特許第5728864号(P5728864)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5728864
(24)【登録日】2015年4月17日
(45)【発行日】2015年6月3日
(54)【発明の名称】太陽電池モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01G 9/20 20060101AFI20150514BHJP
【FI】
   H01G9/20 203Z
   H01G9/20 203B
   H01G9/20 309
   H01G9/20 303B
【請求項の数】8
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2010-212298(P2010-212298)
(22)【出願日】2010年9月22日
(65)【公開番号】特開2012-69342(P2012-69342A)
(43)【公開日】2012年4月5日
【審査請求日】2013年8月2日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(72)【発明者】
【氏名】篠原 秀則
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 満成
【審査官】 吉田 安子
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−268175(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2008/0223431(US,A1)
【文献】 特開平07−287081(JP,A)
【文献】 特開2007−012730(JP,A)
【文献】 特開2005−277045(JP,A)
【文献】 特開2011−119498(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01G 9/20
H01M 14/00
H01L 31/04
(57)【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を有する太陽電池サブモジュールを複数有する太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池サブモジュールは、第1のセルの作用極と前記第1のセルとは異なる第2のセルの対極を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を備え、かつ、各セルは前記作用極と垂直な第1の軸に対して回転対称に配置され、
前記太陽電池サブモジュールは前記太陽電池モジュールの中心点を通り、前記作用極と垂直な第2の軸に対して回転対称に配置され、
各太陽電池サブモジュールに対応する前記第1の軸は前記第2の軸とずれていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項2】
各セルの形状は、前記第1の軸に対する中心角が同一の扇形であ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】
各セルの有効発電面積は同一であることを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池モジュール。
【請求項4】
前記太陽電池サブモジュールの形状は、前記第2の軸に対する中心角が同一の扇形であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項5】
前記太陽電池モジュールは、前記太陽電池サブモジュール中心点を中心とする円形であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項6】
前記複数のセルそれぞれに含まれる電解質を分離する内部隔壁は、電解質と外界を分離する外部隔壁よりも薄く形成されることを特徴とする請求項1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】
第1の太陽電池サブモジュールの正極端子と前記第1の太陽電池サブモジュールとは異なる第2の太陽電池サブモジュールの負極端子を接続することにより、複数の太陽電池サブモジュールが直列接続されることを特徴とする請求項1から6に記載の太陽電池モジュール。
【請求項8】
前記外部隔壁の幅をW1、前記内部隔壁の幅をW2としたとき、
前記第1の軸は、前記第2の軸に対して、W1−(W2/2)分だけオフセットされた位置に設定されることを特徴とする請求項6に記載の太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、色素増感型の太陽電池に関し、特に、太陽電池セルの構造および配置、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)は注目されている。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2004−119082号公報
【特許文献2】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】
【0004】
セルの発電効率を高めるためには、セルが光を受け取る部分の面積(以下、「有効発電面積」とよぶ)を大きくする必要がある。また、色素増感型太陽電池を利用するさまざまな製品の外表面にセルを効率的に配置できることも重要もある。そのためにはさまざまなサイズや形状のセルを用意できることが望ましい。
【0005】
色素増感型太陽電池のセルの起電力は、通常、0.3〜0.7(V)程度である。一つのセルの起電力で足りないときには、複数のセルを直列接続する。この直列回路の発電効率を高めるためには、各セルの内部抵抗やインピーダンスといった電気的特性を一致させる必要がある。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、色素増感型太陽電池の発電効率とデザイン性の双方を両立させやすいセルの構造および配置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明にかかる太陽電池サブモジュールは、採光面側に設けられる作用極から電子を発生させ、非採光面側に設けられ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のセルとは異なる第2のセルの対極を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。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る。
【0008】
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サブ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。
【0009】
各セルの形状は、第1の軸に対する中心角が同一の扇形であってもよい。ここでいう同一とは、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。

【0010】
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。
【0011】
複数のセルそれぞれに含まれる電解質を分離する内部隔壁を、電解質と外界を分離する外部隔壁よりも薄く形成してもよい。セルの内部隔壁を薄くすることにより、有効発電面積をいっそう拡大しやすくなる。また、外部隔壁を厚くすることにより、外界のストレスからセルを守りやすくなる。
【0012】
本発明にかかる太陽電池モジュールは、上述の太陽電池サブモジュールを複数備える。この太陽電池モジュールにおいては、第1の太陽電池サブモジュールの正極端子と第2の太陽電池サブモジュールの負極端子を接続することにより、複数の太陽電池サブモジュールが直列接続される。
【0013】
複数の太陽電池サブモジュールを直列接続することにより、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、太陽電池モジュールの使用数に応じて太陽電池モジュールの起電力や形状を柔軟に変更できる。
【0014】
各太陽電池サブモジュールは太陽電池モジュールの中心軸である第2の軸に対して回転対称に配置される。複数の太陽電池サブモジュールにより放射形状体の全部または一部が形成される。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幅を拡げることができる。
【0015】
各太陽電池サブモジュールの形状は、第2の軸に対する中心角が略同一の扇形であってもよい。
【0016】
外部隔壁の幅をW1、内部隔壁の幅をW2としたとき、第1の軸は、第2の軸に対して、W1−(W2/2)分だけオフセットされた位置に設定されてもよい。
【0017】
このようなオフセットを設けることにより、設計上、各セルの有効発電面積を均一化させやすくなる。詳細については後述する。
【0018】
本発明にかかる時計においては、上述の太陽電池モジュールの採光面上にアナログ時計の文字盤が形成される。また、文字盤の中心に第2の軸を設定し、かつ、第1の軸に対する各セルの中心角をいずれも略30度に設定してもよい。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、色素増感型太陽電池の発電効率とデザイン性を両立させやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
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】色素増感型太陽電池のサブ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】色素増感型太陽電池のモジュールの平面図である。
図5】中心点近辺におけるモジュールの拡大平面図である。
図6】モジュールにおけるセルの作図方法を説明するための模式図である。
図7図6の作図方法にしたがって描いたモジュールの設計図である。
図8】本実施形態におけるモジュールを応用した時計の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
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では、1つ分のセル100について、その構造と原理を説明する。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z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。
【0023】
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をまとめて「対極」とよぶ。対極側基板108の材質は、ガラスやプラスチック等である。対極導電膜110の材料としては、金属、導電性酸化物等を用いることができる。対極側基板108は、非採光面側の基板であるため、光透過性の材質でなくてもよい。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(Pt)を用いることが好ましい。
【0024】
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。作用極導電膜104の材質は、スズドープ酸化インジウム(ITO:Indium Tin Oxide)、または、フッ素ドープ酸化スズ(FTO:Fluorine doped tin oxide)等の光透過性の導電材料が好ましい。作用極側基板102は、ガラス、または、プラスチックなどの光透過性の材料を用いる必要がある。
【0025】
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。電解質116は、ヨウ素(I2)を溶かした電解液である。金属酸化物層114の材料は、酸化チタン(TiO2)および酸化亜鉛(ZnO)を用いることができる。金属酸化物層114は多孔質に形成され、色素118が吸着される。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。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。
【0026】
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の色素118が励起され、色素118は電子を放出する。電子は、作用極導電膜104に放出される。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、対極導電膜110から電解質116内に到達する。電子は電解質116中のヨウ素イオンを酸化し、ヨウ素イオンは色素118により還元される。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。
【0027】
図2は、サブモジュール130の概略斜視図である。本実施形態における色素増感型太陽電池のサブモジュール130(以下、単に「サブモジュール130」とよぶ)は、3つのセル100a、100bおよび100cを含む。各セル100の形状は中心角30度の扇形であり、サブモジュール130の形状は中心角90度の扇形である。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。同図左側から、セル100a、100b、100cの順に連結される。
【0028】
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。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。セル100cの対極導電膜110からは正極端子136が引き出される。
【0029】
この結果、負極端子134と正極端子136の間において、3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、サブモジュール130全体としての起電力は0.5×3=1.5(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、サブモジュール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5等に関連して後述する。
【0030】
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の外周部分の一端には突起部122a、他端には切片部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、他端には切片部142aが設けられる。セル100aの作用極導電膜104aの切片部142aには、隣のセル100bの作用極導電膜104bの突起部140aが入り込む。また、セル100aの対極導電膜110aの突起部122aは、隣のセル100bの作用極導電膜104bの突起部140bと対向する。ここで、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。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。
【0031】
図4は、モジュール150の平面図である。本実施形態における色素増感型太陽電池モジュール150(以下、単に「モジュール150」とよぶ)は、4つのサブモジュール130a〜130dを含む。サブモジュール130は中心角90度の扇形物体であるため、モジュール150の形状は真円となる。サブモジュール130aの正極端子136は、隣接するサブモジュール130bの負極端子134と接続される。同様に、サブモジュール130bの正極端子136はサブモジュール130cの負極端子134、サブモジュール130cの正極端子136はサブモジュール130dの負極端子134と接続される。モジュール150全体としての負極端子134および正極端子136は、サブモジュール130a、130dからそれぞれ引き出される。
【0032】
サブモジュール130においては3個のセル100が直列接続されるため、モジュール150全体としては3×4=12個のセル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、モジュール150全体の起電力は0.5×12=6.0(V)となる。
【0033】
サブモジュール130の動作安定性を確保するためには、外界の水分や酸素等のセル100内部への進入や、セル100内部の電解質116の漏出を防止する必要がある。各セル100は、隔壁112によって分離されている。本実施形態においては、セル100の外壁部分に位置する隔壁112(外部隔壁)は厚く、セル100とセル100の接続部分に位置する隔壁112(内部隔壁)はそれよりも薄い。外部隔壁には外界からのストレスがかかりやすく、内部隔壁にはこういったストレスがかかりにくいためである。したがって、内部隔壁を外部隔壁より薄くしても、セル100の堅牢性はそれほど損なわれない。また、内部隔壁を薄くすれば、金属酸化物層114の面積、いいかえれば、有効発電面積を拡大させやすくなる。外部隔壁の厚さをW1、内部隔壁の厚さをW2とすると、W1>W2であることが望ましい。
【0034】
モジュール150の中心点をOとする。いうまでもなく、各サブモジュール130はこの中心点Oを通る第2軸に対して回転対称となるように配置されている。ただし、モジュール150の中心点Oと、各サブモジュール130の集約点Pには若干のずれ(オフセット)が設けられる。詳細については次の図5に関連して後述する。
【0035】
図5は、中心点O近辺におけるモジュール150の拡大平面図である。図5は、特に、サブモジュール130aの集約点Pa近辺を示している。中心点Oの座標を原点(0,0)とすると、サブモジュール130aの集約点Paの座標は(W1−W2/2,W1−W2/2)に設定される。サブモジュール130bの集約点Pbの座標は(W1−W2/2,−W1+W2/2)、サブモジュール130cの集約点Pcの座標は(−W1+W2/2,−W1+W2/2)、サブモジュール130dの集約点Pdの座標は(−W1+W2/2,W1−W2/2)である。
【0036】
本実施形態においては、外部隔壁の厚みW1=2.5(mm)、内部隔壁の厚みW2=1.5(mm)、モジュール150自体の外径=87.5(mm)、内径=16.5(mm)であるとする。上記の位置に集約点Paを設定した場合、計算上、セル100a、セル100cの有効発電面積は共に326.6(平方mm)となり、セル100bの有効発電面積は323.1(平方mm)となった。
【0037】
一方、集約点Paと中心点Oを一致させた場合には、セル100a、セル100cの有効発電面積は共に314.8(平方mm)となり、セル100bの有効発電面積は364.2(平方mm)となる。
【0038】
すなわち、集約点Paを(W1−W2/2,W1−W2/2)だけ中心点Oからずらした方が、セル100a〜100cの有効発電面積を均一化しやすい。オフセットによりサブモジュール130a全体としての総有効発電面積は若干減少するものの、有効発電面積の均一化によりサブモジュール130a全体としての発電効率は高くなる。また、デザイン面においても、各セル100の形状・面積を統一できる方が好ましい。
【0039】
図6は、モジュール150におけるセル100の作図方法を説明するための模式図である。モジュール150の外側半径をR1、内側半径をR4とする。また、中心点Oからセル100の有効発電領域の外周までの距離をR2、中心点Oからセル100の有効発電領域の内周までの距離をR3とする。外部隔壁の厚みはW1なので、R1=R2+W1、R4=R3−W1である。ここでは、第1象限のサブモジュール130aに関する作図方法について説明する。
【0040】
1.中心点Oからd=W1−W2/2だけずらした位置に集約点Paを設定する。
2.集約点Paを中心として、半径R1−s(2)×d、中心角90度の第1円弧160を描く。ここでs(2)は、2の平方根を表し、約1.414である。集約点Paと中心点0の距離がs(2)×dとなるため、集約点Paを中心として描く第1円弧160の半径は、R1−s(2)×dとなる。第1円弧160は、厳密には、モジュール150の外縁とは一致しない。
3.集約点Paを中心として、R1−s(2)×d−W1の第2円弧162を描く。
4.集約点Paを中心として、半径R4−s(2)×d、中心角90度の第4円弧166を描く。
5.集約点Paを中心として、半径R4−s(2)×d+W1の第3円弧164を描く。
6.中心角90度の各円弧を3等分する3等分直線168を描く。
7.3等分直線168の幅をW2に設定することにより、内部隔壁領域を決定する。
8.x軸およびy軸の幅を2×W1に設定することにより、外部隔壁領域を設定する。
【0041】
第2〜第4象限についても同様である。中心点Oと各集約点Paが不一致となるため、中心部の貫通孔は真円である必要はない。図7は、以上の作図方法により描いたモジュール150の設計図である。
【0042】
図8は、本実施形態におけるモジュール150を応用した時計170の外観図である。時計170の時計盤表面は、採光面となっている。このため、時計盤のほぼ全面から光を取り込むことが可能である。また、セル100の中心角はいずれも30度に統一されている。内部隔壁の位置がちょうど時間の区切りに対応するため、デザイン上の違和感が生じにくいというメリットもある。また、内部隔壁をシンメトリーに配置することは美観の面からも好ましい。
【0043】
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1参照)。特許文献2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モジュール150は、扇形のセルを多数組み合わせることにより円形のモジュール150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モジュール150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モジュール150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。
【0044】
また、モジュール150は複数のサブモジュール130により構成され、サブモジュール130は複数のセル100により構成される。サブモジュール130の組み合わせによりモジュール150を形成するため、可搬性に優れるという特徴がある。1つのモジュール150に含まれるサブモジュール130の数は任意である。触媒層126を構成するときには真空成膜装置が使用される。サブモジュール130が大きい場合には真空成膜装置も大規模なものを使用する必要がある。したがって、サブモジュール130の製造プロセスの観点からは、サブモジュール130は小さい方が好ましい。一方、サブモジュール130の組立プロセスの観点からは、サブモジュール130は大きい方が好ましい。したがって、サブモジュール130の数やサイズについては、製造条件や作業条件に基づいて最適値を決定すればよい。
【0045】
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】
【0046】
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 切片部、126 触媒層、130 サブモジュール、132 第1軸、134 負極端子、136 正極端子、140 突起部、142 切片部、150 モジュール、160 第1円弧、162 第2円弧、164 第3円弧、166 第4円弧、168 3等分直線、170 時計、200 光。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8