JP2006216252A

JP2006216252A - 光電池及び光電変換方法

Info

Publication number: JP2006216252A
Application number: JP2005025022A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fujiwara; 健志藤原; Shozo Fujita; 省三藤田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】電気エネルギの取り出し効率の向上を図ることができる光電池を提供する。
【解決手段】光電池は、第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材の上に形成された半導体層と、前記半導体層に担持された色素と、第２の導電性部材と、前記第２の導電性部材の近傍に固定されたシクロデキストリン、デンプン及びこれらの修飾物のうちの少なくとも１つと、前記半導体層及び前記第２の導電性部材の間に介在し、ヨウ素分子Ｉ_２及びヨウ素イオンＩ⁻を含む電解質とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電池及び光電変換方法に関し、特に、太陽電池に利用可能な光電池及び光電変換方法に関する。

光を電気エネルギに変換する光電池の一種として、色素増感型太陽電池が知られている。色素増感型太陽電池に係る技術開発において、色素を担持する半導体電極層の大表面積化、色素の改良による吸収波長の長波長化、電解質のゲル化による耐久寿命の延長、電極素材の改良による低コスト化等が行われてきた。

特許文献１には、半導体電極層を多糖類で処理する（例えば浸漬する）ことにより、変換効率の優れた光電池を得られる技術が開示されている。多糖類として、シクロデキストリン類が好ましいとされている。

特開２００３−２１７６９２号公報

光電池において、電気エネルギの取り出し効率を向上させる技術が望まれている。
本発明の一目的は、電気エネルギの取り出し効率の向上を図ることができる光電池及び光電変換方法を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材の上に形成された半導体層と、前記半導体層に担持された色素と、第２の導電性部材と、前記第２の導電性部材の近傍に固定されたシクロデキストリン、デンプン及びこれらの修飾物のうちの少なくとも１つと、前記半導体層及び前記第２の導電性部材の間に介在し、ヨウ素分子Ｉ_２及びヨウ素イオンＩ⁻を含む電解質とを有する光電池が提供される。

本発明の第２の観点によれば、（ａ）第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材の上に形成された半導体層と、前記半導体層に担持された色素と、第２の導電性部材と、前記半導体層及び前記第２の導電性部材の間に介在し、ヨウ素分子Ｉ_２及びヨウ素イオンＩ⁻を含む電解質とを有する光電池の、前記第２の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に高く、前記第１の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に低くなるように、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度勾配を形成する工程と、（ｂ）前記色素に光を照射して、該色素を励起する工程とを有する光電変換方法が提供される。

第１の観点の光電池では、色素が光で励起されると、励起された色素から、半導体層を介して、第１の導電性部材に電子が供給される。第１及び第２の導電性部材を電気的に接続すれば、第１の導電性部材から第２の導電性部材に、電子が供給される。

第２の導電性部材の近傍に、例えばシクロデキストリンが固定される。例えばシクロデキストリンが、ヨウ素分子Ｉ_２を捕捉することにより、第２の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に高く、前記第１の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に低くなるような、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度勾配が形成される。

これにより、第２の導電性部材から、ヨウ素分子Ｉ_２が電子を受け取り、ヨウ素イオンＩ⁻が生成される反応が促進され、光電池から電気エネルギを取り出す効率の向上が図られる。

第２の観点の光電変換方法においても、第２の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に高く、前記第１の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に低くなるような、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度勾配を形成することにより、第２の導電性部材から、ヨウ素分子Ｉ_２が電子を受け取り、ヨウ素イオンＩ⁻が生成される反応が促進され、光電池から電気エネルギを取り出す効率の向上が図られる。

本願明細書及び特許請求の範囲において、シクロデキストリンモノマー及びシクロデキストリンオリゴマーをまとめて、「シクロデキストリン」と呼ぶ。シクロデキストリンは、ヨウ素分子Ｉ_２に強い親和性を示し、ヨウ素イオンＩ⁻にはほとんど親和性を示さない性質を有する。

図１を参照して、本発明の実施例による光電池の構成について説明する。図１（Ａ）は、実施例による光電池の概略的な断面図を示す。導電性の平板なカーボン基板である負極１の表面に、半導体電極層２が形成されている。半導体電極層２は、酸化チタン微粒子をペースト状にして負極１に塗布し、４５０℃程度で焼結することにより形成される。酸化チタンペーストとして、例えば、ソラロニクス社製のＴｉ−ＮａｎｏｘｉｄｅＴを用いることができる。

半導体電極層２に、色素３が担持されている。色素３は、ルテニウム色素であり、例えば、ソラロニクス社製のルテニウム５３５である。色素３を溶かしたエタノール溶液に、半導体電極層２を浸漬することにより、半導体電極層２に色素３を吸着させることができる。

半導体電極層２に対向して、正極６が配置されている。正極６は、プラチナの薄膜からなる透明な導電層である。正極６の、半導体電極層２側の表面に、シクロデキストリン固定膜４が配置されている。シクロデキストリン固定膜４は、正極６上に接着剤で保持されている。正極６は、平板な透明基板７の上に形成されている。透明基板７は、例えば、ガラス基板である。

シクロデキストリン固定膜４は、シクロデキストリンオリゴマーとポリビニルアルコールの混合水溶液をキャスト法で成膜し、さらにポリビニルアルコールをグルタルアルデヒドで架橋することにより形成される。シクロデキストリン固定膜４中に、シクロデキストリン５が固定されている。

図１（Ｂ）は、シクロデキストリン固定膜４が配置された正極６の概略的な平面図を示す。正極６の表面上に、シクロデキストリン固定膜４がストライプ状に配置されており、正極６の表面の少なくとも一部が露出している。

図１（Ａ）に戻って説明を続ける。半導体電極層２と、正極６の、シクロデキストリン固定膜４が配置された側の表面との間に、ヨウ素分子Ｉ_２及びヨウ素イオンＩ⁻を含む電解質８が介在する。電解質８として、例えば、ソラロニクス社製のＩｏｄｏｌｙｔｅＴＧ５０を用いることができる。

負極１と正極６とが、リード線９ａ、負荷１０、及びリード線９ｂを介して電気的に接続される。
上述したように、シクロデキストリンは、ヨウ素分子Ｉ_２に強い親和性を示し、ヨウ素イオンＩ⁻にはほとんど親和性を示さない。電解質８中のヨウ素分子Ｉ_２が、シクロデキストリン固定膜４中に固定されたシクロデキストリン５により捕捉されると考えられる。これにより、正極６の近傍でヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に高くなり、負極１の近傍でヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に低くなるような、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度勾配が形成されるであろう。また、シクロデキストリンがヨウ素イオンＩ⁻に親和性を持たないので、積極的に排出され、溶液中および負極１の近傍で、ヨウ素イオンＩ⁻の濃度が高くなるであろう。

次に、図１に示す光電池を用いた光電変換方法について説明する。光電池の外部から、透明基板７、正極６、シクロデキストリン固定膜４、及び電解質８を透過して、色素３に光Ｌが照射される。光Ｌは、例えば太陽光である。

図２（Ａ）に、実施例の光電池のエネルギダイヤグラムを示す。光Ｌにより、色素３が状態Ｓから状態Ｓ^＊に励起される。この反応は、光Ｌのエネルギをｈνとして、

Ｓ＋ｈν→Ｓ^＊（１）
と表される。

励起された色素３から、電子が、半導体電極層２の伝導帯に移動する。励起された色素３から電子が放出されることにより、色素３の正イオンが生成される。この反応は、

Ｓ^＊→Ｓ^＋＋ｅ⁻ （２）
と表される。

半導体電極層２に移動した電子が、負極１に移動し、さらに、リード線９ａ、負荷１０、及びリード線９ｂを介して正極６に移動する。正極６に移動した電子が、電解質８中のヨウ素分子Ｉ_２に供給され、ヨウ素イオンＩ⁻が生成される。この反応は、

Ｉ_２＋２ｅ⁻→２Ｉ⁻（３）
と表される。

色素３の正イオンに、ヨウ素イオンＩ⁻から電子が供給されて、色素３が中性に戻るとともに、ヨウ素イオンＩ⁻がヨウ素分子Ｉ_２に戻る。この反応は、

２Ｓ^＋＋２Ｉ⁻→２Ｓ＋Ｉ_２（４）
と表される。

このように、色素３が、光Ｌを吸収して励起され、半導体電極層２に電子を供給して正イオンとなり、ヨウ素イオンＩ⁻から電子を受け取って中性に戻るサイクルが繰り返されることにより、光電池から電気エネルギを取り出すことができる。

図２（Ｂ）は、上式（１）〜（４）で示される起電反応についてまとめた表である。式（１）、（２）及び（４）は、負極１の近傍における反応であり、式（３）は、正極６の近傍における反応である。

実施例の光電池において、電気エネルギの取り出しを妨げるような逆起電反応も起こる。図２（Ｃ）は、逆起電反応についてまとめた表である。負極１の近傍で起こる逆起電反応は、励起された色素３がヨウ素分子Ｉ_２に電子を供給して、色素３の正イオンとヨウ素イオンＩ⁻とが生成される反応や、ヨウ素分子Ｉ_２が電子を受け取ってヨウ素イオンＩ⁻が生成される反応である。前者の反応は、

２Ｓ^＊＋Ｉ_２→２Ｓ^＋＋２Ｉ⁻ （５）
と表され、後者の反応は、

Ｉ_２＋２ｅ⁻→２Ｉ⁻（６）
と表される。

正極６の近傍で起こる逆起電反応は、ヨウ素イオンＩ⁻がヨウ素分子Ｉ_２になって電子を放出する反応であり、この反応は、

２Ｉ⁻→Ｉ_２＋２ｅ⁻（７）
と表される。

実施例の光電池において、シクロデキストリン５がヨウ素分子Ｉ_２を捕捉することにより、正極６の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が高くなると考えられる。これにより、正極６の近傍で、式（３）で示される起電反応が促進されるとともに、式（７）で示される逆起電反応が抑制されるであろう。

負極１の近傍においては、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が低くなり、ヨウ素イオンＩ⁻の濃度が高くなると考えられる。これにより、負極１の近傍で、式（４）で示される起電反応が促進されるとともに、式（５）及び（６）で示される逆起電反応が抑制されるであろう。

以上説明したように、実施例の光電池は、正極６の近傍にシクロデキストリン５が固定されていることにより、起電反応を促進し、逆起電反応を抑制することができると考えられる。これにより、正極６の近傍にシクロデキストリン５が配置されていない場合に比べて、光電池からの電気エネルギの取り出し効率が向上すると考えられる。

なお、シクロデキストリン固定膜４は絶縁体であるが、図１（Ｂ）に示したように、正極６の表面の少なくとも一部の領域が露出するように、シクロデキストリン固定膜４を配置することにより、正極６と電解質８との電気的な接触が確保される。上述の実施例では、正極６の上に、シクロデキストリン固定膜４をストライプ状のパタンで配置したが、シクロデキストリン固定膜４の配置パタンは、必要に応じて変更しても構わない。

なお、上述の実施例では、シクロデキストリン固定膜４を、正極６上の所望の位置に、接着剤を用いて保持した。以下のような方法を用いれば、シクロデキストリン固定膜４を、正極６上の所望の領域に直接的に成膜することが可能であると考えられる。

正極６の表面上の、シクロデキストリン固定膜４を配置したい領域を、水酸基（ＯＨ）で修飾しておく。修飾された正極６上に、シクロデキストリン固定膜４を成膜する。シクロデキストリン固定膜４中のポリビニルアルコールは親水性であるため、正極６上の水酸基と結合するであろう。このようにして、正極６上の修飾された領域に、シクロデキストリン固定膜４を成膜できると考えられる。

上述の実施例では、正極６の近傍にヨウ素分子Ｉ_２を捕捉するために、シクロデキストリンを用いた。この他、例えば、デンプンが、シクロデキストリンと同様に、ヨウ素分子Ｉ_２に強い親和性を示し、ヨウ素イオンＩ⁻にはほとんど親和性を示さない性質を有する。また、シクロデキストリン及びデンプンの修飾物も、それぞれ、同様な性質を有する。このため、シクロデキストリンの代わりに、これらの物質を用いても、光電池からの電気エネルギの取り出し効率を向上できると考えられる。なお、これらの物質も、例えば、上述したような、ポリビニルアルコールとの混合水溶液をキャスト法で成膜する方法により、膜中に固定できるであろう。

上述の実施例では、シクロデキストリン５を、シクロデキストリン固定膜４中に固定し、シクロデキストリン固定膜４を、正極６上に配置することにより、シクロデキストリン５を、正極６の近傍に配置した。以下に説明するように、シクロデキストリンを修飾して、正極６の表面に結合させる方法も考えられる。

チオール基（ＳＨ）で修飾したシクロデキストリンを準備する。例えばプラチナは、チオール基と結合する性質を有する。この性質を利用すれば、チオール基で修飾したシクロデキストリンを、正極６の表面に結合させられるであろう。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１（Ａ）は、実施例による光電池の概略的な断面図であり、図１（Ｂ）は、正極の概略的な平面図である。図２（Ａ）は、実施例による光電池のエネルギダイヤグラムであり、図２（Ｂ）は、起電反応についてまとめた表であり、図２（Ｃ）は、逆起電反応についてまとめた表である。

符号の説明

１負極
２半導体電極層
３色素
４シクロデキストリン固定膜
５シクロデキストリン
６正極
７透明基板
８電解質
９ａ、９ｂリード線
１０負荷

Claims

第１の導電性部材と、
前記第１の導電性部材の上に形成された半導体層と、
前記半導体層に担持された色素と、
第２の導電性部材と、
前記第２の導電性部材の近傍に固定されたシクロデキストリン、デンプン及びこれらの修飾物のうちの少なくとも１つと、
前記半導体層及び前記第２の導電性部材の間に介在し、ヨウ素分子Ｉ_２及びヨウ素イオンＩ⁻を含む電解質と
を有する光電池。
シクロデキストリン、デンプン及びこれらの修飾物のうちの少なくとも１つは、前記第２の導電性部材の近傍に配置された膜に固定されている請求項１に記載の光電池。
（ａ）第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材の上に形成された半導体層と、前記半導体層に担持された色素と、第２の導電性部材と、前記半導体層及び前記第２の導電性部材の間に介在し、ヨウ素分子Ｉ_２及びヨウ素イオンＩ⁻を含む電解質とを有する光電池の、前記第２の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に高く、前記第１の導電性部材の近傍で、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度が相対的に低くなるように、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度勾配を形成する工程と、
（ｂ）前記色素に光を照射して、該色素を励起する工程と
を有する光電変換方法。
前記工程（ａ）において、前記第２の導電性部材の近傍に配置されたシクロデキストリン、デンプン及びこれらの修飾物のうちの少なくとも１つにより、ヨウ素分子Ｉ_２を捕捉して、ヨウ素分子Ｉ_２の濃度勾配を形成する請求項３に記載の光電変換方法。