JP2004171969A - 色素増感型の太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、電極上での光増感色素分子同士を分散させその相互作用を減少させ、本来持ちうる色素分子の十分な光増感作用引き出して，色素増感型の太陽電池の光電変換効率を理論上において且つ実用上も最大の３３％を目標とした高い光電変換効率を有する色素増感型の太陽電池を得ようとするものである。
【解決手段】（１）、作用極、対極及び酸化還元電解質からなる太陽電池において，長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素をともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極としたことを特徴とする色素増感型の太陽電池。
【選択図】 図２
【解決手段】（１）、作用極、対極及び酸化還元電解質からなる太陽電池において，長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素をともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極としたことを特徴とする色素増感型の太陽電池。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、特に起電力の高い、太陽光の幅広い光の利用に優れた色素増感型の太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、色素増感型の太陽電池は、作用極、対極及び酸化還元電解質からなり、作用極として、太陽光を吸収する光増感色素だけを吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いたものであった。
この作用極を用いた太陽電池においては、電極上で光増感色素分子同士が相互作用をするため、太陽光を吸収しても色素分子同士でエネルギーを授受してしまい、十分な光増感作用をすることができない。
【０００３】
【発明が解決しようという課題】
本発明は、電極上での光増感色素分子同士を分散させその相互作用を減少させ、本来持ちうる色素分子の十分な光増感作用引き出して，色素増感型の太陽電池の光電変換効率を理論上において且つ実用上も最大の３３％を目標とした高い光電変換効率を有する色素増感型の太陽電池を得ようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の特徴とする技術手段は、次の（１）、（２）、（３）、（４）、に記載の通りである。
（１）、作用極、対極及び酸化還元電解質からなる太陽電池において，長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素をともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極としたことを特徴とする色素増感型の太陽電池。
（２）、上記長鎖アルキルカルボン酸は、炭素数が１０以上のものであり、光増感色素を多孔質酸化チタン薄膜電極上で分散させたことを特徴とする前記（１）に記載の色素増感型の太陽電池。
（３）、上記光増感色素は、太陽光の近紫外線から近赤外領域に強い吸収を有することを特徴とする前記（１）に記載の色素増感型の太陽電池。
（４）、光増感色素と長鎖アルキルカルボン酸の分散条件をモル比で１：１０〜 １：５０としたことを特徴とする前記（１）、（２）、（３）、（４）の何れか一つに記載の色素増感型の太陽電池。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明の色素増感型の太陽電池において、作用極を長鎖アルキルカルボン酸中に光増感色素を適宜分散介在せしめて吸着させた多孔質酸化チタン薄膜電極にすることにより、光電変換効率を理論上において且つ実用上も最大の３３％以上の高い光電変換効率を有せしめるものである。
長鎖アルキルカルボン酸は、多孔質酸化チタン薄膜上で単分子層を形成しており，単分子層中に色素分子がランダムに分散していると考えられる。
これは、色素分子が長鎖アルキルカルボン酸の単分子層の上に吸着もしくは分散することは色素分子の極性を考慮すると考えられないかである。
而して本発明の色素増感型の太陽電池において、長鎖アルキルカルボン酸として、好ましくミリスチン酸などのようは炭素数が１０以上のものを用いることが好ましい。その理由は、炭素数９以下の長鎖アルキルカルボン酸は、液体であり作用極に安定して吸着させることが困難なためである。
また本発明の色素増感型の太陽電池において、光増感色素は、太陽光の近紫外線から近赤外領域に強い吸収を有するものとする理由は、太陽光の分布強度の約６０％が上記領域に存在するためである。
また本発明の色素増感型の太陽電池において、光増感色素と長鎖アルキルカルボン酸の分散条件をモル比で１：１０〜１：５０とする理由は、１：１０以下であると色素が分散せず，１：５０以上であると色素の吸着量が減少し十分な光増感作用を示さないためである。
【発明の実施例】
次に本発明の実施例を図１〜図４と共に詳細に説明する。
本実施例は、長鎖アルキルカルボン酸として、炭素数１３のミリスチン酸を、光増感色素として、アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンを用いた例である。
上記アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンと１０分の１当量のミリスチン酸を溶解したジクロロメタン溶液に、５ｃｍ２の表面積を有する多孔質酸化チタン薄膜電極を２４時間浸漬することによってアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作成する。
これにより多孔質酸化チタン薄膜電極上には、図１に示す如く、理論上ミリスチン酸１分子に対して，アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンが１０分子の割合で吸着している。
図１は、多孔質酸化チタン薄膜上でのミリスチン酸および色素の吸着様式の模式図であり、１が光増感作用をする色素分子であり，２がミリスチン酸分子を示しており，下側のＣＯＯＨはカルボキシル基を示す。また３は多孔質酸化チタン薄膜を示している。
【０００６】
このようにしてアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とを吸着させた多孔質酸化チタン薄膜電極を製作したこれと、炭素電極及び酸化還元電解質を用いて図２に示す色素増感型の太陽電池を構成すると共に図３に示す回路を構成する。
図２は本発明の高機能色素増感型太陽電池の原理構成図であり，４は光源を示している。５は色素分子を示しており４から発せられる光を増感する作用をする。６は酸化チタン微粒子を示しており，励起された５から電子を受け取り導電性ガラス基板７へ電子を渡す作用を示す。５が吸着した６は多孔質薄膜の形で７上に固定されている。８は導線であり，７から放出された電子を炭素からなる対極９へ渡す作用をする。１０は酸化還元電解質を示しておりヨウ化物イオンＩ−とトリヨウ化物イオンＩ３−からなり，９から電子を受け取り，５へ電子を渡す作用を示す。１１は起電力測定装置である。図中のｅ−は電子を表している。
図３本発明の色素増感型太陽電池の回路構成説明図であり，１２は本発明で構築した太陽電池を示している。１３は起電力測定装置であり，１２の正極と負極との間に位置し，光照射による電圧を測定する。１４は電流計であり，１５は可変抵抗である，１４および１５は直列に接続され，１２の正極と負極との間に位置する。１４は光照射による電流値を測定するものであり，１５は流れる電流を制御し，仕事量を求めるために用いるものである。
【０００７】
次にこの色素増感型の太陽電池の光起電力と光電流の計測について述べる。
上記太陽電池に電流計と電圧計を取り付け、２００Ｗタングステンランプを太陽電池に照射し、流れる電流と起電力を測定した。用いたタングステンランプは太陽光の可視領域のスペクトルと類似した光線を出すものである。
【０００８】
図４は，本発明の高い光電変換機能を示す光起電力及び光電流値を測定した結果を示すグラフである。（ａ）はミリスチン酸とアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンがともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いた太陽電池，（ｂ）は従来使われている色素の１つであるエオシンＹが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いた太陽電池，（ｃ）はアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いた太陽電池のものである。アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ａ）の、短絡電流（電圧値ゼロの電流値）０．０６０ｍＡ／ｃｍ２は、開放電圧（電流値ゼロの電圧値）１９１ｍＶは、最大仕事量（図の極大点）は５．１３ｍＷ／ｃｍ２であった。
一方、ミリスチン酸を吸着していないアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ｂ）の、短絡電流は、０．０４３ｍＡ／ｃｍ２開放電圧は、１４０ｍＶ最大仕事量は２．１２ ｍＷ／ｃｍ２であった。ミリスチン酸を吸着させると各値が向上しているのがわかる。
また，同条件で従来使われている色素の１つであるエオシンＹを用いた色素増感型太陽電池の場合，短絡電流は、図４のｃで示す如く０．０５３ｍＡ／ｃｍ２開放電圧は、１６０ｍＶ最大仕事量は３．０４ｍＷ／ｃｍ２であった。
【０００９】
【発明の効果】
上記のように、本発明の高機能色素増感型太陽電池は、長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素がともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いることにより、電極上での光増感色素分子同士の相互作用を減少させ、本来持ちうる色素分子の十分な光増感作用利用して高い光電変換効率を達成出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】多孔質酸化チタン薄膜上でのミリスチン酸および色素の吸着様式の模式図。
【図２】本発明の高機能色素増感型太陽電池の構成図。
【図３】本発明の色素増感型太陽電池の回路説明図。
【図４】本発明の高い光電変換機能を示す光起電力及び光電流値を測定した結果を示すグラフである。光起電力と光電流値の関係
アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ａ），アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ｂ）， エオシンＹのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ｃ）
【産業上の利用分野】
本発明は、特に起電力の高い、太陽光の幅広い光の利用に優れた色素増感型の太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、色素増感型の太陽電池は、作用極、対極及び酸化還元電解質からなり、作用極として、太陽光を吸収する光増感色素だけを吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いたものであった。
この作用極を用いた太陽電池においては、電極上で光増感色素分子同士が相互作用をするため、太陽光を吸収しても色素分子同士でエネルギーを授受してしまい、十分な光増感作用をすることができない。
【０００３】
【発明が解決しようという課題】
本発明は、電極上での光増感色素分子同士を分散させその相互作用を減少させ、本来持ちうる色素分子の十分な光増感作用引き出して，色素増感型の太陽電池の光電変換効率を理論上において且つ実用上も最大の３３％を目標とした高い光電変換効率を有する色素増感型の太陽電池を得ようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の特徴とする技術手段は、次の（１）、（２）、（３）、（４）、に記載の通りである。
（１）、作用極、対極及び酸化還元電解質からなる太陽電池において，長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素をともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極としたことを特徴とする色素増感型の太陽電池。
（２）、上記長鎖アルキルカルボン酸は、炭素数が１０以上のものであり、光増感色素を多孔質酸化チタン薄膜電極上で分散させたことを特徴とする前記（１）に記載の色素増感型の太陽電池。
（３）、上記光増感色素は、太陽光の近紫外線から近赤外領域に強い吸収を有することを特徴とする前記（１）に記載の色素増感型の太陽電池。
（４）、光増感色素と長鎖アルキルカルボン酸の分散条件をモル比で１：１０〜 １：５０としたことを特徴とする前記（１）、（２）、（３）、（４）の何れか一つに記載の色素増感型の太陽電池。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明の色素増感型の太陽電池において、作用極を長鎖アルキルカルボン酸中に光増感色素を適宜分散介在せしめて吸着させた多孔質酸化チタン薄膜電極にすることにより、光電変換効率を理論上において且つ実用上も最大の３３％以上の高い光電変換効率を有せしめるものである。
長鎖アルキルカルボン酸は、多孔質酸化チタン薄膜上で単分子層を形成しており，単分子層中に色素分子がランダムに分散していると考えられる。
これは、色素分子が長鎖アルキルカルボン酸の単分子層の上に吸着もしくは分散することは色素分子の極性を考慮すると考えられないかである。
而して本発明の色素増感型の太陽電池において、長鎖アルキルカルボン酸として、好ましくミリスチン酸などのようは炭素数が１０以上のものを用いることが好ましい。その理由は、炭素数９以下の長鎖アルキルカルボン酸は、液体であり作用極に安定して吸着させることが困難なためである。
また本発明の色素増感型の太陽電池において、光増感色素は、太陽光の近紫外線から近赤外領域に強い吸収を有するものとする理由は、太陽光の分布強度の約６０％が上記領域に存在するためである。
また本発明の色素増感型の太陽電池において、光増感色素と長鎖アルキルカルボン酸の分散条件をモル比で１：１０〜１：５０とする理由は、１：１０以下であると色素が分散せず，１：５０以上であると色素の吸着量が減少し十分な光増感作用を示さないためである。
【発明の実施例】
次に本発明の実施例を図１〜図４と共に詳細に説明する。
本実施例は、長鎖アルキルカルボン酸として、炭素数１３のミリスチン酸を、光増感色素として、アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンを用いた例である。
上記アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンと１０分の１当量のミリスチン酸を溶解したジクロロメタン溶液に、５ｃｍ２の表面積を有する多孔質酸化チタン薄膜電極を２４時間浸漬することによってアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作成する。
これにより多孔質酸化チタン薄膜電極上には、図１に示す如く、理論上ミリスチン酸１分子に対して，アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンが１０分子の割合で吸着している。
図１は、多孔質酸化チタン薄膜上でのミリスチン酸および色素の吸着様式の模式図であり、１が光増感作用をする色素分子であり，２がミリスチン酸分子を示しており，下側のＣＯＯＨはカルボキシル基を示す。また３は多孔質酸化チタン薄膜を示している。
【０００６】
このようにしてアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とを吸着させた多孔質酸化チタン薄膜電極を製作したこれと、炭素電極及び酸化還元電解質を用いて図２に示す色素増感型の太陽電池を構成すると共に図３に示す回路を構成する。
図２は本発明の高機能色素増感型太陽電池の原理構成図であり，４は光源を示している。５は色素分子を示しており４から発せられる光を増感する作用をする。６は酸化チタン微粒子を示しており，励起された５から電子を受け取り導電性ガラス基板７へ電子を渡す作用を示す。５が吸着した６は多孔質薄膜の形で７上に固定されている。８は導線であり，７から放出された電子を炭素からなる対極９へ渡す作用をする。１０は酸化還元電解質を示しておりヨウ化物イオンＩ−とトリヨウ化物イオンＩ３−からなり，９から電子を受け取り，５へ電子を渡す作用を示す。１１は起電力測定装置である。図中のｅ−は電子を表している。
図３本発明の色素増感型太陽電池の回路構成説明図であり，１２は本発明で構築した太陽電池を示している。１３は起電力測定装置であり，１２の正極と負極との間に位置し，光照射による電圧を測定する。１４は電流計であり，１５は可変抵抗である，１４および１５は直列に接続され，１２の正極と負極との間に位置する。１４は光照射による電流値を測定するものであり，１５は流れる電流を制御し，仕事量を求めるために用いるものである。
【０００７】
次にこの色素増感型の太陽電池の光起電力と光電流の計測について述べる。
上記太陽電池に電流計と電圧計を取り付け、２００Ｗタングステンランプを太陽電池に照射し、流れる電流と起電力を測定した。用いたタングステンランプは太陽光の可視領域のスペクトルと類似した光線を出すものである。
【０００８】
図４は，本発明の高い光電変換機能を示す光起電力及び光電流値を測定した結果を示すグラフである。（ａ）はミリスチン酸とアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンがともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いた太陽電池，（ｂ）は従来使われている色素の１つであるエオシンＹが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いた太陽電池，（ｃ）はアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を用いた太陽電池のものである。アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ａ）の、短絡電流（電圧値ゼロの電流値）０．０６０ｍＡ／ｃｍ２は、開放電圧（電流値ゼロの電圧値）１９１ｍＶは、最大仕事量（図の極大点）は５．１３ｍＷ／ｃｍ２であった。
一方、ミリスチン酸を吸着していないアルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ｂ）の、短絡電流は、０．０４３ｍＡ／ｃｍ２開放電圧は、１４０ｍＶ最大仕事量は２．１２ ｍＷ／ｃｍ２であった。ミリスチン酸を吸着させると各値が向上しているのがわかる。
また，同条件で従来使われている色素の１つであるエオシンＹを用いた色素増感型太陽電池の場合，短絡電流は、図４のｃで示す如く０．０５３ｍＡ／ｃｍ２開放電圧は、１６０ｍＶ最大仕事量は３．０４ｍＷ／ｃｍ２であった。
【０００９】
【発明の効果】
上記のように、本発明の高機能色素増感型太陽電池は、長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素がともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いることにより、電極上での光増感色素分子同士の相互作用を減少させ、本来持ちうる色素分子の十分な光増感作用利用して高い光電変換効率を達成出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】多孔質酸化チタン薄膜上でのミリスチン酸および色素の吸着様式の模式図。
【図２】本発明の高機能色素増感型太陽電池の構成図。
【図３】本発明の色素増感型太陽電池の回路説明図。
【図４】本発明の高い光電変換機能を示す光起電力及び光電流値を測定した結果を示すグラフである。光起電力と光電流値の関係
アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンとミリスチン酸とが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ａ），アルミニウム２，９，１６，２３−テトラフェノキシ−２９Ｈ，３１Ｈ−フタロシアニンのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ｂ）， エオシンＹのみが吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極として用いた場合（ｃ）
Claims (4)
- 作用極、対極及び酸化還元電解質からなる太陽電池において，長鎖アルキルカルボン酸と光増感色素をともに吸着した多孔質酸化チタン薄膜電極を作用極としたことを特徴とする色素増感型の太陽電池。
- 上記長鎖アルキルカルボン酸は、炭素数が１０以上のものであり、光増感色素を多孔質酸化チタン薄膜電極上で分散させたことを特徴とする請求項１に記載の色素増感型の太陽電池。
- 上記光増感色素は、太陽光の近紫外線から近赤外領域に強い吸収を有することを特徴とする請求項１の色素増感型の太陽電池。
- 光増感色素と長鎖アルキルカルボン酸の分散条件をモル比で１：１０〜１：５０としたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一つに記載の色素増感型の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002337372A JP2004171969A (ja) | 2002-11-21 | 2002-11-21 | 色素増感型の太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002337372A JP2004171969A (ja) | 2002-11-21 | 2002-11-21 | 色素増感型の太陽電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004171969A true JP2004171969A (ja) | 2004-06-17 |
Family
ID=32700901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002337372A Pending JP2004171969A (ja) | 2002-11-21 | 2002-11-21 | 色素増感型の太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004171969A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1780827A1 (en) * | 2005-10-21 | 2007-05-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor electrode, fabrication method thereof and solar cell comprising the same |
| WO2008004580A1 (fr) | 2006-07-05 | 2008-01-10 | Nippon Kayaku Kabushiki Kaisha | Cellule solaire sensible à la coloration |
| JP2008071585A (ja) * | 2006-09-13 | 2008-03-27 | Nof Corp | 色素増感型太陽電池用電極の製造方法 |
| JP5008034B2 (ja) * | 2005-03-03 | 2012-08-22 | 国立大学法人九州工業大学 | 光電変換素子及びその製造方法 |
| JP2016134403A (ja) * | 2015-01-15 | 2016-07-25 | 株式会社ダイセル | 光電変換層及びそれを備えた光電変換素子 |
-
2002
- 2002-11-21 JP JP2002337372A patent/JP2004171969A/ja active Pending
Cited By (5)
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|---|---|---|---|---|
| JP5008034B2 (ja) * | 2005-03-03 | 2012-08-22 | 国立大学法人九州工業大学 | 光電変換素子及びその製造方法 |
| EP1780827A1 (en) * | 2005-10-21 | 2007-05-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor electrode, fabrication method thereof and solar cell comprising the same |
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