JP2004087202A

JP2004087202A - 色素増感型太陽電池

Info

Publication number: JP2004087202A
Application number: JP2002244130A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Furumiya; 古宮　良一; Ryosuke Yamanaka; 山中　良亮; Reigen Kan; 韓　礼元; Takehito Mitachi; 見立　武仁
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP4344120B2

Abstract

【課題】優れた性能を有する固体電解質を使用した色素増感型太陽電池を提供する。
【解決手段】一対の導電性基板の間に、５０〜８０％の空隙率を有し、色素を吸着した多孔性半導体層と、高分子化合物からなる網目構造体に酸化還元種及びこれを溶解可能な溶媒を含むゲル電解質とを含む色素増感型太陽電池。溶媒としてはエチレンカーボネートを含む混合溶媒が好ましく、導電性基板は少なくとも一方が透明であり、金属板基板、又はガラス板及び透明プラスチックシート等の基板上に金、銀、アルミ、インジウム、酸化インジウム及び酸化スズ等の導電膜が形成されたものから構成される。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色素増感型太陽電池に関する。より詳しくは、本発明は、ゲル電解質を用いた色素増感型太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
色素増感型太陽電池は、有機系太陽電池の中で高変換効率を示すため、広く注目されている。この色素増感型太陽電池で用いられている光電変換材料には、半導体層表面に可視光領域に吸収を持つ分光増感色素を吸着させたものが用いられている。
【０００３】
例えば、特許掲載公報２６６４１９４号では、遷移金属錯体からなる分光増感色素を半導体層の表面に吸着させた光電変換材料を用いた色素増感型太陽電池が記載されている。また、特公平８−１５０９７号公報には、金属イオンをドープした酸化チタンからなる半導体層の表面に、遷移金属錯体等の分光増感色素層を有する色素増感型太陽電池が記載されている。更に、特開平７−２４９７９０号公報には、半導体層の表面に分光増感剤のエタノール溶液を加熱還流させることにより得られた光電変換材料を用いた色素増感型太陽電池が記載されている。
従来の色素増感型太陽電池は、光電変換材料で発生した電荷を電気として取り出すために電荷輸送材料を含んでいる。電荷輸送材料は、通常電解液が使用される。一般的な電解液を使用した色素増感型太陽電池の作製工程について図６を使用して説明を行う。
【０００４】
透明基板６１の表面に形成された透明導電膜６２上に、酸化チタン等の多孔性半導体層６３を形成し、得られた多孔性半導体層６３に色素を吸着させることで光電変換材料を得る。対極６５に白金膜６６等の触媒をコーティングし、多孔性半導体層６３と白金膜６６を対面するように透明基板６１と対極６５を重ねあわせその間に電解液を注入して電解液層６４とし、透明基板６１と対極６５の側面をエポキシ樹脂６７等で封止する。この工程により色素増感型太陽電池が作製される。
【０００５】
また、電解液層からの液漏れを防止するため、特開平８−２３６１６５号公報、特開平９−２７３５２号公報には、電解液層を固体化した色素増感型太陽電池が記載されている。このとき用いられる多孔性半導体層としては、比表面積が１ｇあたり１００〜１００００ｍ^２程度のものが好ましいと記載されている。
また電解液層の固体化方法としては、次の方法が記載されている。まず、一般式（Ｉ）；
【０００６】
【化１】

【０００７】
（式中、Ｒ^１、Ｒ^２は水素原子又はメチル基であり、Ｒ^３は水素原子あるいは炭素数１以上の低級アルキル基である。ｎは１以上の整数であり、ｍは０以上の整数であってｍ／ｎは０〜５の範囲である。）
で表されるモノマーを、エチレングリコールに溶解して得られたモノマー溶液に、酸化還元種であるヨウ素化合物（ヨウ化リチウム等）を溶解させ、多孔性半導体層に含浸させた後、紫外線もしくは熱により重合させて高分子化合物を作製する。その後、別の酸化還元種であるヨウ素を昇華させることにより高分子化合物にドープすることで固体化された電解液層が形成されている。
【０００８】
特開２００１−２１０３９０号公報には、平均粒径が１〜２０００ｎｍ程度の粒子を用いて多孔性半導体層が作製され、その層の比表面積は１ｇあたり１０〜２００ｍ^２程度が好ましいと記載されている。また電解質を固体化する方法として、一般式（ＩＩ）；
【０００９】
【化２】

【００１０】
（式中、Ｒ^１は水素原子又はメチル基であり、Ａはエステル基と炭素原子で結合している残基であり、ｎは２〜４である。）
で表されるポリ（メタ）アクリレート系モノマー単位を用いたゲル電解質において、溶媒としてエチレンカーボネートあるいはプロピレンカーボネートを用いることが記載されている。
【００１１】
特開平１１−１２６９１７号公報では、５〜２００ｎｍの微粒子を用いた多孔性半導体層が作製されている。また、カーボネート基、窒素原子を含有する複素環又は４級アンモニウム塩に由来する一価の有機残基を有する構成単位を少なくとも一種含むことを特徴とするゲル電解質が記載されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように色素増感型太陽電池の液漏れを防止するために、高分子化合物を用いた電解質の固体化が検討されている。しかしながら溶媒、あるいは電解液と高分子化合物を混合したものは粘度が向上し、多孔性半導体層中へ注入することが困難であった。それゆえに、多孔性半導体層とゲル電解質との接触界面形成が困難であり、電解液を用いた色素増感型太陽電池の変換効率と比較して７割程度であるという問題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、上記従来の多孔性半導体層は、比表面積や用いる微粒子の粒径のみが検討されているだけであり、多孔性半導体層とゲル電解質が良好な接触界面を形成するのに最適な多孔性半導体層の空隙率について検討されていないことに気付いた。
【００１４】
そこで、本発明の発明者等は、鋭意検討の結果、ゲル電解質を用いて高い変換効率を示す色素増感型太陽電池を作製するのに要求される多孔性半導体層の空隙率を特定する、すなわち高分子化合物と溶媒あるいは電解液を混合した溶液を浸透させるのに最適な空隙率を持つ多孔性半導体層を形成することにより、高い変換効率を示すゲル電解質を用いた色素増感型太陽電池を提供することができることを意外にも見い出し本発明にいたった。
【００１５】
かくして本発明によれば、一対の導電性基板の間に、５０〜８０％の空隙率を有し、色素を吸着した多孔性半導体層と、高分子化合物からなる網目構造体に酸化還元種及びこれを溶解可能な溶媒を含むゲル電解質とを含むことを特徴とする色素増感型太陽電池が提供される。
さらに５０〜８０％の空隙率を有する多孔性半導体層を有する色素増感型太陽電池においてゲル電解質中の溶媒がエチレンカーボネートを含んだ混合溶媒であることを特徴とする色素増感型太陽電池が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
一対の導電性基板は、少なくとも一方が透明であり、金属板基板、又はガラス板及び透明プラスチックシート等の基板上に金、銀、アルミニウム、インジウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ膜）及び酸化スズ等の導電膜が形成されたものから構成される。基板上に導電膜を形成する方法としては、材料となる成分の真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の気相法、ゾルゲル法によるコーティング法等の公知の方法が挙げられる。導電膜の厚さは、０．０１〜５μｍ程度が好ましい。
【００１７】
更に、他方の導電性基板上には、白金等の金属触媒やカーボン膜からなる対極が存在することが好ましい。特に、対極は、白金であることが好ましい。このときの膜厚は触媒機能を発現できる厚さであればよく、１〜２０００ｎｍ程度が望ましい。
【００１８】
多孔性半導体層を構成する半導体としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等の公知の半導体が挙げられる。これらの半導体は２種類以上を混合して用いることも出来る。これらの中でも、変換効率、安定性、安全性の点から酸化チタンが特に好ましい。酸化チタンとしては、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、オルソチタン酸等の種々の酸化チタン、含酸化チタン複合体等が挙げられるが、これらはいずれであってもよい。
多孔性半導体層は、次のようにして形成することができる。
【００１９】
まず、材料となる半導体の微粒子を用意し、その微粒子を、高分子等の有機化合物と分散剤と共に、有機溶媒、水等の媒体に加え、分散させて懸濁液を調製し、その懸濁液を導電性基板上に塗布する。微粒子と共に溶媒に有機化合物を添加することで、有機化合物が焼成時に燃焼して多孔性半導体層の隙間を確保することが可能となる。また、焼成時に燃焼する有機化合物の分子量や添加量を制御することで空隙率を変化させることができる。なお、有機化合物の種類や量は、使用する微粒子の状態、全体の総重量等により適宜選択し調整することができる。ただし、半導体微粒子の割合が全体の総重量に対して１０ｗｔ％未満のときは、作製した膜の強度が弱いため、色素増感型太陽電池の多孔性半導体層として用いることは困難である。また半導体微粒子の割合が全体の総重量に対して４０ｗｔ％よりも多いときには、空隙率が小さい膜しか作製出来ない。そのため半導体微粒子の割合は全体の総重量に対して１０〜４０ｗｔ％であることが好ましい。
【００２０】
有機化合物は、懸濁液中に溶解し、焼成するときに燃焼して除去できるものであれば何でも用いることができる。例えば、ポリエチレングリコール、エチルセルロース等の高分子が挙げられる。
懸濁液の媒体としては、エチレングリコールモノメチルエーテル等のグライム系溶媒、イソプロピルアルコール等のアルコール系、イソプロピルアルコール／トルエン等の混合溶媒、水等が挙げられる。
【００２１】
塗布方法としては、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法、スクリーン印刷法等公知の方法が挙げられる。その後、塗膜の乾燥、焼成を行う。乾燥と焼成の条件は、大気下又は不活性ガス雰囲気下、５０〜８００℃程度の範囲内で、１０秒から１２時間程度が挙げられる。この乾燥及び焼成は、単一の温度で１回又は温度を変化させて２回以上行うことができる。
【００２２】
以上のように作製された多孔性半導体層の空隙率は、５０〜８０％である。空隙率が５０％より小さい多孔性半導体層の場合、後の工程でゲル電解質を構成するモノマーやプレポリマー等の高分子の前駆体やポリマーを含む溶液（以降プレポリマー溶液と記す）を多孔性半導体層中に注入する際に、多孔性半導体層の細部まで注入することが困難である。そのため、直列抵抗が大きく、短絡電流が小さくなる。具体的には、多孔性半導体層中に注入するプレポリマー溶液の粘度が５ｃＰ以上の場合、５０％以上の空隙率を持つ多孔性半導体層が必要となる。また、空隙率が８０％より大きい多孔性半導体層の場合、色素が吸着する多孔性半導体層の有効比表面積が減少して短絡電流が低下し、更に多孔性半導体層自身の強度が低下する。より好ましい空隙率は、５８％〜７０％の範囲である。
なお、空隙率とは、多孔性半導体層の体積の中で、細孔が占める体積の割合を％で示したものとする。
【００２３】
半導体の微粒子としては、適当な平均粒径、例えば１ｎｍ〜５００ｎｍ程度の平均粒径を有する単一又は化合物半導体の微粒子が使用できる。その中でも比表面積を大きくするという点から、１〜５０ｎｍ程度の平均粒径の微粒子が望ましい。
多孔性半導体層の厚さは、空隙率が５０％〜８０％であれば特に限定されるものではないが、透過性、変換効率等の観点より、０．５〜２０μｍ程度が望ましい。
【００２４】
多孔性半導体層に保持されているゲル電解質は、高分子化合物と電解液より構成されているが、多孔性半導体層中にゲル電解質が十分に存在していなければ変換効率が悪くなる。そのため、通常、液状であるゲル電解質のプレポリマー溶液を多孔性半導体中に含浸させ、その後に重合させることでゲル電解質が形成される。多孔性半導体層中へプレポリマー溶液を注入するには、多孔性半導体層を真空下におき、その後プレポリマー溶液を注入する真空注入法が望ましい。
【００２５】
またイオンの移動を考えた場合、ゲル電解質中の溶媒の粘度が低いほどイオンが移動しやすくなるので３．０ｃＰ以下の溶媒であることが好ましい。なお、粘度は、円錐平板型回転式粘度計により測定した値である。
更に、真空注入法及び熱重合によりゲル電解質を作製する場合、溶媒の揮発を防ぐため沸点は高い方がよく、具体的には２００℃以上の溶媒が含まれている。さらに混合溶媒の沸点は２００℃以上がさらに好ましい。
【００２６】
また、色素増感型太陽電池の性能を向上させるためには、電解液のイオン伝導度を高くすることが好ましい。イオン伝導度を高くするためには、使用する溶媒の粘性が低く比誘電率が高いものが好ましいが、比誘電率の高い溶媒は粘度が高く、比誘電率の低い溶媒は粘度が低い傾向にある。そのため、多孔性半導体層への注入を効率的に行い、更にゲル電解質自身の性能を向上させて、色素増感型太陽電池の変換効率を向上させるためには、溶媒を複数種組み合わせることが好ましい。
【００２７】
すなわち、ゲル電解質の溶媒を、粘度が低い溶媒と粘度が高く比誘電率も高い溶媒を混合して使用することにより、空隙率５０％〜８０％の多孔性半導体層に良好に注入することができると共に、より高性能なゲル電解質を作製することができる。例えば比誘電率が高い溶媒としてエチレンカーボネート（以下ＥＣと記載する）が挙げられる。ＥＣは比誘電率が９０と高い値を示すが、２５℃では固体状態である。そのため、他の溶媒と混合することで比誘電率が高く、粘度の低い状態を実現できる。
【００２８】
具体的には、ＥＣ（沸点２３８℃）に対して比誘電率が４０以上の非プロトン性溶媒を１種類以上混合することが望ましい。更に具体的には、ＥＣとプロピレンカーボネート（以下ＰＣと記載する、比誘電率６５、粘度２．５ｃＰ、沸点２４２℃）の混合溶媒、ＥＣとγ−ブチロラクトン（以下γ−ＢＬと記載する、比誘電率４２、粘度１．７ｃＰ、沸点２０４℃）の混合溶媒、ＥＣとＰＣとγ−ＢＬの混合溶媒が好ましい。ＥＣは比誘電率が高く、ＰＣやγ−ＢＬは高い比誘電率を保持しつつＥＣに比べ粘度も低く、また沸点も高いことから、ＥＣとこれらの溶媒を混合したものが好ましい。その中でも特に、ＥＣとγ−ＢＬの組み合わせが好ましい。
【００２９】
さらに粘度を低下させるためには、上記の混合溶媒にさらに粘度の低い溶媒を添加すれば良い。具体的には、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、メチルアセテート、メチルプロピオネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、３−メトキシプロピオニトリル、アセトニトリル、メタノール、エタノールなどのアルコール類、などが挙げられるが、上記の混合溶媒よりも低粘度であり、相溶性があれば特に限定されない。また、これらの溶媒は沸点が低いことが考えられるが、熱重合時に使用する溶媒の蒸気中で重合を行う、電解質を注入するために浸漬する電解液中に添加するなどして、沸点の低い溶媒の揮発を防ぐことで、ゲル電解質中に低粘度（低沸点）溶媒を保持させることが出来る。
【００３０】
図２に、ＥＣとγ−ＢＬの混合比に対する伝導度と溶媒の粘度の変化を示す。なお、電解質は、ヨウ化リチウムとヨウ素とヨウ化１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾールであり、高分子化合物は一般式（ＩＩ）で示されるモノマー単位のうち、Ｒ^１をメチル基、Ａを８個のポリエチレンオキサイド基と２個のポリプロピレンオキサイド基を中心核としてブタンテトライル基により構成されるモノマー単位をラジカル重合させたものである。図２に示すようにＥＣの割合が増加すると伝導度は向上するが、粘度も上昇する。これは比誘電率の高いＥＣの割合が増加したため、イオン伝導に有効なイオン濃度が増加したこと、粘度が上昇することでイオンの移動がしにくくなったことの両方の影響により、図２のような伝導度の変化を示したものと考えられる。また図２よりＥＣとγ−ＢＬは、１．５：８．５〜４．５：５．５（重量比）の割合で混合することが好ましい。
【００３１】
図３にＥＣとγ−ＢＬの混合溶媒を用いたゲル電解質と空隙率６２％の多孔性半導体層を用いたときの変換効率の伝導度依存性を示す。なお、電解質は、ヨウ化リチウムとヨウ素とヨウ化１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾールであり、高分子化合物は図２で用いたものと同じであり、半導体は酸化チタンである。溶媒の混合比を変化させることにより伝導度を変動させている。図３に示すように９×１０^−３付近の伝導度で変換効率がピークを有していることわかる。これは図２から考えると伝導度が向上すると粘度も上昇するため多孔性半導体層中へゲル電解質が注入しにくくなるため、高い伝導度のときは効率が低下したものと考えられる。
【００３２】
また、図４にＥＣとγ−ＢＬの混合溶媒を用いたゲル電解質と空隙率６２％の多孔性半導体層を用いたときの混合溶媒の粘度に対する変換効率の変化を示す。なお、電解質は、ヨウ化リチウムとヨウ素とヨウ化１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾールであり、高分子化合物は図２で用いたものと同じであり、半導体は酸化チタンである。図４に示すように、粘度が２ｃＰ付近で変換効率がピークを有していることがわかる。これは溶媒粘度が上昇することにより多孔質中への浸透が行われにくくなったためと考えられる。
【００３３】
図５にＥＣとγ−ＢＬの混合溶媒を用いたゲル電解質と空隙率６２％の多孔性半導体層を用いたときの溶媒の混合比に対する変換効率の変化を示す。なお、電解質は、ヨウ化リチウムとヨウ素とヨウ化１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾールであり、高分子化合物は図２で用いたものと同じであり、半導体は酸化チタンである。図５に示すように、ＥＣとγ−ＢＬを特定の混合比で混合した溶媒を用いたときに、高い変換効率を示している。これは図２でも示したように溶媒の混合比により伝導度と溶媒粘度が変化したため、両方の影響により変換効率の極大を示したものと考えられる。図５から混合比はＥＣ：γ−ＢＬ＝１．５：８．５〜４．５：５．５が好ましい。
【００３４】
ゲル電解質の電解質は酸化還元性のものがよく、これも一般に電池や太陽電池等において使用することができる電解質であれば特に限定されない。具体的には、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、ＣａＩ_２等の金属ヨウ化物とヨウ素の組み合わせが好ましい。また上記の組み合わせにヨウ化イミダゾリウムを添加してもよく、また金属ヨウ化物のかわりにヨウ化イミダゾリウムを用いてもよい。
電解質濃度としては、溶媒に対して０．１〜１．５モル／リットルの範囲が挙げられるが、この中で０．５〜１．５モル／リットルが好ましい。
【００３５】
ゲル電解質を構成する高分子化合物としては、混合溶媒と電解質で構成される電解液を保持できる高分子化合物であればよく、ポリ（メタ）アクリレート類、イソシアネート基を有する化合物αと活性水素基を有する化合物βを付加重合したもの、エポキシ樹脂類等が挙げられる。中でもポリ（メタ）アクリレート系の重合体もしくは共重合体が好ましい。なお、（メタ）アクリレートは、アクリレート又はメタクリレートを意味する。
ポリ（メタ）アクリレート類としては、一般式（ＩＩ）で表されるモノマー単位を重合して得られたものを用いることができる。
【００３６】
【化３】

【００３７】
（式中、Ｒ^１は水素原子又はメチル基であり、Ａはエステル基と炭素原子で結合している残基であり、ｎは２〜４である。）
ここで一般式（ＩＩ）で示されるモノマー単位としては、具体的には１，４−ブタンジオールジアクリレート、２−プロペノイックアシッド［２−［１，１−ジメチル−２−［（１−オキソ−２−プロペニル）オキシ］エチル］−５−エチル−１，３−ジオキサン−５−イル］メチルエステル、ジメタクリル酸エチレングリコール、ジメタクリル酸トリエチレングリコール、ジメタクリル酸テトラエチレングリコール、ジメタクリル酸１，３−ブチレングリコール、トリメタクリル酸トリメチロールプロパン等が挙げられる。更に、一般式（ＩＩ）のＡで表される残基がポリエチレンオキサイト基とポリプロピレンオキサイト基とブタンテトライル基により構成されるモノマー単位がより好ましい。
【００３８】
また、一般式（ＩＩ）で示されるモノマー単位を２種類以上用いて共重合させることによっても３次元的に架橋した高分子化合物が得られるが、その他に（メタ）アクリレート系モノマー単位を用いて共重合を行ってもよく、具体的には、アクリル酸イソボルニル、アクリル酸ジメチルアミノエチルエステル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸セチル、アクリル酸４−ヒドロキシブチル、アクリル酸ｔ−ブチル、アクリル酸２−メトキシエチル、アクリル酸３−メトキシブチル、アクリル酸ラウリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸２−ヒドロキエチル、メタクリル酸グリシジル等が挙げられる。
【００３９】
これらの（メタ）アクリレート系モノマー単位の添加量は、一般式（ＩＩ）の種類及び架橋性の用途により一概には言えないが、一般式（ＩＩ）のモノマー単位全量に対して５０〜９８ｍｏｌ％程度の濃度が適当である。
なお、モノマー単位を重合させるために使用されるラジカル重合開始剤の濃度、及び重合時の加熱時間は、使用するモノマー単位の種類により適宜調製及び選択することができる。
【００４０】
イソシアネート基を有する化合物αとは、化合物の中にひとつ以上のイソシアネート基を持っているものであればよい。具体的には（α１）トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート等の芳香族イソシアネート、（α２）ヘキサメチレンジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族イソシアネート、（α３）イソホロンジイソシアネート、シクロヘキシルジイソシアネート等の脂環族イソシアネートが挙げられる。更に、（α１）〜（α３）の２量体、３量体等の多量体及び変性体であってもよい。また（α４）低分子アルコールと、芳香族イソシアネート、脂肪族イソシアネート、脂環族イソシアネートとのアダクト体、（α５）高分子構造を有する化合物又は上記（メタ）アクリレート系モノマー単位にイソシアネート基をあらかじめ付加した化合物で、イソシアネート基を１つ以上有する分子量５００〜１００，０００のプレポリマー等が挙げられる。
【００４１】
ここで、高分子構造を有する化合物の具体的な高分子構造は、その一部又は全てが、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカプロラクトン、ポリヘキサメチレンカーボネート、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレン、ポリビニルピリジン、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルイソブチルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸アルキルエステル、ポリメタクリル酸アルキルエステル、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンテレフタラート、ナイロン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリベンズイミダゾール、ポリアミン、ポリイミン、ポリスルフィド、ポリフォスファゼン、天然高分子等に由来する基から構成されるものである。
【００４２】
その中でも特にポリエーテル、ポリエステル、ポリカプロラクトン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリフォスファゼンに由来する基を有するものが望ましい。
イソシアネート基を有する化合物αとして以上の具体例が挙げられるが、上述の化合物より二種類以上用いることもできる。
【００４３】
一方、上記の化合物αのイソシアネート基と反応性を有する化合物βとは、化合物の中に１つ以上のイソシアネート基と反応性のある基をもっているものであればよく、活性水素基を有する化合物が好ましい。活性水素基を有する化合物とは、活性水素基を一分子中に一種類以上有する化合物である。また、活性水素基とは−ＯＨ基、−ＳＨ基、−ＣＯＯＨ基、−ＮＨ基、−ＮＨ_２基、−ＣＯＮＨ_２基、−ＮＨＣＯＮＨ−基、−ＮＨＣＯＯ−基、Ｎａ^＋［ＣＨ（ＣＯＯＣ_２Ｈ_５）］基、−ＣＨ_２ＮＯ_２基、−ＯＯＨ基、−ＳｉＯＨ基、−Ｂ（ＯＨ）_２基、−ＰＨ_３基等が挙げられる。そのなかでも−ＯＨ基、−ＣＯＯＨ基、−ＮＨ_２基が好ましい。
【００４４】
具体的にカルボキシル基を有する化合物として、ヘキサン酸、アジピン酸、フタル酸、アゼライン酸等のカルボン酸、ヒドロキシル基を有する化合物としてエチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、ショ糖等のアルコール、アミノ基を有する化合物としてエチレンジアミン、トリレンジアミン、ジフェニルメタンジアミン、ジエチレントリアミン等のアミン等が挙げられる。また一分子中に異種の活性水素基を有する化合物として、グリシン、アラニン等のアミノ酸、エタノールアミン、スクシンアミド酸等が挙げられる。
また、化合物βとしては、高分子構造を有する化合物で、イソシアネート基と反応性のある基を一分子中に１つ以上有する分子量５００〜１００，０００の化合物が挙げられる。
【００４５】
具体的な高分子構造は高分子構造の一部又は全てが、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカプロラクトン、ポリヘキサメチレンカーボネート、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレン、ポリビニルピリジン、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルイソブチルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸アルキルエステル、ポリメタクリル酸アルキルエステル、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリベンズイミダゾール、ポリアミン、ポリイミン、ポリスルフィド、ポリフォスファゼン、天然高分子等から構成されるものである。
【００４６】
その中でも特にポリエーテル、ポリエステル、ポリカプロラクトン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリフォスファゼンを有するものが望ましい。
【００４７】
化合物βとして以上の具体例が挙げられるが、上述の化合物βは、２種類以上用いることもできる。
化合物αと化合物βの混合比は、化合物αとβの組み合わせによって異なり、また高分子の架橋性及び色素増感型太陽電池に求められる性能等により適宜決定することができる。
エポキシ樹脂としては、グリシジルエーテル類とアミン系硬化剤や非アミン系硬化剤等との共重合体が挙げられる。
【００４８】
グリシジルエーテル類としては、例えば、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、水添ビスフェノールＡジグリシジルエーテル等が挙げられ、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテルが好ましい。
【００４９】
アミン系硬化剤としては、例えば、ジアミノエチレン、ジアミノエチレングリコール、ジアミノプロピレングリコール、ジアミノジエチレングリコール、ジアミノジプロピレングリコール等が挙げられ、ジアミノジエチレングリコール、ジアミノジプロピレングリコールが好ましい。
【００５０】
非アミン系硬化剤としては、エチレングリコール、グリセリン、クレゾール、無水フタル酸、無水ピロメリット酸、無水マレイン酸等、カルボン酸系架橋剤として、テレフタル酸、アセトンジカルボン酸等が挙げられる。
重合方法としては電子線や紫外線等の照射による光重合、熱重合、常温重合等が考えられ、用いる材料により適宜選択する必要がある。ただし、色素増感型太陽電池において、多孔性半導体に酸化チタンを使用する場合が多いが、酸化チタンは紫外線領域にて光触媒反応を起こす物質である。そのため、光重合を行う際に紫外線光が照射されると光触媒反応が起こり、多孔性半導体に吸着させた色素が分解する等の問題が考えられるため、熱重合もしくは常温重合が好ましい。
【００５１】
ゲル電解質中への電解質の注入は、ヨウ素が重合に影響しないイソシアネートを含む化合物と活性水素基を含む化合物から作製されるゲル電解質等の場合は、重合前に電解質を添加した溶媒と混合し、その後重合させてゲル電解質を作製することが可能である。またヨウ素が重合禁止剤として働くラジカル重合により作製される（メタ）アクリレート類等の場合は、モノマーを溶媒のみの存在下で重合した後で、得られた重合体を電解質と溶媒からなる電解液中に浸すことにより、電解質を浸透させてゲル電解質を作製する。
【００５２】
多孔性半導体層上に光増感剤として機能する色素（以下、単に「色素」と記す）を吸着させる方法としては、例えば基板上に形成された多孔性半導体層を、色素を溶解した溶液に浸漬する方法が挙げられる。
ここで使用することができる色素は、種々の可視光領域及び赤外光領域に吸収を持つものであって、半導体層に強固に吸着させるために、色素分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等のインターロック基を有するものが好ましい。
【００５３】
インターロック基は、励起状態の色素と半導体との間の電子移動を容易にする電気的結合を供給するものである。これらインターロック基を含有する色素としては、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。
【００５４】
色素を溶解するために用いる溶媒は、エタノール等のアルコール系、アセトン等のケトン系、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物、クロロホルム等のハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類等が挙げられる。
【００５５】
溶液中の色素濃度は、使用する色素及び溶媒の種類は適宜調整することができ、吸着機能を向上させるためにはある程度高濃度である方が好ましい。例えば５×１０^−５モル／リットル以上の濃度であればよい。
色素を溶解した溶液中に半導体層を浸漬する際、溶液及び雰囲気の温度及び圧力は特に限定されるものではなく、例えば室温程度、かつ大気圧下が挙げられる。浸漬時間は使用する色素、溶媒の種類、溶液の濃度等により適宜調整することができる。なお、効果的に行うには加熱下にて浸漬を行えばよい。これにより、多孔性半導体層に色素を吸着させることができる。
【００５６】
【実施例】
以下に本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
ゲル電解質を用いた色素増感型太陽電池の作製方法について図１（ａ）〜（ｅ）の作製手順を追った色素増感型太陽電池の断面図を用いて説明する。図１（ａ）〜（ｅ）において、１は透明基板、２は透明導電膜、３は酸化チタン膜、４はセパレーター、５はＰＥＴフィルム、６は押さえ板、７はモノマー溶液、８はゲル、９は酸化還元性電解液、１０は容器、１１は封止剤、１２は白金膜、１３はＩＴＯ導電性基板を示している。
【００５７】
まず、酸化チタン膜３を作製するための酸化チタン懸濁液の作製方法を示す。チタンイソプロポキシド（キシダ化学社製）１２５ｍｌを０．１Ｍの硝酸水溶液（キシダ化学社製）７５０ｍＬに滴下し加水分解をさせ、８０℃で８時間加熱することにより、ゾル液の作製を行った。
その後、チタン製オートクレーブにゾル液を入れ、２５０℃、１２時間、粒子成長させることにより、平均一次粒径２０ｎｍの酸化チタン粒子を含むコロイド溶液を作製した。このコロイド溶液をエバポレーターにて、酸化チタンが１５ｗｔ％の濃度になるまでゆっくりと濃縮した後、コロイド溶液の２倍量のエタノールを加え、５０００ｒｐｍにて遠心分離を行った。
【００５８】
この工程により作製した酸化チタン粒子を洗浄した後、エチルセルロース（キシダ化学社製）とテルピネオール（キシダ化学社製）を無水エタノールに溶解させたものを加え、攪拌することにより酸化チタン粒子を分散させた。その後、４０ｍｂａｒの真空下、５０℃にてエタノールを蒸発させて酸化チタンペーストの作製を行った。なお、最終的な組成として、酸化チタン固体濃度２２ｗｔ％、エチルセルロース１１ｗｔ％、テルピネオール６４ｗｔ％となるように濃度調整を行うことで酸化チタン懸濁液を得た。
【００５９】
この酸化チタン懸濁液をスクリーン印刷法により、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の面積で、ガラスからなる透明基板１上に作製したＳｎＯ_２からなる透明導電膜２側に塗布し、８０℃で３０分間予備乾燥した後、５００℃で３０分間空気中で焼成した（図１（ａ），（ｂ））。その結果、膜厚が１０μｍ程度の酸化チタン膜３が得られた。これにより得られた酸化チタン膜の空隙率は５８％であった。
【００６０】
なお、空隙率は、次のようにして測定した。すなわち上記の方法で作製した酸化チタン膜を膜厚計により測定した膜厚と面積より体積を算出し、実際の酸化チタン膜の重量を酸化チタンの密度から計算された膜の重量で割ることで、充填密度を出し、１から充填密度を引いたものを％に変換することで空隙率を求めた。
【００６１】
次に、ルテニウム色素（小島化学社製、商品名：ルテニウム錯体）を無水エタノールに濃度４×１０^−４モル／リットルで溶解させ吸着用色素溶液を作製した。この吸着用色素溶液と、上述で得られた酸化チタン膜３と透明導電膜２を具備した透明基板１とを容器に入れ、１分間煮沸を行った後、１０分間放置することにより、酸化チタン膜３に色素を吸着させた。その後、無水エタノールで数回洗浄し、約６０℃で約２０分間乾燥させた。
【００６２】
次に、一般式（ＩＩ）で示されるモノマー単位のうち、Ｒ^１をメチル基、Ａを８個のポリエチレンオキサイド基と２個のポリプロピレンオキサイド基を中心核としてブタンテトライル基により構成されるモノマー単位を使用する。このモノマー単位をＥＣ（キシダ化学株式会社製）とブチレンカーボネート（キシダ化学社製、比誘電率５３、粘度３．２ｃＰ、沸点２４０℃、以下ＢＣと記載する）を体積比ＥＣ：ＢＣ＝３：７で混合した溶媒（粘度３．０ｃＰ）に１０ｗｔ％の濃度で溶解させ、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）をモノマー単位に対して１ｗｔ％の濃度で混合させたモノマー溶液（プレカーサー溶液；粘度１０．１ｃＰ）を作製する。
【００６３】
このモノマー溶液を上述の酸化チタン膜３に含浸させる手順について以下に示す。▲１▼真空容器内にビーカー等の容器を設置し、その中に透明導電膜２を具備した透明基板１上の酸化チタン膜３を入れ、ロータリーポンプで約１０分間真空引きする。▲２▼真空容器内を真空状態に保ちながら、モノマー溶液７をビーカー内に注入し、約１０分間含浸させ、酸化チタン膜３中にモノマー溶液を十分にしみ込ます。▲３▼図１（ｃ）に示すようにポリイミド製セパレーター４、ＰＥＴフィルム５と押さえ板６を配置し図示していない冶具にて固定する。その後、約９０℃で８０分間加熱することにより熱重合させゲル８を作製する。
【００６４】
次に、ゲル８に含浸させる酸化還元性電解液９を作製する。溶媒としてゲルを作製する際に用いた混合溶媒に、濃度０．５モル／リットルのヨウ化リチウムと濃度０．０５モル／リットルのヨウ素と濃度０．２モル／リットルのヨウ化１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾールを溶解させて酸化還元性電解液を作製した。この溶液中に上述の酸化チタン膜３に作製したゲル８を５０℃で約１時間浸すことにより、ゲル８中に酸化還元性電解液をしみ込ませてゲル電解質を作製した（図１（ｄ））。
【００６５】
その後、透明基板１上に、白金膜１２（膜厚１μｍ）を具備したＩＴＯ導電性基板１３を載置し、エポキシ系の封止剤１１にて周囲を封止することにより色素増感型太陽電池を作製した（図１（ｅ））。
上述した方法で作製したゲル電解質を使用した色素増感型太陽電池は、液体からなる電解質を使用した太陽電池と同等な変換効率を有している。具体的には短絡電流が１２．９［ｍＡ／ｃｍ^２］、開放電圧が０．７２［Ｖ］、フィルファクターが０．７０、変換効率が６．８［％］（測定条件：ＡＭ−１．５）の性能を有する色素増感型太陽電池が得られた。
【００６６】
実施例２
酸化チタン膜３を作製するための酸化チタンペーストは、実施例１に準じて作製し、最終的な組成として、酸化チタン固体濃度２１ｗｔ％、エチルセルロース１２ｗｔ％、テルピネオール６４ｗｔ％となるように濃度調整を行った。作製された酸化チタン膜の空隙率は６２％であった。この酸化チタン膜を使用すること以外は実施例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００６７】
実施例３
酸化チタンペーストは、市販の酸化チタン粒子（日本アエロジル株式会社製、商品名Ｐ−２５、アナターゼ型：ルチル型（７：３）混合、平均一次粒径２０ｎｍ、粉体比表面積５０ｍ^２／ｇ）を陶器製乳鉢に１１ｇ入れ、その中にアセチルアセトン（キシダ化学株式会社製）を０．４ｍＬ溶解させたイオン交換水４ｍＬを加え、乳棒にて攪拌し十分に分散させ、その後、１６ｍＬのイオン交換水にて希釈し、表面活性剤（Ａｌｄｒｉｃｈ社製、商品名Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘ）を０．２ｍＬ加えることにより作製を行った。作製した酸化チタンペーストをドクターブレード法によりＳｎＯ_２からなる透明導電膜２上に塗布し、擬似大気雰囲気中、５００℃で３０分間焼成を行い、酸化チタン膜を作製した。作製した酸化チタン膜の空隙率は５０％であった。この酸化チタン膜を使用すること以外は実施例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００６８】
実施例４
酸化チタン膜３を作製するための酸化チタンペーストは、実施例１に準じて作製し、最終的な組成として、酸化チタン固体濃度１８ｗｔ％、エチルセルロース１５ｗｔ％、テルピネオール６４ｗｔ％となるように濃度調整を行った。作製された酸化チタン膜の空隙率は７０％であった。この酸化チタン膜を使用すること以外は実施例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００６９】
実施例５
酸化チタン膜３を作製するための酸化チタンペーストは、実施例１に準じて作製し、最終的な組成として、酸化チタン固体濃度１５ｗｔ％、エチルセルロース１８ｗｔ％、テルピネオール６４ｗｔ％となるように濃度調整を行った。作製された酸化チタン膜の空隙率は８０％であった。この酸化チタン膜を使用すること以外は実施例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００７０】
実施例６
ゲル電解質作製に用いる溶媒としてＰＣ（キシダ化学株式会社製）を用いること以外は実施例２に準じて色素増感型太陽電池を作製した。なお、モノマー溶液の粘度は９．１ｃＰであった。
【００７１】
実施例７
ゲル電解質作製に用いる溶媒として体積比γ−ＢＬ：ＰＣ＝１：１の混合溶媒（粘度２．１ｃＰ）を用いること以外は実施例２に準じて色素増感型太陽電池を作製した。なお、モノマー溶液の粘度は７．４ｃＰであった。
【００７２】
実施例８
ゲル電解質作製に用いる溶媒として、体積比がＥＣ：ＰＣ＝３：７の混合溶媒（粘度２．６ｃＰ）を用いること以外は実施例２に準じて色素増感型太陽電池を作製した。なお、モノマー溶液の粘度は９．３ｃＰであった。
【００７３】
実施例９
ゲル電解質作製に用いる溶媒として体積比ＥＣ：γ−ＢＬ＝３：７の混合溶媒（粘度２．０ｃＰ）を用いること以外は実施例２に準じて色素増感型太陽電池を作製した。なお、モノマー溶液の粘度は７．１ｃＰであった。
【００７４】
実施例１０
溶媒としてＢＣ（粘度３．２ｃＰ）を使用したゲル電解質を用いること以外は実施例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００７５】
比較例
比較例１〜２として、空隙率が４２％の酸化チタン膜に対して粘度の高い溶媒と低い溶媒からなるゲル電解質を用いた場合の色素増感型太陽電池の変換効率を示す。また空隙率８２％の酸化チタンを作製したが、膜の強度が弱く、色素増感型太陽電池を作製することができなかった。以下、比較例１〜２を具体的に説明する。
【００７６】
比較例１
酸化チタン膜３を作製するための酸化チタンペーストは、市販の酸化チタン粒子（テイカ社製、商品名ＡＭＴ−６００、アナターゼ型結晶、平均粒径３０ｎｍ、比表面積５０ｍ^２／ｇ）４．０ｇとジエチレングリコールモノメチルエーテル（キシダ化学社製）２０ｍｌとをガラスビーズを使用し、ペイントシェイカーで６時間分散させて作製した。作製した酸化チタンペーストをドクターブレード法によりＳｎＯ_２からなる透明導電膜２上に塗布し、擬似大気雰囲気中、５００℃で３０分間焼成を行い、酸化チタン膜を作製した。作製した酸化チタン膜の空隙率は４２％であった。この酸化チタン膜を使用すること以外は実施例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００７７】
比較例２
溶媒として体積比ＥＣ：γ−ＢＬ＝３：７の混合溶媒（粘度２．０ｃＰ）を使用したゲル電解質を用いること以外は比較例１に準じて色素増感型太陽電池を作製した。
【００７８】
【表１】

【００７９】
多孔性半導体層の空隙率と溶媒粘度を変えることにより、色素増感型太陽電池の変換効率に差が見られた。具体的には、空隙率が高いほど変換効率が高かった。これは空隙率が高いほど、プレポリマー溶液がより浸透しやすいため、電解質との接触性が向上したためであると考えられる。しかしながら空隙率が高くなると膜の強度が弱くなるため、太陽電池を作製出来ない。具体的には空隙率が５０〜８０％のものが好ましく、さらに好ましくは５８〜７０％である。また溶媒の粘度が３．０ｃＰ以下の場合に高い変換効率を示すことが分かった。更に、混合溶媒として比誘電率の高いＥＣと他の溶媒を混合したものを用いれば、イオン易動度、イオンの解離度の高い電解質を作製でき、その結果変換効率を高めることができることもわかった。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、特定の範囲の空隙率を示す多孔性半導体層を使用することで、電解質との接触性を向上させることができる。また、粘度の低い溶媒を用いたゲル電解質を作製することで、上記接触性をより向上させることができる。更に、溶媒の比誘電率を高くすることでイオン伝導度を向上させることができる。その結果、高変換効率の色素増感型太陽電池を作製することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における高分子電解質を用いた色素増感型太陽電池の概略断面工程図である。
【図２】ＥＣとγ−ＢＬの混合比を変化させたときのゲル電解質の伝導度と、それに用いた混合溶媒の粘度の組成依存性を示す図である。
【図３】ＥＣとγ−ＢＬの混合比を変化させたゲル電解質において、伝導度に対する変換効率の変化を示すグラフである。
【図４】ＥＣとγ−ＢＬの混合比を変化させたゲル電解質において、混合溶媒の粘度に対する変換効率の変化を示すグラフである。
【図５】ＥＣとγ−ＢＬの混合比を変化させたゲル電解質において、混合溶媒の混合比に対する変換効率の変化を示すグラフである。
【図６】従来の色素増感型太陽電池の概略断面図である。
【符号の説明】
１　透明基板
２　透明導電膜
３　酸化チタン膜
４　セパレーター
５　ＰＥＴフィルム
６　押さえ板
７　モノマー溶液
８　ゲル
９　酸化還元性電解液
１０　容器
１１　封止剤
１２　白金膜
１３　ＩＴＯ導電性基板
６１　透明基板
６２　透明導電体膜
６３　多孔性半導体層
６４　電解液層
６５　対極
６６　白金膜
６７　エポキシ樹脂

Claims

一対の導電性基板の間に、５０〜８０％の空隙率を有し、色素を吸着した多孔性半導体層と、高分子化合物からなる網目構造体に酸化還元種及びこれを溶解可能な溶媒を含むゲル電解質とを含むことを特徴とする色素増感型太陽電池。
上記空隙率が、５８％〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池
上記溶媒が、３．０ｃＰ以下の粘度を有することを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池
上記溶媒が、２種類以上の溶媒の混合液であることを特徴とする請求項３に記載の色素増感型太陽電池
上記溶媒が、エチレンカーボネートを少なくとも含むことを特徴とする請求項４記載の色素増感型太陽電池。
上記溶媒が、エチレンカーボネートとγ−ブチロラクトンの混合液よりなることを特徴とする請求項５に記載の色素増感型太陽電池。
上記溶媒が、体積比１．５：８．５〜４．５：５．５のエチレンカーボネートとγ−ブチロラクトンの混合液よりなることを特徴とする請求項６に記載の色素増感型太陽電池。