JP2005142084A - 色素増感型太陽電池用電極基板及びその製造方法、並びに色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 透明基材1と、該透明基材の片面に形成された透明電極3と、多数の半導体微粒子を用いて前記透明電極上に形成された多孔質半導体電極7と、該多孔質半導体電極を形成している半導体微粒子7aの表面に担持された色素9とを有する色素増感型太陽電池用電極基板20を作製するにあたって、前記透明電極と前記多孔質半導体電極との間に、前記多孔質半導体電極の形成に先立って、該多孔質半導体電極の下地となる領域での濡れ性が相対的に高められた光触媒含有層5を設ける。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の色素増感型太陽電池用電極基板の基本的な断面構造の一例を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池用電極基板20(以下、「電極基板20」と称する。)は、複数のセルが電気的に並列に接続された色素増感型太陽電池を得るために用いることができるものである。
透明基材1は、紫外域から赤外域に亘る波長域中の所望の波長域の光を平均値で概ね85%以上透過させ、かつ、所望の耐光性及び耐候性を有するものであることが好ましく、無機材料又は有機材料を用いて、また必要に応じて各種の添加剤を併用して、種々の方法により形成することができる。上記「所望の波長域」は、多孔質半導体電極7及び色素9それぞれの吸収波長域を考慮して適宜選定可能である。
透明電極3は、色素増感型太陽電池に所望の波長域の光が照射されたときに、その上に形成されている各多孔質半導体電極7からキャリア(電子)受け取るもの、又は、その上に形成されている各多孔質半導体電極7にキャリア(正孔)を伝えるものであり、種々の導電性材料を用いて形成することが可能である。
光触媒含有層5は、後述する半導体電極形成用塗布液を用いて多孔質半導体電極7を形成する際に、この多孔質半導体電極7の形成位置を制御するためのものであり、有機材料(以下、「バインダー」という。)中に光触媒が分散した構造を有している。また、光触媒含有層5の上面のうちで多孔質半導体電極7を形成しようとする領域は、多孔質半導体電極7の形成に先立って、親水化されている。
多孔質半導体電極7は、光励起された色素9からキャリア(電子)を受け取るためのもの、又は、光励起された色素9にキャリア(正孔)を伝えるためのものである。この多孔質半導体電極7は、単一成分の層とすることもできるし、混合物の層とすることもできる。更には、複数の多孔質半導体膜の積層物とすることもできる。多孔質半導体電極7の導電型は、通常、N型である。
色素9は、多孔質半導体電極7を増感させるためのものである。この色素9としては、(A)その吸収波長域が多孔質半導体電極7の吸収波長域よりも長波長側にまで及んでいるもの、(B)多孔質半導体電極7がN型半導体である場合には、光励起されたときの電子のエネルギー準位が多孔質半導体電極7の伝導帯端の位置よりも高いもの、(C)多孔質半導体電極7がN型半導体である場合には、多孔質半導体電極7へキャリア(電子)を注入するのに要する時間が多孔質半導体電極7からキャリア(電子)を再捕獲するのに要する時間に比べて短いもの、が好ましい。
リード線11は、多孔質半導体電極7から透明電極3に移動した電子を集電して電気的に並列に出力するためのものであり、1つの多孔質半導体電極7に1つずつ対応するようにして、対応する多孔質半導体電極7の近傍に配置されている。個々のリード線11は、対応する多孔質半導体電極7の延在方向とほぼ平行な方向に延在している。
必要に応じて、電極基板20にはガスバリア層や補助電極等を形成することができる。以下、これらの任意部材について説明する。
ガスバリア層は、電極基板20を用いて色素増感型太陽電池を作製したときに、電極基板20を通して酸素や水分が色素増感型太陽電池内に侵入すること、及び、色素増感型太陽電池で使用される電解質が電極基板20を通して外部に揮散すること、を防止するためのものであり、透明基材1と透明電極3との間又は透明基材1の背面(透明電極3が形成されている面とは反対側の面を意味する。)に設けることができる。
補助電極は、電極基板20の導電性を高めるためのものであり、透明電極3と接するようにして、透明基材1と透明電極3との間に設けられる。補助電極の材料としては、透明電極3よりも導電性の高い種々の金属又は合金を用いることができる。補助電極の平面視上の形状は、色素9への入射光量の低下をできるだけ抑制するという観点から、格子状、網目状、平行ストライプ状等、多数の細線が組み合わされた形状とすることが好ましい。
腐食防止層は、上述の補助電極を設けたときに、この補助電極が色素増感型太陽電池の電解質によって腐食されるのを防止するためのものであり、前述した保護層13と同様にして、少なくとも補助電極の外表面を覆うように形成される。必要に応じて、補助電極の下地となっている層の表面のうちで補助電極によって覆われていない領域上にも、腐食防止層を形成することができる。
図2は、本発明の色素増感型太陽電池用電極基板の他の基本的な断面構造を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池用電極基板30(以下、「電極基板30」と称する。)は、複数のセルが電気的に直列に接続された色素増感型太陽電池を得るために用いることができるものである。
図3は、本発明の色素増感型太陽電池の基本原理を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池100では、前述した第1形態の電極基板20が第1の電極基板として用いられ、透明基材42の片面に1つの第1導電膜44と複数の第2導電膜46とが形成された色素増感型太陽電池用電極基板50(以下、「電極基板50」と称する。)が第2の電極基板として用いられる。
塗布法は、主に固体状の電解質層90を形成するために用いられる方法であり、この塗布法で用いる電解質層形成用塗工液としては、少なくともレドックス対とこのレドックス対を保持する高分子とを含有したものが好ましい。また、電解質層形成用塗工液には、架橋剤、光重合開始剤等が添加されていることが好ましい。
注入法は、液体状、ゲル状、又は固体状の電解質層を形成するために用いられる方法であり、この方法で電解質層90を形成する際には、前述したスペーサ48を利用して、電極基板20と電極基板50とを予め所望の間隔に保持しておくことが好ましい。電解質層形成用塗工液の注入は、例えば毛細管現象を利用して行うことができる。ゲル状又は固体状の電解質層90を形成する場合には、電解質層形成用塗工液を注入した後に例えば温度調整、紫外線照射、電子線照射等を行って、二次元又は三次元の架橋反応を生じさせる。
図4は、本発明の色素増感型太陽電池の他の基本原理を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池110は、(1)第2の電極基板として色素増感型太陽電池用電極基板60(以下、「電極基板60」と称する。)が用いられる点、及び、(2)電解質層90が複数のスペーサ48によって区分されることなく電極基板20と電極基板60との間に介在する点で、上述した第1形態の色素増感型太陽電池100と大きく異なる。他の構成は色素増感型太陽電池100の構成と同様であるので、共通する構成についての説明は、ここでは省略する。
図5は、本発明の色素増感型太陽電池の更に他の基本原理を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池120では、前述した第2形態の電極基板30が第1の電極基板として用いられ、透明基材62の片面に複数の第1導電膜64と複数の第2導電各66とが形成された色素増感型太陽電池用電極基板70(以下、「電極基板70」と称する。)が第2の電極基板として用いられる。
図6は、本発明の色素増感型太陽電池の更に他の基本原理を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池130は、(1)第2の電極基板として色素増感型太陽電池用電極基板80(以下、「電極基板80」と称する。)が用いられる点、及び、(2)配線69が2つのスペーサ68a、68bによって挟持された構造を有する点で、上述した第3形態の色素増感型太陽電池120と大きく異なる。他の構成は色素増感型太陽電池120の構成と同様であるので、共通する構成についての説明は、ここでは省略する。
〔色素増感型太陽電池用電極基板の製造〕
(準備工程)
まず、透明基材として膜厚125μmのPETフィルム(東洋紡社製のA4100;全光線透過率90.9%)を用意した。次に、このPETフィルムをイオンプレーティング装置のチャンバー内に配置し、また、PETフィルムにおける蒸発源側の表面上に所定形状のマスクを配置した。この後、成膜圧力1.5×10−1Pa、アルゴンガス流量18sccm、酸素ガス流量28sccm、成膜電流値60Aの条件の下に昇華材料としての酸化インジウムスズ(ITO)をPETフィルム上に堆積させて、膜厚150nmのITO膜からなる透明電極を形成した。
まず、分散媒としてイソプロピルアルコール3重量部と、光触媒として平均粒子径7nmの酸化チタン微粒子を含有した分散液(石原産業(株)製のST−K01)2重量部とを混合し、90℃にて10分間攪拌した後、バインダーとしてのフルオロアルコキシシラン(トーケムプロダクツ(株)製のMF−160E)0.14重量部を更に加えて更に混合、攪拌した。この後、イオプロピルアルコールで4倍に希釈して、光触媒含有前駆層を得るための塗布液を得た。
まず、1cm×1cmの四角形を呈する開口部が形成されているフォトマスク(紫外線マスク)を用意し、これを光触媒含有前駆層上に配置した。次に、光源として水銀灯を用いて、照射強度70mW/cm2 、照射時間50秒の条件の下に上記の光触媒含有前駆層を露光した。この露光により、光触媒含有前駆層の上面のうちで露光された領域が親水化されて、目的とする光触媒含有層が得られた。選択的な露光によって親水化された領域に水を滴下し、その接触角を接触角測定器(協和界面科学(株)製のCA−Z)により測定したところ、8°であった。一方、光触媒含有層における非露光部での水の接触角は142°であり、露光した領域での親水化が確認できた。
まず、多幸半導体電極を形成するための半導体電極形成用塗布液として、一次粒子径が15nmの酸化チタン(TiO2 )微粒子(昭和電工社製のF−6)と、結着剤としてのポリエステル樹脂とを、水とポリプロピレングリコールモノメチルエーテルとの混液中にホモジナイザーを用いて溶解、分散させて、前記のTiO2 微粒子を20.5質量%含有し、前記の結着剤を0.3質量%含有するスラリーを調製した。このスラリーの20℃下、回転速度12RPMでの粘度をブルックフィールド粘度計LVDV−I(ルックフィールド社製)にて測定したところ、20.3mN・s/m2 であった。
増感色素としてのルテニウム錯体(小島化学株式会社製)をその濃度が3×10−4mol/lとなるようにエチルアルコールに溶解させた色素溶液を用意し、上述の多孔質半導体電極まで形成したPETフィルムをこの色素溶液中に浸漬して、液温40℃の条件下で1時間放置した。これにより、多孔質半導体電極を形成している半導体微粒子(TiO2 微粒子)に上記の色素が坦持された。この色素担持工程まで行うことにより、目的とする色素増感型太陽電池基板(以下、「電極基板A」という。)が得られた。
〔色素増感型太陽電池用電極基板の製造〕
(準備工程)
まず、透明基材として膜厚125μmのPETフィルム(東洋紡社製のA4100;全光線透過率90.9%)を用意した。次に、このPETフィルムをイオンプレーティング装置のチャンバー内に配置し、また、PETフィルムにおける蒸発源側の表面上に所定形状のマスクを配置した。この後、成膜圧力1.5×10−1Pa、アルゴンガス流量18sccm、酸素ガス流量28sccm、成膜電流値60Aの条件の下に昇華材料としての酸化インジウムスズ(ITO)をPETフィルム上に堆積させて、膜厚150nmのITO膜からなる4つの透明電極を1μm間隔で並列に形成した。個々の透明電極は、平面視上、8cm×1cmの四角形を呈する。
まず、各透明電極上に実施例1と同様にして光触媒含有前駆層を形成した。また、これとは別に、8cm×0.8cmの四角形を呈する開口部が3μm間隔で4つ並列に形成されているフォトマスク(紫外線マスク)を用意した。このフォトマスクの長辺を、各開口部が前述した光触媒含有前駆層のいずれかの長辺と平面視上重なるようにして、かつ、フォトマスクと光触媒含有前駆層上面との間隔が概ね50μmとなるようにして、各光触媒含有前駆層上に配置した。
まず、実施例1と同じ条件の下に、多孔質半導体電極を形成するための半導体電極形成用塗布液(スラリー)を調製し、このスラリーを、バーコート法により個々の光触媒含有層の上面全体に塗布して、塗膜を形成した。この塗膜は、実質的に、光触媒含有層の上面のうちで親水化された領域上にのみ形成された。塗膜の形状保持能力は高く、親水化されていない部分には塗膜は形成されなかった。
〔色素増感型太陽電池の製造〕
まず、実施例1での準備工程と同じ条件の下に、片面に透明電極(ITO)膜が形成されたPETフィルムを作製した。続いて、このPTEフィルムでの透明電極上に、第2導電膜としての白金薄膜(膜厚50nm)をスパッタリング法によって形成して、図3に示した電極基板20と同様の構成を有する色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板B」という。)を得た。
光触媒含有層を形成しない以外は実施例2と同様にして色素増感型太陽電池用電極基板を作製した。ただし、多孔質半導体電極を形成するにあたっては、0.8cm幅(0.2cmピッチ)の凹版を有するロール版により、半導体電極形成用塗布液(スラリー)を塗布した。その結果、各透明電極の外側にまで多孔質半導体電極が形成され、所望のパターンに形成することができなかった。
3、23 透明電極
5、25 光触媒含有層
7、27 多孔質半導体電極
7a、27a 半導体微粒子
9、29 色素
20、30 色素増感型太陽電池用電極基板(第1の電極基板)
50、60、70、80 色素増感型太陽電池用電極基板(第2の電極基板)
90 電解質層
100、110、120、130 色素増感型太陽電池
Claims (5)
- 透明基材と、該透明基材の片面に形成された透明電極と、多数の半導体微粒子を用いて前記透明電極上に形成された多孔質半導体電極と、該多孔質半導体電極を形成している半導体微粒子の表面に担持された色素とを有する色素増感型太陽電池用電極基板であって、
前記透明電極と前記多孔質半導体電極との間に光触媒含有層が介在し、該光触媒含有層の表面のうちで前記多孔質半導体電極の下地となっている領域での濡れ性が相対的に高められていることを特徴とする色素増感型太陽電池用電極基板。 - 透明基材と、該透明基材の片面に形成された透明電極と、多数の半導体微粒子を用いて前記透明電極上に形成された多孔質半導体電極と、該多孔質半導体電極を形成している半導体微粒子の表面に担持された色素とを有する色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法であって、
片面に透明電極が形成された透明基材を用意する準備工程と、
光照射によって表面の濡れ性を変化させることができる光触媒含有前駆層を、前記透明電極の表面の少なくとも一部を覆うようにして、かつ、該光触媒含有前駆層の表面の少なくとも一部が前記多孔質半導体電極の平面視上の形成領域となるようにして形成する前駆層形成工程と、
前記光触媒含有前駆層の表面のうちで前記多孔質半導体電極の平面視上の形成領域に相当する領域を選択的に露光して、該領域の濡れ性が相対的に高められた光触媒含有層を形成する選択露光工程と、
前記光触媒含有層の表面のうちで前記選択露光工程で選択的に露光された領域上に、多数の半導体微粒子を含有した半導体電極形成用塗布液による塗膜を形成し、該塗膜を乾燥させて多孔質半導体電極を得る多孔質半導体電極形成工程と、
前記多孔質半導体電極を形成している半導体微粒子の表面に色素を担持させる色素担持工程と、
を含むことを特徴とする色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。 - 前記多孔質半導体電極形成工程で、前記半導体電極形成用塗布液をインクジェット法又は電界ジェット法により塗工して前記塗膜を形成することを特徴とする請求項2に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記多孔質半導体電極形成工程後に行われる非露光部除去工程を更に含み、該非露光部除去工程で、前記多孔質半導体電極の平面視上の形成領域の外側に位置する光触媒含有層を除去することを特徴とする請求項2又は3に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 表面に色素が担持された多孔質半導体電極を有する第1の電極基板と、該第1の電極基板に対向して配置された第2の電極基板と、前記第1の電極基板と前記第2の電極基板との間に介在する電解質層とを備えた色素増感型太陽電池であって、
前記第1の電極基板が前記請求項1に記載の色素増感型太陽電池用電極基板であることを特徴とする色素増感型太陽電池。
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