CN101743662A - 光电转换元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电转换元件及其制造方法。该光电转换元件呈对置状配置有两片电极(10)，该两片电极是通过隔着透明导电膜(2)将用光敏色素进行了染色的光催化膜(8)形成在透明基板的一面上而构成的；在这些电极之间配置有对电极(11)，上述对电极是通过隔着覆盖对电极用基板(4)的两面的非开口部整体的导电性粘接剂层(7)来设置对该基板表面实质上垂直取向的刷状碳纳米管而构成的，上述对电极用基板具有多个开口部(9)。该光电发光元件发电效率高、无腐蚀问题、且可适用于耐热性低的基板。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池那样的光电转换元件，尤其涉及光电转换元件的制造方法。
背景技术
一般来说，色素敏感型太阳能电池等光电转换元件由电极、对电极、以及夹在两电极之间的电解质液而构成，其中，上述电极是在玻璃板等透明基板上形成透明导电膜并用光敏色素对其进行染色而成的，上述对电极是在对电极用基板上形成透明导电膜而成的。
色素敏感型太阳能电池利用阳光等光能从电极上的光敏色素激励电子，但并不是所有的光敏色素都接受光能，也存在原样透过电极的光能。
为此，提出有如下色素敏感型太阳能电池：通过夹着光透射性绝缘基板而层叠至少两层的光电转换层，透射过电极的光能也有助于发电，从而使每单位面积的发电量增大，其中，该至少两层的光电转换层是由电极层、由吸收了光敏色素的金属氧化物构成的半导体层、电解质层、以及电极层依次层叠而成(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平11-273753号公报
发明内容
但是，在上述的色素敏感型太阳能电池中，由于光电转换层间的绝缘部件一侧的电极(正极)向后级的光电转换层传送光能，因此由具有透射性的导电层构成是不可缺少的。这些导电层是在透明玻璃基板的一面上形成掺杂了氟的氧化锡层而构成的，但是由于这些导电层被包含碘等腐蚀性物质的电解质液所漂白，因此有腐蚀这样的问题。
为此，本发明提供一种没有上述那样的腐蚀问题并能增大每单位面积的发电量的色素敏感型太阳能电池及其制造方法。
本发明的光电转换元件其特征在于：呈对置状配置有两片电极，该两片电极是通过隔着透明导电膜将用光敏色素进行了染色的光催化膜形成在透明基板的一面上而构成的；在上述两片电极之间配置有对电极，上述对电极是通过隔着覆盖对电极用基板的两面的非开口部整体的导电性粘接剂层来设置对该基板表面实质上垂直取向的刷状碳纳米管而构成的，上述对电极用基板具有多个开口部。
在基于本发明的光电转换元件中，优选为上述电极是通过在透明基板上的透明导电膜上使相对于基板面实质上垂直设置的刷状碳纳米管担持光催化粒子并用光敏色素对该光催化粒子进行染色而构成的。
优选为上述电极是通过在透明基板上的透明导电膜上形成由碳纳米管粒子和光催化粒子的混合物构成的光催化膜并用光敏色素对该光催化膜进行染色而构成的。
优选为上述电极与上述对电极的刷状碳纳米管相接触。
本发明的光电转换元件的制造方法，其特征在于：通过隔着透明导电膜将用光敏色素进行了染色的光催化膜形成在透明基板的一面上来构成电极，将所得到的两片电极呈对置状配置，在上述两片电极之间配置对电极，该对电极通过隔着覆盖具有多个开口部的对电极用基板的两面的非开口部整体的导电性粘接剂层来设置对该基板表面实质上垂直取向的刷状碳纳米管而构成。
在本发明的光电转换元件的制造方法中，优选为在透明基板的一面上形成透明导电膜，将另外形成的刷状碳纳米管转印到该透明导电膜上以使其对基板面实质上垂直取向，使该碳纳米管担持光催化粒子，并用光敏色素对该光催化粒子进行染色，从而构成上述电极。
另外，优选为在透明基板上形成透明导电膜，在该透明导电膜上形成由碳纳米管粒子和光催化粒子的混合物构成的光催化膜，并用光敏色素对该光催化膜进行染色，从而构成上述电极。
优选为，当在上述透明导电膜上形成由碳纳米管粒子和光催化粒子的混合物构成的光催化膜时，将包含上述混合物的糊剂涂敷在透明导电膜上并使其干燥。此时，优选为在将上述糊剂涂敷在透明导电膜上时，在透明导电膜和与其相对的电极之间形成了静电场的状态下进行涂敷。
在本发明中，上述电极的透明基板可以是玻璃板、塑料板等。上述电极的透明导电膜例如可以为包含添加了锡的氧化铟锡(Indium Tin Oxid：ITO)、添加了氟的氧化锡(Fluorine doped Oxide：FTO)、二氧化锡(SnO2)等导电性金属氧化物的薄膜。
光敏色素可以是例如具有含有联吡啶结构、三联吡啶结构等配位基的钌配位化合物或铁配位化合物、卟吩类或酞菁类的金属配位化合物、进而曙红、罗丹明、部花青素、香豆素等有机色素。
光催化剂可以是二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、三氧化钨(WO3)、氧化锌(ZnO)、五氧化二铌(Nb2O5)等的金属金属氧化物。
对电极用基板有铝、铜、锡等的金属片构成。
对电极的导电性粘接剂层可以由碳类导电性粘接剂构成，但并不限定于此。
根据需要，还可以在成为负极的电极和成为正极的对电极之间存在电解质液。电解质液可以是碘、碘化物离子、叔丁基吡啶等的电解质成分溶解于碳酸乙烯酯或甲氧基乙腈等有机溶剂中的物质。
刷状碳纳米管的形成和转印按公知的方法进行。
采用本发明，由于在两片电极之间配置的对电极具有多个开口部，因此在前级的电极中对发电没有作用的光能经过多个开口部而传导到后级的电极，因此能用于发电。
另外，具有多个开口部的对电极用基板两面的非开口部整体被导电性粘接剂所覆盖，因此即使是在两电极之间存在含有腐蚀性物质的电解质液的情况下，该电解质液也不与上述基板接触，因此不存在该电解质液对对电极产生腐蚀。
进而，通过对电极的刷状碳纳米管、包含在光催化剂中的碳纳米管，电子的移动变好，与以往相比即使是少量的电解质液也能构成高效率的色素敏感型太阳能电池。
由此，能构成具有功率转换效率高且耐腐蚀性优异的对电极的太阳能电池单元。
附图说明
图1是表示实施例1的太阳能电池单元的剖视图。
图2是表示实施例2的太阳能电池单元的剖视图。
图3是表示实施例3的太阳能电池单元的剖视图。
图4是表示具有多个开口部的金属片的立体图。
图5是表示实施例2中的电泳法的剖视图。
图6是表示基于实施例3中的电泳法的光催化剂层的形成方法的剖视图。
图7是表示基于实施例4中的静电法的光催化剂层的形成方法的剖视图。
附图标记说明：
(1)透明基板
(2)(18)透明导电膜
(3)氧化钛粒子
(4)对电极用基板
(5)(15)碳纳米管膜
(6)密封片
(7)导电性粘接剂层
(8)光催化膜
(9)开口部
(10)光催化电极(负极)
(11)对电极(正极)
(12)(13)电极
(14)高电压电源
(15)碳纳米管膜
(16)刮板
(17)分散液
(25)碳纳米管粒子
具体实施方式
下面，为了具体地说明本发明而列举几个本发明的实施例。
实施例1
在图1中，在玻璃或者塑料制的电极用透明基板(1)的一面形成透明导电膜(2)，在该导电膜(2)上形成厚度10～15μm的由氧化钛粒子(3)构成的光催化膜(8)。光催化膜(8)是在透明基板(1)上涂敷含有平均粒径20～30nm的氧化钛粒子的糊剂烧结而形成的。
在用被称为“N3”或“N719”的钌类色素将光催化膜(8)染色之后，在光催化膜(8)的表面涂敷碘类电解质液。这样一来，构成了光催化电极(负极)(10)。准备了两片该光催化电极(10)。
在图4中，通过蚀刻在厚度30～50μm的金属片(4)上(例如铝片)上设置多个开口部(9)。在该片的两面上涂敷碳类导电性粘接剂，形成覆盖了金属片两面的非开口部整体的导电性粘接剂层(7)。将另行用热化学蒸镀、等离子化学蒸镀等方法与基材实质上垂直形成的碳纳米管隔着导电性粘接剂层(7)以实质上垂直取向的方式从该基材转印到有孔金属片(4)两面的非开口部，形成对极(正极)(11)，并在碳纳米管膜(5)的表面(对电极表面)涂敷碘类电解质液。
呈对置状配置两片光催化电极(负极)(10)，在这些负极间配置具有多个开口部(9)的对电极(正极)(11)，使前者的光催化膜(8)与后者的碳纳米管膜(5)对置。在三片电极的周边部间设置由热固化树脂或光固化树脂构成的密封片(6)。用密封片(6)对这些电极进行一体化而构成色素敏感型太阳能电池单元。
关于该单元结构，对通过AM1.5、100mW/cm2的标准光源照射后的功率转换效率进行测量的结果是，转换效率为7.0％(在以往的色素敏感型太阳能电池单元中，功率转换效率为4～5％左右)。
虽然发生电压为0.44V左右，但是能得到光电流密度为通常单元的约1.4倍的16mA/cm2，结果提高了功率转换效率。
另外，研究了在对电极的表面涂敷的基于碘类电解质液的腐蚀性。其结果是确认了对电极表面与初始状态相比并无变化，并且耐久性优异。
实施例2
在图2中，对于用ITO等透明导电膜(18)覆盖表面的玻璃或者塑料制的透明基板(1)，在该透明导电膜上形成PEDOT或PEDOT/PSS等导电性高分子的透明导电膜(2)。将另行用热化学蒸镀、等离子化学蒸镀等方法与基材实质上垂直形成的碳纳米管以实质上垂直取向的方式从该基材转印到该透明导电膜(2)上。碳纳米管膜(15)大约8μm厚。
接着，如图5所示，将该带碳纳米管膜(15)的基板(1)浸润在分散有氧化钛粒子(平均粒径20nm)的分散液(优选为乙醇分散液)(17)中，在与基板对置而设置在该分散液(17)中的电极(13)和上述基板(1)的导电膜(2)之间，由高电压电源(14)形成约-1kV/cm的电场，利用电泳法将氧化钛粒子(3)移动并承载到碳纳米管膜(15)上。另外，基板(1)的导电膜(2)一侧为负高压，电极(13)一侧接地而两者相接触。
用被称为“N3”或“N719”的钌类色素将由碳纳米管膜(15)和被其承载的氧化钛粒子(3)构成的光催化膜(8)染色之后，在光催化膜(8)的表面涂敷碘类电解质液。这样一来，就构成了光催化电极(10)。
也可以取代电泳法而在将成为光催化剂的前体的氯化物或氢氧化物的溶液涂敷在带碳纳米管膜的基板(1)上之后，使用水蒸汽等对前体进行氧化，由此使预定的光催化剂微粉体承载到碳纳米管膜的表面。另外，还可以滴下将含有平均粒径20～30nm的氧化钛粒子等的光催化剂的糊剂用乙醇等稀释后的稀释液，并对其进行干燥、烧成，由此使光催化剂粒子承载到碳纳米管膜的表面。
与实施例1同样地形成了对电极(正极)(11)。
呈对置状配置两片光催化电极(负极)(10)，在这些负极间配置具有多个开口部(9)的对电极(正极)(11)，使前者的光催化膜(8)与后者的碳纳米管膜(5)对置。在三片电极的周边部间设置由热固化树脂或光固化树脂构成的密封片(6)。用密封片(6)对这些电极进行一体化而构成色素敏感型太阳能电池单元。在该太阳能电池单元内部浸渍碘类电解质液。
关于该单元结构，对通过AM1.5、100mW/cm2的标准光源照射后的功率转换效率进行测量的结果是，转换效率为7.8％。
实施例3
在图3中，在玻璃或者塑料制的电极用的透明基板(1)的一面上形成透明导电膜(2)。
另行将氧化钛光催化粒子(平均粒径20nm)和碳纳米管(多壁碳纳米管：MWNT)的长度为1μm的粒子(是将MWNT分散到乙醇中，用超声波洗净器进行微粉化，并用过滤器取出的1μm以下的MWNT)混合，将乙醇和水加入该混合物中，制成糊剂。在该实施例中碳纳米管使用了MWNT，但是也可以使用单壁碳纳米管(SWNT)或双壁碳纳米管(DWNT)。
用刮板将该糊剂涂敷在透明基板(1)的透明导电膜(2)上进行制膜，在温度150℃下干燥，当形成了含有氧化钛粒子(3)和碳纳米管粒子(25)的光催化膜(8)之后，在光催化膜(8)的表面涂敷碘类电解质液。这样一来，就构成了光催化电极。
在该实施例中，使用含有氧化钛粒子(3)和碳纳米管粒子(25)的糊剂而形成了膜，但是也可以稀释上述糊剂液，将带透明导电膜(2)的基板(1)浸入该稀释液内，在基板一侧形成约-1kV/cm的电场，并利用电泳法进行膜生成。即，在图6中，对于用ITO等透明导电膜(18)覆盖表面的玻璃或者塑料制的透明基板(1)，在该透明导电膜上形成PEDOT或PEDOT/PSS等导电性高分子的透明导电膜(2)。将该透明基板(1)浸入分散有氧化钛粒子(3)和碳纳米管(25)的分散液(优选为乙醇分散液)(17)中，在以与基板(1)对置的方式而设置在该液(17)中的电极(13)和上述基板(1)的导电膜(2)之间，由高电压电源(14)形成约-1kV/cm的电场，利用电泳法形成含有氧化钛粒子(3)和碳纳米管(25)的光催化膜(8)。另外，基板(1)的导电膜(2)一侧为负高压，电极(13)一侧接地而两者接触。
用被称为“N3”或“N719”的钌类色素将光催化膜(8)染色之后，在光催化膜(8)的表面涂敷碘类电解质液。这样一来，就构成了光催化电极(10)。
与实施例1同样地形成了对电极(正极)(11)。
呈对置状配置两片光催化电极(负极)(10)，在这些负极间配置具有多个开口部(9)的对电极(正极)(11)，使前者的光催化膜(8)与后者的碳纳米管膜(5)对置。在三片电极的周边部间设置由热固化树脂或光固化树脂构成的密封片(6)。用密封片(6)对这些电极进行一体化而构成色素敏感型太阳能电池单元。在该太阳能电池单元内部浸渍碘类电解质液。
关于该单元结构，对通过AM1.5、100mW/cm2的标准光源照射后的功率转换效率进行测量的结果是，转换效率为7.2～7.4％。
实施例4
在图7中，将用ITO等透明导电膜(2)覆盖表面的玻璃基板或者塑料制的电极用的透明基板(1)配置在连接有高电压电源(14)的金属板制的电极(12)上，与该基板(1)对置而配置金属板制的对置电极(13)。在这些电极(12)(13)之间施加负高电压，形成静电场。另外，电极(12)一侧为负高压，对置电极(13)一侧接地而两者接触。
在该实施例中，在电极间形成-1.5～-2kv/cm的电场。
在该状态下，在透明电极膜上涂敷含有氧化钛粒子(3)等的光催化剂和用超声波洗净器进行了微粉化的碳纳米管粒子(25)的混合物的糊剂，并且用由树脂制压勺形成的刮板(16)，以糊剂表面均匀的方式延展糊剂而形成涂膜。
呈分散状地包含在该涂膜中的碳纳米管粒子通过在电极间形成的静电场，移动到基板(1)一侧，或者在光催化层中向垂直于基板(1)的表面聚集。在这里，分散碳纳米管粒子相对于基板(1)的表面没有完全垂直而是稍微倾斜着也没有问题。
在该状态下，通过来自外部的暖风或者热风来干燥湿润涂膜，进行烧成而在基板(1)上的透明导电膜(2)上形成包含氧化钛粒子(3)和碳纳米管粒子(25)的光催化膜(8)。
用被称为“N3”或“N719”的钌类色素将光催化膜(8)染色之后，在光催化膜(8)的表面涂敷碘类电解质液。这样一来，就构成了光催化电极。
在该实施例中，糊剂涂敷时的膜厚为大约100μm左右，在干燥、烧结后的光催化层(8)的膜厚为10μm左右。
与实施例1同样地形成了对电极(正极)(11)。
由上述光催化电极(负极)和上述对电极(正极)与实施例1同样地形成了色素敏感型太阳能电池单元。
关于该单元结构，通过AM1.5、100mW/cm2的标准光源照射来测量功率转换效率，其结果是转换效率为6.5～6.8％。
Claims (9)
1.一种光电转换元件，其特征在于：
呈对置状配置有两片电极，该两片电极是通过隔着透明导电膜将用光敏色素进行了染色的光催化膜形成在透明基板的一面上而构成的；在上述两片电极之间配置有对电极，上述对电极是通过隔着覆盖对电极用基板的两面的非开口部整体的导电性粘接剂层来设置对该基板表面实质上垂直取向的刷状碳纳米管而构成的，上述对电极用基板具有多个开口部。
2.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于：
上述电极是通过在透明基板上的透明导电膜上使相对于基板面实质上垂直设置的刷状碳纳米管担持光催化粒子并用光敏色素对该光催化粒子进行染色而构成的。
3.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于：
上述电极是通过在透明基板上的透明导电膜上形成由碳纳米管粒子和光催化粒子的混合物构成的光催化膜并用光敏色素对该光催化膜进行染色而构成的。
4.根据权利要求3所述的光电转换元件，其特征在于：
上述电极与上述对电极的刷状碳纳米管相接触。
5.一种光电转换元件的制造方法，其特征在于：
通过隔着透明导电膜将用光敏色素进行了染色的光催化膜形成在透明基板的一面上来构成电极，
将所得到的两片电极呈对置状配置，
在上述两片电极之间配置对电极，该对电极通过隔着覆盖具有多个开口部的对电极用基板的两面的非开口部整体的导电性粘接剂层来设置对该基板表面实质上垂直取向的刷状碳纳米管而构成。
6.根据权利要求5所述的光电转换元件的制造方法，其特征在于：
在透明基板的一面上形成透明导电膜，将另外形成的刷状碳纳米管转印到该透明导电膜上以使其对基板面实质上垂直取向，使该碳纳米管担持光催化粒子，并用光敏色素对该光催化粒子进行染色，从而构成上述电极。
7.根据权利要求5所述的光电转换元件的制造方法，其特征在于：
在透明基板上形成透明导电膜，在该透明导电膜上形成由碳纳米管粒子和光催化粒子的混合物构成的光催化膜，并用光敏色素对该光催化膜进行染色，从而构成上述电极。
8.根据权利要求7所述的光电转换元件的制造方法，其特征在于：
当在上述透明导电膜上形成由碳纳米管粒子和光催化粒子的混合物构成的光催化膜时，将包含上述混合物的糊剂涂敷在透明导电膜上并使其干燥。
9.根据权利要求8所述的光电转换元件的制造方法，其特征在于：
在将上述糊剂涂敷在透明导电膜上时，在透明导电膜和与其相对的电极之间形成了静电场的状态下进行涂敷。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100616 |