JP2005158727A - 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】 透明基材と、この透明基材の片面に形成された透明電極と、透明電極上に形成された多孔質半導体電極と、多孔質半導体電極を形成す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を作製するあたり、透明電極を、透明基材に形成された多数の開口部を有する金属製の第1導電層と、第1導電層の開口部に埋設されて該第1導電層を平坦又はほぼ平坦にする平坦化透明層と、第1の導電層と平坦化透明層とを覆う金属酸化物製の第2導電層とを含む構成とすることにより、上記課題を解決した。
【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。)では、透明基材1の片面に、接着剤層5と第1導電層6と平坦化透明層7と第2導電層8とを含む透明電極10が形成され、この透明電極10上に多孔質半導体電極15が形成されている。また、多孔質半導体電極15を形成する半導体微粒子15aの表面には色素17が担持されている。なお、図1においては、便宜上、色素17を1つの層として描いている。以下、電極基板20及びその製造方法について詳述する。
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。上記の「所望の波長域」は、多孔質半導体電極15及び色素17それぞれの吸収波長域を勘案して、適宜選定可能である。
透明電極10は、電極基板20を用いて作製された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、多孔質半導体電極15からキャリア(電子)を受け取るもの、又は、多孔質半導体電極15にキャリア(正孔)を伝えるものであり、この透明電極10は、上記の「所望波長域」の光を概ね80%以上透過させるものであることが好ましい。
多孔質半導体電極15は、多孔質の半導体電極であり、光励起された色素17からキャリア(電子)を受け取ることができるもの、又は、光励起された色素17にキャリア(正孔)を伝える役割を有する。
色素17は、多孔質半導体電極15を形成する半導体微粒子の表面に担持されており、多孔質半導体電極15を増感させるためのものである。
電極基板20には、必要に応じて、腐食防止層、ガスバリア層又はパターニング層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。
図3は、上述した本発明の電極基板に、更に腐食防止層を設けた電極基板の一例を示す断面図である。
ガスバリア層は、透明基材1に透明樹脂フィルムを使用した電極基板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(透明樹脂フィルム)1と透明電極10との間又は透明基材(透明樹脂フィルム)1の背面(透明電極10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。
本明細書でいう「パターニング層」とは、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層を意味する。このパターニング層の具体例としては、(i)疎水性バインダー中に光触媒(光半導体の微粒子)が分散した構造を有する光触媒含有層、(ii)クロロシランやアルコキシシラン等を加水分解、重縮合して得られるオルガノポリシロキサンの層、(iii) 撥水牲や撥油性に優れた反応性シリコーンが架橋したオルガノポリシロキサンの層、(iv)フルオロアルキルシラン等を用いた撥水性を示す自己組織化膜、等を挙げることができる。
図4は、本発明の色素増感型太陽電池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50では、上述した電極基板20が光電極として用いられており、透明基材22の片面に第1導電膜24と第2導電膜26とがこの順番で積層された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。)が対極として用いられている。ここで用いられる本発明の電極基板20は、対極となる電極基板30との対向面に凹凸がなく平坦である。なお、電極基板30に代えて、透明基材の片面に上述の透明電極10が形成され、この透明電極10上に上記の第2導電膜26に相当する導電膜が形成されている電極基板を用いてもよい。
塗布法は、主に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を用いる。他に、架橋剤や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35を形成する際には、前述したスペーサを利用して、電極基板20と電極基板30とが所望の間隔に保持されたセルを予め形成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35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。
(準備工程)
まず、透明基材としてA4判サイズ(JIS規格)の厚さ100μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東洋紡績株式会社製、品番:E5100)を用い、第1導電層の材料として厚さ9μmの銅箔を用いて、この透明基材と銅箔とを、ウレタン系接着剤(ガラス転移温度(Tg):20℃、重量平均分子量:3万)を用いたドライラミネーション加工により貼り合わせた。
まず、水に塩化ニッケルを300g/l、塩化スズを15g/l、酸性フッ化アンモニウムを56g/l、ホウ酸を30g/lの割合でそれぞれ溶解させて、Ni−Sn合金めっき浴を調製した。
まず、アクリル系樹脂(Tg:100℃、重量平均分子量:24万)をメチルエチルケトンにより40wt%に希釈した平坦化透明層形成用塗工液(粘度:480mPa・s)を準備した。
平坦化透明層まで形成した上記の透明基材をイオンプレーティング装置のチャンバー内に配置し、この透明基材の第1導電層が形成された側の表面に成膜圧力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)を蒸着させて、ITOからなる膜厚150nmの第2導電層を形成した。この第2導電層は、腐食防止層を覆うと共に、平坦化透明層も覆っている。
まず、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−5)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ーザーにて溶解、分散後、自公転式撹拌機を用いて攪拌させて、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(粘度:86mPa・s)を調製した。このスラリーは、多孔質半導体電極用塗工液に相当する。
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となるようにエタノールに溶解させた色素担持用塗工液を用意し、上述の多孔質半導体電極が形成された透明電極をこの色素担持用塗工液中に浸漬して、液温40℃の条件下で1時間放置し、その後、これを色素担持用塗工液から引き上げ、各多孔質半導体電極に付着した色素担持用塗工液を風乾させた。これにより、各多孔質多孔質半導体電極に上記の色素が坦持された。
実施例1の色素増感型太陽電池の製造において、電極基板Aの作製の際の平坦化透明層形成工程に代えて下記に示した平坦化透明層形成工程により平坦化透明層を形成した以外は実施例1と同様にして、図4に示した色素増感型太陽電池50と同様の構成を有する実施例2の色素増感型太陽電池を得た。
第1導電層と腐食防止層が形成された透明基材に、UV硬化性エポキシ樹脂(Tg:50℃、重量平均分子量:3万)と、光重合開始剤等の各種添加剤とを含有する平坦化透明層形成用材料(粘度:620mPa・s)を準備した。
第1導電層の材料として厚さ12μmのアルミニウム箔(東洋アルミニウム社製、純度99.7%)を用い、腐食防止層を形成しない以外は実施例1と同様にして、PETフィルムの片面に接着剤層、第1導電層、平坦化透明層及び第2導電層からなる透明電極を形成した。この透明電極の表面抵抗値は、0.006Ω/□であった。
こうして得られた透明電極が形成されたPETフィルムのヨウ素電解質に対する耐性を確認するために、まず、メトキシアセトニトリルを溶媒とするヨウ素電解質溶液を調製した。このヨウ素電解質溶液は、ヨウ化リチウムを0.1mol/l、ヨウ素を0.05mol/l、ジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイドを0.3mol/l、ターシャリーブチルピリジンを0.5mol/lの割合でそれぞれ含有している。
実施例1の色素増感型太陽電池の製造において、平坦化透明層を形成しない以外は実施例1と同様にして、比較例1の色素増感型太陽電池を得た。
実施例1の色素増感型太陽電池の製造において、腐食防止層を形成しない以外は実施例1と同様にして、比較例2の色素増感型太陽電池を得た。
実施例1の色素増感型太陽電池の製造において、電極基板Aの作製の際の平坦化透明層形成工程に代えて下記に示した平坦化透明層形成工程により平坦化透明層を形成した以外は実施例1と同様にして、平坦化透明層まで形成された透明基材を作製した。
第1導電層と腐食防止層が形成された透明基材に、平坦化透明層形成用材料としてアクリル系樹脂をドクターブレード法により塗布した。次に、この透明基材を100℃のオーブンで5分間加熱し、乾燥させることにより、塗布された平坦化透明層形成用材料を固化させて平坦化透明層を形成した。
5 接着剤層
6 第1導電層
7 平坦化透明層
8 第2導電層
9 腐食防止層
10 透明電極
15 多孔質半導体電極
17 色素
20 色素増感型太陽電池用電極基板
22 透明基材
24 第1導電膜
26 第2導電膜
30 色素増感型太陽電池用電極基板
35 電解質層
50 色素増感型太陽電池
Claims (16)
- 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、
前記透明電極は、多数の細線を組み合わせた形状を呈して多数の開口部を有する金属製の第1導電層と、該第1導電層の開口部に埋設されて該第1導電層を平坦又はほぼ平坦にする平坦化透明層と、前記第1導電層と前記平坦化透明層との上に形成された金属酸化物製の第2導電層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。 - 前記透明電極が、前記透明基材の片面に形成された接着剤層を更に含み、前記第1導電層が金属箔であり、前記接着剤層によって前記第1導電層が前記透明基材に貼付されていることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記平坦化透明層が、前記第1導電層の開口部に隙間なく埋設されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記透明基材が透明樹脂フィルムであり、前記第1導電層の外表面が、電気めっき、無電解めっき又は化成処理によって形成された腐食防止層で覆われており、前記平坦化透明層が、外表面を前記腐食防止層で覆われた前記第1導電層を平坦又はほぼ平坦にしていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記腐食防止層の外表面が、クロメート処理されて表面処理層となっていることを特徴とする請求項4に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記第1導電層が銅、ニッケル、又はステンレスで形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の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、
多数の開口部が形成されて多数の細線を組み合わせた形状を呈する金属製の第1導電層が片面に形成された透明基材を用意する準備工程と、
前記第1導電層の開口部に樹脂を埋設することにより、前記第1導電層を平坦又はほぼ平坦にする平坦化透明層を形成する平坦化透明層形成工程と、
前記第1導電層と前記平坦化透明層との上に金属酸化物製の第2導電層を形成する第2導電層形成工程と、
前記第2導電層上に多数の半導体微粒子を用いて多孔質半導体電極を形成す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する色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。 - 前記準備工程が、片面に接着剤によって金属箔が貼付された透明基材を用意する第1サブ工程と、前記金属箔をパターニングして前記第1導電層を得る第2サブ工程とを含むことを特徴とする請求項7に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記平坦化透明層形成工程が、前記透明基材の前記第1導電層が形成された側の面に平坦化透明層形成用材料を塗布する第1サブ工程と、前記第1導電層の上面に前記平坦化透明層形成用材料が残存しないように、該平坦化透明層形成用材料が塗布された面を加圧し摺動する第2サブ工程とを含むことを特徴とする請求項7又は8に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記平坦化透明層形成工程が、前記第2サブ工程の後に、前記平坦化透明層形成用材料が塗布された面をプレスする第3サブ工程を含むことを特徴とする請求項9に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記平坦化透明層形成工程が、前記透明基材の前記第1導電層が形成された側の面に平坦化透明層形成用材料を塗布するのと同時に又はほぼ同時に、前記第1導電層の上面に前記平坦化透明層形成用材料が残存しないように、該平坦化透明層形成用材料が塗布された面を加圧し摺動する工程を含むことを特徴とする請求項7又は8に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記平坦化透明層形成工程が、前記加圧し摺動する工程の後に、前記平坦化透明層形成用材料が塗布された面をプレスする工程を含むことを特徴とする請求項11に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記透明基材として透明樹脂フィルムを用い、前記準備工程と前記平坦化透明層形成工程との間に、前記第1導電層の外表面を覆うようにして、色素増感型太陽電池用の電解質に対して耐食性を有する腐食防止層を電気めっき、無電解めっき、又は化成処理により形成する腐食防止層形成工程が含まれることを特徴とする請求項7〜12のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記腐食防止層形成工程が、前記腐食防止層にクロメート処理を施す表面処理工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 前記第1導電層を銅、ニッケル、又はステンレスで形成することを特徴とする請求項7〜14のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 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1〜6のいずれか1項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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