと作用極導電膜１０４ｂの突起部１４０ｂを導体（連結導体）で接続することにより、金属酸化物層１１４から作用極導電膜１０４ｂに流入した自由電子を、隣のセル１００ａの対極導電膜１１０ａに供給できる。導電ペーストを突起部１４０と突起部１２２にそれぞれ塗布し、作用極側基板１０２と対極側基板１０８の貼り合わせ時にこれらを密着させることにより連結導体を形成してもよい。あるいは、セル１００に電解液を封止したあと、セル１００の外壁面上から導電ペーストを注入することにより連結導体を形成してもよい。いずれにしても、連結導体はセル１００（封止領域）の外壁面上に設けられる。ここでいう「外壁面」とはあくまでもセル１００の外壁面であればよく、太陽電池モジュール１３０自体の外壁面である必要はない。たとえば、セル１００を形成し、その外壁面に連結導体を形成し、連結導体を保護するカバー等を更に設けてもよい。このような連結方法により、複数のセル１００を直列接続させた「電池」を形成できる。
【００３６】
図４は、本実施形態の第１例における作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の接続関係を示す平面図である。第１例は、図３の構成に対応する。第１例においては、対極導電膜１１０の外周側端部に欠切部１２４と突起部１２２の両方が設けられる。作用極導電膜１０４も外周側端部に欠切部１４２と突起部１４０が設けられる。セル１００ｈにおいては、対極導電膜１１０ｈの突起部１２２ｈから正極端子１３６が引き出される。セル１００ａにおいては、作用極導電膜１０４ａの突起部１４０ａから負極端子１３４が引き出される。作用極導電膜１０４の上には、金属酸化物層１１４が形成される。金属酸化物層１１４は、外周側端部に２つの欠切部が形成された形状となる。負極端子１３６と正極端子１３４は、太陽電池モジュール１３０を平面視（ｚ軸方向）で見たときに重ならない位置に設置される。これにより、負極端子１３６と正極端子１３４が短絡しにくい構成となる。
【００３７】
第１例における太陽電池モジュール１３０の製造方法は以下の通りである。以降に示す第２例についても基本的に同様である。まず、作用極導電膜１０４となるＦＴＯを作用極側基板１０２に設け、ブラスト処理してパターニングする。次に、作用極導電膜１０４上に、酸化チタンペーストをスクリーン印刷で塗布し、約４５０度で９０分間加熱することにより、金属酸化物層１１４を形成する。次に、（４，４’−ジカルボン酸−２，２’−ビピリジン）ルテニウム（２）ジイソチアネートを３×１０−４Ｍで添加した無水エタノール溶液２０ｍｌに作用極側基板１０２を約１２時間浸漬する。浸漬後、無水アセトニトリルで洗浄し、自然乾燥させる。金属酸化物層１１４は、ルテニウム色素の吸着により深紅色となる。
【００３８】
対極導電膜１１０となるＦＴＯを対極側基板１０８に設け、対極導電膜１１０には１０ｎｍ厚の白金膜をスパッタリングする。この白金膜が触媒層１２６となる。触媒層１２６の表面をブラスト処理し、対極導電膜１１０と触媒層１２６を除去することによりパターンを形成する。
【００３９】
作用極側基板１０２の上にＵＶ硬化型封止接着剤をディスペンサーで塗布し、電解液を金属酸化物層１１４に滴下する。そして、作用極側基板１０２と対極側基板１０８を貼り合わせる。大気を解放させたあと、ＵＶ照射により封止接着剤を硬化させる。なお、電解液としては、テトラプロピルアンモニウムヨウジド（０．４Ｍ）とヨウ素（０．０４Ｍ）を含むメトキシプロピオニトリル溶液を用いる。貼り合わせ後、あるセル１００の作用極導電膜１０４と、となりのセル１００の触媒層１２６の間のセル外壁面上にＵＶ硬化型銀ペーストを挿入し、ＵＶ硬化させることにより、セル１００を直列接続する。
【００４０】
第１例の場合、金属酸化物層１１４ａ〜１１４ｈはいずれも同一サイズ・同一形状となっている。セル１００の電気的特性が同一となるため、太陽電池モジュール１３０全体としての発電効率が高くなる。また、対極導電膜１１０ａ〜１１０ｈと、作用極導電膜１０４ａ〜１０４ｈも、同一サイズ・同一形状であるため、単一のパターンニング・マスクにより対極導電膜１１０と作用極導電膜１０４の両方を形成できるという製造上のメリットがある。
【００４１】
導電部材を封入する構造ではないため、導電部材を両側から保護するための隔壁は必要ない。この結果、セルの接続部分の隔壁を薄くしやすくなり、有効発電面積を大きく確保できる。いいかえれば、太陽電池モジュール１３０の採光面の面積に占める有効発電面積の割合を大きくできるので、課題１を解決する上で有効である。連結導体はセル１００の外側で形成されるため、課題２、課題３を解決する上で有効である。
【００４２】
図５は、本実施形態の第２例における作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の接続関係を示す平面図である。第２例においては、対極導電膜１１０ｈの外周側端部に突起部１２２ｈ、内周側端部に欠切部１２４ｈが設けられる。一方、隣の対極導電膜１１０ｇの場合には、外周側端部に欠切部１２４ｇ、内周側端部に突起部１２２ｇが設けられる。第２例の対極導電膜１１０においては、突起部１２２と欠切部１２４が内周側と外周側に交互に現れる。作用極導電膜１０４についても同様である。作用極導電膜１０４ｈの外周側端部に欠切部１４２ｈ、内周側端部に突起部１４０ｈが設けられる。隣の作用極導電膜１０４ｇの場合には、外周側端部に突起部１４０ｇ、内周側端部に欠切部１４２ｇが設けられる。第２例の作用極導電膜１０４においては、突起部１４０と欠切部１４２が内周側と外周側に交互に現れる。
【００４３】
セル１００ｈにおいて、対極導電膜１１０ｈの突起部１２２ｈから正極端子１３６が引き出される。セル１００ａにおいて、作用極導電膜１０４ａの突起部１２２ａから負極端子１３４が引き出される。作用極導電膜１０４の上には、金属酸化物層１１４が形成される。金属酸化物層１１４は、外周側端部と内周側端部にそれぞれ欠切部が形成された形状となる。
【００４４】
第２例の場合においても、金属酸化物層１１４ａ〜１１４ｈはいずれも同一サイズ・同一形状となっている。セル１００の電気的特性が同一となるため、太陽電池モジュール１３０全体としての発電効率が高くなる。また、対極導電膜１１０ａ〜１１０ｈと、作用極導電膜１０４ａ〜１０４ｈは、対極導電膜１１０ｈと対極導電膜１１０ｇのような２パターンである。第２例においても、第１例と同様、課題１〜３を解決できる構成となっている。
【００４５】
図６は、比較例における作用極導電膜１０４および対極導電膜１１０の接続関係を示す平面図である。比較例においては、対極導電膜１１０および作用極導電膜１０４は、いずれも扇形であり突起部１４０、１２２や欠切部１４２、１２４を有しない。
【００４６】
比較例の場合、図７に関連して説明した従来型と同様、セル１００とセル１００の間に連結導体を設置している。このため、連結導体を腐食から守るため、連結導体を覆う隔壁が必要となる。この結果、太陽電池モジュール１３０全体としての有効発電面積が低下してしまう。この問題については、図７に関連して説明した通りである。本発明者らの実験によれば、第１例や第２例に比べて比較例の最大出力は約１８％低下することが確認された。連結導体が内蔵される構造となるため、いずれかの連結導体が導通不良となった場合には修復は困難であり、太陽電池モジュール１３０自体を破棄せざるを得なくなる。
【００４７】
一般的には、色素増感型太陽電池のセルは矩形状に形成されることが多い（特許文献１、２参照）。特許文献３では円形のセルを提案するが、単一のセルであるため十分な起電力を確保しにくい。これに対して、本実施形態における色素増感型太陽電池の太陽電池モジュール１３０は、扇形のセルを多数組み合わせることにより円形の太陽電池モジュール１３０を形成している。これにより、十分な起電力の確保しつつデザインのバリエーションを拡大できる。本実施形態における太陽電池モジュール１３０は円形であるが、多角形などその他の放射形状であってもよい。この場合には、セル１００の形状を台形や三角形とすればよい。本実施形態における太陽電池モジュール１３０によれば、従来の矩形型に限らず、さまざまな放射形状にも色素増感型太陽電池を対応させることが可能となる。
【００４８】
セル１００は、外周部分の連結導体により接続される。このため、有効発電面積を確保しつつ、複数のセル１００を直列接続しやすくなる。また、第１例や第２例のような構成によれば、金属酸化物層１１４を同一形状にて形成できるため、セル１００の有効発電面積を均一化しやすい。作用極導電膜１０４と対極導電膜１１０も同一形状であるため、製造プロセスを簡略化できるというメリットもある。
【００４９】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【符号の説明】
【００５０】
１００ セル、１０２ 作用極側基板、１０４ 作用極導電膜、１０８ 対極側基板、１１０ 対極導電膜、１１２ 隔壁、１１４ 金属酸化物層、１１６ 電解質、１１８ 色素、１２２ 突起部、１２４ 欠切部、１２６ 触媒層、１３０ 太陽電池モジュール、１３２ 第１軸、１３４ 正極端子、１３６ 負極端子、１４０ 突起部、１４２ 欠切部、２００ 光、２０２ 基板、２０４ 基板、２０６ 作用極側透明導電層、２０８ 対極側透明導電層、２１０ 半導体層、２１２ 電解質、２１４ 色素、２１６ 隔壁、２２０ セル、２２２ 導電部材、２３０ 太陽電池モジュール。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
採光面側に設けられる電極である作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられる電極である対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池の複数のセルと、
第１のセルの作用極と前記第１のセルに隣接する第２のセルの対極をセルの外壁面上において接続することにより、前記複数のセルを直列接続する連結導体と、を備えることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
各セルは第１の軸に対して回転対称に配置され、前記複数のセルにより放射形状体の全部または一部が形成され、
各セルの作用極および対極の双方には、前記第１の軸に対する回転方向に突起部が設けられ、
前記連結導体は、前記第１のセルの作用極の突出部と前記第２のセルの対極の突出部を接続することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
各セルの作用極および対極の双方には、前記第１の軸に対する回転方向に欠切部が設けられ、
前記第２のセルの作用極に設けられる欠切部には、前記第１のセルの作用極に設けられる突出部が収容され、
前記第１のセルの対極に設けられる欠切部には、前記第２のセルの対極に設けられる突出部が収容されることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
各セルの形状は、前記第１の軸に対する中心角が略同一の扇形であることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
各セルの有効発電面積は略同一であることを特徴とする請求項３または４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記第１の軸に近い側を内周側、遠い側を外周側としたとき、
作用極においては、外周側端部に欠切部と突出部の双方が設けられ、
対極においても、外周側端部に欠切部と突出部の双方が設けられることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記第１の軸に近い側を内周側、遠い側を外周側としたとき、
作用極においては、外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部が設けられ、
対極においても、外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部が設けられることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項１】
採光面側に設けられる電極である作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられる電極である対極から電子を取り込む色素増感型太陽電池の複数のセルと、
第１のセルの作用極と前記第１のセルに隣接する第２のセルの対極をセルの外壁面上において接続することにより、前記複数のセルを直列接続する連結導体と、を備えることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
各セルは第１の軸に対して回転対称に配置され、前記複数のセルにより放射形状体の全部または一部が形成され、
各セルの作用極および対極の双方には、前記第１の軸に対する回転方向に突起部が設けられ、
前記連結導体は、前記第１のセルの作用極の突出部と前記第２のセルの対極の突出部を接続することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
各セルの作用極および対極の双方には、前記第１の軸に対する回転方向に欠切部が設けられ、
前記第２のセルの作用極に設けられる欠切部には、前記第１のセルの作用極に設けられる突出部が収容され、
前記第１のセルの対極に設けられる欠切部には、前記第２のセルの対極に設けられる突出部が収容されることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
各セルの形状は、前記第１の軸に対する中心角が略同一の扇形であることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
各セルの有効発電面積は略同一であることを特徴とする請求項３または４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記第１の軸に近い側を内周側、遠い側を外周側としたとき、
作用極においては、外周側端部に欠切部と突出部の双方が設けられ、
対極においても、外周側端部に欠切部と突出部の双方が設けられることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記第１の軸に近い側を内周側、遠い側を外周側としたとき、
作用極においては、外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部が設けられ、
対極においても、外周側端部および内周側端部の一方に欠切部、他方に突出部が設けられることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−７９４２８（Ｐ２０１２−７９４２８Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０７８２（Ｐ２０１０−２２０７８２）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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