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明細書 :広帯域波長領域の光電変換を可能にする太陽電池

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5376850号 (P5376850)
公開番号 特開2010-027281 (P2010-027281A)
登録日 平成25年10月4日(2013.10.4)
発行日 平成25年12月25日(2013.12.25)
公開日 平成22年2月4日(2010.2.4)
発明の名称または考案の名称 広帯域波長領域の光電変換を可能にする太陽電池
国際特許分類 H01M  14/00        (2006.01)
H01L  31/04        (2006.01)
FI H01M 14/00 P
H01L 31/04 Z
請求項の数または発明の数 12
全頁数 9
出願番号 特願2008-184929 (P2008-184929)
出願日 平成20年7月16日(2008.7.16)
審査請求日 平成23年7月15日(2011.7.15)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
発明者または考案者 【氏名】吉川 暹
【氏名】早瀬 修二
個別代理人の代理人 【識別番号】110000796、【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所
審査官 【審査官】天野 斉
参考文献・文献 特開2007-287997(JP,A)
特開2007-273240(JP,A)
特開2003-333757(JP,A)
特開平01-253283(JP,A)
特開昭56-080177(JP,A)
特開2004-343022(JP,A)
調査した分野 H01M 14/00
H01L 31/04
特許請求の範囲 【請求項1】
太陽光を分光する分光手段を有し、該分光手段により分光した光を受光して光電変換する2個以上の光電変換素子が平面状に配列され、それぞれの光電変換素子が、直列および/または並列で電気的に結合されている太陽電池であって、それぞれの光電変換素子が、分光された光を吸収する受光体、電荷分離界面および電荷輸送層を有し、該受光体が有機色素を含むものであることを特徴とする太陽電池。
【請求項2】
前記受光体が、更に無機色素を含むものであることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
【請求項3】
前記電荷分離界面が無機色素または有機色素に接していることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
【請求項4】
前記電荷輸送層が無機電荷移動媒体または有機電荷移動媒体であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
【請求項5】
前記有機色素が、幅広い分光特性に吸収を最適化させており、シャープな光吸収を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
【請求項6】
前記電荷輸送層が、電子輸送層及びホール輸送層を含み、該電子輸送層が、酸化亜鉛、酸化錫、フラーレン及びフッ素化フタロシアニンから選ばれるn型半導体からなり、該ホール輸送層が、酸化ニッケル、ヨウ化銅、ポリチオフェン、ポリピロール及びPPVから選ばれるp型半導体からなることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
【請求項7】
前記有機色素が、下記色素1-1、色素1-2、色素1-3及び色素1-4から選ばれる色素であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
JP0005376850B2_000004t.gif
【請求項8】
前記ホール輸送層のホール輸送材料が、下記A、B、C及びDから選ばれる化合物であることを特徴とする請求項6に記載の太陽電池。
JP0005376850B2_000005t.gif
【請求項9】
有機系太陽電池である請求項1~8のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項10】
色素増感太陽電池である請求項1~8のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項11】
ハイブリッド色素増感太陽電池である請求項2に記載の太陽電池。
【請求項12】
平面インフィニットタンデム型太陽電池である請求項1~11のいずれかに記載の太陽電池。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池の太陽光に対する効率を向上させる一般的な方法は、光吸収帯域を増大することである。その一つが、タンデム型に太陽電池を積層する方法である。
【0003】
従来のタンデム型セルは、図1に示すように、セルを前後に積層させたものであり、高コストな材料である透明導電膜等を多く使用しなければならないために、コスト高になる等の問題点があった。例えば、非特許文献1は、CIGS(Copper Indium Gallium DiSelenide)化合物半導体を用いた太陽電池と色素増感太陽電池をスタックしたものであり、非特許文献2は、チタニア塗布透明導電膜ガラス基板/白金メッシュ電極/チタニア塗布透明導電膜ガラス基板からなるセルであり、非特許文献3は、チタニア塗布透明導電膜ガラス基板/白金メッシュ電極/酸化ニッケル塗布透明導電膜ガラス基板からなるセルであり、非特許文献4は、異なる色素を有する色素増感太陽電池をスタックしたものであるが、いずれの技術においてもコスト高になる等の問題点があった。また、これらの従来技術は、単に光電変換素子を重ねた場合、各材料が光を吸収するために、積層した奥の光電変換素子に有効に光が届かなくなるという欠点があった。さらに、部材を省略し、光電変換素子の光吸収層、電荷分離層を積層した場合には、第1の光電変換素子と第2の光電変換素子を接合する技術が難しく、大きな電流の損失を招く等の欠点があった。
【0004】
また、シリコン系太陽電池を用いた平面型のタンデム型太陽電池は、従来から知られていたが、自由にエネルギーレベルや色を変えることができず、平面型タンデム型太陽電池の利点を活かすことができなかった。

【非特許文献1】APPLIED PHYSICS LETTERS 88(2006), 203103
【非特許文献2】J. Phys. D: Appl. Phys. 40(2007), 1664-1668
【非特許文献3】Thin Solid Films 490(2005), 182
【非特許文献4】J. Photochem. Photobiol. A. Chem. 164(2004), 33
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の課題は、効率の良い太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、下記に示すとおりの太陽電池を提供するものである。
項1. 太陽光を分光する分光手段を有し、該分光手段により分光した光を受光して光電変換する2個以上の光電変換素子が平面状に配列され、それぞれの光電変換素子が、直列および/または並列で電気的に結合されている太陽電池であって、それぞれの光電変換素子が、分光された光を吸収する受光体、電荷分離界面および電荷輸送層を有し、該受光体、該電荷分離界面および該電荷輸送層の少なくとも一つが有機物であることを特徴とする太陽電池。
項2. 受光体が無機色素または有機色素であることを特徴とする項1に記載の太陽電池。
項3. 電荷分離界面が無機色素または有機色素に接していることを特徴とする項1に記載の太陽電池。
項4. 電荷輸送層が無機電荷移動媒体または有機電荷移動媒体であることを特徴とする項1に記載の太陽電池。
【0007】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0008】
本発明の太陽電池は、平面的に展開できるため、材料を重ねることによる光吸収のロスがなくなり、かつ、光電変換素子を接合させる必要がないため、接合に起因する電流ロスもない。比較的容易にタンデム構造が形成でき、しかも広帯域の光を吸収し、バンド構造のミスマッチによる効率の低下を防ぎ、高効率を達成できる。そして、この平面タンデム型太陽電池の主体を有機物とすることにより、エネルギーレベルや色を変える選択肢が拡がり、平面型タンデムを無限に並べることが可能となる。
【0009】
本発明の太陽電池(平面タンデムセル)の一例を図2に示す。太陽光を分光する手段を有し、該分光手段により分光した光をそれぞれの分光範囲(波長領域)で最大の効率が得られる特性を有する光電変換素子を分光面に沿って平面状に展開した太陽電池である。分光の光範囲に応じて最適な光電変換素子を配列することにより、バンド構造のミスマッチによる効率低下が防止でき、さらに広帯域の光を吸収することができる。
【0010】
本発明の太陽電池における受光体は、幅広い分光特性に吸収を最適化させる必要があり、シャープな光吸収を有する有機色素が有効である。色素増感太陽電池、ハイブリッド色素増感太陽電池として知られている有機系太陽電池は、有機色素または無機色素を受光体として使用できるため、本発明の平面タンデムセルの最適な太陽電池候補である。
【0011】
本発明に係る電荷輸送層は、電子やホールを輸送する層であり、無機電荷移動媒体または有機電荷移動媒体であるのが好ましい。電子を輸送する材料としては、例えば、n型半導体である酸化亜鉛、酸化錫等の酸化物半導体、フラーレン、フッ素化フタロシアニン等の有機n型半導体が挙げられる。また、ホールを輸送する材料としては、例えば、p型半導体である酸化ニッケル、ヨウ化銅、ポリチオフェン、ポリピロール、PPV等が挙げられる。これらの材料は、分子構造の最適化により、エネルギー順位や色を自由にコントロールでき、平面インフィニットタンデムに最適である。
【0012】
本願明細書において、受光体とは色素を意味する。図3に示すように、この色素に光照射がなされると、励起され、電子とホールができる。この色素励起に伴う電子は、エネルギー差があるために、電荷分離界面を通じて、金属酸化物(n型半導体である酸化亜鉛、酸化錫等の酸化物半導体)やフラーレン、フッ素化フタロシアニン等の有機n型半導体に移行する。酸化物半導体や有機n型半導体は、電子輸送層として働く。また、電解質(例えば、ヨウ素30mM、LiI 500mM、ターシャリブチルピリジン500mM、メチルイミダゾリウムアイオダイド500mMのアセトニトリル溶液等)や、p型半導体である酸化ニッケル、ヨウ化銅、高分子(例えば、ポリチオフェン、ポリピロール、PPV)等は、ホール輸送層として働く。電荷輸送層は、これらの電子輸送層とホール輸送層を含む。
【発明の効果】
【0013】
本発明の太陽電池は、平面的に展開できるため、材料を重ねることによる光吸収のロスがなくなり、かつ、光電変換素子を接合させる必要がないため、接合に起因する電流ロスもない。比較的容易にタンデム構造が形成でき、しかも広帯域の光を吸収し、バンド構造のミスマッチによる効率の低下を防ぎ、高効率を達成できる。そして、この平面タンデム型太陽電池の主体を有機物とすることにより、エネルギーレベルや色を変える選択肢が拡がり、平面型タンデムを無限に並べることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0015】
実施例1
図2に示すように、太陽光を石英レンズで集光し、その後、プリズムで分光し、基板上に分光した光を照射できるようにセルを配置した。
【0016】
具体的には、セルAとして、透明導電膜(SnO2/F)を表面に形成したガラス基板(表面抵抗10Ω.□)上にソラロニクス社製チタニアペーストDを塗布した後、450℃で30分間加熱することにより、膜厚12μmのポーラスチタニア膜を有する基板を作製した(セルサイズ5×20 mm)。この基板を短波長吸収に適した下記式の色素1-1(エタノール溶液0.1%)に5時間、室温で浸漬した後、エタノールで十分洗浄し、室温下、暗所で乾燥した。対極には、チタン板に白金をスパッタ(100nm)したものを用いた。2枚の基板を、スペーサーとしてハイミラン(DuPont社製、厚さ25μm)を用いて接着した。2枚の基板の隙間に、電解液を注入した。電解液としては、ヨウ素30mM、LiI 500mM、ターシャリブチルピリジン500mM、メチルイミダゾリウムアイオダイド500mMのアセトニトリル溶液を用いた。このようにして、短波長側に感度を有するセルAを作製した。
【0017】
同様にして、長波長吸収に適した下記式の色素1-2に浸積した基板で中波長セルBを作製した。
【0018】
【化1】
JP0005376850B2_000002t.gif

【0019】
これらのセルを、分光した光の中に、短波長光をセルAに、中波長光をセルBに照射するように、同一平面上にセットした。光を照射したところ、図4に示すように電圧が2倍になり、平面タンデム構造を有する本発明の太陽電池が、高い変換効率を示すことがわかった。
【0020】
実施例2
実施例1に加えて、チタニアの代わりに合成した酸化錫(直径20nm)をチタニアと同様にペースト化し(具体的には、酸化錫とエタノールとブタノールとを、1:1:1で混合した後、乳鉢中で30分間撹拌し、ペースト状材料にした。)、得られたペースト状材料を、透明導電膜基板上に塗布した。これを焼成することにより、膜厚14μmのポーラス酸化錫膜を有する基板を作製した。このポーラス酸化錫膜に、実施例1と同様に、長波長吸収に適した前記式の色素1-3を6時間処理して着色し、長波長セルCを作製した。
【0021】
セルA、B、Cを、プリズムで分光した光の短波長側から長波長側へ平面状に並べたところ、短絡電流1.2mA/cm2、1.6Vの開放電圧が得られた。セルCだけで測定すると開放電圧は0.5Vであり、セルA、BおよびCの総和が1.6Vに近い値になった。3列平面タンデム構造を構築することにより、さらに高い変換効率を示すことがわかった。
【0022】
実施例3
研磨したFTOガラス基板に、約2mm×10mmの範囲で、酸化チタンペースト(酸化チタン粒子平均直径20μm)を塗布した。同様にして、0.5mmの間隔をおいて、3個の酸化チタン層を作製した。最後に、酸化錫ペースト(平均粒径30nm)を塗布した(塗布面積5mm×20mm)。FTO層とポーラス酸化物半導体層の間には、20nmの緻密な酸化物半導体層を事前に形成した。緻密層は、テトラエトキシチタンのエタノール溶液(5%)を塗布し、450℃で30分間焼成して作製した。これらの酸化物半導体層を、450℃で30分間焼成した。これらのポーラス酸化物半導体層を、順次、4個の異なった色素である前記式の色素1-1、1-2、1-3、1-4で着色した。
【0023】
さらに、前記式の4種類の色素のHOMO(最高被占軌道、Highest Occupied Molecular Orbital)から電子が輸送し易いレベルにある下記式のホール輸送材料A、B、C、Dのクロルベンゼン溶液(5%)を塗布した後、個々のセルに電極としてのAuを蒸着した。ホール輸送層には、添加剤として0.2Mのターシヤリーブチルピリジン、0.027mMのLi(CF3SO2)N、0.033mMのN(C6H4Br)SbCl6を用いた。
【0024】
【化2】
JP0005376850B2_000003t.gif

【0025】
それぞれのセルを直列に接続し、実施例1と同様に、それぞれの色素の吸収波長に合致するように、分光した光を照射した。セルのサイズ、チタニアの膜厚は、各セルの電流が6mAとなるように調整した。この4平面タンデムセルに分光した光を照射したところ、電圧3.5V、ff(フィルファクター)0.65、効率13.65%が得られ、高い変換効率を得ることが可能となった。
【0026】
比較例1
実施例3に記載した光電変換素子を、従来技術と同様に、単に積み重ねて順次積層することにより、積層型タンデム太陽電池を作製した。これに、実施例3と同様に、光照射したところ、効率は4.6%であった。これにより、積層型タンデム太陽電池よりも、本発明の平面型太陽電池の特性が優れていることを実証できた。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】従来のタンデム型セルの概略を示す図である。
【図2】本発明の太陽電池(平面タンデムセル)の一例の概略を示す図である。
【図3】受光体、電荷分離界面および電荷輸送層の関係の概略を示す図である。
【図4】実施例1の太陽電池の光電変換特性を示す図である。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3