特開 2022-144076 色素増感太陽電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022144076

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】色素増感太陽電池

(51)【国際特許分類】

   H01G 9/20 20060101AFI20220926BHJP

【ＦＩ】

H01G9/20 203C

H01G9/20 203B

H01G9/20 111A

H01G9/20 119

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021044923

(22)【出願日】2021-03-18

(71)【出願人】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】凸版印刷株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100199565

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】中村 やよい

(72)【発明者】

【氏名】小林 君平

(57)【要約】

【課題】小型の色素増感太陽電池を提供すること。
【解決手段】色素増感太陽電池は、複数の第１のユニットと第２のユニットとを有する。第１のユニットは、第１の基板に形成された第１の電極と、第１の基板と対向して配置される第２の基板に形成された第１の対向電極と、第１の電極と第１の対向電極との間に形成された、電子捕集剤と色素とを含む第１の光吸収層と、第１の電解液と、第１の触媒層とを有する。第２のユニットは、第１の基板に形成された第２の電極と、第２の基板に形成された第２の対向電極と、第２の電極と第２の対向電極との間に形成された、電子捕集剤と色素とを含む第２の光吸収層と、第２の電解液と、第２の触媒層とを有する。第１の電解液と第２の電解液とは、第１の光吸収層と第１の触媒層との間及び第２の光吸収層と第２の触媒層との間に共通に充たされた電解液である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の基板に形成された第１の電極と、前記第１の基板と対向して配置される第２の基板に形成された第１の対向電極と、前記第１の電極と前記第１の対向電極との間に形成された、電子捕集剤と色素とを含む第１の光吸収層と、第１の電解液と、第１の触媒層とを有する複数の第１のユニットと、
前記第１の基板に形成された第２の電極と、前記第２の基板に形成された第２の対向電極と、前記第２の電極と前記第２の対向電極との間に形成された、電子捕集剤と色素とを含む第２の光吸収層と、第２の電解液と、第２の触媒層とを有する複数の第２のユニットと、
を具備し、
前記第１のユニット及び前記第２のユニットは、１次元方向又は２次元方向に交互に配置され、
前記第１の電解液と前記第２の電解液とは、前記第１の光吸収層と前記第１の触媒層との間及び前記第２の光吸収層と前記第２の触媒層との間に共通に充たされた電解液である、
色素増感太陽電池。

【請求項2】

前記第１の電極は、前記第１のユニットにおけるアノード電極であり、
前記第１の対向電極は、前記第１のユニットにおけるカソード電極であり、
前記第１の光吸収層は、前記第１の電極の上に形成され、
前記第１の触媒層は、前記第１の対向電極の上に形成され、
前記第２の電極は、前記第２のユニットにおけるカソード電極であり、
前記第２の対向電極は、前記第２のユニットにおけるアノード電極であり、
前記第２の触媒層は、前記第２の電極の上に形成され、
前記第２の光吸収層は、前記第２の対向電極の上に形成されており、
前記第２の電極は、対応する第２のユニットの両隣に配置された２つの第１のユニットのうちの一方の第１の電極と共通の電極であり、
前記第２の対向電極は、対応する第２のユニットの両隣に配置された２つの第１のユニットのうちの他方の第１の対向電極と共通の電極である、
請求項１に記載の色素増感太陽電池。

【請求項3】

前記第１の電極は、前記第１のユニットにおけるアノード電極であり、
前記第１の対向電極は、前記第１のユニットにおけるカソード電極であり、
前記第１の光吸収層は、前記第１の電極の上に形成され、
前記第１の触媒層は、前記第１の対向電極の上に形成され、
前記第２の電極は、前記第２のユニットにおけるアノード電極であり、
前記第２の対向電極は、前記第２のユニットにおけるカソード電極であり、
前記第２の光吸収層は、前記第２の電極の上に形成され、
前記第２の触媒層は、前記第２の対向電極の上に形成され、
前記第２の電極は、対応する第２の電池ユニットの両隣に配置された２つの第１のユニットのそれぞれの第１の電極と共通の電極であり、
前記第２の対向電極は、対応する第２の電池ユニットの両隣に配置された２つの第１のユニットのそれぞれの第１の対向電極と共通の電極である、
請求項１に記載の色素増感太陽電池。

【請求項4】

前記電子捕集剤は、酸化チタンを含む、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の色素増感太陽電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、色素増感太陽電池に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽電池は、ＩｏＴ（Internet of Things)デバイス用の電源及びエナジーハーベスティング素子として期待されている。太陽電池は、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池に大別される。有機系太陽電池の中で、色素増感太陽電池（Dye sensitized Solar Cell: DSC）が知られている。色素増感太陽電池は、光を吸収するための色素と、電解液とを用いた酸化還元反応によって発電する。色素増感太陽電池に用いられる電解液には、固体型電解液と液体型電解液とがある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】山中良亮，“色素増感太陽電池”，シャープ技報，シャープ株式会社，２０１０年２月，第１００巻，ｐ３２－３５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

色素増感太陽電池は、受光面積の増加のために直列接続又は並列接続されたモジュールとして用いられ得る。近年、このような色素増感太陽電池モジュールの小型化が望まれている。

【0005】

実施形態は、小型の色素増感太陽電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一態様の色素増感太陽電池は、複数の第１のユニットと第２のユニットとを有する。第１のユニットは、第１の基板に形成された第１の電極と、第１の基板と対向して配置される第２の基板に形成された第１の対向電極と、第１の電極と第１の対向電極との間に形成された、電子捕集剤と色素とを含む第１の光吸収層と、第１の電解液と、第１の触媒層とを有する。第２のユニットは、第１の基板に形成された第２の電極と、第２の基板に形成された第２の対向電極と、第２の電極と第２の対向電極との間に形成された、電子捕集剤と色素とを含む第２の光吸収層と、第２の電解液と、第２の触媒層とを有する。第１のユニット及び第２のユニットは、１次元方向又は２次元方向に交互に配置されている。第１の電解液と第２の電解液とは、第１の光吸収層と第１の触媒層との間及び第２の光吸収層と第２の触媒層との間に共通に充たされた電解液である。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、小型の色素増感太陽電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る色素増感太陽電池の構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、１つのユニットにおける発電原理を説明するための図である。

【図3】図３は、色素増感太陽電池の動作を説明するための図である。

【図4】図４は、実施形態の変形例に係る色素増感太陽電池の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して実施形態を説明する。図１は、実施形態に係る色素増感太陽電池の構成の一例を示す図である。実施形態に係る色素増感太陽電池１は、複数の色素増感太陽電池のユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４が直列接続されて構成される色素増感太陽電池モジュールである。図１では、ユニットの数は、４つである。ユニットの数は、４つに限定されるものではない。

【0010】

図１で示す４つのユニットのうち、ユニットＵ１及びＵ３は、同一の構造を有する第１のユニットである。また、ユニットＵ２及びＵ４は、ユニットＵ１及びＵ３に対して上下反転された構造を有する第２のユニットである。

【0011】

図１に示すように、色素増感太陽電池１のそれぞれのユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４は、第１の基板１１と第２の基板１２との間に形成される。第１の基板１１は、ガラス基板等の透明基板である。第２の基板１２は、第１の基板１１と対向するように配置される。第２の基板１２は、第１の基板１１と同様に、ガラス基板等の透明基板である。

【0012】

第１の基板１１には、電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃが間隔を空けて形成されている。間隔は、例えば隣接する電極間でのリーク電流等の影響がない程度の間隔である。電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）といった透明導電酸化膜（ＴＣＯ）によって形成される。電極１３ａは、ユニットＵ４のアノード電極として用いられるために第１の基板１１の上のユニットＵ４と対応する位置に形成される。また、電極１３ａは、色素増感太陽電池１の外部に引き出され、図示しない負荷の一端に接続される。電極１３ｂは、ユニットＵ３のカソード電極及びユニットＵ２のアノード電極として共通に用いられるために第１の基板１１の上のユニットＵ３と対応する位置からユニットＵ２と対応する位置にかけて形成されている。電極１３ｃは、ユニットＵ１のカソード電極として用いられるために第１の基板１１の上のユニットＵ１と対応する位置に形成される。また、電極１３ｃは、色素増感太陽電池１の外部に引き出され、図示しない負荷のもう一端に接続される。

【0013】

第２の基板１２には、対向電極１４ａ、１４ｂが間隔を空けて形成されている。対向電極１４ａ、１４ｂは、電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃと同様、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）といった透明導電酸化膜（ＴＣＯ）によって形成される。対向電極１４ａは、ユニットＵ４のカソード電極及びユニットＵ３のアノード電極として用いられるために第２の基板１２の上のユニットＵ４と対応する位置からユニットＵ３と対応する位置にかけて形成されている。対向電極１４ｂは、ユニットＵ２のカソード電極及びユニットＵ１のアノード電極として用いられるために第２の基板１２の上のユニットＵ２と対応する位置からユニットＵ１と対応する位置にかけて形成されている。

【0014】

それぞれのユニットのアノード電極には導電体層１５が形成されている。すなわち、導電体層１５は、電極１３ａのユニットＵ４と対応する位置、対向電極１４ａのユニットＵ３と対応する位置、電極１３ｂのユニットＵ２と対応する位置、対向電極１４ｂのユニットＵ１と対応する位置にそれぞれ形成されている。導電体層１５は、銀等の導電膜で構成される。導電体層１５は、金属よりも高抵抗なＴＣＯで構成される電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃによる損失を抑制するための集電層として設けられ得る。導電体層１５は、省略されてもよい。

【0015】

それぞれの導電体層１５の上には、光吸収層１６が形成されている。光吸収層１６は、電子捕集剤に色素が吸着されて構成された層である。電子捕集剤は、例えば微小な酸化物半導体、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）の集積体である。色素は、例えばルテニウム（Ｒｕ）色素（ＲＵ）（Ｎ７１９色素等）等である。電子捕集剤は、酸化チタンに限らず、例えば酸化亜鉛、酸化錫、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化インジウム及びその複合体等であってもよい。また、色素は、Ｎ７１９色素に限らない。例えば、ルテニウム系色素として、Ｎ３色素、ＢｌａｃｋＤｙｅや、純粋有機色素として、Ｄ１４９、キサンテン、ＰＶＫ、メロシアニン、オキサジン等が用いられてもよい。

【0016】

それぞれのユニットのカソード電極には触媒層１７が形成されている。すなわち、触媒層１７は、対向電極１４ａのユニットＵ４と対応する位置、電極１３ｂのユニットＵ３と対応する位置、対向電極１４ｂのユニットＵ２と対応する位置、電極１３ｃのユニットＵ１と対応する位置にそれぞれ形成されている。触媒層１７は、例えば白金層である。

【0017】

それぞれのユニットの光吸収層１６と触媒層１７との間には、電解液１８が充たされている。電解液１８の溶媒としては、例えばアセトニトリル、メトキシアセトニトリル、炭酸エチレン等が用いられ得る。電解液１８の溶質としては、例えばヨウ素（Ｉ_２）、１，２－ジメチル－３－ｎ－プロピルイミダゾリウムアイオダイド（ＤＭＰＩｍＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、４－ｔｅｒｔ－ブチルピリジン（ＴＢＰ）等が用いられ得る。図１に示すように、実施形態では、電解液１８は、ユニットの間で仕切られていない。すなわち、電解液１８は、ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４で共通化されている。また、電解液１８は、第１の基板１１と、第２の基板１２と、封止層１９とによって封止されている。封止層１９は、例えば樹脂である。

【0018】

図１で示したように、実施形態の色素増感太陽電池１は、第１のユニットと第２のユニットが１次元方向に交互に配置され、第２のユニットの電極が両隣の第１のユニットのうちの一方の電極と共通であり、第２のユニットの対向電極が両隣の第１のユニットのうちの他方の対向電極と共通であるように各ユニットを直列接続したＷ型構造の色素増感太陽電池である。また、実施形態の色素増感太陽電池１では、それぞれのユニットで用いられる電解液が共通化されている。

【0019】

図２は、１つのユニットにおける発電原理を説明するための図である。ここで、図２は、ユニットＵ４を示している。しかしながら、ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３も同様の発電原理に従って発電する。また、以下の例では電子捕集剤は酸化チタン（ＴｉＯ_２）であり、色素はルテニウム（Ｒｕ）色素であり、電解液１８はヨウ素（Ｉ）電解液であるとする。

【0020】

まず、色素増感太陽電池１に光が入射すると、その光は基板に形成された色素１６ａによって吸収される。色素１６ａは、光を吸収することによって励起する。反応式は、例えば以下の（式１）で示される。
Ｒｕ→Ｒｕ^＋＋ｅ^－ （式１）

【0021】

ここで、図２では、光は、第１の基板１１の側から入射している。しかしながら、Ｗ型構造の色素増感太陽電池の場合、光が第２の基板１２の側から入射した場合であっても、色素１６ａは励起する。

【0022】

励起された色素１６ａから放出された電子（ｅ^－）は、例えば多孔質の酸化チタン（ＴｉＯ_２）で構成される電子捕集剤１６ｂに注入される。電子捕集剤１６ｂに注入された電子は、ユニットＵ４のアノード電極である電極１３ａに移動する。

【0023】

一方、電子（ｅ^－）を失った色素１６ａは、電解液１８中の例えばヨウ化物イオン（Ｉ^－）から、電子を供給される。電解液１８中のヨウ化物イオン（Ｉ^－）は、電子（ｅ^－）を色素１６ｂに供給すると三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）になる。反応式は、例えば以下の（式２）、（式３）で示される。
Ｒｕ＋ｅ－→Ｒｕ （式２）
３Ｉ^－→Ｉ_３ ^－＋ｅ^－ （式３）

【0024】

このような酸化反応によって生じた三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）は、ユニットＵ４のカソード電極である対向電極１４ａから電子（ｅ^－）を受け取ろうとする。このとき、対向電極１４ａと電極１３ａとの間には、電位差が発生する。対向電極１４ａと電極１３ａとの間に負荷が接続されていれば、電極１３ａまで移動した電子は、負荷を通って対向電極１４ａまで移動する。そして、対向電極１４ａに達した電子は、三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）によって吸収される。このような還元反応により、三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）はヨウ化物イオン（Ｉ^－）に戻る。反応式は、例えば以下の（式４）で示される。
Ｉ_３ ^－＋ｅ^－→３Ｉ^－ （式４）

【0025】

以上の酸化還元反応が繰り返されることにより、色素増感太陽電池１のユニットは発電する。このような酸化還元反応が起きるためには、励起状態の色素１６ａのエネルギー準位は、電子捕集剤１６ｂのエネルギー準位よりも高く、かつ、基底状態の色素１６ａのエネルギー準位は、電解液１８のエネルギー準位より低いという関係を要する。

【0026】

実施形態の色素増感太陽電池のように、第１の基板１１及び第２の基板１２の何れもが透明基板であり、電極もＴＣＯである場合、第１の基板１１から光が入射した場合であっても、第２の基板１２から光が入射した場合であっても、それぞれのユニットの色素が光によって励起される。ただし、カソード電極の側からの光入射の場合の発電効率のほうが、アノード電極の側からの光入射の場合の発電効率よりも高い。

【0027】

図３は、色素増感太陽電池１の動作を説明するための図である。前述したように、色素増感太陽電池１は、複数のユニットがＷ型構造で配置されて直列接続されている。

【0028】

例えば、ユニットＵ１に着目する。ユニットＵ１に光が入射した場合、図２を参照して説明した原理に従って色素から電子が放出される。色素から放出された電子は、電子捕集剤に受け渡され、その後にアノード電極に移動する。ここで、ユニットＵ１のアノード電極は、ユニットＵ２のカソード電極と共通の電極である。したがって、ユニットＵ１のアノード電極に移動した電子は、ユニットＵ２のカソード電極に移動する。このユニットＵ２のカソード電極に移動した電子は、ユニットＵ２における還元反応に用いられる。

【0029】

同様に、ユニットＵ２における酸化反応に伴って色素から放出された電子は、ユニットＵ２のアノード電極からユニットＵ３のカソード電極に移動する。そして、ユニットＵ３のカソード電極に移動した電子は、ユニットＵ３における還元反応に用いられる。また、同様に、ユニットＵ３における酸化反応に伴って色素から放出された電子は、ユニットＵ３のアノード電極からユニットＵ４のカソード電極に移動する。そして、ユニットＵ４のカソード電極に移動した電子は、ユニットＵ４における還元反応に用いられる。

【0030】

さらに、ユニットＵ４における酸化反応に伴って色素から放出された電子は、ユニットＵ４のアノード電極に移動する。ユニットＵ４のアノード電極は、負荷Ｒ０に接続されている。したがって、ユニットＵ４のアノード電極まで移動した電子は、負荷Ｒ０を介してユニットＵ１のカソード電極まで移動する。そして、ユニットＵ１のカソード電極に移動した電子は、ユニットＵ１における還元反応に用いられる。

【0031】

以上のようなそれぞれのユニットでの酸化還元反応が繰り返されることにより、色素増感太陽電池１は発電する。色素増感太陽電池１は、図２で示した単一のユニットよりも高い発電効率を有する。

【0032】

以上説明したように実施形態によれば、ユニット間が直列接続されたＷ型構造の色素増感太陽電池において、それぞれのユニットの電解液が共通化されている。つまり、実施形態の色素増感太陽電池は、従来のＷ型構造の色素増感太陽電池のようにユニット間を仕切るための隔壁等を有していない。このため、実施形態の色素増感太陽電池は、従来のＷ型の色素増感太陽電池よりも小型化され得る。

【0033】

また、Ｗ型構造の色素増感太陽電池において、ユニットが直列接続される場合、隣接するユニットは互いに上下反転されているため、ユニット間を接続する電極が共通化され得る。この場合、ユニット間の直列抵抗Ｒ１は低くなる。ユニット間の直列抵抗Ｒ１が低くなることにより、ユニット間を移動する電子の電子密度の低下が抑制される。ユニット間での電子密度の低下は、ユニット間での酸化還元反応の不均一化を招く。これにより、色素増感太陽電池は安定して動作できなくなる。実施形態では、このようなユニット間での酸化還元反応の不均一が抑制され、色素増感太陽電池は安定して動作し得る。

【0034】

［変形例］
以下、実施形態の変形例を説明する。実施形態では、ユニットＵ１－Ｕ４は１次元方向に並べられている。これに対し、ユニットは、２次元方向に並べられてもよい。この場合も、電解液１８はユニット間で共通化できる。また、第２のユニットの電極が両隣の第１のユニットのうちの一方の電極と共通であり、第２のユニットの対向電極が両隣の第１のユニットのうちの他方の対向電極と共通であるように各ユニットが直列接続されればよい。

【0035】

また、実施形態では、Ｗ型構造の色素増感太陽電池においてユニット間の電解液が共通化されている。これに対し、図４に示すように、ユニットがＺ型構造の並列接続された色素増感太陽電池においてもユニット間の電解液が共通化され得る。図４の色素増感太陽電池１は、ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４は同一の構造である。つまり、第１の基板１１にそれぞれのユニットの光吸収層１６が形成され、第２の基板１２にそれぞれのユニットの触媒層１７が形成される。この変形例では、色素増感太陽電池のそれぞれのユニットは、並列接続される。このため、変形例では第１の基板１１に１つの電極１３が形成されていればよく、また、第２の基板１２に１つの対向電極１４が形成されていればよい。また、Ｗ型構造の直列接続の色素増感太陽電池では、ユニットＵ４のアノード電極である第１の基板１１に形成された電極１３ａと、ユニットＵ１のカソード電極である第１の基板１１に形成された電極１３ｃとがそれぞれ負荷に接続される。これに対し、Ｚ型の並列接続の色素増感太陽電池では、ユニットＵ４のアノード電極である第１の基板１１に形成された電極１３と、ユニットＵ１のカソード電極である第２の基板１２に形成された対向電極１４とがそれぞれ負荷に接続される。

【0036】

図４のような色素増感太陽電池でも小型化が図られつつ、ユニット間での酸化還元反応の不均一が抑制され、色素増感太陽電池は安定して動作し得る。

【0037】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

【符号の説明】

【0038】

１ 色素増感太陽電池、１１ 第１の基板、１２ 第２の基板、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 電極、１４，１４ａ，１４ｂ 対向電極、１５ 導電体層、１６ 光吸収層、１６ａ 色素、１６ｂ 電子捕集剤、１７ 触媒層、１８ 電解液、１９ 封止層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】