JP2005158379A - 光電変換素子およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 色素増感半導体電極2と対極3との間に電解質層5を有する光電変換素子、例えば色素増感湿式太陽電池において、対極3の電解質層5に面する側に、表面粗さRa が30nm〜10μmの光散乱反射層4を形成する。光散乱反射層4としては、例えば、すりガラス基板上にPtをスパッタしたものを用いる。
【選択図】 図1
Description
一方、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である太陽電池は太陽光をエネルギー源としているため、地球環境に対する影響が極めて少なく、より一層の普及が期待されている。
しかし、結晶シリコン系太陽電池では、光(太陽)エネルギーを電気エネルギーに変換する性能を表す光電変換効率が、アモルファスシリコン系太陽電池に比べて高いものの、結晶成長に多くのエネルギーと時間とを要するため生産性が低く、コスト面で不利であった。
こうした中で、非特許文献1に、色素によって増感された多孔質半導体微粒子を用いた安価な太陽電池が報告された。この太陽電池は、増感色素にルテニウム錯体を用いて分光増感した酸化チタン多孔質薄膜を光電極とする湿式太陽電池、すなわち電気化学光電池である。この太陽電池の利点は、安価な酸化チタン等の酸化物半導体を用いることができ、増感色素の光吸収が800nmまでの幅広い可視光波長域にわたっていること、光電変換の量子効率が高く、高いエネルギー変換効率を実現できることである。また、製造に真空プロセスが必要無いため、大型の設備等も必要無い。
Nature,353,p.737-740,1991
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、色素増感半導体電極による入射光の捕集率が高く、高い短絡電流密度および光電変換効率を得ることができる電子装置およびその製造方法を提供することにある。
色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する光電変換素子において、
対極の電解質層に面する側に光散乱反射層を有する
ことを特徴とするものである。
色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する光電変換素子の製造方法において、
対極の電解質層に面する側に光散乱反射層を形成する工程を有する
ことを特徴とするものである。
光電変換素子はその用途に応じて様々な形状で作製することが可能であり、その形状は特に限定されない。
光電変換素子は、最も典型的には太陽電池であるが、そのほかに各種の光センサーも含まれる。
色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する電子装置において、
対極の電解質層に面する側に光散乱反射層を有する
ことを特徴とするものである。
色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する電子装置の製造方法において、
対極の電解質層に面する側に光散乱反射層を形成する工程を有する
ことを特徴とするものである。
第1および第2の発明に関連して述べた上記のことは、その性質に反しない限り、第3および第4の発明にも同様に成立する。
図1はこの発明の一実施形態による色素増感湿式光電変換素子を示す。
図1に示すように、この色素増感湿式光電変換素子においては、透明導電性基板1上に色素担持半導体微粒子層2(色素増感半導体電極)が形成されたものと、少なくともその表面が対極を構成する導電性基板3上に、表面粗さRa が30nm〜1μm、最も好適には100〜200nmの光散乱反射層4が形成されたものとが、それらの色素担持半導体微粒子層2および光散乱反射層4が所定の間隔をおいて互いに対向するように配置されており、それらの間の空間に電解質層(電解液)5が封入されている。この電解質層5は、図示省略した所定の封止部材により封入されている。
図3に、光散乱反射層4の表面の凹凸形状を模式的に示す。
まず、透明導電性基板1を用意する。次に、この透明導電性基板1上に、半導体微粒子が分散されたペーストを所定のギャップ(厚さ)に塗布する。次に、この透明導電性基板1を所定温度に加熱して半導体微粒子を焼結する。次に、この半導体微粒子が焼結された透明導電性基板1を色素溶液に浸漬する等して半導体微粒子に色素を担持させる。このようにして色素担持半導体微粒子層2が形成される。図3に示すような構造の透明導電性基板1を用いる場合には、透明基板1a上にリソグラフィー法、リフトオフ法等により所定パターンの導電性配線層1cを形成した後、この導電性配線層1cを覆うように透明基板1aの全面に金属酸化物層1dを製膜してからその上に色素担持半導体微粒子層2を形成する。
そして、上記の透明導電性基板1とこの導電性基板3とをそれらの色素担持半導体微粒子層2および光散乱反射層4が所定の間隔、例えば1〜100μm、好ましくは1〜50μmの間隔をおいて互いに対向するように配置するとともに、所定の封止部材を用いて電解質層5が封入される空間を作り、この空間に予め形成された注液口から電解質層5を注入する。その後、この注液口を塞ぐ。これによって、色素増感湿式光電変換素子が製造される。
透明導電性基板1側からこの透明導電性基板1を透過して入射した光は、色素担持半導体微粒子層2の色素を励起して電子を発生する。この電子は、速やかに色素から色素担持半導体微粒子層2の半導体微粒子に渡される。一方、電子を失った色素は、電解質層5のイオンから電子を受け取り、電子を渡した分子は、再び対極側の光散乱反射層4で電子を受け取る。この一連の反応により、色素担持半導体微粒子層2と電気的に接続された透明導電性基板1と、光散乱反射層4と電気的に接続された透明導電性基板3との間に起電力が発生する。このようにして光電変換が行われる。
対極として、予め0.5mmの注液口が開けられた石英ガラス基板にPtを厚さ100nmスパッタしたものを用いたこと以外は実施例1と同様にして色素増感湿式光電変換素子を作製した。Pt膜の表面粗さRa は5nm以下であった。
対極として、予め0.5mmの注液口が開けられたFTO基板に塩化白金酸のIPA溶液を滴下し、385℃で焼結したものをそのまま用いたこと以外は実施例1と同様にして色素増感湿式光電変換素子を作製した。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構造、形状、材料、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料、原料、プロセスなどを用いてもよい。
Claims (14)
- 色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する光電変換素子において、
上記対極の上記電解質層に面する側に光散乱反射層を有する
ことを特徴とする光電変換素子。 - 上記光散乱反射層は少なくとも可視光を散乱反射することを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- 上記光散乱反射層の表面粗さが10nm〜100μmであることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- 上記光散乱反射層の表面粗さが30nm〜10μmであることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- 上記光散乱反射層はPt、Au、Ru、Os、Ti、Ni、Cr、Cu、Ag、Pd、In、Zn、Mo、Al、Ir、CoおよびCからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素および/または導電性高分子からなることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- 上記光散乱反射層は導電性微粒子により形成された多孔質触媒層であることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- 受光面側から透明基板、導電性配線層および保護層が順に積層されてなるシート抵抗10Ω/□以下の透明導電性基板上に上記色素増感半導体電極が設けられていることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- 上記保護層は透明かつ導電性を有することを特徴とする請求項7記載の光電変換素子。
- 上記保護層は金属酸化物層であることを特徴とする請求項7記載の光電変換素子。
- 上記金属酸化物層の厚さは10〜1000nmであることを特徴とする請求項9記載の光電変換素子。
- 上記透明導電性基板には複数本の導電性配線層が設置され、少なくとも1本の導電性配線層は光電変換素子の集電部に接合されていることを特徴とする請求項7記載の光電変換素子。
- 色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する光電変換素子の製造方法において、
上記対極の上記電解質層に面する側に光散乱反射層を形成する工程を有する
ことを特徴とする光電変換素子の製造方法。 - 色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する電子装置において、
上記対極の上記電解質層に面する側に光散乱反射層を有する
ことを特徴とする電子装置。 - 色素増感半導体電極と対極との間に電解質層を有する電子装置の製造方法において、
上記対極の上記電解質層に面する側に光散乱反射層を形成する工程を有する
ことを特徴とする電子装置の製造方法。
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