特許 7590823 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】2024-11-19

(45)【発行日】2024-11-27

(54)【発明の名称】色素増感太陽電池

(51)【国際特許分類】

   H01G 9/20 20060101AFI20241120BHJP

【ＦＩ】

H01G9/20 307

H01G9/20 119

H01G9/20 111B

H01G9/20 113B

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020113491

(22)【出願日】2020-06-30

(65)【公開番号】P2022012012

(43)【公開日】2022-01-17

【審査請求日】2023-05-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004370

【氏名又は名称】弁理士法人片山特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浅子 ひかり

(72)【発明者】

【氏名】染井 秀徳

(72)【発明者】

【氏名】福島 岳行

【審査官】小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２５６４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９９７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２９４３４（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】

基材と、
前記基材の表面に設けられた第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に設けられ、色素と電解質とを含む発電層と、
前記発電層の上面の少なくとも一部と、前記発電層の側面の少なくとも一部と、に設けられた反射層と、
前記反射層の上に設けられた第２の電極層と、
を有し、
平面視において、前記発電層の前記上面の一部が前記反射層からはみ出ていることを特徴とする色素増感太陽電池。

【請求項2】

前記発電層の厚さが０．５μｍ～６．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の色素増感太陽電池。

【請求項3】

断面視において前記反射層と前記第１の電極層とが接しており、断面視において前記反射層と前記第１の電極層とが接している部分の長さが０．１μｍ～５０μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の色素増感太陽電池。

【請求項4】

前記発電層は、複数の第１の粒子を含み、
前記反射層は、複数の第２の粒子を含み、
前記複数の第１の粒子の平均粒径よりも、前記複数の第２の粒子の平均粒径が大きいことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。

【請求項5】

前記第２の粒子の平均粒径は５０ｎｍ～６００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の色素増感太陽電池。

【請求項6】

複数の前記側面の少なくとも一部が、前記反射層で覆われずに露出していることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。

【請求項7】

前記反射層は、前記発電層の前記上面と前記側面の全面を覆うことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。

【請求項8】

前記側面の少なくとも一部が前記上面の垂線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。

【請求項9】

前記反射層は、第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する第２の部分とを有することを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。

【請求項10】

前記上面と前記側面の少なくとも一方に凹凸が設けられたことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。

【請求項11】

前記反射層は複数の粒子を含み、
前記発電層と前記反射層との界面において、前記発電層側に前記粒子が０．３μｍ以上入り込んだことを特徴とする請求項１０に記載の色素増感太陽電池。

【請求項12】

基材と、
前記基材の表面に設けられた第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に設けられ、色素と電解質とを含む発電層と、
前記発電層の上面と側面の少なくとも一部に設けられた反射層と、
前記反射層の上に設けられた第２の電極層と、を有し、
前記基材に対する平面視で、前記基材の側面、前記第１の電極層の側面、前記第２の電極層の側面が略同じ位置にあり、
前記第１の電極層の側面から前記第２の電極層の側面まで封止樹脂層で封止されていることを特徴とする色素増感太陽電池。

【請求項13】

前記基材に対する平面視において、前記第１の電極層の側面の位置まで前記発電層が設けられていることを特徴とする請求項１２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】

本発明は、色素増感太陽電池に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン系の太陽電池に代わる新たな太陽電池として色素増感太陽電池が注目されている。色素増感太陽電池は、屋内光等の低照度の光に対する発電量がシリコン系の太陽電池よりも多いという特徴を有しており、様々な分野への応用が期待されている。

【0003】

色素増感太陽電池においては、入射光の利用効率を高めて発電量を増加させるための様々な構造が提案されている。例えば、発電層の上面に反射層を形成することにより、発電層を通った光を反射層で反射させて発電層に戻し、発電層の発電量を高める構造が提案されている（特許文献１）。

【0004】

更に、反射層を発電層の上面の一部にのみ形成することにより発電層を反射層から表出させ、表出した部分の発電層に電解質を充填し易くした構造も提案されている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－１１９１８９号公報

【文献】特開２０１４－１９９７８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

但し、このように反射層を形成しただけでは色素増感太陽電池の発電量は十分には向上しない。

【0007】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、色素増感太陽電池の発電量を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る色素増感太陽電池は、基材と、前記基材の表面に設けられた第１の電極層と、前記第１の電極層の上に設けられ、色素と電解質とを含む発電層と、前記発電層の上面と側面の少なくとも一部に設けられた反射層と、前記反射層の上に設けられた第２の電極層とを有することを特徴とする。

【0009】

上記色素増感太陽電池において、前記発電層の厚さが０．５μｍ～６．５μｍでもよい。

【0010】

上記色素増感太陽電池において、断面視において前記反射層と前記第１の電極層とが接しており、断面視において前記反射層と前記第１の電極層とが接している部分の長さが０．１μｍ～５０μｍでもよい。

【0011】

上記色素増感太陽電池において、前記発電層は、複数の第１の粒子を含み、前記反射層は、複数の第２の粒子を含み、前記複数の第１の粒子の平均粒径よりも、前記複数の第２の粒子の平均粒径が大きくてもよい。

【0012】

上記色素増感太陽電池において、前記第２の平均粒径は５０ｎｍ～６００ｎｍでもよい。

【0013】

上記色素増感太陽電池において、平面視において、前記発電層の前記上面の一部が前記反射層からはみ出てもよい。

【0014】

上記色素増感太陽電池において、複数の前記側面の少なくとも一部が、前記反射層で覆われずに露出してもよい。

【0015】

上記色素増感太陽電池において、前記反射層は、前記発電層の前記上面と前記側面の全面を覆ってもよい。

【0016】

上記色素増感太陽電池において、前記側面の少なくとも一部が前記上面の垂線に対して傾斜してもよい。

【0017】

上記色素増感太陽電池において、前記反射層は、第１の厚さを有する第１の部分と、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する第２の部分とを有してもよい。

【0018】

上記色素増感太陽電池において、前記上面と前記側面の少なくとも一部との少なくとも一方に凹凸が設けられてもよい。

【0019】

上記色素増感太陽電池において、前記反射層は複数の粒子を含み、前記発電層と前記反射層との界面において、前記発電層側に前記粒子が０．３μｍ以上入り込んでもよい。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、色素増感太陽電池の発電量を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その１）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図2】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その２）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図3】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その３）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図4】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その４）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図5】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その５）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図6】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その６）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図7】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その７）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図8】（ａ）は第１実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図（その８）であり、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【図9】第１実施形態に係る色素増感太陽電池の使用時の断面図である。

【図10】図１０は、第１実施形態において発電層の側面を上面に対して傾斜させたことで得られる効果について説明するための断面図である。

【図11】（ａ）～（ｃ）は、第１実施形態に係る発電層と反射層の各々の平面レイアウトの例について示す平面図（その１）である。

【図12】（ａ）～（ｃ）は、第１実施形態に係る発電層と反射層の各々の平面レイアウトの例について示す平面図（その２）である。

【図13】図１２（ｂ）の例に係る色素増感太陽電池２０の斜視図である。

【図14】図１２（ｃ）の例に係る色素増感太陽電池２０の斜視図である。

【図15】（ａ）～（ｄ）は、第１実施形態における発電層と反射層の各々の厚さの例を示す断面図である。

【図16】図１５（ａ）～（ｄ）の結果に基づいて、長さＷと厚さａによって色素増感太陽電池の発電量がどのように変わるのかを模式的に示す図である。

【図17】チタン粒子の粒径と、酸化チタン粒子で反射される光の強度との関係について示す模式図である。

【図18】第２実施形態に係る色素増感太陽電池の断面図である。

【図19】（ａ）～（ｄ）は、第３実施形態に係る色素増感太陽電池の断面図である。

【図20】第４実施形態に係る色素増感太陽電池の断面図である。

【図21】実施例において長さＷと厚さａとを変えたときの色素増感太陽電池の発電量を調査して得られた図（その１）である。

【図22】実施例において長さＷと厚さａとを変えたときの色素増感太陽電池の発電量を調査して得られた図（その２）である。

【図23】実施例において長さＷと厚さａとを変えたときの色素増感太陽電池の発電量を調査して得られた図（その３）である。

【図24】実施例において長さＷと厚さａとを変えたときの色素増感太陽電池の発電量を調査して得られた図（その４）である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

（第１実施形態）
本実施形態に係る色素増感太陽電池について、その製造方法を追いながら説明する。図１（ａ）、図２（ａ）、図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）、及び図８（ａ）は、本実施形態に係る色素増感太陽電池の製造途中の平面図である。また、図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、及び図８（ｂ）は、図１（ａ）、図２（ａ）、図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）、及び図８（ａ）の各々のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

【0023】

まず、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、透明基板１０として平面視で正方形状のガラス基板を用意する。その透明基板１０の一辺の長さは５ｍｍ～４０ｍｍ、例えば１０ｍｍである。また、透明基板１０の厚さは０．１ｍｍ～３ｍｍ、例えば１．１ｍｍである。なお、ガラス基板に代えて透明なプラスチック板を透明基板１０として使用してもよい。

【0024】

次いで、透明基板１０の上に透明電極層（第１の電極層）１１としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）層を０．１μｍ～０．５μｍの厚さに形成する。なお、ＩＴＯ層に代えて、ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）層、酸化亜鉛層、インジウム－錫複合酸化物層と銀層との積層膜、及びアンチモンがドープされた酸化錫層のいずれかを透明電極層１１として形成してもよい。

【0025】

更に、透明電極層１１の上にチタンアルコキシドから調整したアルコール溶液を塗布し、そのアルコール溶液を加熱して乾燥させることにより、逆電子移動防止層１２を５ｎｍ～０．１μｍ程度の厚さに形成する。本工程における乾燥温度は特に限定されず、４５０℃～６５０℃、例えば５５０℃に加熱することにより逆電子移動防止層１２を形成する。

【0026】

なお、透明基板１０の角の一部領域１０ａには逆電子移動防止層１２を形成せずに透明電極層１１が露出した状態にする。その一部領域１０ａは、発電層の面積に対して０．２％～５．６％の面積であり、例えば２％の領域である。一部領域１０ａの形状は特に限定されない。

【0027】

次いで、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、逆電子移動防止層１２の上に第１の酸化チタンペースト１３ａを１μｍ～２０μｍ、例えば５μｍの厚さにスクリーン印刷法により形成する。その第１の酸化チタンペースト１３ａとして、ここでは日揮触媒化成製のＰＳＴ－３０ＮＲＤを採用する。第１の酸化チタンペースト１３ａに含まれる酸化チタン粒子の平均粒径は５ｎｍ～５０ｎｍ、例えば２０ｎｍである。また、透明基板１０の上での第１の酸化チタンペースト１３ａの印刷面積は、０．０１ｃｍ^２～４ｃｍ^２、例えば０．９８ｃｍ^２とする。なお、第１の酸化チタンペースト１３ａは上記に限定されず、エチルセルロース等の溶媒に酸化チタン粒子を混錬しペーストを第１の酸化チタンペースト１３ａとして採用し得る。

【0028】

次に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の酸化チタンペースト１３ａの上に第２の酸化チタンペースト１４ａとして日揮触媒化成製のＰＳＴ－４００Ｃをスクリーン印刷法により形成する。第２の酸化チタンペースト１４ａの厚さは特に限定されないが、ここではその厚さを０．３μｍ～１００μｍ、例えば４２μｍとする。更に、透明基板１０の上での第２の酸化チタンペースト１４ａの印刷面積は、０．０１１ｃｍ^２～４．１ｃｍ^２、例えば１ｃｍ^２とする。なお、第１の酸化チタンペースト１３ａと同様に、エチルセルロース等の溶媒に酸化チタン粒子を混錬しペーストを第２の酸化チタンペースト１４ａとして使用してもよい。

【0029】

また、第２の酸化チタンペースト１４ａに含まれる酸化チタン粒子の平均粒径は、第１の酸化チタンペースト１３ａにおける平均粒径よりも大きい５０ｎｍ～６００ｎｍ、例えば４００ｎｍである。なお、酸化チタンの粒径は、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡で一つの画像に８０～１５０結晶粒程度入るように倍率を調整し、合計で４００結晶粒以上となるように複数枚の写真を得て、写真上の結晶粒全数について計測してＦｅｒｅｔ径を用いればよい。また、その平均値を平均粒径とすればよい。

【0030】

なお、透明基板１０の一部領域１０ａには第１の酸化チタンペースト１３ａと第２の酸化チタンペースト１４ａを形成せずに透明電極層１１が露出した状態にする。

【0031】

次に、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１及び第２の酸化チタンペースト１３ａ、１４ａの各々を加熱することにより有機物を蒸散させ、第１及び第２の酸化チタンペースト１３ａ、１４ａをそれぞれ発電層１３と反射層１４にする。各酸化チタンペースト１３ａ、１４ａの加熱条件は特に限定されない。本実施形態では各酸化チタンペースト１３ａ、１４ａを４５０℃～６５０℃、例えば６００℃の温度に加熱する。また、加熱時間は、１０分～１２０分、例えば３０分とする。

【0032】

これにより、発電層１３の上面１３ｐと側面１３ｑの各々が反射層１４で覆われた構造が得られる。また、塗布法で形成した発電層１３においては側面１３ｑが上面１３ｐの垂線Ｇに対して傾斜しており、これにより発電層１３の中央から端部１３ｒに向かうにつれて発電層１３が薄くなる。なお、この例では発電層１３の複数の側面１３ｑの全てに反射層１４を形成したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、複数の側面１３ｑのうちの一部の側面１３ｑのみに反射層１４を形成してもよい。更に、発電層１３を円柱状にして側面１３ｑを一つのみとし、その側面１３ｑの一部のみに反射層１４を形成してもよい。

【0033】

なお、本実施形態ではこのように各酸化チタンペースト１３ａ、１４ａから発電層１３と反射層１４を形成したが、発電層１３と反射層１４の材料はこれに限定されない。例えば、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｃｒ、及びＮｂのいずれかの酸化物の半導体粒子から発電層１３と反射層１４の各々を形成してもよい。更に、ＳｒＴｉＯ_３やＣａＴｉＯ_３等のペロブスカイト型酸化物の粒子で発電層１３と反射層１４の各々を形成してもよい。

【0034】

続いて、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、色素を含む溶媒１５に発電層１３と反射層１４とを浸漬し、発電層１３と反射層１４の各々に色素を吸着させる。その溶媒１５として、ここではトルエンに色素としてＭＫ－２を溶解させた溶媒を使用する。また、溶媒１５の温度は０℃～８０℃、例えば５０℃とし、浸漬時間は１０分～１２時間、例えば１時間とする。なお、発電層１３に含まれる酸化チタン粒子の方が反射層１４に含まれる酸化チタン粒子よりも平均粒径が小さいため、発電層１３には微細な隙間が多数生じる。その結果、発電層１３に吸着する色素の量は、反射層１４に吸着する色素の量よりも多くなる。

【0035】

なお、色素は上記に限定されず、金属錯体色素や有機色素を色素として用いてもよい。このうち、金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム－シス－ジアクア－ビピリジル錯体、ルテニウム－トリス錯体、ルテニウム－ビス錯体、オスミウム－トリス錯体、オスミウム－ビス錯体等の遷移金属錯体がある。また、亜鉛－テトラ（４－カルボキシフェニル）ポルフィリン、鉄－ヘキサシアニド錯体も金属錯体色素の一例である。

【0036】

また、有機色素としては、例えば、９－フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素、アクリジン系色素、トリフェニルメタン系色素、テトラフェニルメタン系色素、キノン系色素、アゾ系色素、インジゴ系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、及びカルバゾール化合物系色素等がある。

【0037】

次に、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、反射層１４の上に固体電解質前駆体１６を１μＬ～５０μＬ、例えば２０μＬ程度滴下することにより、反射層１４を介して発電層１３に固体電解質前駆体１６を浸透させる。その固体電解質前駆体１６として、本実施形態ではヨウ素、１、３－ジメチルイミダゾリウムヨージド（ＤＭＩＩ）、アセトニトリル、分子量１００万のポリエチレンオキシドを均一になるように混合した溶液を使用する。

【0038】

その後、発電層１３を加熱することにより固体電解質前駆体１６に含まれる余剰のアセトニトリルを揮発させ、固体電解質が含侵した発電層１３を得る。なお、その加熱条件は特に限定されないが、５０℃～１５０℃、例えば１００℃の温度に発電層１３を加熱する。また、加熱時間は１分～６０分、例えば３０分である。その後に、発電層１３を室温に戻す。なお、その固体電解質は反射層１４にも含まれる。但し、前述のように発電層１３に含まれる酸化チタン粒子の方が反射層１４に含まれる酸化チタン粒子よりも平均粒径が小さいため、発電層１３には微細な隙間が多数生じる。そのため、発電層１３に含まれる固体電解質の量は、反射層１４に含まれる固体電解質の量よりも多くなる。

【0039】

なお、固体電解質前駆体１６に含まれる電解質はＤＭＩＩに限定されない。例えば、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等のヨウ素塩であって、室温付近で固体状態にある塩や溶融状態にある常温溶融塩をイオン液体として使用し得る。そのような常温溶融塩としては、例えば、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムヨージド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヨージド（ＢＭＩＩ）、１－エチル－ピリジニウムヨージド等のヨウ化４級アンモニウム塩化合物等がある。

【0040】

次に、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、表面にスパッタ法で白金層が形成されたチタン箔を正極板（第２の電極層）１７として用意する。ここでは正極板としてチタン箔を用いたが、正極板１７の層構造は特に限定されるものではない。そして、その正極板１７の白金層側を反射層１４に密着させる。このとき、減圧雰囲気中又は真空中で反射層１４に正極板１７を密着させることにより、反射層１４と正極板１７との間に気泡が入るのを防止できる。なお、正極板１７の材料としては、上記の白金の他に、パラジウム、ロジウム、及びインジウム等の触媒機能を有する金属もある。また、グラファイトで正極板１７を形成してもよい。更に、白金を担持したカーボン、インジウム－錫複合酸化物、アンチモンがドープされた酸化錫、及びフッ素がドープされた酸化錫で正極板１７を形成してもよい。その他の材料としては、ポリ（３、４－エチレンジオキシチオフエン）（ＰＥＤＯＴ）、及びポリチオフェン等の有機半導体がある。

【0041】

正極板１７の形と大きさは特に限定されないが、ここでは透明基板１０の一部領域１０ａを除いた正方形状の正極板１７を使用する。また、正極板１７の一辺の長さは０．１１ｍｍ～２．１ｍｍ、例えば１０ｍｍとし、正極板１７の厚さは５μｍ～１０μｍ、例えば１００μｍとする。

【0042】

続いて、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、透明基板１０と正極板１７の各側面に紫外線硬化樹脂を塗布し、更に紫外線の照射で紫外線硬化樹脂を硬化させることにより封止樹脂層１９を形成する。なお、紫外線硬化樹脂を塗布してから紫外線を照射するまでの時間が長すぎると、紫外線硬化樹脂が発電層１３に浸入してその表面を覆ってしまう。これを防ぐために、紫外線硬化樹脂を塗布してから１０分以内に紫外線を照射するのが好ましい。

【0043】

以上により、本実施形態に係る色素増感太陽電池２０の基本構造が完成する。この色素増感太陽電池２０においては透明電極層１１が負極として機能し、発電層１３に充填された固体電解質に含まれるヨウ化物イオン（Ｉ^－）と三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）が、透明電極層１１と正極板１７との間で電子を伝導する担い手となる。また、走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡などの各種顕微鏡で反射層１４を含む発電層１３の断面の端部を観察したとき、透明電極層１１と反射層１４が接触していることを確認できる。

【0044】

更に、本実施形態では、上記のように第２の酸化チタンペースト１４ａに含まれる酸化チタン粒子の平均粒径が、第１の酸化チタンペースト１３ａに含まれる酸化チタン粒子の平均粒径よりも大きい。これを反映して、反射層１４に含まれる酸化チタン粒子の平均粒径は、発電層１３に含まれる酸化チタン粒子の平均粒径よりも大きくなる。その結果、反射層１４の光反射率が発電層１３の光反射率よりも大きくなる。

【0045】

図９は、色素増感太陽電池２０の使用時の断面図である。図９に示すように、実使用下においては、透明基板１０を介して発電層１３に光Ｌを入射する。これにより発電層１３に吸着している色素が励起状態となり、色素から酸化チタン粒子に電子が移動する。そして、発電層１３に含まれるヨウ化物イオン（Ｉ^－）と三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）を伝って電子が正極板１７に移動し、これにより発電が行われる。

【0046】

また、本実施形態では、反射層１４の酸化チタン粒子が光Ｌを散乱する散乱体として機能するため、光Ｌが反射層１４で反射して再び発電層１３に戻る。その結果、反射層１４がない場合と比較して発電層１３が光Ｌに曝される機会が増え、発電層１３の発電効率が高まる。

【0047】

特に、このように酸化チタン粒子で反射層１４を形成したことにより、図６（ｂ）の工程で複数の酸化チタン粒子の隙間を固体電解質前駆体１６が流通するようになり、発電層１３に固体電解質前駆体１６を浸透させるのが容易となる。

【0048】

しかも、この例では反射層１４の酸化チタン粒子の平均粒径を発電層１３におけるよりも大きくした。これにより、反射層１４の複数の酸化チタン粒子の間の隙間が広がり固体電解質前駆体１６が流通し易くなると共に、反射層１４の酸化チタン粒子による光の散乱強度が強くなり、反射層１４における光の反射率を向上させることができる。

【0049】

更に、本実施形態では発電層１３の上面１３ｐと側面１３ｑの各々の全面に反射層１４を形成したため、上面１３ｐと側面１３ｑのいずれかの一部のみに反射層１４を形成する場合よりも多くの光Ｌに発電層１３が曝され、発電層１３の発電効率を一層高めることができる。

【0050】

また、この例では側面１３ｑを上面１３ｐに対して傾斜させたが、これにより次のような効果も得られる。

【0051】

図１０は、発電層１３の側面１３ｑを上面１３ｐに対して傾斜させたことで得られる効果について説明するための断面図である。図１０に示すように、光Ｌが側面１３ｑに入射した場合を考える。この場合、光Ｌは、側面１３ｑで反射した後に面内方向に沿って進行する。そのため、色素増感太陽電池２０に光Ｌの当たらない影がある場合でも、その影における発電層１３にも光Ｌが侵入し、発電層１３の略全体を光Ｌに曝すことができる。

【0052】

次に、発電層１３と反射層１４の各々の平面レイアウトの例について説明する。図１１（ａ）～（ｃ）及び図１２（ａ）～（ｃ）は、本実施形態に係る発電層１３と反射層１４の各々の平面レイアウトの例について示す平面図である。

【0053】

図１１（ａ）は、発電層１３の全面を反射層１４で覆った場合の平面図である。これにより発電層１３の全ての側面１３ｑと上面１３ｐの全面で光Ｌが反射するため、上記のように発電層１３の発電量を高めることができる。

【0054】

図１１（ｂ）、（ｃ）は、発電層１３の上面１３ｐの一部が反射層１４からはみ出た場合の平面図である。発電層１３の上面１３ｐの一部が反射層１４からはみ出るとは、平面視で見たときに発電層１３の上面１３ｐの全面に反射層１４が形成されていない状態を示し、発電層１３の上面１３ｐの一部を反射層１４が覆って、発電層１３の上面１３ｐのほかの一部を反射層１４が覆っていないことを示す。このように反射層１４から上面１３ｐがはみ出ていると、図６（ｂ）の工程で発電層１３に直接的に固体電解質前駆体１６を浸透させることができ、発電層１３に含侵する固体電解質前駆体１６の量を増やすことができる。これにより発電層１３内の電子伝導子を増やすことができ、電子伝導を円滑にすることができる。

【0055】

図１２（ａ）～（ｃ）は、発電層１３と反射層１４の各々の中心を相互にずらした場合の平面図である。この場合も、図１１（ａ）の例と同様に発電層１３の発電量を高めることができる。

【0056】

図１３は、図１２（ｂ）の例に係る色素増感太陽電池２０の斜視図である。また、図１４は、図１２（ｃ）の例に係る色素増感太陽電池２０の斜視図である。図１３及び図１４に示すように、これらの例では発電層１３の上面が反射層１４で覆われており、かつ発電層１３の複数の側面のうちの一つの側面が反射層１４で覆われずに露出する。このように発電層１３の側面が露出していると、図６（ｂ）の工程で当該側面から固体電解質前駆体１６が入るので、発電層１３に電解質前駆体１６を浸入させるのが容易となり、発電層１３に含侵する固体電解質前駆体１６の量を増やすことができる。これにより発電層１３内の電子伝導子を増やすことができ、電子伝導を円滑にすることができる。

【0057】

ところで、発電層１３における発電量は、発電層１３と反射層１４の各々の厚さによって変わると考えられる。

【0058】

図１５（ａ）～（ｄ）は、発電層１３と反射層１４の各々の厚さの例を示す断面図である。図１５（ａ）は、発電層１３の厚さａを大きくし、かつ反射層１４の厚さを小さくした場合の断面図である。このように反射層１４の厚さを小さくすると、反射層１４を透過する光Ｌが増えるため、反射層１４から発電層１３に戻る光Ｌが減る。

【0059】

一方、このように反射層１４の厚さを小さくすると、断面視で反射層１４と逆電子移動防止層１２とが接している部分の長さＷが小さくなる。これにより固体電解質前駆体１６が反射層１４を浸透し易くなり、側面１３ｑから発電層１３に至る固体電解質前駆体１６の量が増える。

【0060】

図１５（ｂ）は、発電層１３の厚さａを大きくし、かつ反射層１４の厚さも大きくした場合の断面図である。このように反射層１４を厚くすると、反射層１４で反射する光Ｌが増え、反射層１４から発電層１３に戻る光Ｌが増える。

【0061】

但し、このように反射層１４を大きくしたことで長さＷが大きくなり、固体電解質前駆体１６が反射層１４を浸透し難くなる。

【0062】

図１５（ｃ）は、発電層１３の厚さａを小さくし、かつ反射層１４も薄くした場合の断面図である。このように反射層１４の厚さを小さくすると、図１５（ａ）の場合と同様に反射層１４から発電層１３に戻る光Ｌが減る。また、発電層１３を小さくしたことで、発電層１３に含浸する固体電解質前駆体１６の量も減る。

【0063】

図１５（ｄ）は、発電層１３の厚さａを小さくし、かつ反射層１４を厚くした場合の断面図である。このように反射層１４を厚くすることで、反射層１４で反射する光Ｌの量を増やすことができる。

【0064】

しかし、反射層１４を厚くしたことで長さＷが大きくなり、固体電解質前駆体１６が反射層１４を浸透し難くなる。しかも、発電層１３の厚さａが小さいため、発電層１３に含浸する固体電解質前駆体１６の量も減る。

【0065】

以上のように、幅Ｗと発電層１３の厚さａによって、発電層１３に戻る光Ｌの量と、発電層１３に含浸する固体電解質前駆体１６の量が変わる。そして、これらの要素によって色素増感太陽電池２０の発電量も変わる。

【0066】

図１６は、図１５（ａ）～（ｄ）の結果に基づいて、長さＷと厚さａによって色素増感太陽電池２０の発電量がどのように変わるのかを模式的に示す図である。

【0067】

図１６に示すように、発電層１３における固体電解質前駆体１６の含浸量は、厚さａを小さくしたり長さＷを大きくしたりすると減少する。また、反射層１４から発電層１３に戻る光の量は、長さＷを大きくすることにより増加する。これにより、本実施形態のように反射層１４を形成した場合に発電量を高めるには、厚さａと長さＷを適度な範囲Ｒに収めるのが好ましい。

【0068】

特に、厚さａを０．５μｍ～６．５μｍとし、かつ長さＷを０．１μｍ～５０μｍとすることにより色素増感太陽電池２０の発電量を効果的に高めることができる。なお、厚さａを０．５μｍ～３μｍの範囲とするのがより好ましい。この範囲内において厚さａが薄くなるほど光の透過率は大きくなり、反射層１４で反射される光が増加する。このため、厚さａが薄いほど反射層がない場合と比較して発電量が高くなる。ただし、発電能を保つため、発電層１３の厚さは０．５μｍ以上の範囲とするのが好ましい。また、長さＷを１５μｍ～５０μｍの範囲とするのが好ましい。反射層１４の幅Ｗが厚いほど、反射層１４を透過する光は減少し、反射される光は増加する。このため、反射層１４の幅Ｗが厚いほど反射層１４がない場合と比較して発電量は高くなる。ただし、反射層１４が厚くなるほど、反射層１４に電解質の浸透が阻害されるため、電解質は発電層１３に浸透し難くなる。発電能を保つには幅Ｗの上限を５０μｍとするのが好ましい。

【0069】

なお、反射層１４における反射率は、反射層１４に含まれる酸化チタン粒子の粒径にも依存する。

【0070】

図１７は、酸化チタン粒子の粒径と、酸化チタン粒子で反射される光の強度Ｉとの関係について示す模式図である。図１７に示すように、酸化チタン粒子による光の後方散乱の強度Ｉは酸化チタン粒子の粒径によって変わる。特に、色素の吸収波長が４００ｎｍ～７００ｎｍの場合、粒径が７０ｎｍ以下の場合には粒径が大きいほど波長が４００ｎｍ～７００ｎｍの光についての後方散乱の強度Ｉが大きくなり、粒径が７０ｎｍを超えると粒径が小さいほど後方散乱の強度Ｉが小さくなる。ただし、粒径が大きいほど、光の遮断率は大きくなる。そこで、酸化チタン粒子の粒径を５０ｎｍ～６００ｎｍの範囲とすることにより後方散乱の強度Ｉと光の遮断率を高め、発電層１３における発電量を高めるのが好ましい。より好適には、酸化チタン粒子の粒径を３００nm～６００nmにするのが好ましい。３００ｎｍ～６００ｎｍの範囲に関しては、光の遮断による発電層１３への光反射の効果が大きくなり、粒径の大きな範囲において発電量は向上する。ただし、粒径が６００ｎｍ以上では後方散乱の強度Ｉは低くなり、発電に寄与する光の反射は少なくなるため、６００ｎｍ以下の粒径が好ましい。

【0071】

（第２実施形態）
図１８は、第２実施形態に係る色素増感太陽電池３０の断面図である。なお、図１８において第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

【0072】

図１８に示すように、本実施形態においては発電層１３の側面１３ｑから間隔をおいて封止樹脂層１９を設ける。そして、封止樹脂層１９と側面１３ｑとの間に固体電解質前駆体１６を充填し、該固体電解質前駆体１６を加熱してアセトニトリルを揮発させることにより固体電解質３１とする。

【0073】

（第３実施形態）
図１９（ａ）～（ｄ）は、第３実施形態に係る色素増感太陽電池４０の断面図である。なお、図１９（ａ）～（ｄ）において第１及び第２実施形態と同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。また、図１９（ａ）～（ｄ）においては、図が煩雑になるのを避けるため、正極板１７と封止樹脂層１９とを省いている。

【0074】

図１９（ａ）～（ｄ）に示すように、本実施形態においては、反射層１４が、第１の厚さＴ１を有する第１の部分１４ｆと、第１の厚さＴ１よりも小さい第２の厚さＴ２を有する第２の部分１４ｇとを備える。

【0075】

第２の部分１４ｇにおいては第１の部分１４ｆよりも厚さが小さいため、第２の部分１４ｇを介して固体電解質前駆体１６が発電層１３に浸透し易くなる。そのため、発電層１３に含浸する固体電解質の量を増やすことができ、発電層１３における発電効率を高めることができる。

【0076】

（第４実施形態）
図２０は、第４実施形態に係る色素増感太陽電池５０の断面図である。なお、図２０において、第１～第３実施形態と同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

【0077】

図２０に示すように、本実施形態においては、発電層１３の上面１３ｐと側面１３ｑの各々に凹凸が設けられる。本実施形態における凹凸とは発電層１３の反射層１４に向かって凸の部分と反射層１４の発電層１３に向かって凹の部分の差が０．３～０．５μｍの範囲であることとする。凹凸の形成方法は特に限定されない。例えば、反射層１４に含まれる酸化チタン粒子を反映して上面１３ｐと側面１３ｑの各々には自然に粗化面となるが、その粗化面をそのまま凹凸として利用してもよい。この場合、走査型電子顕微鏡で一つの画像に発電層１３と反射層１４の界面に存在する反射層１４の酸化チタン粒子が５０粒以上入るように倍率を調整したときに、一つ以上の酸化チタン粒子が凸凹の差０．３μｍ以上発電層１４に入り込んだ構造となる。これに代えて、発電層１３を形成した後の上面１３ｐと側面１３ｑの各々を粗化することにより凹凸を形成してもよい。

【0078】

これにより上面１３ｐと側面１３ｑの各々で光Ｌが乱反射するため、乱反射した光Ｌで発電層１３の各部が発電をするようになり、発電層１３の発電効率を高めることができる。

【実施例】

【0079】

以下、実施例として、第１実施形態に係る色素増感太陽電池２０を作製し、特性について調べた。発電層１３の材料である第１の酸化チタンペースト１３ａとして日揮触媒化成製のＰＳＴ－３０ＮＲＤを用いた。また、反射層１４の材料である第２の酸化チタンペーストとして１４ａ日揮触媒化成製のＰＳＴ－４００Ｃを用いた。

【0080】

図２１～図２４は、長さＷと厚さａ（図１５（ａ）～（ｄ）参照）とを変えたときの色素増感太陽電池２０の発電量を調査して得られた図である。なお、その調査では、第１の比較例と第２の比較例の発電量も調べた。第１の比較例では、反射層１４を形成しなかった。また、第２の比較例では、発電層１３の上面１３ｐのみに反射層１４を形成し、側面１３ｑには反射層１４を形成しなかった。

【0081】

また、実施例において、断面視で相対する側面１３ｑの一方のみに反射層１４を形成した場合と、相対する側面１３ｑの両方に反射層１４を形成した場合の各々について発電量を調査した。

【0082】

図２１～図２４に示すように、発電層１３の上面および側面に反射層１４を設けることで、色素増感太陽電池２０の発電量を効果的に高めることができた。また、厚さａを０．５μｍ～６．５μｍとし、かつ長さＷを０．１μｍ～５０μｍとすることで、第１の比較例の１０３％以上の発電量を得ることができた。

【符号の説明】

【0083】

１０ 透明基板
１０ａ 一部領域
１１ 透明電極層
１２ 逆電子移動防止層
１３ 発電層
１３ａ 第１の酸化チタンペースト
１３ｆ 下層
１３ｇ 上層
１３ｐ 上面
１３ｑ 側面
１３ｒ 端部
１４ 反射層
１４ａ 第２の酸化チタンペースト
１４ｆ 第１の部分
１４ｇ 第２の部分
１４ｐ 酸化チタン粒子
１４ｑ 色素
１５ 溶媒
１６ 固体電解質前駆体
１７ 正極板
１９ 封止樹脂層
３１ 固体電解質
２０、３０、４０、５０ 色素増感太陽電池

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】