JP2007305324A - 色素増感型太陽電池用電解質及び色素増感型太陽電池 - Google Patents
色素増感型太陽電池用電解質及び色素増感型太陽電池 Download PDFInfo
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Abstract
Description
電解質が上記電解質であるものである。
(1)液体をゲル化させて得られる電解質と比較して、溶媒の浸み出しなどの問題を生じない。
(2)低温での柔軟性を有するシロキサン鎖を高分子構造の一部として有するために、低温領域における電荷輸送特性の低下が少ない。
(3)シロキサン鎖は温度及び光に対して安定であるため、長期間太陽光に曝露しても、本発明の電解質は安定であり劣化しにくい。
本発明の電解質は、四級化窒素原子含有カチオンのヨウ化物(窒素系イオン性セグメントAといい、本明細書中では単にセグメントAとも記す)とシロキサン結合を含む単位(シロキサンセグメントBといい、本明細書中では単にセグメントBとも記す)とを分子骨格に含む共重合体を必須成分として含む。本共重合体は、具体的には上記化学式(1)で表される二価のヨウ化四級アンモニウム塩含有基から選択される窒素系イオン性セグメントAと、上記化学式(2)で表されるシロキサンセグメントBとを含む共重合体である。本共重合体は、さらに任意選択でA及びB以外の共重合単位を、本発明の効果を損ねない範囲で含むことができるが、実質的に窒素系イオン性セグメントA及びシロキサンセグメントBのみからなる共重合体であることが特に好ましい。
さらに、上記式(1)において、m及びnは2以上の整数を表すが、特に好ましくは3又は4を表す。
さらに、上記式(2)において、nは1以上の整数であり、2以上の整数であることが好ましい。
本発明においては、R1Iは1種を用いることも、又は2種以上の化合物を併用することもできる。
さらに必要に応じて本発明の電解質にはその他の添加剤を添加してもよい。
本発明の電解質を用いる色素増感型太陽電池の具体的構成の代表例としては、図1に示した構成(断面図)が挙げられる。図1においては、基板1上に透明電極すなわち透明導電膜2が配置され、この透明導電膜2の上に分光増感色素を吸着させた多孔性半導体層3が形成されている。この色素増感型多孔性半導体層3に相対向する位置に、間隙をおいて対向電極となる導電性基板4が配置され、さらに多孔性半導体層3と導電性基板4との間に電解質6が配置され且つ側部が封止材5によって封止されている。
多孔性半導体層は多孔性であることが好ましく、半導体としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、及び硫化カドミウムなどの公知の金属酸化物半導体材料を用いることができる。半導体は多孔性であることが好ましく、粒子状及び膜状などの種々の形態のものを用いることができる。本発明においては、透明導電膜2上に膜状の多孔質半導体層を形成することが特に好ましい。これらの半導体材料は、2種類以上を混合して用いることもできる。これらの中では、光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率の高さ、材料自体の安定性、及び材料の安全性などの点から酸化チタンが特に好ましく、多孔質の酸化チタン(チタニア)が特に好ましい。本発明に用いることのできる酸化チタン半導体の例としては、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、及びオルソチタン酸などの種々の酸化チタン、並びに含酸化チタン複合体などが挙げられ、これらから選択した1種類を用いてもよく、2種類以上を併用することもできる。
色素増感型太陽電池に用いる本発明の電解質は、上記セグメントAと上記セグメントBとを含む共重合体とヨウ素とを含む電解質と、所望により任意選択でさらにイオン性ヨウ化物及びイオン性液体からなる群から選択された化合物とを含有するものであることが好ましい。本電解質を含む層を上記多孔質半導体層上に形成させる方法としては、上記式(3)で表される三級アミンセグメントCの1種以上と上記セグメントBとを含む共重合体と、上記式(4)で表されるヨウ化炭化水素系化合物(R1I)及びヨウ素(I2)とを含み、さらに任意選択でイオン性ヨウ化物及びイオン性液体からなる群から選択された化合物とを含んでもよい混合物を、上述した色素を吸着させた多孔質半導体層3に塗布などによって適用し、浸透させた後に加熱処理する方法が好ましい。この場合、前記混合物を、アセトニトリルなどの揮発性極性溶剤に溶解し、得られる溶液を、色素を吸着させた多孔質半導体層3上にキャスト法などの公知の方法でコーティングし、さらに溶剤を除去して、多孔質半導体層上で電解質6の層を形成させることができる。このとき、ヨウ素は溶剤除去後に電解質層に添加することができる。溶剤の除去は、減圧及び/又は加熱することによって迅速に行うことができる。この方法を用いることにより、電解質が多孔質半導体層に浸透し、電解質と多孔質半導体との間の良好な密着状態が得られる。
以下に本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
N,N-ジアリルメチルアミンと1,1,3,3-テトラメチルジシロキサンの等モル混合物を、白金触媒を溶かしたトルエンに80℃でゆっくり滴下し、トルエンのリフラックス温度で反応を行った。上記混合物の滴下終了後、さらに1時間、80℃で加熱した。その後、室温まで冷却し、反応液を活性炭で処理して白金を除去した。得られた溶液からトルエンならびに揮発性成分を100℃、真空下で除去し、三級アミンセグメントCとシロキサンセグメントBとを含む共重合体を得た。1H-NMR:/d6-ベンゼン溶液: 化学シフトppm (ピーク形状, ピークの相対強度); 0.064(s, 3.51), 0.53(t, 1.00), 1.49(m, 1.03), 2.07(s, 0.66), 2.27(t, 1.06)。
上記参考例1で得た共重合体と、この共重合体のアミン基に対して1.7モル等量のヨウ化ヘキシルとを30℃で10時間反応させ四級アンモニウム塩含有セグメント(すなわち、窒素系イオン性セグメントA)とシロキサンセグメントBとを含むイオン性共重合体を得た。このイオン性高分子を沈殿法によって精製した。
ヨウ化ヘキシルの代わりにヨウ化エチルを用いたほかは、上記実施例1と同様の方法にしたがって四級アンモニウム塩含有セグメント(すなわち、窒素系イオン性セグメントA)とシロキサンセグメントBとを含む共重合体を合成した。この共重合体を用いて上記実施例同様の方法に従って色素増感型太陽電池を作製し、疑似太陽光下で評価試験を行った。この太陽電池の発電効率は、12.5 mW/cm2の擬似太陽光で0.2%であった。
Claims (4)
- 窒素系イオン性セグメントAとシロキサンセグメントBとを含む共重合体と、ヨウ素とを含む色素増感型太陽電池用電解質であって、前記セグメントAが下記式(1)で表される四級化窒素原子含有カチオンのヨウ化物からなり、前記セグメントBが下記式(2)で表されるケイ素原子2個以上を含むポリシロキサン構造を有する、色素増感型太陽電池用電解質。
- イオン性ヨウ化物及びイオン性液体からなる群から選択され、全電解質重量に対して50重量%以下の量である化合物と、請求項1記載の色素増感型太陽電池用電解質とを含む、色素増感型太陽電池用電解質。
- 少なくとも1の表面に透明導電膜を備えた透明基板と、前記透明導電膜に相対向する位置に配置された導電性基板とを有し、前記透明導電膜と前記導電性基板との間に、色素を吸着した多孔性半導体層と、電解質とを備えた色素増感型太陽電池であって、
前記電解質が、請求項1又は2に記載の電解質である色素増感型太陽電池。 - 下記式(3)で表される三級アミンセグメントCと下記式(2)で表されるシロキサンセグメントBとを含む共重合体と、下記式(4)で表されるヨウ化炭化水素系化合物及びヨウ素(I2)を含む混合物を、色素を吸着させた多孔質半導体層に塗布した後に浸透させる、色素増感型太陽電池用電解質層の形成方法。
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