特許 7030291 両面受光型色素増感太陽電池

(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】

(24)【登録日】2022-02-25

(45)【発行日】2022-03-07

(54)【発明の名称】両面受光型色素増感太陽電池

(51)【国際特許分類】

   H01G 9/20 20060101AFI20220228BHJP

【ＦＩ】

H01G9/20 111B

H01G9/20 111A

H01G9/20 115A

H01G9/20 307

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019204252

(22)【出願日】2019-11-11

(65)【公開番号】P2021048380

(43)【公開日】2021-03-25

【審査請求日】2019-11-12

(31)【優先権主張番号】108133238

(32)【優先日】2019-09-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504455908

【氏名又は名称】国立成功大学

(74)【代理人】

【識別番号】100158067

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 基

(72)【発明者】

【氏名】李 玉郎

(72)【発明者】

【氏名】劉 一平

(72)【発明者】

【氏名】卓 育軒

【審査官】原 和秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２２２９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１０１９５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｇ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

両面受光型色素増感太陽電池であって、
第１光透過性基板と、
当該第１光透過性基板との間に収容空間が形成される第２光透過性基板と、
当該収容空間に位置するように当該第１光透過性基板に設けられる作用電極と、
当該収容空間に位置するように当該作用電極に設けられ、第１厚さを有するとともに、
第１平均粒径を有する複数の第１半導体粒子を含む第１半導体層と、
当該収容空間に位置するように当該第１半導体層に設けられ、第２厚さを有するとともに、当該第１平均粒径よりも大きい第２平均粒径を有する複数の第２半導体粒子を含む第
２半導体層と、
当該収容空間に位置するように当該第２半導体層に設けられ、当該第１厚さ以上である第３厚さを有するとともに、当該第２平均粒径よりも小さい第３平均粒径を有する複数の第３半導体粒子を含む第３半導体層と、
当該収容空間に位置するように当該第２光透過性基板に設けられる対電極と、
当該収容空間に位置するように当該対電極に設けられる光透過性触媒層と、
当該収容空間に充填される液体電解質と、を含み、
当該第１半導体層及び当該第３半導体層は、光吸収層として使用され、当該第２半導体層は光線の散乱層として使用され、
当該第３平均粒径は、実質的に当該第１平均粒径と同じであり、
当該第３厚さが５～７μｍである、両面受光型色素増感太陽電池。

【請求項2】

当該第１厚さが１～６μｍである、請求項１に記載の両面受光型色素増感太陽電池。

【請求項3】

当該第２厚さが１～６μｍである、請求項１に記載の両面受光型色素増感太陽電池。

【請求項4】

当該第１半導体層、当該第２半導体層及び当該第３半導体層のうちのいずれか一つの材質は、二酸化チタン、二酸化スズ、酸化ニッケル及び酸化亜鉛のうちのいずれか一種を含む、請求項１に記載の両面受光型色素増感太陽電池。

【請求項5】

当該光透過性触媒層の材質は、プラチナ及びポリ－３，４－エチレンジオキシチオフェンのうちのいずれか一種を含む、請求項１に記載の両面受光型色素増感太陽電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池に関し、特に両面受光型色素増感太陽電池に関するものである。

【背景技術】

【0002】

最近数十年、太陽電池は、進化し続けており、将来石油を代替する主要なエネルギー源の一つである可能性がある。現在、太陽電池は、その種類が非常に多様化している。例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、薄膜、有機、ペロブスカイト構造材料又は色素増感などの太陽電池が挙げられる。

【0003】

色素増感太陽電池を対象とする多くの研究が行われてきた。例えば、２０１９年９月に、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓで「準固体色素増感太陽電池におけるＴｉＯ_２ナノフィラーの役割を解釈する新しいメカニズム(Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ；Ａ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＴｉＯ_２ ｎａｎｏｆｉｌｌｅｒｓ ｉｎ ｑｕａｓｉ－ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ)」という題名の文章が発表され、また２０１９年４月に、ＡＣＳ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇで「室内光条件下で効率的で安定した発電のための準固体色素増感太陽電池(Ｑｕａｓｉ－Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｄｙｅ－Ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ Ｓｔａｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｕｎｄｅｒ Ｒｏｏｍ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ)」という題名の文章などが発表されている。

【0004】

しかしながら、従来の太陽電池の光電変換効率は依然として明らかに不十分である。したがって、従来技術に存在する問題を解決するために、両面受光型色素増感太陽電池を提供する必要がある。

【発明の概要】

【0005】

本発明の目的の一つは、主に特定の作用電極構造（それぞれが特定の厚さ及び特定の平均粒径を有する３つの半導体層を含む）を用いることにより、従来の太陽電池の光電変換効率を改善するための両面受光型色素増感太陽電池を提供することにある。

【0006】

上記の目的を達成するために、本発明は、第１光透過性基板と、第２光透過性基板と、作用電極と、第１半導体層と、第２半導体層と、第３半導体層と、対電極と、光透過性触媒層と、液体電解質と、を含む両面受光型色素増感太陽電池を提供する。当該第２光透過性基板と当該第１光透過性基板との間には、収容空間が形成される。当該作用電極は、当該収容空間に位置するように当該第１光透過性基板に設けられる。当該第１半導体層は、当該収容空間に位置するように当該作用電極に設けられ、第１厚さを有するとともに、第１平均粒径を有する複数の第１半導体粒子を含む。当該第２半導体層は、当該収容空間に位置するように当該第１半導体層に設けられ、第２厚さを有するとともに、当該第１平均粒径よりも大きい第２平均粒径を有する複数の第２半導体粒子を含む。当該第３半導体層は、当該収容空間に位置するように当該第２半導体層に設けられ、当該第１厚さ以上である第３厚さを有するとともに、当該第２平均粒径よりも小さい第３平均粒径を有する複数の第３半導体粒子を含む。当該対電極は、当該収容空間に位置するように当該第２光透過性基板に設けられる。当該光透過性触媒層は、当該収容空間に位置するように当該対電極に設けられる。当該液体電解質は、当該収容空間に充填される。

【0007】

本発明の実施例では、当該第１平均粒径が１５～２５ｎｍである。

【0008】

本発明の実施例では、当該第２平均粒径が３５０～４５０ｎｍである。

【0009】

本発明の実施例では、当該第３平均粒径が１５～２５ｎｍである。

【0010】

本発明の実施例では、当該第１厚さが１～６μｍである。

【0011】

本発明の実施例では、当該第２厚さが１～６μｍである。

【0012】

本発明の実施例では、当該第３厚さが１～１２μｍである。

【0013】

本発明の実施例では、当該第３厚さが５～７μｍである。

【0014】

本発明の実施例では、当該第１半導体層、当該第２半導体層及び当該第３半導体層のうちのいずれか一つの材質は、二酸化チタン、二酸化スズ、酸化ニッケル及び酸化亜鉛のうちのいずれか一種を含む。

【0015】

本発明の実施例では、当該光透過性触媒層の材質は、プラチナ及びポリ－３，４－エチレンジオキシチオフェンのうちのいずれか一種を含む。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池の概略断面図である。

【図2】異なる場合における第２光透過性基板の光透過率の分析結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の上記及び他の目的、特徴、利点をより明白かつ理解可能にするために、以下、本発明の好適実施例を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。また、例えば上、下、頂、底、前、後、左、右、内、外、側面、周囲、中央、水平、横方向、垂直、縦方向、軸方向、径方向、最上層又は最下層などの本発明で言及される方向用語は、添付図面の方向を参照するに過ぎない。したがって、使用される方向用語は、本発明を説明及び理解するためのものであり、本発明を制限するものではない。

【0018】

図１を参照して、本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０は、第１光透過性基板１１と、第２光透過性基板１２と、作用電極１３と、第１半導体層１４と、第２半導体層１５と、第３半導体層１６と、対電極１７と、光透過性触媒層１８と、液体電解質１９と、を含む。実施例では、当該第１光透過性基板１１は、例えば、ガラス基板又はプラスチック基板である。実施例では、当該第２光透過性基板１２は、例えば、ガラス基板又はプラスチック基板である。なお、本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０は、当該第１光透過性基板１１及び当該第２光透過性基板１２からそれぞれ光線を収集し、光線を電力に変換するためのものである。一方、当該第２光透過性基板１２と当該第１光透過性基板１１との間には、収容空間１２Ａが形成され、当該収容空間は、主に、当該作用電極１３、当該第１半導体層１４、当該第２半導体層１５、当該第３半導体層１６、当該対電極１７、当該光透過性触媒層１８及び当該液体電解質１９を収容するためのものである。実施例では、当該第１光透過性基板１１と当該第２光透過性基板１２との間に接着剤（不図示）が設けられる。接着剤は、当該収容空間１２Ａを密閉するように当該収容空間１２Ａを取り囲む。

【0019】

本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０の作用電極１３は、当該収容空間１２Ａに位置するように当該第１光透過性基板１１に設けられる。当該作用電極１３は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）などの各種の適切な光透過性導電材質から選択してもよい。

【0020】

本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０の第１半導体層１４は、当該作用電極１３に設けられるものであって、第１厚さ１４Ａを有するとともに複数の第１半導体粒子１４１を含み、複数の第１半導体粒子１４１は、第１平均粒径を有する。当該第１半導体層１４は、主に光吸収層として使用される。実施例では、当該第１厚さは１～６μｍである。一例として、当該第１厚さは、例えば、２、３、４又は５μｍである。他の実施例では、当該第１平均粒径は１５～２５ｎｍである。一例として、当該第１平均粒径は、例えば、１６、１８、２０、２１、２２、２３又は２４ｎｍである。ここで、当該第１半導体層１４は、主に複数の第１半導体粒子１４１を積層してなされたものであり、当該第１半導体層１４を形成するために用いられる各種の補助剤（図示しない）を含んでもよい。例えば、当該第１半導体層１４は、スクリーン印刷により当該第１光透過性基板１１上に形成され、当該スクリーン印刷を実施する過程で各種の補助剤を使用してもよい。さらに、別の実施例では、当該第１半導体層１４の材質は、二酸化チタン、二酸化スズ、酸化ニッケル及び酸化亜鉛のうちのいずれか一種を含む。

【0021】

当該第２半導体層１５は、当該第１半導体層１４に設けられるものであって、第２厚さ１５Ａを有するとともに複数の第２半導体粒子１５１を含み、複数の第２半導体粒子１５１は、当該第１平均粒径よりも大きい第２平均粒径を有する。ここで、当該第２平均粒径が当該第１平均粒径よりも大きいため、当該第２半導体層１５は、主に光線の散乱層として使用され、光電効果が発生しなかった光線を再び散乱させて当該第１半導体層１４（又は後述の第３半導体層１６）に戻すことにより、光電変換効率を改善することができる。実施例では、当該第２厚さは１～６μｍである。一例として、当該第２厚さは、例えば、２、３、４又は５μｍである。他の実施例では、当該第２平均粒径は３５０～４５０ｎｍである。一例として、当該第１平均粒径は、例えば、３６０、３８０、４００、４１０、４２０、４３０又は４４０ｎｍである。ここで、当該第２半導体層１５は、主に複数の第２半導体粒子１５１を積層してなされたものであり、当該第２半導体層１５を形成するために用いられる各種の補助剤（図示しない）を含んでもよい。例えば、当該第２半導体層１５は、スクリーン印刷により当該第１半導体層１４上に形成され、当該スクリーン印刷を実施する過程で各種の補助剤を使用してもよい。さらに、別の実施例では、当該第２半導体層１５の材質は、二酸化チタン、二酸化スズ、酸化ニッケル及び酸化亜鉛のうちのいずれか一種を含む。

【0022】

当該第３半導体層１６は、当該第２半導体層１５に設けられるものであって、第３厚さ１６Ａを有するとともに複数の第３半導体粒子１６１を含み、複数の第３半導体粒子１６１は、第３平均粒径を有し、当該第２平均粒径は、当該第３平均粒径よりも大きい。当該第３半導体層１６は、主に光吸収層として使用される。実施例では、当該第３厚さは１～１２μｍである。一例として、当該第３厚さは、例えば、２、３、５、７、９、１０又は１１μｍである。他の実施例では、当該第３厚さは５～７μｍである。当該第３平均粒径は１５～２５ｎｍである。一例として、当該第３平均粒径は、例えば、１６、１８、２０、２１、２２、２３又は２４ｎｍである。ここで、当該第３半導体層１６は、主に複数の第３半導体粒子１６１を積層してなされたものであり、当該第３半導体層１６を形成するために用いられる各種の補助剤（図示しない）を含んでもよい。例えば、当該第３半導体層１６は、スクリーン印刷により当該第２半導体層１５上に形成され、当該スクリーン印刷を実施する過程で各種の補助剤を使用してもよい。さらに、別の実施例では、当該第３半導体層１６の材質は、二酸化チタン、二酸化スズ、酸化ニッケル及び酸化亜鉛のうちのいずれか一種を含む。

【0023】

実施例では、当該第１半導体層１４、当該第２半導体層１５及び当該第３半導体層１６は、例えば多孔質のものであり、光増感色素を吸着してもよい。

【0024】

実施例では、当該第２平均粒径は、当該第１平均粒径及び当該第３平均粒径よりも明らかに大きい。例えば、当該第２平均粒径の数値は、当該第１平均粒径の数値の１５～２７倍であり、当該第２平均粒径の数値は、当該第３平均粒径の数値の１５～２７倍である。

【0025】

本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０の対電極１７は、当該収容空間１２Ａに位置するように当該第２光透過性基板１２に設けられる。実施例では、当該対電極１７は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）など、各種の適切な光透過性導電材質から選択してもよい。

【0026】

本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０の液体電解質１９は、当該収容空間１２Ａに充填される。実施例では、液体電解質１９は、太陽電池に有用であることが知られる任意の液体電解質を採用してもよい。

【0027】

実施例では、当該両面受光型色素増感太陽電池１０は、当該収容空間１２Ａに位置するように当該対電極１７に設けられる光透過性触媒層１８をさらに含む。実施例では、当該光透過性触媒層の材質は、プラチナ及びポリ－３，４－エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）のうちのいずれか一種を含む。一例として、当該光透過性触媒層の厚さは、例えば、５～２００ｎｍである。ここで、当該光透過性触媒層の材質としてプラチナを使用する場合、プラチナの厚さは、光透過性を達成する必要があり、例えば、５～１５ｎｍである。

【0028】

ここで、本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０の一つの特徴は、少なくとも三つの半導体層（第１半導体層１４、第２半導体層１５及び第３半導体層１６）を有する作用電極１３により、従来の太陽電池の光電変換効率を改善することにある。より具体的に、当該第１半導体層１４及び当該第３半導体層１６は、主に光吸収層として使用され、それぞれ当該第１光透過性基板１１及び当該第２光透過性基板１２から入射される光線を吸収することができる。また、当該第２半導体層１５は、主に散乱層として使用され、吸収されない光線をそれぞれ散乱させて当該第１半導体層１４及び当該第３半導体層１６に戻すことにより、光電変換効率を改善することができる。

【0029】

また、本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池１０の他の特徴は、光電変換効率をさらに改善するために、当該第３半導体層１６の第３厚さを５～７μｍとすることにある。

【0030】

本発明の実施例に係る両面受光型色素増感太陽電池によれば、光電変換効率を確実に改善できることを説明するために、いくつかの実施例及び一つの比較例を以下に示す。

【0031】

実施例１
作用電極としてフッ素ドープ酸化スズを第１ガラス基板上に形成する。次に、各半導体層の材質として二酸化チタンを採用し、第１半導体層、第２半導体層及び第３半導体層をスクリーン印刷により順次形成する。当該第１半導体層の第１厚さは約２．７３μｍであり、当該第１半導体層は、複数の第１半導体粒子を含み、これらの第１半導体粒子の第１平均粒径は約２０ｎｍである。当該第２半導体層の第２厚さは約２．７３μｍであり、当該第２半導体層は、複数の第２半導体粒子を含み、これらの第２半導体粒子の第２平均粒径は約４００ｎｍである。当該第３半導体層の第３厚さは約２．７３μｍであり、当該第３半導体層は、複数の第３半導体粒子を含み、これらの第３半導体粒子の第３平均粒径は約２０ｎｍである。

【0032】

次に、当該第１半導体層、当該第２半導体層及び当該第３半導体層に光増感色素を吸着させる。それから、対電極としてフッ素ドープ酸化スズを第２ガラス基板上に形成する。その後、光透過性触媒層として光透過性プラチナ層を当該対電極上に形成するとともに、当該第１ガラス基板と当該第２ガラス基板との間に形成された収容空間に液体電解質を充填し、当該光透過性プラチナ層の厚さは約１０ｎｍである。最後に、当該収容空間を密閉し、実施例１の両面受光型色素増感太陽電池を完成させる。

【0033】

実施例２
実施例２の製造方法は、実施例２の光透過性触媒層の材質にポリ－３，４－エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）を採用し、当該ＰＥＤＯＴ触媒層の厚さが約１００ｎｍであることを除いて、実施例１とほぼ同じである。

【0034】

実施例３～４
実施例３～４の製造方法は、実施例３～４においてそれぞれ二回及び三回のスクリーン印刷により異なる厚さ（６．５１μｍ及び９．５μｍ）を有する第３半導体層を形成することを除いて、実施例１とほぼ同じである。

【0035】

比較例１
比較例１の製造方法は、比較例において第３半導体層を含まないことを除いて、実施例１とほぼ同じである。

【0036】

次に、市販の機器を用いて実施例１及び２と比較例１とを分析して比較するとともに、空気品質（ＡＭ）１．５Ｇスペクトルの標準太陽光の下で太陽電池の正面（第１光透過性基板１１から入射される光線）及び背面（第２光透過性基板１２から入射される光線）から各データを測定し、測定した結果を以下の表１に示す。

【0037】

【表1】

【0038】

上記の表からわかるように、３層半導体構造を使用することにより、太陽電池の背面受光方向の変換効率を改善ことができる。また、ＰＥＤＯＴを対電極の触媒材質として使用すると、背面受光方向の変換効率をさらに改善することができる。これは、ＰＥＤＯＴが液体電解質に対して触媒特性を有するだけでなく、極めて高い光透過率をさらに有するためである。図２は対電極の光透過率の分析結果を示す図である。ここでは、Ｂａｒｅ ＦＴＯは、第２光透過性基板にＦＴＯ（すなわち、ＦＴＯ基板）が設けられることを指し、図２のＰＥＤＯＴは、ＦＴＯ基板に触媒材質がＰＥＤＯＴである対電極（すなわち、実施例２）が設けられることを指し、図２のＰｔは、ＦＴＯ基板に触媒材質がプラチナである対電極（すなわち、実施例１）が設けられることを指す。図２からわかるように、プラチナ材質の対電極に対して、ＰＥＤＯＴの対電極は高い光透過率をさらに有する。

【0039】

一方、実施例１、３、４及び比較例１からわかるように、第３半導体層を用いて背面の変換効率を高めることができる。一方、実施例１、３及び４からわかるように、第３厚さが５～７μｍであると、背面は、最高の変換効率を有する。一般的に、正面に位置する光吸収層の厚さが小さいほど、変換効率が優れる。しかしながら、実施例３からわかるように、好ましい変換効率を有するためには、背面の光吸収層の厚さ（第３厚さ）を特定の範囲にする必要がある。

【0040】

本発明は、好適実施例によって開示されているが、本発明を制限することを意図するものではない。この技術に精通している人なら誰でも、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、さまざまな変更及び修正を行うことができる。したがって、本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるべきである。

【符号の説明】

【0041】

１０：太陽電池
１１：第１光透過性基板
１２：第２光透過性基板
１２Ａ：収容空間
１３：作用電極
１４：第１半導体層
１４Ａ：第１厚さ
１５：第２半導体層
１５Ａ：第２厚さ
１６：第３半導体層
１６Ａ：第３厚さ
１７：対電極
１８：光透過性触媒層
１９：液体電解質
１４１：第１半導体粒子
１５１：第２半導体粒子
１６１：第３半導体粒子

【図1】

【図2】