【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、色素増感太陽電池に関し、特に、イオン性液体を溶媒とする高濃度ヨウ素電解液を用いた色素増感太陽電池の発電効率を高めるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
色素増感太陽電池は、スイスのグレッツェルらにより開発されたものであり、光電変換効率が高く、製造コストが安く、環境に優しいなどの利点をもち、新しいタイプの太陽電池として注目を集めている。
【０００３】
図３は、この色素増感太陽電池の一例を示すものである。この色素増感太陽電池は、電極基板１上に酸化チタンなどの酸化物半導体微粒子からなり、光増感色素が担持された酸化物半導体多孔膜２を有する作用極３と、この作用極３に対向して設けられた対極４を備えている。そして、これら作用極３と対極４との間にはレドックス対としてヨウ素イオン／ヨウ素などを揮発性溶媒に溶解してなる電解液５が充填されている。
【０００４】
前記電極基板１は、一般に、ガラス板などの透明基板１０の上に、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）やフッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）などからなる透明導電層１１を形成したものである。また、酸化物半導体多孔膜２からの集電効率を高めるため、透明導電層１１上に格子状のニッケルなどの金属からなる金属配線層１２を設けることがある。
【０００５】
また、前記対極４には、例えばガラス板などの透明基板上にスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）やフッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）などからなる透明導電層を形成したものや、金属板などが用いられる。
この構造の色素増感太陽電池にあっては、作用極３の透明基板１０側から太陽光などの光が入射されると、作用極３と対極４との間に起電力が生じるようになっている。
【０００６】
このような色素増感太陽電池の実用化にあたって、現在、長期使用時の性能安定性において特にネックとなっている点は、電解液５の漏洩である。現状では耐候性が高く、完全に漏れを防止できる色素増感太陽電池のセルの封止技術は完成しておらず、長期使用した場合に、電解液５の溶媒の漏れ、水分の侵入、ヨウ素ガスの飛散などの問題が生じる。
【０００７】
これらの問題を解決するために一方法として、揮発の心配がないイオン性液体を溶媒に使った電解液や、さらにこれをゲル化させ、流動性をなくした擬固体イオンゲル電解液を使用することが提案されている。
【０００８】
しかし、これらの電解液では、通常の揮発性溶媒を使用する従来の電解液に比較して、レドックス対であるヨウ素イオン／ヨウ素の濃度を十分に高くしなければ、電気化学的に十分に電解液として機能しないことが知られている。
【０００９】
しかしながら、このようなイオン性液体を用いた電解液では、ヨウ素濃度を高くすると、その色調が高濃度のヨウ素イオン／ヨウ素に起因して濃茶色ないし黒色に着色することになる。電解液５がこのように濃色に着色すると、色素増感太陽電池の作用極３をなす透明基板１０を通過してセル内部に入射される光の一部が電解液５に吸収されて、酸化物半導体多孔膜２に到着する光量が減少する。
【００１０】
特に、上述のイオン性液体を溶媒とした高濃度ヨウ素電解液では、入射光の内、波長３００〜５００ｎｍの波長域の光がヨウ素イオン／ヨウ素に吸収され、熱に変わってしまう。この結果、電解液による入射光の吸収が無視できないレベルとなり、色素増感太陽電池の発電効率の低下を招くことになる。
このような色素増感太陽電池に関する先行技術文献としては、例えば、以下のものが知られている。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２５２６１５３号公報
【特許文献２】
特許第２５３０９２７号公報
【特許文献３】
特開平１１−３４５９９３号公報
【特許文献４】
特開平１１−２２０１４７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、特にイオン性液体を溶媒とした高濃度ヨウ素電解液によって生じる入射光の吸収に基づく色素増感太陽電池の発電効率の低下を抑えるようにすることにある。また、同時に入射光の一部を光電変換量子効率の高い波長の光に変換し、色素増感太陽電池の発電効率を高めることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、
請求項１にかかる発明は、作用極をなす透明基板に蛍光体を配したことを特徴とする色素増感太陽電池である。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、蛍光体を含む液体を上記透明基板に塗布したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池である。
請求項３にかかる発明は、蛍光体を配合したプラスチックフィルムを上記透明基板に貼り付けたことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池である。
請求項４にかかる発明は、蛍光体を含む液体を塗布したプラスチックフィルムを上記透明基板に貼り付けたことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池である。
【００１５】
請求項５にかかる発明は、蛍光体が、波長５００ｎｍ以下の光を波長５００〜６００ｎｍの光に変換するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の色素増感太陽電池である。
請求項６にかかる発明は、イオン性液体を溶媒とする高濃度ヨウ素電解液を用いたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の色素増感太陽電池である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、この発明の色素増感太陽電池の一例を示すもので、図３に示した従来の色素増感太陽電池と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００１７】
この例では、作用極３をなす透明基板１０の外表面に蛍光体膜２１が設けられている。この蛍光体膜２１としては、第１に、蛍光体を溶解した溶液または分散した分散液を透明基板１０に塗布し、乾燥した被膜が挙げられる。第２に、蛍光体をアクリル樹脂、ウレタン樹脂、セルロース系樹脂などの透明樹脂に添加してフィルム状に成形した蛍光体混入プラスチックフィルムを上記透明基板１０の表面に貼り合わせたものが挙げられる。
【００１８】
第３に、ポリエチレンテレフタレートフィルム、セルロース系樹脂フィルム、などの透明プラスチックフィルムに蛍光体を溶解した蛍光塗料などの溶液を塗布、乾燥した蛍光体塗布プラスチックフィルムを上記透明基板１０の表面に貼り合わせたものが挙げられる。
【００１９】
ここで使用される蛍光体としては、少なくとも波長５００ｎｍ以下の光を波長５００〜６００ｎｍの光に変換する機能を有するものが用いられ、具体的にはフルオレセイン（４９０ｎｍ→５２０ｎｍ）、エオシン、ローダミンＢなどの有機蛍光体、ハロリン酸カルシウム、カドミウムテルライドなどの無機蛍光体などが挙げられる。また、耐熱性の高い無機蛍光体では、透明基板１０をなすガラスにこれを溶融含有せしめてもよく、透明基板１０がプラスチックフィルムからなるものでは蛍光体を練り込んでおくこともでき、かかる実施態様も本発明に含まれる。
【００２０】
このような蛍光体膜２１中の蛍光体の濃度は、０．１〜１ｗｔ％程度で十分であり、蛍光体自体に起因する光吸収が過大にならないように、その添加量を調整することが必要になる。
また、蛍光体膜２１の厚さは、特に限定されないが、厚さが薄いものが好ましく、この蛍光体膜２１により他の波長域の光が吸収されないようにする必要がある。
【００２１】
また、この例の色素増感太陽電池では、電解液としてイオン性液体を溶媒とする電解液が用いられている。ここでのイオン性液体としては、例えば１−エチル−３−メチルイミダゾリウムカチオン（ＥＭＩｍ＋）と、ビス（トリフロロメチルスルホニル）イミドアニオン（ＴＦＳＩ−）とからなるイミダゾリウム系のものなどが用いられる。
【００２２】
また、このイオン性液体に溶解されるヨウ素系レドックス対には、ＥＭＩｍ＋のヨウ化物塩（ＥＭＩｍＩ）／ヨウ素（Ｉ２）などが用いられる。このヨウ素系レドックス対の濃度は、ヨウ素イオンが０．１モル／リットル以上、好ましくは０．１〜６モル／リットルとされ、ヨウ素が０．０１モル／リットル以上、好ましくは０．０１〜６モル／リットルとされ、この濃度範囲のものを本発明におけるイオン性液体を溶媒とする高濃度ヨウ素電解液と称する。
【００２３】
このような色素増感太陽電池では、透明基板１０から入射される入射光のうち、波長５００ｎｍ以下の光が蛍光体膜２１中に存在する蛍光体のルミネッセンス作用により、波長５００〜６００ｎｍの光に変換されて、セル内に入射される。波長５００〜６００ｎｍの光は、イオン性液体を用いた高濃度ヨウ素電解液に吸収されにくく、酸化チタン多孔膜などの酸化物半導体多孔膜２による光電変換量子効率が高いので、色素増感太陽電池としての発電効率が高いものとなる。
【００２４】
また、電解液として、上述の例に限られず、アセトニトリル、メトキシアセトニトリルなどの揮発性溶媒を使用し、ヨウ素系レドックス対の濃度が低い電解液を用いたものでも、光電変換量子効率が高い波長５００〜６００ｎｍの光の光量が増大するので、色素増感太陽電池としての発電効率が高いものとなり、同様の効果を得ることができる。
【００２５】
以下、具体例を示す。
図１に示す構造の色素増感太陽電池を作製した。
透明基板１０には、旭硝子社製、導電ガラス板「Ａ１１０Ｕ８０」を使用し、酸化物半導体多孔膜２には、ソーラロニクス社製、酸化チタン微粒子「Ｎａｎｏｘｉｄｅ Ｔ」を用いたペーストを導電性ガラスに塗布し、焼結した酸化チタン多孔膜を用いた。
【００２６】
光増感用色素には、小島化学社製、「Ｎ３」を使用し、電解液５には、ＥＭＩｍ−ＴＦＳＩ系のイオン性液体に、ヨウ素系レドックス対としてＥＭＩｍＩ １．５モルとＩ２０．５モルを加えたイオン性電解液を用いた。対極４には、ガラス板に白金薄膜をスパッタしたものを使用した。
【００２７】
また、蛍光体膜２１には、黄色蛍光塗料（ゼブラ社製、黄色蛍光ペン）で着色したメンディングテープ（住友スリーエム社製）を上記透明基板上に貼り合わせたものを用いた。
こので色素増感太陽電池について、上記メンディングテープの貼り合わせ前後の光電変換効率を測定した。測定条件は、人工太陽光（ＡＭ１．５）を照射し、電流−電圧特性を測定した。
【００２８】
結果を図２に示す。図２において、実線は蛍光体膜２１を設けないものを、破線は蛍光体膜２１を設けたものの特性を示す。
図２のグラフから、蛍光体膜２１を設けた色素増感太陽電池では、光電変換効率が改善されてていることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の色素増感太陽電池は、作用極の透明基板に蛍光体を配したものであるので、入射光のうち、光電変換量子効率が低く、高濃度ヨウ素電解液に吸収される波長５００ｎｍ以下の光を光電変換量子効率が高い波長５００〜６００ｎｍの光に変換してセル内の入射することができるので、発電効率が高いものとなる。
【００３０】
また、電解液として、イオン性液体以外の揮発性液体を溶媒として使用する電解液を用いた色素増感太陽電池にあっても、入射光が光電変換量子効率が高い光に変換され、同様に発電効率の高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の色素増感太陽電池の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の色素増感太陽電池の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図３】従来の色素増感太陽電池の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
３・・・作用極、５・・・電解液、１０・・・透明基板、２１・・・蛍光体膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly, to an improvement in the power generation efficiency of a dye-sensitized solar cell using a high-concentration iodine electrolyte using an ionic liquid as a solvent.
[0002]
[Prior art]
Dye-sensitized solar cells were developed by Gretzel et al. In Switzerland, and have attracted attention as a new type of solar cell with advantages such as high photoelectric conversion efficiency, low manufacturing cost, and environmental friendliness. .
[0003]
FIG. 3 shows an example of this dye-sensitized solar cell. This dye-sensitized solar cell has a working electrode 3 comprising an oxide semiconductor fine particle such as titanium oxide on an electrode substrate 1 and having an oxide semiconductor porous film 2 carrying a photosensitizing dye. A counter electrode 4 is provided opposite to the counter electrode 4. The working electrode 3 and the counter electrode 4 are filled with an electrolyte solution 5 formed by dissolving iodine ions / iodine or the like in a volatile solvent as a redox pair.
[0004]
The electrode substrate 1 generally has a transparent conductive layer 11 made of tin-added indium oxide (ITO) or fluorine-added tin oxide (FTO) formed on a transparent substrate 10 such as a glass plate. Further, in order to increase the current collection efficiency from the oxide semiconductor porous film 2, a metal wiring layer 12 made of a lattice-like metal such as nickel may be provided on the transparent conductive layer 11 in some cases.
[0005]
Further, as the counter electrode 4, for example, a transparent substrate such as a glass plate on which a transparent conductive layer made of tin-added indium oxide (ITO) or fluorine-added tin oxide (FTO) is formed, or a metal plate is used. .
In the dye-sensitized solar cell having this structure, when light such as sunlight enters from the transparent substrate 10 side of the working electrode 3, an electromotive force is generated between the working electrode 3 and the counter electrode 4. ing.
[0006]
In putting such a dye-sensitized solar cell into practical use, the current bottleneck in performance stability during long-term use is leakage of the electrolyte solution 5. At present, the technology of sealing the cells of the dye-sensitized solar cell which has high weather resistance and can completely prevent the leakage has not been completed, and when used for a long time, the leakage of the solvent of the electrolytic solution 5, the intrusion of the moisture, the iodine Problems such as gas scattering occur.
[0007]
One way to solve these problems is to use an electrolyte solution that uses an ionic liquid that does not cause volatilization as a solvent, or use a quasi-solid ion gel electrolyte solution that gels this and loses fluidity. Has been proposed.
[0008]
However, in these electrolytes, if the concentration of iodine ion / iodine, which is a redox couple, is not made sufficiently high as compared with a conventional electrolyte using a normal volatile solvent, the electrolyte will be sufficiently electrochemically electrolyzed. It is known that it does not function as a liquid.
[0009]
However, in an electrolytic solution using such an ionic liquid, when the iodine concentration is increased, the color tone becomes dark brown or black due to the high concentration of iodine ion / iodine. When the electrolytic solution 5 is colored in such a deep color, part of the light passing through the transparent substrate 10 forming the working electrode 3 of the dye-sensitized solar cell and entering the inside of the cell is absorbed by the electrolytic solution 5, The amount of light reaching the oxide semiconductor porous film 2 decreases.
[0010]
In particular, in the case of a high-concentration iodine electrolyte using the above-mentioned ionic liquid as a solvent, of the incident light, light in a wavelength range of 300 to 500 nm is absorbed by iodine ions / iodine and converted into heat. As a result, the absorption of the incident light by the electrolytic solution is at a level that cannot be ignored, and the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell is reduced.
As prior art documents relating to such a dye-sensitized solar cell, for example, the following are known.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2526153 [Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2530927 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-345993 [Patent Document 4]
JP-A-11-220147
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to suppress a decrease in the power generation efficiency of a dye-sensitized solar cell based on the absorption of incident light caused by a high-concentration iodine electrolyte using an ionic liquid as a solvent. Another object of the present invention is to simultaneously convert a part of the incident light into light having a wavelength having a high photoelectric conversion quantum efficiency to enhance the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
To solve this problem,
The invention according to claim 1 is a dye-sensitized solar cell, wherein a phosphor is disposed on a transparent substrate serving as a working electrode.
[0014]
The invention according to claim 2 is the dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein a liquid containing a phosphor is applied to the transparent substrate.
The invention according to claim 3 is the dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein a plastic film containing a phosphor is attached to the transparent substrate.
The invention according to claim 4 is the dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein a plastic film coated with a liquid containing a phosphor is attached to the transparent substrate.
[0015]
The invention according to claim 5 is the dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the phosphor converts light having a wavelength of 500 nm or less into light having a wavelength of 500 to 600 nm. Battery.
The invention according to claim 6 is the dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a high-concentration iodine electrolyte using an ionic liquid as a solvent is used.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 shows an example of the dye-sensitized solar cell of the present invention. The same parts as those of the conventional dye-sensitized solar cell shown in FIG.
[0017]
In this example, a phosphor film 21 is provided on the outer surface of the transparent substrate 10 forming the working electrode 3. First, examples of the phosphor film 21 include a film in which a solution in which a phosphor is dissolved or a dispersion liquid in which the phosphor is dissolved is applied to the transparent substrate 10 and dried. Secondly, there is a material obtained by adding a phosphor to a transparent resin such as an acrylic resin, a urethane resin, or a cellulosic resin and forming the film into a film, and bonding the phosphor-mixed plastic film to the surface of the transparent substrate 10.
[0018]
Third, a solution such as a fluorescent paint in which a phosphor is dissolved is applied to a transparent plastic film such as a polyethylene terephthalate film or a cellulosic resin film, and a dried phosphor-coated plastic film is bonded to the surface of the transparent substrate 10. Things.
[0019]
As the phosphor used here, one having a function of converting at least light having a wavelength of 500 nm or less into light having a wavelength of 500 to 600 nm is used, and specifically, fluorescein (490 nm → 520 nm), eosin, rhodamine B, etc. And inorganic phosphors such as calcium halophosphate and cadmium telluride. In addition, in the case of an inorganic phosphor having high heat resistance, the glass constituting the transparent substrate 10 may be melted and contained therein, and when the transparent substrate 10 is formed of a plastic film, the phosphor may be kneaded in advance. Embodiments are also included in the present invention.
[0020]
It is sufficient that the concentration of the phosphor in the phosphor film 21 is about 0.1 to 1% by weight, and the amount of the phosphor added can be adjusted so that the light absorption due to the phosphor itself does not become excessive. Will be needed.
The thickness of the phosphor film 21 is not particularly limited, but is preferably small, and it is necessary to prevent the phosphor film 21 from absorbing light in other wavelength ranges.
[0021]
In the dye-sensitized solar cell of this example, an electrolytic solution using an ionic liquid as a solvent is used as the electrolytic solution. As the ionic liquid, for example, an imidazolium-based liquid composed of 1-ethyl-3-methylimidazolium cation (EMIm + ) and bis (trifluoromethylsulfonyl) imide anion (TFSI − ) is used. Can be
[0022]
EMIm + iodide salt (EMImI) / iodine (I 2 ) or the like is used for the iodine-based redox couple dissolved in the ionic liquid. The concentration of the iodine-based redox couple is such that iodine ions are at least 0.1 mol / l, preferably 0.1 to 6 mol / l, and iodine is at least 0.01 mol / l, preferably 0.01 to 6 mol / l. The concentration in the range of mol / liter is referred to as a high-concentration iodine electrolyte using the ionic liquid as a solvent in the present invention.
[0023]
In such a dye-sensitized solar cell, of the incident light incident from the transparent substrate 10, light having a wavelength of 500 nm or less is converted into light having a wavelength of 500 to 600 nm by the luminescence effect of the phosphor present in the phosphor film 21. It is converted and incident on the cell. Light having a wavelength of 500 to 600 nm is hardly absorbed by a high-concentration iodine electrolyte using an ionic liquid, and has a high photoelectric conversion quantum efficiency by an oxide semiconductor porous film 2 such as a titanium oxide porous film. The power generation efficiency is high.
[0024]
In addition, the electrolyte is not limited to the above-described example, and a volatile solvent such as acetonitrile or methoxyacetonitrile is used, and an electrolyte having a low concentration of an iodine-based redox pair is used. Since the amount of light of up to 600 nm increases, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell becomes high, and the same effect can be obtained.
[0025]
Hereinafter, specific examples will be described.
A dye-sensitized solar cell having the structure shown in FIG. 1 was produced.
As the transparent substrate 10, a conductive glass plate “A110U80” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. was used. For the oxide semiconductor porous film 2, a paste made of Solaronics, using titanium oxide fine particles “Nanoxide T” was used as the conductive glass. A coated and sintered titanium oxide porous film was used.
[0026]
“N3” manufactured by Kojima Chemical Co., Ltd. was used as the photosensitizing dye, and 1.5 mol of EMImI and I 20 as an iodine-based redox pair were used as the electrolyte 5 in an EMIm-TFSI ionic liquid. An ionic electrolyte to which 0.5 mol was added was used. The counter electrode 4 was formed by sputtering a platinum thin film on a glass plate.
[0027]
The phosphor film 21 was formed by laminating a mending tape (manufactured by Sumitomo 3M) colored with a yellow fluorescent paint (manufactured by Zebra Corporation, yellow fluorescent pen) on the transparent substrate.
The photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell before and after laminating the above mending tape was measured. The measurement conditions were such that artificial sunlight (AM1.5) was irradiated, and current-voltage characteristics were measured.
[0028]
FIG. 2 shows the results. In FIG. 2, the solid line shows the characteristics without the phosphor film 21, and the broken lines show the characteristics with the phosphor film 21.
From the graph of FIG. 2, it is understood that the photoelectric conversion efficiency is improved in the dye-sensitized solar cell provided with the phosphor film 21.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, since the dye-sensitized solar cell of the present invention has a phosphor disposed on the transparent substrate of the working electrode, of the incident light, the photoelectric conversion quantum efficiency is low and the high-concentration iodine electrolyte is Since the absorbed light having a wavelength of 500 nm or less can be converted into light having a wavelength of 500 to 600 nm having a high photoelectric conversion quantum efficiency and incident on the cell, the power generation efficiency is high.
[0030]
In addition, even in a dye-sensitized solar cell using an electrolytic solution using a volatile liquid other than an ionic liquid as a solvent as an electrolytic solution, incident light is converted into light having a high photoelectric conversion quantum efficiency. High power generation efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the dye-sensitized solar cell of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of a conventional dye-sensitized solar cell.
[Explanation of symbols]
3 working electrode, 5 electrolyte solution, 10 transparent substrate, 21 phosphor film
