JP2004241378A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の色素増感型太陽電池は、導電性支持体、感光体をもつ半導体層(以下、感光層ともいう)、電解質を含有する電荷移動層及び対極を有する光電変換素子により構成されるものであり、このような光電変換素子を外部回路に接続して仕事をさせるようにしたものであるが、このような色素増感型太陽電池を構成する材料として上記一般式(1)で表されるアニオンを有するイオン性物質が用いられ、好ましくは、電荷移動層における電解質の構成材料として用いられることとなる。
ゲル状電解質を用いる場合のゲル状電解質の作製方法として(1)オイルゲル化剤添加、(2)多官能モノマー類を含む重合、(3)ポリマー添加、(4)ポリマーの架橋反応等が挙げられる。
これらの中でも、下記のようなオニウムカチオンが好ましいものである。
(1)下記一般式;
(3)下記一般式;
(4)RがC1〜C8のアルキル基である鎖状オニウムカチオン。
また電解質にはギ酸、酢酸等の有機酸を添加してもよい。
上記混合物において、粘度が300mPa・sを超えると、イオン伝導度が充分に向上されたものとはならないこととなる。好ましくは、200mPa・s以下であり、より好ましくは、100mPa・s以下である。
上記熱硬化するもの(熱硬化型樹脂)としては、エポキシ樹脂及び/又は多価フェノールが好適である。
(1)導電性支持体
導電性支持体としては、(1−1)導電層の単層からなるものであってもよく、(1−2)導電層及び基板の2層からなるものであってもよいが、強度や密封性が充分に保たれるような導電層を使用すれば、基板は必ずしも必要でない。(1−1)の場合、導電層として金属のように充分な強度が得られ、かつ導電性があるものを用いる。(1−2)の場合、感光層側に導電剤を含む導電層を有する基板を使用することができる。導電剤としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属;炭素;インジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの等の導電性金属酸化物等が好適である。導電層の厚さとしては、0.02〜10μm程度が好ましい。
本発明の色素増感型太陽電池において、感光層としては色素によって増感された微粒子半導体を含有することが好ましい。半導体はいわゆる感光体として作用し、光を吸収して電荷分離を行い、電子と正孔を生ずる。色素増感された半導体微粒子では、光吸収及びこれによる電子及び正孔の発生は主として色素において起こり、半導体微粒子はこの電子を受け取り、伝達する役割を担う。
上記加熱処理後、半導体微粒子の表面積を増大させたり、半導体微粒子近傍の純度を高め色素から半導体粒子への電子注入効率を高めたりする目的で、四塩化チタン水溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。
上記電荷移動層としては、上述のような構成要素によりなるものであるが、液体電解質である場合においては、光電変換効率を向上させることができ、また、液体電解質を多孔質支持体に充填することにより、電解質溶液の漏液を効率的に防止することができる。このような目的に使用可能な多孔質支持体としては、例えば、濾過フィルター(メンブランフィルタ)や、一次電池や二次電池等に用いられるセパレーター又は不織布等を好適に適用することができる。特に、多孔質支持体面に対し法線方向に貫通した空隙をもつ場合、多孔質支持体自体が酸化還元対の移動を阻害する作用が少ないため高い光電変換効率が得られる。
上記対極は、光電変換素子を色素増感型太陽電池としたときに正極として作用するものである。対極は上記導電性支持体と同様に、導電性材料からなる対極導電層の単層構造でもよいし、対極導電層と支持基板から構成されていてもよい。対極導電層に用いる導電材としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属;炭素;インジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの等の導電性金属酸化物等が好適である。対極に用いる支持基板としては、ガラス基板又はプラスチック基板が好適であり、これに上記の導電剤を塗布又は蒸着して用いる。対極導電層の厚さとしては、3nm〜10μmが好ましい。対極導電層が金属製である場合、その厚さは好ましくは5μm以下であり、更に好ましくは5nm〜3μmである。
本発明の色素増感型太陽電池においては、上述した(1)導電性支持体、(2)感光層、(3)電荷移動層及び(4)対極以外に、電極として作用する導電性支持体及び対極の一方又は両方に、保護層、反射防止層等の機能性層等を設けてもよい。このような機能性層を多層に形成する場合、同時多層塗布法や逐次塗布法を利用できるが、生産性の観点からは同時多層塗布法が好ましい。同時多層塗布法では、生産性及び塗膜の均一性の観点からスライドホッパー法やエクストルージョン法が適している。これらの機能性層の形成には、その材質に応じて蒸着法や貼り付け法等を用いることができる。また、対極と導電性支持体の短絡を防止するため、予め導電性支持体と感光層の間に緻密な半導体の薄膜層を下塗り層として塗設しておくこともできる。下塗り層の材料は好ましくはTiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO及び/又はNb2O5であり、更に好ましくはTiO2である。下塗り層はElectrochimi.Acta,40(1995)p.643−652に記載されているスプレーパイロリシス法により塗設することができる。下塗り層の好ましい膜厚は5nm以上であり、また、1000nm以下である。より好ましくは、10nm以上であり、また、500nm以下である。
本発明の色素増感型太陽電池は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様のモジュール構造をとりうるものである。太陽電池モジュールは、一般的には金属、セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造をとるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込む構造とすることも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ及びポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造、アモルファスシリコン太陽電池等で用いられる基板一体型モジュール構造等が知られており、使用目的や使用場所及び環境により、適宜これらのモジュール構造を選択できる。
上記封止材料としては、上述したラジカル硬化型樹脂、イオン硬化型樹脂、熱硬化型樹脂等の硬化型樹脂が好適である。また、目的に応じて液状EVA(エチレンビニルアセテート)、フィルム状EVA、フッ化ビニリデン共重合体とアクリル樹脂の混合物等を使用することもできる。モジュール外縁と周縁を囲むフレームとの間は、耐候性及び防湿性が高い封止材料を用いるのが好ましい。また、透明フィラーを封止材料に混入して強度や光透過率を上げることができる。
また、セルの表面をグルービング又はテクスチャリング等の方法で処理することによって、入射した光の利用効率を高めることが可能である。
以上のように、使用目的や使用環境に合わせて様々な形状・機能をもつ太陽電池を製作することができる。
FTO基板[日本板硝子社製「VZ019」(酸化スズ膜付きガラス)]にPtをスパッタしたものを対電極として使用した。Pt膜厚は300nmであった。
(半導体電極)
高純度酸化チタン(昭和タイタニウム社製「スーパータイタニアF−6」)0.4g、水2mL、ポリエチレングリコール(分子量50万、和光純薬社製)0.12g、マーポローズ(松本油脂製薬社製「60MP−50」)0.04gを均一混合し、塗布溶液とした。この塗布溶液を、FTO基板[日本板硝子社製「VZ019」(酸化スズ膜付きガラス)]にドクターブレード法にて塗布した後、これを100℃で乾燥し、更に450℃で1時間熱処理を施して、多孔質TiO2薄膜電極(半導体電極)とした。この電極をRuN3色素のエタノール溶液(濃度3.0×10−3mol/L)に10時間浸漬し、RuN3色素(増感色素)が吸着した半導体電極を得た。なお、上記RuN3色素とは、Solaronix社製「Ruthenium 535」[Cis−bi(isothiocyanate)bis(2,2′−bipyridyl−4,4′−dicarboxylate)−ruthenium(II)]である。
半導体電極の半導体層(多孔質TiO2薄膜)の膜厚は10μmであった。
電解質:ヨウ化リチウム(濃度0.1mol/L)、ヨウ素(濃度0.05mol/L)、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールヨウ素塩(濃度0.3mol/L)、及び、t−ブチルピリジン(濃度0.5mol/L)と1−メチル−3−エチルイミダゾリウムジシアノアミド(以下、EMImDCAと記す)から構成される電解液を用いた。また比較例として、EMImDCAの代わりに1−メチル−3−エチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(以下、EMImTFSIと記す)を用いた。
η=100×Voc×Jsc×FF/I (1)
電荷移動層にEMImDCAを用いた場合におけるエネルギー変換効率ηは、エネルギー変換効率η=1.1%であった。
電荷移動層にEMImTFSIを用いた場合におけるエネルギー変換効率ηは、
エネルギー変換効率η=0.4%であった。
Claims (3)
- 前記イオン性物質は、ジシアノアミドアニオンを有することを特徴とする請求項1又は2記載の色素増感型太陽電池。
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