JP2005222942A - 光吸収波長帯が拡張された染料感応太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

光吸収波長帯が拡張された染料感応太陽電池及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】可視光の有効吸収波長帯を拡張して、染料感応太陽電池の光電変換効率を向上することができる染料感応太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明による染料感応太陽電池は、透光性物質からなる第１電極が第２電極と対向配置される。前記第１電極には多孔質膜が形成され、前記多孔質膜には二種類以上の染料物質を含む複合染料が吸着される。そして、前記第１電極と第２電極の間の空間には電解質が充填される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、染料感応太陽電池及びその製造方法に関し、より詳しくは複合染料を使用する染料感応太陽電池及びその製造方法に関する。
染料感応太陽電池は、光合成の原理を応用して太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。染料感応太陽電池は、既存のシリコン太陽電池に比べて工程が容易で製造単価が安い長所がある。そして、染料感応太陽電池は透明な電極を適用して建物外壁のガラス窓やガラス温室などに応用可能な長所がある。従来の染料感応太陽電池の中で、代表的な研究開発としては、１９９１年度に行われた、スイス国立ローザンヌ（Ｌａｕｓａｎｎｅ）高等技術院（ＥＰＦＬ）のマイケル・グラチェル（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｔｚｅｌ）の研究がある。
染料感応太陽電池は、染料が吸着された金属酸化物が形成される一つの電極と、前記一つの電極から所定間隔をおいて対向配置される他の電極からなる。
しかし、このような染料感応太陽電池は、光電変換効率が低く、実際の適用には制限がある。このような問題を解決するためには、染料感応太陽電池の太陽光吸収を増加させたり、染料の吸着量を高めたりする必要がある。
このために従来は電極の反射率を高めることや、光散乱子を使用する方法または金属酸化物粒子をナノメータ水準の大きさで製造する方法などが用いられた。しかし、このような従来の方法では、太陽電池の光電変換効率向上に限界がある。従って、効率向上のための新たな技術開発が切実に要請されているのが実情である。
本発明は前記のような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、可視光の有効吸収波長帯を拡張して、染料感応太陽電池の光電変換効率を向上することができる染料感応太陽電池を提供することである。
問題点を解決するため、本発明の一実施例による染料感応太陽電池は、透光性物質からなる第１電極が、第２電極と対向配置される。
第１電極の一方の面には多孔質膜が形成され、多孔質膜には二種類以上の染料物質を含む複合染料が吸着される。そして、第１電極と第２電極の間の空間には電解質が充填される。
複合染料は、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３〔Ｒｕ（２，２’：６’，２”−ｔｅｒｐｙｒｉｄｉｎｅ−４，４’，４”−ｔｒｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ）（ＮＣＳ）３〕を含むことができる。
複合染料の総モル数に対して、前記Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３のモル数は、１０〜８０％でありうる。
複合染料はＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３とＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２〔Ｒｕ（４，４’−ｄｉｃａｒｂｏｘｙ−２，２’−ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ）２（ＣＮ）２〕を含むことができる。
多孔質膜は、平均粒径が１００ｎｍ以下である金属酸化物を含むことができる。金属酸化物粒子の平均粒径は１０〜４０ｎｍでありうる。
前記多孔質膜は、導電性微粒子及び光散乱子のうちの少なくとも何れか一つをさらに含むことができる。
この時、光散乱子は、前記多孔質膜をなす金属酸化物と同じ原料または同じ特性の物質から作ることができて、平均粒径は１００ｎｍ以上でありうる。
第１電極は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）のうちの何れか一つを含む第１透明基板と、基板を被覆する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２−Ｓｂ２Ｏ３のうちの一つからなる導電性フィルムを含むことができる。
第２電極は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）のうちの何れか一つを含む第２透明基板と、基板上を被覆する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２−Ｓｂ２Ｏ３のうちの何れか一つを含む第１導電性フィルムと、第１導電性フィルム上を被覆するＰｔまたは貴金属物質からなる第２導電性フィルムを含むことができる。
そして、本発明の一実施例による染料感応太陽電池は、透光性物質からなる第１電極が第２電極と対向配置される。第１電極の一方の面には、多孔質膜が形成され、前記多孔質膜には二種類以上の染料物質を含む複合染料が吸着される。複合染料はＲｕを含む錯体からなり、互いに異なるリガンドを有する染料物質を含むことができる。そして、第１電極と第２電極の間の空間には電解質が充填される。本発明による染料感応太陽電池を製造する方法においてはまず、透光性物質からなる第１電極及び第２電極を用意して、第１電極の一方の面に多孔質膜を形成する。次に、二種類以上の染料物質を含有する複合染料を用意して、複合染料を前記多孔質膜に吸着させる。続いて、第１電極の多孔質膜と第２電極を互いに対向するように配置させて、第１電極と第２電極の間に電解質を埋めた後、密封して染料感応太陽電池を製造する。
複合染料を用意する時には、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３を、複合染料の総モル数に対して１０〜８０％のモル数を添加することができる。
複合染料を用意する時には、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３をアルコール内に０．１〜５ｍＭの濃度に溶解した状態で、他の染料物質を添加することができる。
複合染料を用意する時には、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３とＲｕ（４、４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２を添加することができる。
本発明では、吸収波長領域が互いに異なる二種類以上の染料物質を含む複合染料を使用することによって、光エネルギーの有効吸収波長帯を拡張させて、結果的に染料感応太陽電池の効率を向上させることができる。
以下では、添付図を参照しながら、本発明による染料感応太陽電池について詳細に説明する。
図１は、本発明による染料感応太陽電池の構造を示した断面図である。
図１に示されているように、本発明による染料感応太陽電池は、透光性物質からなる第１電極１０と第２電極２０が所定の間隔をおいて互いに対向配置され、第２電極２０に対向する第１電極１０の面には、多孔質膜３０が形成され、多孔質膜３０には複合染料４０が吸着される。第１電極１０と第２電極２０の間の空間には、電解質５０が充填される。
第１電極１０は、第１透明基板１１と、この第１透明基板１１を被覆する導電性フィルム１２を含む。第１透明基板１１は、ポリエチレンテレフタレート（以下、‘ＰＥＴ’という）、ポリエチレンナフタレート（以下、‘ＰＥＮ’という）、ポリカーボネート（以下、‘ＰＣ’という）、ポリプロピレン（以下、‘ＰＰ’という）、ポリイミド（以下、‘ＰＩ’という）、トリアセテートセルロース（以下、‘ＴＡＣ’という）のうちのいずれか一つ、またはこれらの組み合わせを含む。導電性フィルム１２は、酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍｕ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、以下、‘ＩＴＯ’という）、フッ素添加酸化スズ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、以下、‘ＦＴＯ’という）ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２−Ｓｂ２Ｏ３のうちの一つまたはこれらの組み合わせを含む。
第１電極１０における第２電極２０の対向面には、多孔質膜３０が形成される。多孔質膜３０は、ナノメートル水準の平均粒径を有する金属酸化物を含むが、例えば、多孔質膜３０はＴｉ０２を含むことができる。多孔質膜３０をなす金属酸化物（遷移金属酸化物が望ましい）は、多孔質膜３０が高い多孔性と適切な表面粗度を有することができるよう、均一な粒径を有することが好ましい。このような多孔質膜３０の形態の例は、金属酸化物粒子を低温焼結したり、結着剤（バインダー）でまばらに結合させたりした網状膜であり、機械的強度は支持体である第1透明基板１１との結合によって与えられる。
このような構造を作る他の方法として、従来からのスプレー熱分解法やＰＳＬ（ポリスチレンラテックス）自己組織化膜を利用できる。また、カーボン・ナノチューブ、または、カーボン・ファイバーの面状集合体を作り、これに金属酸化物微粒子を付着させてもよい。問題は基板の耐熱性不足であって、熱分解などを空間で実行し、生成した微粒子が基板に吹き付けられるように気流を調整し、基板を冷却しなければならない。また、基板面ＩＴＯの表面に、低温で粘着性と導電性のある金属インジウムのような物質を付着させておくことも考えられる。
この他にも、 多孔質膜３０に用いる金属酸化物（塊または粉末）に強いレーザー光線を照射して、金属酸化物微粒子を放出させ、この粒子を透明基板に付着させる、いわゆるレーザー・アブレーション法を使用すれば、基板温度を低くできる。本発明では、 金属酸化物の結晶性を必要とせず、堆積状況もまばらな状態が望ましいから、本法は好適である。多孔質膜３０の金属酸化物粒子は、平均粒径が１００ｎｍ以下であることが好ましく、特に、１０〜４０ｎｍであることが好ましい。
多孔質膜３０がＴｉＯ２を含む場合、粒径別効率を調べると、多孔質膜３０の酸化物粒子の平均粒径が１０ｎｍ未満であると接着力が不足して安定した多孔質膜を形成することができなくなり、多孔質膜３０の酸化物粒子等の平均粒径が４０ｎｍを超える場合には、染料が吸着される多孔質膜３０の表面積減少により光電変換効率が減少する問題がある。
多孔質膜３０は、酸化物を含むペースト（または酸化物粒子を分散させる揮発性分散液）を第１電極１０の内面に被覆した後、熱処理することによって形成される。
ペーストで基板を被覆するためには、通常ドクターブレードまたはスクリーンプリントなどの方法が用いられ、多孔質膜３０を透明膜上に形成するためにはスピン被覆またはスプレー方法が適用できる。この他にも通常の湿式被覆方法を適用するなど、種々可能であるが、被覆法に応じてペーストの物性を変える必要がある。
ペーストの熱処理は、バインダーを添加した場合、普通はガラス基板を使っているので、４５０〜６００℃程度で３０分間遂行する。しかし本願のように、プラスチック基板を使うならば、なるべく非燃焼型の揮発性バインダーを使用し基板温度を３００℃以下、できれば１５０℃以下にする。バインダーを添加しない場合には２００℃以下の温度で、熱処理することも可能である。
そして、多孔質膜３０は、多孔性を維持するため、高分子をさらに含むことができるが、この時熱処理後、有機物が残存しない高分子を含むことが好ましい。この条件に適した高分子としてはポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）などがある。
このような高分子は、塗布法など、塗布条件を考慮して適切な分子量を有するものを選択して添加する。
多孔質膜３０に高分子を添加すると多孔性が増加して、多孔質膜３０の分散性及び粘度を増加させて成膜性及び基板との付着力などを向上させることができる。
そして、多孔質膜３０は、導電性微粒子または光散乱子のうちの少なくとも何れか一つを更に含むことができる。導電性微粒子は電子の移動を容易にする役割を果たし、ＩＴＯなどで形成される。光散乱子は、光路を延長させて光電変換効率を向上させる役割を果たすもので、多孔質膜の成分である金属酸化物粒子から作ることができ、平均粒径１００ｎｍ以上に形成できる。
多孔質膜３０の金属酸化物粒子表面には、二種類以上の染料物質からなる複合染料４０が吸着されている。この複合染料４０は、有効吸収波長帯を向上するために吸収波長領域が互いに異なる二種類の染料物質を含む。染料物質は、可視光を吸収できる物質を含み、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｅｕ、Ｐｂ、Ｉｒを含む金属の錯体、またはＲｕ錯体のうちのいずれか一つまたはこれらの組み合わせを含むことができ、これらの複合体でもよい。Ｒｕは、白金族に属する元素で、多くの有機金属錯体化合物を作ることができる。
このような染料増感の研究において、可視光の長波長吸収を改善して太陽光からの光電変換効率を向上させる染料及び電子放出が容易な新タイプの染料を開発していて、染料の反応機構を改善して電子と正孔の再結合を防止し、効率向上を追求している。本発明では、このような染料物質を含むこともできる。
また、染料感応太陽電池の染料として、有機色素の研究も進行中である。
有機色素としてはクマリン（ｃｏｕｍａｒｉｎ）、ポルフィリン（ｐｏｒｐｈｙｒｉｎ）、キサンテン（ｘａｎｔｈｅｎｅ）、リボフラビン（ｒｉｂｏｆｌａｖｉｎ）、トリフェニルメタン（ｔｒｉｐｈｅｎｙｌｍｅｔｈａｎ）などがある。有機色素は、単独で使用する事もできれば、Ｒｕ錯体と混合して使用することもできる。有機色素は、安価でありながら素材が豊富で高い活用可能性を有している。また、有機色素を使用すると、長波長の可視光吸収を改善することができるので、効率を向上させることができる。
このような染料４０は、染料４０を溶解したアルコール溶液に、多孔質膜３０が付着した第１電極１０を１２時間程度浸漬させることによって、多孔質膜３０に自然に吸着される。
図面では、第１染料物質４１と第２染料物質４２が混合された複合染料を示しているが、本発明はこれに限定されることなく、第１染料物質４１と第２染料物質４２以外の他の物質を含むことが可能であって、これらも本発明の範囲に属するものとする。
本発明で第１染料物質４１と第２染料物質４２は、互いに異なるリガンドを有するＲｕ錯体を含んで成ることができる。この時、複合染料４０は、第１染料物質４１にＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３を含むことができる。また、長波長のエネルギー吸収を向上させるために、第１染料物質４１のＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３のモル数は、複合染料４０の総モル数の１０〜８０％であることができる。
そして、第２染料物質４２は、Ｒｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２からなることができる。
第１電極１０に対向配置される第２電極２０は、第２透明基板２１と、この第２透明基板２１を被覆する第１導電性フィルム２２を含む。そして、第１導電性フィルム２２を被覆する第２導電性フィルム２３をさらに含むことができる。第２透明基板２１はＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣのうちの少なくとも一つ以上を含むことができ、第１導電性フィルム２２は、ＩＴＯ、ＦＴＯのうちの一つを含むことができ、ＩＴＯを下地層とし、ＦＴＯを表面層とすることが望ましい。そして、第２導電性フィルム２３は、Ｐｔなどの貴金属を含むことができる。
Ｐｔを含む第２導電性フィルム２３を形成するためには、第１導電性フィルム２２上に有機溶剤（ＭｅＯＨ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡなど）に溶解されたＨ２ＰｔＣｌ６溶液を湿式被覆（スピン被覆、浸漬（ｄｉｐ）被覆、流し塗り被覆など）した後、４００℃以上の空気中、または酸素雰囲気で高温熱処理などの方法が適用できる。この他にも、電解メッキ、スパッタリング、電子ビーム蒸着などの物理気相蒸着（ＰＶＤ）方法が適用できる。
電解質５０は、第１電極１０と第２電極２０の間の空間に収納され、多孔質膜３０の内部空間にまで含浸されて均一に分散している。
電解質５０は、ヨウ化物（ｉｏｄｉｄｅ）/三ヨウ化物（ｔｒｉｉｏｄｉｄｅ）の対からなり、酸化、還元によって第２電極２０から電子を受け取って、染料４０に伝達する役割を果たす。太陽電池の電圧は、染料のエネルギー準位と電解質の酸化、還元準位の差によって決定される。
本発明による染料感応太陽電池は、前記第１電極１０と第２電極２０を、接着剤６０ａを使用して互いに接合させた後、第２電極２０を貫通する微細孔を形成して、この孔を通して二つの電極の間の空間に、電解質５０溶液を注入してから、孔の外部を接着剤６０ｂで密封して製造される。
接着剤６０ａ、６０ｂとしては、熱可塑性高分子フィルムを用いることができるが、例えば商品名ｓｕｒｌｙｎがある。このような熱可塑性高分子フィルムを二つの電極の間にセットさせた後、加熱プレスにより密閉させる。その他の接着剤としては、エポキシ樹脂または紫外線（ＵＶ）硬化樹脂がある。このような接着体６０ａ、６０ｂは、塗布後に、熱処理またはＵＶ硬化処理を行ってから硬化することができる。
このような染料感応太陽電池は、内部に太陽光（可視光及び長波長の熱線）が入射すると、光量子はまず、染料分子に吸収されて、染料分子は基底状態から励起状態に電子転移して電子−正孔対を作る。励起状態の電子は多孔質膜に含まれる遷移金属酸化物の伝導帯に注入されて、更に第１電極を通って外部回路に流れた後、相手電極に移動する。
一方、電解質内のヨウ化物（ｉｏｄｉｄｅ、Ｉ−）が、三ヨウ化物（ｔｒｉｉｏｄｉｄｅ、Ｉ３ −）に酸化されることで、酸化されていた染料が還元されて、三ヨウ化物（Ｉ３ −）は、第２電極の界面に到達した電子と還元反応をしてヨウ化物（Ｉ−）に還元される。このような電子の移動によって、太陽電池が作動するようになる。
本発明では、互いに異なる波長帯を有する二つ以上の染料物質を混合した複合染料を使用することによって、可視光のうちの長波長のエネルギー吸収を増加させることができる。これを、図２を参照して説明する。
図２は、従来の染料感応太陽電池及び本発明による染料感応太陽電池において、波長に対する吸光度（Ａｂｓ）を示したグラフである。ここで（ａ）は染料としてＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３からなる単一染料を使用した従来の染料感応太陽電池の結果を示したもので、（ｂ）は染料としてＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２からなる単一染料を使用した従来の染料感応太陽電池を示したものである。（ｃ）はＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３とＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２を混合した複合染料を使用した本発明の染料感応太陽電池の結果である。
図２に示されているように、染料としてＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３を単独使用した場合と、Ｒｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２を単独使用した場合より本発明で吸収される波長領域が拡張されたことが分かった。
染料感応太陽電池作動の第一段階は、染料分子が光エネルギーから光電荷を生成する過程である。従って、効率を向上させるためには、染料分子の光エネルギー有効吸収を増加させたり有効吸収波長帯を拡張させたりする方法が適用できるが、本発明では可視光の有効吸収波長帯を拡張することで、効率を向上させる。
つまり、本発明では単一染料分子を用いた方法では解決できない問題を解決するため、吸収波長領域が互いに異なる二種類以上の染料を含む複合染料を使用することによって光エネルギーの有効吸収波長帯を拡張させる。
このような本発明の染料感応太陽電池を製造するためには、第１電極の一方の面上に金属酸化物を含む多孔質膜を形成する。次に、二種類以上の染料物質を混合して複合染料を用意した後、用意された複合染料を多孔質膜に吸着させる。続けて、第１電極の多孔質膜と第２電極が互いに対向するように第１電極と第２電極を配置して、第１電極と第２電極の間に電解質を注入して、これを密封して染料感応太陽電池の製造を完了する。
複合染料を作る際には、アルコールなどの溶媒にＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３を溶解して、他の染料物質を添加する。この時、他の染料物質としてＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２を添加することができる。
Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３をアルコールに０．１〜５ｍＭの濃度で溶解した状態で、他の染料物質をさらに添加することが好ましい。
この時、複合染料はＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３が前記複合染料の総モル数に対して１０〜８０％のモル数添加されることが好ましい。
以下では、本発明の実施例を通して、本発明による染料感応太陽電池をより詳細に説明する。しかし、このような実施例は本発明を詳細に説明するために提供されるものであって、本発明がこのような実施例に限定されることはない。
（実施例）
第１電極として、基板上にＩＴＯが形成された第１透明基板を用意する。ＩＴＯ上に平均粒径約５〜１５ｎｍの金属酸化物粒子を混ぜた分散液を、ドクターブレード法を利用して１ｃｍ２面積に塗布し、温度４５０℃で３０分間焼成して約３μｍ厚さの多孔質膜を形成した。
次に、温度８０℃で、０．３ｍＭのＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２と０．４５ｍＭのＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３が溶解されたエタノールに、多孔質膜が形成された第１電極を１２時間以上浸漬して染料を吸着させた。その後、染料が吸着された多孔性チタニウム酸化物厚膜を、エタノールで洗って常温乾燥した。
第２電極として、ＩＴＯとＰｔ層が形成された第２透明基板を用意した。そして、電解液を注入するため、０．７５ｍｍ直径のドリルで微細孔を作った。
次に、Ｐｔ層が形成された第２電極面に第１電極の多孔質膜が対向するように配置した後、第１電極の周縁と第２電極の周縁の間に厚さ６０μｍの熱可塑性高分子フィルムを挟んで、温度１００℃で９秒間圧着し、二つの電極を接合させた。そして、第２電極に形成された微細孔を通して電解質を注入し、カバーガラスと熱可塑性高分子フィルムで微細孔をふさいで、染料感応太陽電池を製作した。この時電解質は、０．６２Ｍの１，２−ジメチル−３−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド（１，２−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−３−ｈｅｘｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）、０．５Ｍの２−アミノピリミジン（２−ａｍｉｎｏｐｙｒｉｍｉｄｉｎｅ）、０．１ＭのＬｉＩと０．０５ＭのＩ２をアセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）溶媒に溶解したものを用いた。
（比較例１）
第１電極として、基板上にＩＴＯが形成された第１透明基板を用意する。ＩＴＯ上に平均粒径約５〜１５ｎｍの金属酸化物粒子を混ぜた分散液を、ドクターブレード法を利用して１ｃｍ２面積に塗布し、温度４５０℃で３０分間、焼成して約３μｍ厚さの多孔質膜を形成した。
次に、８０℃の温度で０．４５ｍＭのＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３が溶解されたエタノールに、多孔質膜が形成された第１電極を１２時間以上浸漬して染料を吸着させた。その後、染料吸着された多孔性チタニウム酸化物厚膜を、エタノールで洗って常温乾燥した。
第２電極として、ＩＴＯとＰｔ層が形成された第２透明基板を用意した。そして、電解液を注入するため、直径０．７５ｍｍのドリルを利用して微細孔を作った。
次に、Ｐｔ層が形成された第２電極面に第１電極の多孔質膜が対向するように配置した後、第１電極の周縁と第２電極の周縁の間に、厚さ６０μｍの熱可塑性高分子フィルムをセットさせて、温度１００℃で９秒間圧着して、二つの電極を接合させた。そして、第２電極に形成された微細孔を通して電解質を注入して、カバーガラスと熱可塑性高分子フィルムで微細孔をふさいで染料感応太陽電池を製作した。この時、電解質は０．６２Ｍの１，２−ジメチル−３−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、０．５Ｍの２−アミノピリミジン、０．１ＭのＬｉＩと０．０５ＭのＩ２をアセトニトリル溶媒に溶解したものを用いた。
（比較例２）
第１電極として、基板上にＩＴＯが形成された第１透明基板を用意する。ＩＴＯ上に平均粒径約５〜１５ｎｍの金属酸化物粒子を混ぜた分散液を、ドクターブレード法を利用して１ｃｍ２面積に塗布し、温度４５０℃で３０分間、焼成して約３μｍ厚さの多孔質膜を形成した。
次に、温度８０℃で、０．３ｍＭのＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２が溶解されたエタノールに、多孔質膜が形成された第１電極を１２時間以上浸漬して染料を吸着させた。その後、染料吸着された多孔性チタニウム酸化物厚膜をエタノールで洗って常温乾燥した。
第２電極としてＩＴＯとＰｔ層が形成された第２透明基板を用意した。そして、電解液を注入するため、直径０．７５ｍｍのドリルを利用して微細孔を作った。
次に、Ｐｔ層が形成された第２電極面と第１電極の多孔質膜が互いに対向するよう、配置した後、第１電極と第２電極の間に厚さ６０μｍの熱可塑性高分子フィルムをセットさせて、１００℃下で、９秒間圧着させることで二つの電極を接合させた。そして、第２電極に形成された微細孔を通して、電解質を注入して、カバーガラスと熱可塑性高分子フィルムで微細孔をふさいで染料感応太陽電池を製作した。この時、電解質は０．６２Ｍの１，２−ジメチル−３−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、０．５Ｍの２−アミノピリミジン、０．１ＭのＬｉＩと０．０５ＭのＩ２をアセトニトリル溶媒に溶解したものを利用した。
図３は、本発明の比較例１、比較例２及び実施例による染料感応太陽電池の電圧−電流の関係を示したグラフである。図３の（ａ）は、比較例１による染料感応太陽電池の電圧−電流グラフで、図３の（ｂ）は、比較例２による染料感応太陽電池の電圧−電流グラフであり、図３の（ｃ）は、実施例による染料感応太陽電池の電圧−電流曲線である。示されたデータは、１００ｍＷ/ｃｍ２の光源を、Ｓｉ標準セルを利用して電流及び電圧を測定した結果である。
前記電圧−電流曲線から実施例による染料感応太陽電池及び比較例による染料感応太陽電池の効率、開放電圧、短絡電流、フィルファクタ（ＦＦ）などを評価した。なお、ＦＦ＝最大出力／（開放電圧×短絡電流）である。
実施例によって製造された染料感応太陽電池は、効率が０．４８％、開放電圧が０．５６７Ｖ、短絡電流が１．３４ｍＡ/ｃｍ２、ＦＦが０．６３（比率）だった。これに対して、比較例１により製造された染料感応太陽電池は効率が０．０００２％、開放電圧が０．０９３Ｖ、短絡電流が０．０１ｍＡ/ｃｍ２、ＦＦが０．３０であって、比較例２により製造された染料感応太陽電池は効率が０．１６％、開放電圧が０．５０５Ｖ、短絡電流が０．４９ｍＡ/ｃｍ２、ＦＦが０．６５であった。
つまり、実施例による染料感応太陽電池は、比較例による染料感応太陽電池より効率が高く、特に開放電圧と短絡電流が高いことが分かった。
図４は、比較例１、比較例２、及び実施例における染料感応太陽電池のＩＰＣＥ（変換効率）波長依存性を示したグラフである。
図４の（ａ）は、比較例１における染料感応太陽電池のＩＰＣＥ（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ−ｔｏ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）結果、（ｂ）は比較例２における染料感応太陽電池のＩＰＣＥ結果であり、（ｃ）は実施例による染料感応太陽電池のＩＰＣＥ結果である。
図４に示されているように、単一染料を使用した比較例１及び比較例２より複合染料を使用した実施例において、より高いＩＰＣＥ値を得られることが分かる。
以上のように、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で、多様に変形して実施するのが可能で、これらも本発明の範囲に属するものとみなす。
本発明による染料感応太陽電池の構造を示した断面図である。 従来の染料感応太陽電池及び本発明による染料感応太陽電池で波長に対する吸光度（Ａｂｓ）の関係を示したグラフである。 比較例１、比較例２及び実施例による染料感応太陽電池において、電圧に対する電流の関係を示したグラフである。 比較例１、比較例２及び実施例による染料感応太陽電池のＩＰＣＥ結果を示した図面である。
符号の説明
１０ 第１電極
１１ 第１透明基板
１２ 導電性フィルム
２０ 第２電極
２１ 第２透明基板
２２ 第１導電性フィルム
２３ 第２導電性フィルム
３０ 多孔質膜
４０ 複合染料
４１ 第１染料物質
４２ 第２染料物質
５０ 電解質
６０ａ 接着剤
６０ｂ 接着剤

Claims (15)

  1. 透光性物質からなる第１電極;
    前記第１電極の一方の面に形成される多孔質膜;
    前記多孔質膜に吸着され、二種類以上の染料物質を含む複合染料;
    前記多孔質膜が形成された前記第１電極の一方の面と対向するように配置される第２電極;及び
    前記第１電極と第２電極の間の空間に充填される電解質
    を含む染料感応太陽電池。
  2. 前記複合染料が、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
  3. 前記複合染料の総モル数に対して、前記Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３のモル数は１０〜８０％である請求項２に記載の染料感応太陽電池。
  4. 前記複合染料が、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３とＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
  5. 前記多孔質膜は、平均粒径１００ｎｍ以下の金属酸化物を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
  6. 前記金属酸化物粒子の平均粒径の１０〜４０ｎｍの範囲内である、請求項５に記載の染料感応太陽電池。
  7. 前記多孔質膜には、導電性微粒子及び光散乱子のうち少なくとも一つがさらに含まれる、請求項５に記載の染料感応太陽電池。
  8. 前記光散乱子は、前記多孔質膜をなす金属酸化物と同じ原料または同じ特性の物質からなり、平均粒径が１００ｎｍ以上の範囲内にある、請求項７に記載の染料感応太陽電池。
  9. 前記第１電極は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）のうちの何れか一つを含む第１透明基板と、前記基板を被覆する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２−Ｓｂ２Ｏ３のうちの一つからなる導電性フィルムを含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
  10. 前記第２電極は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）のうちの何れか一つを含む第２透明基板と、前記基板上を被覆する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２−Ｓｂ２Ｏ３のうちの何れか一つを含む第１導電性フィルムと、前記第１導電性フィルム上を被覆するＰｔまたは貴金属物質を含む第２導電性フィルムを含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
  11. 透光性物質からなる第１電極;
    前記第１電極の一方の面に形成される多孔質膜;
    前記多孔質膜に吸着されてＲｕを含む錯体からなり、互いに異なるリガンドを有する第１染料物質と第２染料物質を含む複合染料;
    前記多孔質膜が形成された前記第１電極の一方の面に対向するように形成される第２電極;及び
    前記第１電極と第２電極の間の空間に充填される電解質
    を含む染料感応太陽電池。
  12. 透光性物質からなる第１電極及び第２電極を用意する段階;
    前記第１電極の一方の面に多孔質膜を形成する段階;
    二種類以上の染料物質を添加する複合染料を用意して、前記複合染料を前記多孔質膜に吸着する段階;及び
    前記第１電極の多孔質膜に第２電極が対向するように配置させて、前記第１電極と前記第２電極の間に電解質を充填して密封する段階
    を含む染料感応太陽電池の製造方法。
  13. 前記複合染料を用意する時には、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３を、前記複合染料の総モル数に対して１０〜８０％のモル数に添加する、請求項１２に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
  14. 前記複合染料を用意する時には、Ｒｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３をアルコールに０．１〜５ｍＭの濃度に溶解した状態で、他の種類の染料物質をさらに添加する、請求項１３に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
  15. 前記複合染料を用意する時にはＲｕ（２，２’：６’，２”−テルピリジン−４，４’，４”−トリカルボン酸）（ＮＣＳ）３ にＲｕ（４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン）２（ＣＮ）２を添加する、請求項１２に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
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