JP2008053042A - Pigment sensitized solar cell - Google Patents

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Tatsuo Mori
竜雄 森
Masaki Murayama
正樹 村山
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Nagoya University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell capable of converting incident light into electric energy by efficiently absorbing (utilizing) it. <P>SOLUTION: The dye-sensitized solar cell 1 has a first anode 10 having a first sensitizing dye 24 and a second anode 30 having a second sensitizing dye 44 different from the first sensitizing dye arranged separated in front and rear direction. A cathode 50 (typically mesh electrode) is arranged between both anodes 10, 30. By these electrodes 10, 30, 50, a solar cell 1 in which two sub cells 6, 7 connected electrically in parallel are superposed in front and rear is formed. Thereby, light L2 which has transmitted through the first anode 10 is introduced efficiently into the second anode 30 and furthermore, energy can be taken out from the light L2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は色素増感太陽電池に関し、詳しくは、複数の増感色素を効果的に利用して入射光を効率よく吸収することのできる色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly to a dye-sensitized solar cell that can efficiently absorb incident light by effectively using a plurality of sensitizing dyes.

グレッツェル・セル型(湿式)の色素増感太陽電池(以下、単に「色素増感太陽電池」ということもある。)は、他の太陽電池(例えばシリコン系太陽電池)に比べて原材料の資源的制約が少ない、製造コストを低減し得る、理論変換効率ではシリコン系太陽電池を上回る、等の特長を有する。しかし、現実に得られる色素増感太陽電池の変換効率は単結晶シリコン系太陽電池等に比べて低く、さらなる高効率化が要望されている。色素増感太陽電池に関する従来技術文献として特許文献1〜3が挙げられる。   Gretzel cell type (wet) dye-sensitized solar cells (hereinafter sometimes simply referred to as “dye-sensitized solar cells”) are more resource-intensive than other solar cells (for example, silicon-based solar cells). It has features such as few restrictions, reduction in manufacturing cost, and theoretical conversion efficiency exceeding silicon-based solar cells. However, the conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell actually obtained is lower than that of a single crystal silicon solar cell or the like, and further higher efficiency is demanded. Patent Documents 1 to 3 can be cited as prior art documents relating to dye-sensitized solar cells.

特開平1−220380号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380 特開2006−024574号公報JP 2006-024574 A 特開2006−066215号公報JP 2006-066215

図5を参照しつつ、従来の典型的な色素増感太陽電池の構成および作動を説明する。図5に示す色素増感太陽電池100は、大まかにいって、アノード110およびカソード150と、それらの間に充填された電解質160とから構成されている。アノード110は、ガラス基板112と、該ガラス基板の内側(カソード150に対向する側)表面に形成された透明導電層114とを備え、さらに該導電層上に形成された色素層120を備える。この色素層120は、ナノサイズの酸化チタン粒子を用いて形成された多孔質膜122に、ルテニウム錯体等の増感色素124が保持された構成を有する。カソード150は、ガラス基板152と、その内側(アノード110に対向する側)に順に形成された導電層154および白金膜156とを備える。アノード110とカソード150とは、負荷172を含む導電経路170によって電気的に接続されている。かかる構成の太陽電池100にアノード110側から光を照射すると、その入射光によって増感色素124が励起され、該色素から多孔質膜122を構成する酸化チタン(n型半導体)の伝導体に電子(e-)が注入される。その電子は、アノード110から導電経路(外部回路)170を経由してカソード150に至る。酸化チタンに電子を供与して酸化状態にある増感色素124は、電解質160に含まれるイオンから電子を受け取って中性状態に戻る。これにより上記イオンは電子を失って酸化状態となるが、カソード150から電子を受け取ることで元の酸化数に戻る。このようなサイクルが繰り返されることによって光エネルギーが電気エネルギー(電流)に変換される。 The configuration and operation of a typical conventional dye-sensitized solar cell will be described with reference to FIG. The dye-sensitized solar cell 100 shown in FIG. 5 is roughly composed of an anode 110 and a cathode 150, and an electrolyte 160 filled therebetween. The anode 110 includes a glass substrate 112, a transparent conductive layer 114 formed on the inner surface (side facing the cathode 150) of the glass substrate, and further includes a dye layer 120 formed on the conductive layer. The dye layer 120 has a configuration in which a sensitizing dye 124 such as a ruthenium complex is held on a porous film 122 formed using nano-sized titanium oxide particles. The cathode 150 includes a glass substrate 152, and a conductive layer 154 and a platinum film 156 formed in order on the inner side (side facing the anode 110). The anode 110 and the cathode 150 are electrically connected by a conductive path 170 including a load 172. When the solar cell 100 having such a configuration is irradiated with light from the anode 110 side, the sensitizing dye 124 is excited by the incident light, and electrons are transferred from the dye to the titanium oxide (n-type semiconductor) conductor constituting the porous film 122. (E ) is injected. The electrons reach the cathode 150 from the anode 110 via the conductive path (external circuit) 170. The sensitizing dye 124 in an oxidized state by donating electrons to titanium oxide receives electrons from ions contained in the electrolyte 160 and returns to the neutral state. As a result, the ions lose electrons and enter an oxidized state, but return to the original oxidation number by receiving electrons from the cathode 150. By repeating such a cycle, light energy is converted into electric energy (current).

上記増感色素は各々特有の吸光特性(吸光スペクトル)を有し、当該吸光特性において吸光係数の高い波長の光はよく吸収する一方、吸光係数の低い波長の光はあまり吸収されない(利用効率が低い)。そこで、吸光特性の異なる複数の増感色素を用いれば、より広い波長域の光を吸収(利用)可能な色素増感太陽電池が構築され得るものと考えられる。しかし、従来の構成の太陽電池100において(図5参照)、増感色素124として単に複数の色素の混合物を多孔質酸化チタン層122に保持させることによっては、該電池の効率は必ずしも向上しない。これは、複数の色素が混在する状態では該色素間でエネルギー移動が生じるためと推察される。   Each of the above sensitizing dyes has a specific light absorption characteristic (absorption spectrum), and in the light absorption characteristic, light having a wavelength with a high extinction coefficient is well absorbed, whereas light having a wavelength with a low extinction coefficient is not so absorbed (use efficiency is low). Low). Therefore, it is considered that a dye-sensitized solar cell capable of absorbing (utilizing) light in a wider wavelength range can be constructed by using a plurality of sensitizing dyes having different light absorption characteristics. However, in the solar cell 100 having a conventional configuration (see FIG. 5), simply holding a mixture of a plurality of dyes in the porous titanium oxide layer 122 as the sensitizing dye 124 does not necessarily improve the efficiency of the battery. This is presumably because energy transfer occurs between the dyes in a state where a plurality of dyes are mixed.

また、太陽光のように幅広い波長域を有する光を従来の構成の太陽電池100(図5参照)に照射すると、該電池のアノード110に具備される増感色素124が高い吸光係数を示す波長の光はよく吸収され、該増感色素124を励起してカソード150へと電子を送り出す(電気エネルギーを取り出す)ことができるが、当該増感色素124が低い吸光係数を示す波長の光は十分に吸収されることなく色素層120を透過してしまう。かかる透過光からさらに電気エネルギーを取り出すことができれば、より高い性能(短絡電流密度、変換効率等)が実現され得るものと考えられる。   In addition, when the solar cell 100 (see FIG. 5) having a conventional structure is irradiated with light having a wide wavelength range such as sunlight, the wavelength at which the sensitizing dye 124 included in the anode 110 of the battery exhibits a high extinction coefficient. Is absorbed well, and the sensitizing dye 124 can be excited to send electrons to the cathode 150 (electrical energy is taken out). However, the sensitizing dye 124 has a wavelength with a low extinction coefficient. The dye layer 120 is transmitted without being absorbed by the light. If electric energy can be further extracted from such transmitted light, it is considered that higher performance (short-circuit current density, conversion efficiency, etc.) can be realized.

ところが、従来の太陽電池100におけるアノード110の構成を、増感色素124を有する色素層120の上に異種の増感色素を有する色素層を単純に積層した構成に変更すると、それら積層された色素層(積層体)全体の厚さが大きくなりすぎる場合がある。このため電子の再結合による消失が起こりやすくなり、十分な性能向上が実現されないか、あるいはむしろ性能が低下してしまう。かかる事象を回避するために上記積層体全体の厚さを従来の色素層120と同程度の厚さに制限すると、該積層体を構成する個々の色素層の厚さが小さくなってしまうため入射光を十分に利用(吸収)することができない。   However, when the configuration of the anode 110 in the conventional solar cell 100 is changed to a configuration in which a dye layer having a different sensitizing dye is simply laminated on the dye layer 120 having the sensitizing dye 124, the laminated dyes are stacked. The thickness of the entire layer (laminate) may be too large. For this reason, disappearance due to recombination of electrons easily occurs, and sufficient performance improvement is not realized, or rather the performance deteriorates. In order to avoid such an event, if the thickness of the entire laminate is limited to the same level as that of the conventional dye layer 120, the thickness of the individual dye layers constituting the laminate is reduced. The light cannot be fully utilized (absorbed).

そこで本発明は、複数の増感色素を効果的に用いることにより、入射光をより効率よく吸収(利用)して電気エネルギーに変換することが可能な色素増感太陽電池を提供することを一つの目的とする。   Therefore, the present invention provides a dye-sensitized solar cell that can absorb (utilize) incident light more efficiently and convert it into electric energy by effectively using a plurality of sensitizing dyes. One purpose.

本発明者は、光の入射方向に対して前後に離隔して配置された複数のアノードを備え、互いに異なる増感色素を有する色素層をそれら複数のアノードに分けて配置した構成の色素増感型太陽電池によれば、各色素層に保持された増感色素を効果的に利用して入射光を効率よく吸収可能となることを見出して本発明を完成した。   The present inventor has a plurality of anodes arranged to be separated in the front-rear direction with respect to the incident direction of light, and a dye sensitization having a configuration in which a dye layer having different sensitizing dyes is divided into these anodes. According to the solar cell, the present invention was completed by finding that incident light can be efficiently absorbed by effectively using the sensitizing dye held in each dye layer.

すなわち、本発明に係る一つの色素増感太陽電池は、グレッツェル・セル型(湿式)の色素増感太陽電池であって、第一増感色素が保持された第一色素層を備えた第一アノードを含む。該第一アノードは透光性を示すもの(透光性アノード)であり得る。上記太陽電池は、また、第二増感色素が保持された第二色素層を備えた第二アノードを含む。上記第二増感色素は、典型的には、前記第一増感色素とは異なる色素である。この第二アノードは、光の入射方向に対して前記第一アノードよりも後側に配置されている。また、該第二アノードは、前記光の入射方向からみて前記第一色素層と前記第二色素層とが概ね重なり合うように配置されている。上記太陽電池は、また、前記光の入射方向からみて前記第一アノードと前記第二アノードとの間に配置されたカソードを含む。該カソードは透光性を示すもの(透光性カソード)であり得る。該カソードは、前記第一アノードおよび前記第二アノードと電気的に接続されている。上記太陽電池は、さらに、前記第一アノード、前記第二アノードおよび前記カソードの間に充填された電解質を含む。   That is, one dye-sensitized solar cell according to the present invention is a Gretzel cell type (wet) dye-sensitized solar cell, and includes a first dye layer that holds a first sensitizing dye. Including the anode. The first anode may be one that exhibits translucency (translucent anode). The solar cell also includes a second anode that includes a second dye layer that retains a second sensitizing dye. The second sensitizing dye is typically a dye different from the first sensitizing dye. The second anode is disposed behind the first anode with respect to the light incident direction. The second anode is disposed so that the first dye layer and the second dye layer substantially overlap each other when viewed from the incident direction of the light. The solar cell also includes a cathode disposed between the first anode and the second anode as viewed from the light incident direction. The cathode may be one that exhibits translucency (a translucent cathode). The cathode is electrically connected to the first anode and the second anode. The solar cell further includes an electrolyte filled between the first anode, the second anode, and the cathode.

かかる構成の太陽電池では、上記第一アノードおよび上記第二のアノードの各々と前記カソードとの間に、光の入射方向に対して前後に積み重なり且つ互いに電気的に並列に接続された二つのサブセル(すなわち、上記第一アノードと上記カソードとを備え光の入射方向に対して前側に位置する第一サブセル、および、上記第二アノードと上記カソードとを備え光の入射方向に対して上記第一サブセルの後側に位置する第二サブセル)が構成されている。典型的には、上記カソードは上記二つのサブセルに共有されている。このように二つのサブセルが積み重なった(タンデムに配置された)構成とすることにより、第一色素層を透過した光(第一色素層で吸収されなかった光)を第二色素層へと効率よく導入し、該第二色素層において効率よく吸収することができる。すなわち、第一増感色素を有する第一色素層を透過した光を利用して第二増感色素を励起することにより、該透過光からさらにエネルギーを取り出すことができる。上記第二色素層は、上記第一色素層上に直接積層されるのではなく、上記第一色素層を有する第一アノードとは前後に間を隔てて配置された第二アノード上に形成されている。このため、各色素層に保持された増感色素を効率よく利用して、該色素の吸光特性に応じた波長域の光をより適切に吸収することができる。したがって、ここに開示される太陽電池によると、上記第二アノードを有しない構成の太陽電池に比べて、より良好なエネルギー変換効率が実現され得る。   In the solar cell having such a configuration, two subcells stacked in the front-rear direction with respect to the light incident direction and electrically connected in parallel to each other between each of the first anode and the second anode and the cathode. (That is, the first subcell including the first anode and the cathode and positioned in front of the light incident direction, and the first subcell including the second anode and the cathode and the first subcell with respect to the light incident direction. A second subcell located on the rear side of the subcell) is configured. Typically, the cathode is shared by the two subcells. By making the two subcells stacked in this way (arranged in tandem), the light transmitted through the first dye layer (light not absorbed by the first dye layer) is efficiently transferred to the second dye layer. It can be introduced well and absorbed efficiently in the second dye layer. That is, energy can be further extracted from the transmitted light by exciting the second sensitizing dye using light transmitted through the first dye layer having the first sensitizing dye. The second dye layer is not directly laminated on the first dye layer, but is formed on the second anode arranged at a distance from the first anode having the first dye layer. ing. For this reason, the sensitizing dye currently hold | maintained at each pigment | dye layer can be utilized efficiently, and the light of the wavelength range according to the light absorption characteristic of this pigment | dye can be absorbed more appropriately. Therefore, according to the solar cell disclosed here, better energy conversion efficiency can be realized as compared with the solar cell having no configuration of the second anode.

上記第一増感色素および上記第二増感色素は、色素増感太陽電池のアノードに用いられ得る増感色素として知られている種々の色素から任意に選択される二種類の色素であり得る。ここに開示される太陽電池の好ましい一つの態様では、前記第一増感色素および前記第二増感色素のうち一方がN3ダイであり、他の一方がブラックダイである。このN3ダイとブラックダイとの組み合わせは、互いの吸光特性(吸光スペクトル)を補い合うことで、より広い波長域の光を効率よく吸収することのできる増感色素の組み合わせの一例である。例えば、前記第一増感色素としてN3ダイを、前記第二増感色素としてブラックダイを好ましく採用することができる。 The first sensitizing dye and the second sensitizing dye may be two kinds of dyes arbitrarily selected from various dyes known as sensitizing dyes that can be used in the anode of a dye-sensitized solar cell. . In one preferred embodiment of the solar cell disclosed herein, one of the first sensitizing dye and the second sensitizing dye is an N 3 die and the other is a black die. This combination of the N 3 die and the black die is an example of a combination of sensitizing dyes that can efficiently absorb light in a wider wavelength range by complementing each other's light absorption characteristics (absorption spectrum). For example, an N 3 die can be preferably used as the first sensitizing dye, and a black die can be used as the second sensitizing dye.

ここに開示される太陽電池の好ましい一つの態様では、前記第一色素層および前記第二色素層の厚さがいずれも凡そ20μm以下(典型的には凡そ3μm〜20μm)である。上述したように、色素層の厚さを過剰に大きくすると、電子の再結合の寄与等によって出力特性(例えば短絡電流密度Jsc)が低下し得る。個々の色素層を上記厚さとすることにより、各色素層に保持された増感色素から生じた電子を効率よく利用する(例えば、外部回路に取り出す)ことができる。前記第一色素層と前記第二色素層との合計厚さは、例えば凡そ10〜40μmの範囲とすることが好ましい。該合計厚さが小さすぎると十分な変換効率が得られにくくなることがある。一方、該合計厚さが大きすぎると、少なくとも一方の色素層の厚さが大きくなりすぎるため、電子の再結合の寄与等によって出力特性(例えば短絡電流密度Jsc)が低下し得る。 In a preferred embodiment of the solar cell disclosed herein, the thickness of each of the first dye layer and the second dye layer is approximately 20 μm or less (typically approximately 3 μm to 20 μm). As described above, when the thickness of the dye layer is excessively increased, the output characteristics (for example, the short-circuit current density J sc ) may be reduced due to the contribution of electron recombination. By setting each individual dye layer to the above thickness, electrons generated from the sensitizing dye retained in each dye layer can be efficiently used (for example, taken out to an external circuit). The total thickness of the first dye layer and the second dye layer is preferably in the range of about 10 to 40 μm, for example. If the total thickness is too small, it may be difficult to obtain sufficient conversion efficiency. On the other hand, if the total thickness is too large, the thickness of at least one of the dye layers becomes too large, and the output characteristics (for example, the short-circuit current density J sc ) can be reduced due to the contribution of electron recombination.

前記カソードとしては、透光性を確保するとともに電解質との接触効率を高めるという観点から、導電性を有する網状部材を好ましく用いることができる。例えば、導電性金属(プラチナ等)製のメッシュ、導電性繊維(プラチナ線、カーボンファイバー等)からなる織布または不織布の使用が好ましい。   As the cathode, a conductive mesh member can be preferably used from the viewpoint of ensuring translucency and increasing the contact efficiency with the electrolyte. For example, it is preferable to use a mesh made of a conductive metal (such as platinum) or a woven or non-woven fabric made of conductive fibers (such as platinum wire or carbon fiber).

ここに開示される太陽電池の好ましい一つの態様では、前記第二アノードが、前記光の入射方向に対して後側(背面側)に、光反射用の金属膜(金属反射膜)を備える。該第二アノードのうち、少なくとも該金属膜よりも前記入射方向側(前側すなわち入射側)の部分は透光性を有することが好ましい。かかる構成によると、いったん第二色素層を通り抜けた(吸収されなかった)光を該金属膜で反射させて再び第二色素層に進入させることにより、該光が第二増感色素を励起する(吸収される)機会を増すことができる。このことによって、入射光をより効率よく吸収し、電気エネルギーに変換することができる。   In a preferred aspect of the solar cell disclosed herein, the second anode includes a light reflecting metal film (metal reflecting film) on the rear side (back side) with respect to the light incident direction. Of the second anode, it is preferable that at least a portion on the incident direction side (front side or incident side) of the metal film has translucency. According to such a configuration, light that has once passed through the second dye layer (not absorbed) is reflected by the metal film and enters the second dye layer again, whereby the light excites the second sensitizing dye. Increase the chances (absorbed). This makes it possible to absorb incident light more efficiently and convert it into electrical energy.

ここに開示される太陽電池の他の一つの好ましい態様では、前記第一色素層が、平均粒径10〜40nm程度の酸化チタン粒子を焼成して成る多孔質層に前記第一増感色素を保持させたものである。また、前記第二色素層が、平均粒径100〜1000nm程度の酸化チタン粒子を焼成して成る多孔質層に前記第二増感色素を保持させたものである。かかる構成によると、第一色素層については、平均粒径10〜40nm程度の酸化チタン粒子を用いることにより、透明性が高く、且つ入射光の散乱(反射成分、すなわちセル外に出て行ってしまう光の増加を招く。)が少ない多孔質層が形成され得る。一方、第二色素層については、平均粒径100〜1000nm程度の(相対的に大きな)酸化チタン粒子を用いて光の散乱を起こさせることにより、短絡電流密度の向上(ひいては変換効率の向上)を図ることができる。したがって、第一色素層および第二色素層にそれぞれ上記平均粒径の酸化チタン粒子を用いることにより、入射光をより効率よく吸収(利用)して電気エネルギーに変換することができる。   In another preferred embodiment of the solar cell disclosed herein, the first sensitizing dye is applied to a porous layer in which the first dye layer is obtained by firing titanium oxide particles having an average particle diameter of about 10 to 40 nm. It is held. In addition, the second dye layer holds the second sensitizing dye in a porous layer formed by firing titanium oxide particles having an average particle size of about 100 to 1000 nm. According to such a configuration, the first dye layer has high transparency by using titanium oxide particles having an average particle size of about 10 to 40 nm, and scattering of incident light (reflecting component, that is, going out of the cell) In other words, a porous layer can be formed. On the other hand, with respect to the second dye layer, light scattering is caused by using (relatively large) titanium oxide particles having an average particle size of about 100 to 1000 nm, thereby improving the short circuit current density (and thus improving the conversion efficiency). Can be achieved. Therefore, by using titanium oxide particles having the above average particle diameter in the first dye layer and the second dye layer, incident light can be absorbed (utilized) more efficiently and converted into electric energy.

前記第一色素層は、平均粒径が凡そ15〜25nmの酸化チタン粒子を焼成して成る比表面積凡そ60〜80m2/gの多孔質層に第一増感色素を保持させたものであり得る。かかる多孔質層に、該多孔質層の面積1cm2当たり凡そ5×10-8mol以上(典型的には、凡そ5×10-8mol/cm2〜凡そ30×10-8mol/cm2)の第一増感色素が保持されたものであり得る。このような構成の第一色素層は、第一色素層の有する第一増感色素によって入射光を吸収する性能と、該第一色素層において吸収されなかった光を透過させる(第二色素層に導入する)性能とのバランスに優れるので好ましい。 The first dye layer is obtained by holding a first sensitizing dye in a porous layer having a specific surface area of approximately 60 to 80 m 2 / g obtained by firing titanium oxide particles having an average particle diameter of approximately 15 to 25 nm. obtain. In such a porous layer, about 5 × 10 −8 mol or more per 1 cm 2 area of the porous layer (typically about 5 × 10 −8 mol / cm 2 to about 30 × 10 −8 mol / cm 2). ) Of the first sensitizing dye may be retained. The first dye layer having such a configuration transmits incident light by the first sensitizing dye of the first dye layer and transmits light that has not been absorbed by the first dye layer (second dye layer). It is preferable because of its excellent balance with performance.

ここに開示される他の一つの色素増感太陽電池は、グレッツェル・セル型の色素増感太陽電池であって、増感色素が保持された色素層を有する複数のアノードを含む。典型的には、該複数のアノードの各色素層に保持された前記増感色素は互いに異なる。上記太陽電池は、また、前記複数のアノードと電気的に接続されたカソードを含む。さらに、前記複数のアノードおよび前記カソードの間に充填された電解質を含む。ここで、前記複数のアノードは、光の入射方向に対して前後に間を隔てて配置されている。また、それら複数のアノードは、上記入射方向からみて各アノードの有する前記色素層が重なり合うように配置されている。そして、前記複数のアノードおよび前記カソードのうち、少なくとも前記光の入射方向に対して最も後側に配置されるアノードよりも入射側(前側)に配置されるアノードおよびカソードはいずれも透光性を有する。   Another dye-sensitized solar cell disclosed herein is a Gretzel cell type dye-sensitized solar cell, and includes a plurality of anodes having a dye layer in which a sensitizing dye is held. Typically, the sensitizing dyes held in each dye layer of the plurality of anodes are different from each other. The solar cell also includes a cathode that is electrically connected to the plurality of anodes. Furthermore, an electrolyte filled between the plurality of anodes and the cathode is included. Here, the plurality of anodes are disposed at a distance from each other in the light incident direction. The plurality of anodes are arranged so that the dye layers of the anodes overlap each other when viewed from the incident direction. Of the plurality of anodes and the cathodes, at least the anode and the cathode disposed on the incident side (front side) than the anode disposed on the rearmost side with respect to the light incident direction are both translucent. Have.

かかる構成の太陽電池では、前記複数のアノードの各々と前記カソードとの間に、光の入射方向に対して前後に積み重なり且つ互いに電気的に並列に接続された複数のサブセルが形成されている。上記複数のサブセルは、上記カソードを共有するものであり得る。このように複数のサブセルが積み重なった(タンデムに配置された)構成とすることにより、上記複数のアノードのうち相対的に前側(入射側)に配置されたアノードの色素層を透過した光(該色素層で吸収されなかった光)を、より後側に配置された他のアノードの色素層に効率よく導入して、該色素層において吸収することができる。すなわち、前側アノードの色素層を透過した光を利用して後側アノードの有する増感色素を励起することにより、該透過光からさらにエネルギーを取り出すことができる。上記太陽電池の構成では、互いに異なる増感色素を保持する複数の色素層が、直接積層されるのではなく、前後に間を隔てて配置された複数のアノードの各々に設けられている。このため、各色素層に保持された増感色素を効率よく利用して、該色素の吸光特性に応じた波長域の光をより適切に吸収することができる。したがって、ここに開示される太陽電池によると、上記後側アノードを有しない構成の太陽電池に比べて、より良好なエネルギー変換効率が実現され得る。   In the solar cell having such a configuration, a plurality of subcells are formed between each of the plurality of anodes and the cathode so as to be stacked back and forth in the light incident direction and electrically connected in parallel to each other. The plurality of subcells may share the cathode. In this way, by adopting a configuration in which a plurality of subcells are stacked (arranged in tandem), light transmitted through the dye layer of the anode disposed on the relatively front side (incident side) among the plurality of anodes (the The light that has not been absorbed by the dye layer can be efficiently introduced into the dye layer of another anode arranged on the rear side and absorbed by the dye layer. That is, energy can be further extracted from the transmitted light by exciting the sensitizing dye of the rear anode using light transmitted through the dye layer of the front anode. In the configuration of the solar cell, a plurality of dye layers holding different sensitizing dyes are not directly laminated, but are provided on each of a plurality of anodes arranged at intervals in the front and rear. For this reason, the sensitizing dye currently hold | maintained at each pigment | dye layer can be utilized efficiently, and the light of the wavelength range according to the light absorption characteristic of this pigment | dye can be absorbed more appropriately. Therefore, according to the solar cell disclosed herein, better energy conversion efficiency can be realized as compared with the solar cell having no configuration of the rear anode.

好ましい一つの態様では、前記色素層の厚さがいずれも凡そ20μm以下(典型的には凡そ3μm〜20μm)である。これにより、各色素層に保持された増感色素から生じた電子を効率よく利用することができる。他の好ましい一つの態様では、前記複数のアノードが有する色素層の合計厚さが凡そ10μm以上(例えば凡そ10μm〜100μm)である。上記合計厚さが厚すぎると、得られるエネルギーの割に原材料費および製造コストが嵩むこととなり得る。
さらに他の一つの好ましい態様では、前記カソードは透光性を有し、前記光の入射方向からみて該カソードの前側および後側にはそれぞれ少なくとも一つの前記アノードが配置されている。前記複数のアノードのうち光の入射方向からみて最も後側に位置するアノードは、前記光の入射方向に対して後側(背面側)に光反射用の金属膜を備えることができる。該アノードのうち、少なくとも該金属膜よりも前記入射方向側(前側)の部分は透光性を有することが好ましい。
この明細書により開示される発明には、さらに以下のものが含まれる。
In one preferred embodiment, the thickness of each of the dye layers is about 20 μm or less (typically about 3 μm to 20 μm). Thereby, the electrons generated from the sensitizing dye held in each dye layer can be efficiently used. In another preferred embodiment, the total thickness of the dye layers of the plurality of anodes is about 10 μm or more (for example, about 10 μm to 100 μm). If the total thickness is too thick, raw material costs and manufacturing costs may increase for the energy obtained.
In still another preferred embodiment, the cathode has translucency, and at least one of the anodes is disposed on the front side and the rear side of the cathode as viewed from the incident direction of the light. Of the plurality of anodes, the anode located on the rearmost side in the light incident direction may include a metal film for light reflection on the rear side (back side) with respect to the light incident direction. Of the anode, it is preferable that at least a portion on the incident direction side (front side) of the metal film has translucency.
The invention disclosed in this specification further includes the following.

(1)グレッツェル・セル型の色素増感太陽電池素子(セル)であって:
増感色素が保持された色素層を有する複数のアノード、ここで該複数のアノードの各色素層に保持された前記増感色素は互いに異なる;
カソード;および、
前記複数のアノードおよび前記カソードの間に充填された電解質;
を含み、
前記複数のアノードは、光の入射方向に対して前後に間を隔てて、且つ該入射方向からみて各アノードの有する前記色素層が重なり合うように配置されており、
前記複数のアノードおよび前記カソードのうち、少なくとも前記入射方向に対して最も後側に配置されるアノードよりも入射側に配置されるアノードまたはカソードはいずれも透光性を有する、色素増感太陽電池素子。
該太陽電池素子は、典型的には、前記複数のアノードと前記カソードとが電気的に接続されることで、該複数のアノードの各々と前記カソードとの間に、光の入射方向に対して前後に積み重なり(タンデムに配置され)且つ互いに電気的に並列に接続された複数のサブセルを構成することができる。前記複数のサブセルは、前記カソードを共有するものであり得る。ここに開示される太陽電子素子は、前記複数のアノードとカソードとがこのように接続された状態で好ましく使用され得る。
(1) Gretzel cell type dye-sensitized solar cell element (cell):
A plurality of anodes having a dye layer holding a sensitizing dye, wherein the sensitizing dyes held in each dye layer of the plurality of anodes are different from each other;
A cathode; and
An electrolyte filled between the plurality of anodes and the cathode;
Including
The plurality of anodes are arranged such that the dye layers of the anodes overlap with each other at a distance from the front and back with respect to the incident direction of light, as viewed from the incident direction.
Among the plurality of anodes and the cathodes, at least the anode or the cathode disposed on the incident side with respect to the anode disposed on the rearmost side with respect to the incident direction has a light-transmitting property. element.
Typically, the solar cell element is configured such that the plurality of anodes and the cathode are electrically connected to each other, so that light is incident between each of the plurality of anodes and the cathode. A plurality of subcells stacked in front and back (arranged in tandem) and electrically connected to each other can be configured. The plurality of subcells may share the cathode. The solar electronic device disclosed herein can be preferably used in a state where the plurality of anodes and cathodes are connected in this manner.

(2)前記カソードは透光性を有し、前記光の入射方向からみて該カソードの前側および後側にはそれぞれ少なくとも一つの前記アノードが配置されている、上記(1)に記載の太陽電池素子。
(3)前記複数のアノードのうち光の入射方向からみて最も後側に位置するアノードは前記光の入射方向に対して後側に光反射用の金属膜を備え、該アノードのうち少なくとも該金属膜よりも前記入射方向側の部分は透光性を有する、上記(1)または(2)に記載の太陽電池素子。
(2) The solar cell according to (1), wherein the cathode has translucency, and at least one of the anodes is disposed on the front side and the rear side of the cathode as viewed from the incident direction of the light. element.
(3) Of the plurality of anodes, an anode located on the rearmost side in the light incident direction includes a light reflecting metal film on the rear side with respect to the light incident direction, and at least the metal among the anodes The solar cell element according to (1) or (2), wherein a portion closer to the incident direction than the film has translucency.

(4)グレッツェル・セル型の色素増感太陽電池素子(セル)であって:
第一増感色素が保持された第一色素層を備えた透光性の第一アノード;
前記第一増感色素とは異なる第二増感色素が保持された第二色素層を備え、光の入射方向に対して前記第一アノードよりも後側に、且つ該入射方向からみて前記第一色素層と前記第二色素層とが重なり合うように配置された第二アノード;
前記光の入射方向からみて前記第一アノードと前記第二アノードとの間に配置された透光性のカソード;および、
前記第一アノード、前記第二アノードおよび前記カソードの間に充填された電解質;
を含む、色素増感太陽電池素子。
該太陽電池素子は、典型的には、前記第一アノードおよび前記第二のアノードと前記カソードとが電気的に接続されることで、それら二つのアノードの各々と前記カソードとの間に、光の入射方向に対して前後に積み重なり(タンデムに配置され)且つ互いに電気的に並列に接続された二つのサブセル(すなわち、前記第一アノードと前記カソードとを備え光の入射方向に対して前側に位置する第一サブセル、および、前記第二アノードと前記カソードとを備え光の入射方向に対して前記第一サブセルの後側に位置する第二サブセル)を構成することができる。前記二つのサブセルは、前記カソードを共有するものであり得る。ここに開示される太陽電子素子は、前記第一アノードおよび前記第二アノードと前記カソードとがこのように接続された状態で好ましく使用され得る。
(4) A Gretzel cell type dye-sensitized solar cell element (cell):
A translucent first anode comprising a first dye layer carrying a first sensitizing dye;
A second dye layer on which a second sensitizing dye different from the first sensitizing dye is held, the second dye layer being behind the first anode with respect to the light incident direction and the first sensitizing dye as viewed from the incident direction; A second anode arranged such that one dye layer and the second dye layer overlap;
A translucent cathode disposed between the first anode and the second anode as viewed from the direction of incidence of the light; and
An electrolyte filled between the first anode, the second anode and the cathode;
A dye-sensitized solar cell element comprising:
Typically, the solar cell element is configured such that the first anode, the second anode, and the cathode are electrically connected to each other, so that a light is interposed between each of the two anodes and the cathode. Two subcells stacked in tandem (disposed in tandem) with respect to the incident direction of the light source and electrically connected in parallel with each other (that is, the first anode and the cathode are provided on the front side with respect to the incident direction of light) A first subcell positioned, and a second subcell that includes the second anode and the cathode and is positioned on the rear side of the first subcell with respect to the light incident direction. The two subcells may share the cathode. The solar electronic device disclosed herein can be preferably used in a state where the first anode, the second anode, and the cathode are connected in this manner.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここに開示される色素増感太陽電池の一つの典型的な構成例を図1に模式的に示す。
図1に示す色素増感太陽電池1は、大まかにいって、光の入射方向(図1では左から右へ向かう方向)に対して前側(入射側)に配置された第一アノード10と、該入射方向に対して後側(背面側)に配置された第二アノード30と、前記二つのアノード10,30の間に配置されたカソード50と、それら電極10,30,50の間に充填された電解質60とから構成されている。すなわち、前面および背面に配置された二つのアノード10,30の間に、カソード50および電解質60を挟み込んだ構成となっている。
One typical configuration example of the dye-sensitized solar cell disclosed herein is schematically shown in FIG.
The dye-sensitized solar cell 1 shown in FIG. 1 roughly includes a first anode 10 disposed on the front side (incident side) with respect to the incident direction of light (the direction from left to right in FIG. 1); The second anode 30 disposed on the rear side (back side) with respect to the incident direction, the cathode 50 disposed between the two anodes 10 and 30, and the filling between the electrodes 10, 30, and 50. And the electrolyte 60 thus formed. That is, the cathode 50 and the electrolyte 60 are sandwiched between the two anodes 10 and 30 disposed on the front and back surfaces.

第一アノード10は、透明基板12と、該基板のセル内側(光の入射方向に対して背面側)の表面に形成された透明導電層14とを備える。第一アノード10は、さらに、透明導電層14上に形成された第一色素層20を備える。この第一色素層20は、酸化物半導体(典型的にはn型半導体、例えば酸化チタン)から構成された多孔質層22と、該多孔質層に保持された第一増感色素24とを有する。
また、第二アノード30は、透明基板32と、該基板のセル内側(光の入射方向に対して前面側)の表面に形成された透明導電層34とを備える。第二アノード30は、さらに、透明導電層34上に形成された第二色素層40を備える。この第二色素層40は、酸化物半導体(典型的にはn型半導体、例えば酸化チタン)から構成された多孔質層42と、該多孔質層に保持された第二増感色素44とを有する。ここで、第一増感色素24と第二増感色素44とは互いに異なる色素である。
The first anode 10 includes a transparent substrate 12 and a transparent conductive layer 14 formed on the surface inside the cell of the substrate (on the back side with respect to the light incident direction). The first anode 10 further includes a first dye layer 20 formed on the transparent conductive layer 14. The first dye layer 20 includes a porous layer 22 made of an oxide semiconductor (typically an n-type semiconductor, for example, titanium oxide), and a first sensitizing dye 24 held in the porous layer. Have.
The second anode 30 includes a transparent substrate 32 and a transparent conductive layer 34 formed on the surface of the substrate on the cell inner side (front side with respect to the light incident direction). The second anode 30 further includes a second dye layer 40 formed on the transparent conductive layer 34. The second dye layer 40 includes a porous layer 42 made of an oxide semiconductor (typically an n-type semiconductor, for example, titanium oxide), and a second sensitizing dye 44 held in the porous layer. Have. Here, the first sensitizing dye 24 and the second sensitizing dye 44 are different from each other.

第一アノード10と第二アノード30とは、光の入射方向からみて、第一色素層20が設けられた領域と第二色素層40が設けられた領域とが重なり合うように(ただし、前後に離隔して)配置されている。例えば、第一色素層20の面積のうち凡そ70%以上(より好ましくは凡そ90%以上、典型的には略100%)が、第二色素層40の設けられた領域と重なっていることが好ましい。あるいは、第二色素層40の面積のうち凡そ70%以上(より好ましくは凡そ90%以上、典型的には略100%)が、第一色素層20の設けられた領域と重なっていることが好ましい。かかる構成とすることにより、第一色素層20を透過した光を第二色素層40へと効率よく導入することができる。なお、図1に示される色素増感太陽電池1は、第二アノード30の後側(図1に示す例では透明基板32の背面)に設けられた金属反射膜(光反射用の金属膜)36をさらに備える構成であってもよい。この金属反射膜36は、例えば、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、ロジウム(Rh)等の金属またはこれらの金属のいずれかを主成分とする合金であり得る。金属反射膜36の厚さは、例えば凡そ0.2〜20μm程度であり得る。このような金属反射膜36は、例えば、一般的な真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレート法、電解メッキ法等を適用して作製することができる。   The first anode 10 and the second anode 30 are arranged so that the region where the first dye layer 20 is provided and the region where the second dye layer 40 is provided overlap each other as viewed from the light incident direction (however, Spaced apart). For example, about 70% or more (more preferably about 90% or more, typically about 100%) of the area of the first dye layer 20 overlaps the region where the second dye layer 40 is provided. preferable. Alternatively, about 70% or more (more preferably about 90% or more, typically about 100%) of the area of the second dye layer 40 overlaps the region where the first dye layer 20 is provided. preferable. With such a configuration, the light transmitted through the first dye layer 20 can be efficiently introduced into the second dye layer 40. Note that the dye-sensitized solar cell 1 shown in FIG. 1 has a metal reflection film (a metal film for light reflection) provided on the rear side of the second anode 30 (the back surface of the transparent substrate 32 in the example shown in FIG. 1). 36 may further be provided. The metal reflecting film 36 is mainly made of a metal such as aluminum (Al), silver (Ag), iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), rhodium (Rh), or any of these metals. It can be an alloy as a component. The thickness of the metal reflection film 36 may be about 0.2 to 20 μm, for example. Such a metal reflective film 36 can be produced by applying, for example, a general vacuum deposition method, sputtering method, ion plate method, electrolytic plating method, or the like.

カソード50は、導電性金属から構成された網状(網目状)の部材であって、第一アノード10と第二アノード30との間に充填された電解質60に浸漬されている。電解質60としては、酸化還元可能なイオン(例えばI-/I3 -レドックス対)が適当な溶媒に溶解されたもの等が用いられる。
カソード50は、負荷72を含む導電経路(外部回路)70を介して、第一アノード10および第二アノード30の各々と電気的に接続されている。このことによって、第一アノード10とカソード50の間に第一サブセル6が形成され、第二アノード30とカソード50の間に第二サブセル7が形成されている。第一サブセル6と第二サブセル7とは、光の入射方向に対して前後に積み重なって(タンデムに)配置されている。第一サブセル6と第二サブセル7とはカソード50を共有している。また、カソード50は網状であるので電解質(典型的には液状)60はカソード50の網目を通り抜けて第一サブセル6と第二サブセル7との間を行き来し得る。したがって、図2に示す構成の太陽電池1では、電解質60は第一サブセル6および第二サブセル7に共有されている。なお、第一サブセル内の電解質と第二サブセル内の電解質とが分離(例えばカソードによって分離)されていてもよい。
The cathode 50 is a net-like (mesh-like) member made of a conductive metal, and is immersed in an electrolyte 60 filled between the first anode 10 and the second anode 30. As the electrolyte 60, oxidizable and reducible ions (e.g. I - / I 3 - redox pair) such as those are dissolved in a suitable solvent.
The cathode 50 is electrically connected to each of the first anode 10 and the second anode 30 via a conductive path (external circuit) 70 including a load 72. As a result, the first subcell 6 is formed between the first anode 10 and the cathode 50, and the second subcell 7 is formed between the second anode 30 and the cathode 50. The 1st subcell 6 and the 2nd subcell 7 are piled up back and forth with respect to the incident direction of light, and are arranged (in tandem). The first subcell 6 and the second subcell 7 share the cathode 50. In addition, since the cathode 50 has a mesh shape, the electrolyte (typically liquid) 60 can go back and forth between the first subcell 6 and the second subcell 7 through the mesh of the cathode 50. Therefore, in the solar cell 1 having the configuration shown in FIG. 2, the electrolyte 60 is shared by the first subcell 6 and the second subcell 7. Note that the electrolyte in the first subcell and the electrolyte in the second subcell may be separated (for example, separated by a cathode).

かかる構成の色素増感太陽電池1に第一アノード10側(図1の左側)から光L1を照射すると、その光L1によって第一増感色素24が励起され、該色素から多孔質層22を構成する酸化物半導体に電子(e-)が注入される。その電子は、第一アノード10から導電経路(外部回路)70を経由してカソード50に至る。上記酸化物半導体に電子を与えて酸化状態となった第一増感色素24は、電解質60に含まれる溶質イオン(例えばI-)から電子を受け取って中性状態に戻る。これにより上記イオンは電子を失って酸化状態(例えばI3 -)となる。該酸化状態のイオンは、導電経路70を流れてきた電子をカソード50から受け取って元の酸化数の状態(例えばI-)に戻る。このようなサイクルの繰り返しによって、該電池に照射された光L1から電気エネルギーを取り出すことができる。かかるサイクルによるエネルギー変換は、太陽電池1のうち、光の入射方向に対して前側に位置する第一サブセル6によって行われる。 When the dye-sensitized solar cell 1 having such a structure is irradiated with light L1 from the first anode 10 side (left side in FIG. 1), the first sensitizing dye 24 is excited by the light L1, and the porous layer 22 is formed from the dye. Electrons (e ) are injected into the oxide semiconductor to be formed. The electrons reach the cathode 50 via the conductive path (external circuit) 70 from the first anode 10. The first sensitizing dye 24 that is in an oxidized state by giving electrons to the oxide semiconductor receives electrons from a solute ion (for example, I ) contained in the electrolyte 60 and returns to the neutral state. As a result, the ions lose electrons and enter an oxidized state (for example, I 3 ). The ions in the oxidation state receive electrons flowing through the conductive path 70 from the cathode 50 and return to the original oxidation number state (for example, I ). By repeating such a cycle, electric energy can be extracted from the light L1 irradiated to the battery. Energy conversion by such a cycle is performed by the first subcell 6 located on the front side of the solar cell 1 with respect to the light incident direction.

一方、入射光L1のうち一部は第一アノード10を透過し(光L2)、さらにカソード50を透過して第二色素層40に入射する。その光L2によって第二増感色素44が励起され、該色素から多孔質層42を構成する酸化物半導体に電子(e-)が注入される。その後の過程は第一アノード10の場合と同様である。すなわち、酸化状態となった第二増感色素44は、電解質60の溶質から電子を受け取って中性状態に戻る。第二増感色素24に電子を与えて酸化状態となった溶質は、カソード50から電子を受け取って元の酸化数に戻る。かかるサイクルによるエネルギー変換は、太陽電池1のうち、光の入射方向に対して後側(背面側)に位置する第二サブセル7によって行われる。該サイクルの繰り返しによって、第一アノード10(第一サブセル6)では利用できなかった光L2から、第二サブセル7においてさらに電気エネルギーを取り出すことができる。 On the other hand, part of the incident light L1 passes through the first anode 10 (light L2), and further passes through the cathode 50 and enters the second dye layer 40. The second sensitizing dye 44 is excited by the light L2, and electrons (e ) are injected from the dye into the oxide semiconductor constituting the porous layer. The subsequent process is the same as that of the first anode 10. That is, the second sensitizing dye 44 in the oxidized state receives electrons from the solute of the electrolyte 60 and returns to the neutral state. The solute that has been oxidized by giving electrons to the second sensitizing dye 24 receives electrons from the cathode 50 and returns to its original oxidation number. Energy conversion by such a cycle is performed by the second subcell 7 located on the rear side (back side) of the solar cell 1 with respect to the light incident direction. By repeating the cycle, electric energy can be further extracted in the second subcell 7 from the light L2 that could not be used in the first anode 10 (first subcell 6).

なお、金属反射膜36を有する態様の電池1では、第二アノード30をも透過した光L3の少なくとも一部を金属反射膜36によって反射させ、その反射された光L4を再び第二色素層40へと戻すことができる。上記光L4によって第二増感色素44を励起することにより、最初に第一アノード10および第二アノード30に入射したときには利用できなかった(透過した)光L3から、さらに電気エネルギーを取り出すことができる。   In the battery 1 having the metal reflective film 36, at least a part of the light L3 transmitted through the second anode 30 is reflected by the metal reflective film 36, and the reflected light L4 is again reflected by the second dye layer 40. It can be returned to. By exciting the second sensitizing dye 44 with the light L4, it is possible to further extract electric energy from the light L3 that was not available (transmitted) when first incident on the first anode 10 and the second anode 30. it can.

このような構造を有する太陽電池1は、その機能(光電変換機能)を適切に発揮し得る限り、従来公知の種々の材料を用いて構築することができる。
例えば、透明基板12,32としては、透光性を有し、適当な物理的強度および電解質に対する化学的安定性を具備するものを適宜選択して使用することができる。例えば、従来の太陽電池(典型的には色素増感太陽電池)の透明電極に利用され得るものとして知られている各種基板を特に限定なく用いることができる。好ましい一つの態様では、透明基板12,32としていずれもガラス基板を用いる。第一アノード10に用いられる透明基板12と、第二アノード30に用いられる透明基板32とは、同じ(同種の)透明基板であってもよく異なる透明基板であってもよい。
なお、本明細書中において「透光性」とは、特記しない限り、太陽光またはソーラーシミュレータ等により得られる模擬太陽光(典型的には、AM(エアマス)1.5,光量100mW/cm2の光)の少なくとも一部(強度の一部であってもよく、波長の一部領域であってもよく、これらの両方であってもよい。)を透過させる性質を指す。
The solar cell 1 having such a structure can be constructed using various conventionally known materials as long as the function (photoelectric conversion function) can be appropriately exhibited.
For example, as the transparent substrates 12 and 32, those having translucency and having appropriate physical strength and chemical stability with respect to the electrolyte can be appropriately selected and used. For example, various substrates known as those that can be used for transparent electrodes of conventional solar cells (typically dye-sensitized solar cells) can be used without particular limitation. In a preferred embodiment, a glass substrate is used as each of the transparent substrates 12 and 32. The transparent substrate 12 used for the first anode 10 and the transparent substrate 32 used for the second anode 30 may be the same (same type) transparent substrate or different transparent substrates.
In this specification, “translucent” means simulated sunlight (typically AM (air mass) 1.5, light quantity 100 mW / cm 2 ) obtained by sunlight or a solar simulator, unless otherwise specified. Of light) is a property of transmitting at least a part (a part of the intensity, a part of the wavelength region, or both of them).

透明基板12の表面に設けられた透明導電層14および透明基板32の表面に設けられた透明導電層34は、従来の太陽電池のアノードに備えられる透明導電層と同様のものであり得る。透明導電層14の好適例としては、インジウム−スズ酸化物(ITO)膜、フッ素ドープされた酸化スズ(以下、これを「F:SnO2」と表記することもある。)膜等が挙げられる。第一アノード10の備える透明導電層14と第二アノード30の備える透明導電層34とは、同じ(同種の)材質からなるものであっても異なる材質からなるものであってもよい。なお、このような透明導電層がガラス基板上に形成された導電性ガラス基板が市販されているので、これを利用して太陽電池を構築してもよい。 The transparent conductive layer 14 provided on the surface of the transparent substrate 12 and the transparent conductive layer 34 provided on the surface of the transparent substrate 32 may be the same as the transparent conductive layer provided in the anode of the conventional solar cell. Preferable examples of the transparent conductive layer 14 include an indium-tin oxide (ITO) film, a fluorine-doped tin oxide (hereinafter sometimes referred to as “F: SnO 2 ”) film, and the like. . The transparent conductive layer 14 included in the first anode 10 and the transparent conductive layer 34 included in the second anode 30 may be made of the same (same type) material or different materials. In addition, since the conductive glass substrate in which such a transparent conductive layer was formed on the glass substrate is marketed, you may construct | assemble a solar cell using this.

好ましい一つの態様では、第一色素層20を構成する多孔質層22および第二色素層40を構成する多孔質層42が、酸化物半導体(典型的にはn型半導体)の微粒子を用いて形成された層である。例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸化タングステン(WO3)等の酸化物であり得る。これらの酸化物相互の複合酸化物であってもよく、これらの酸化物と他の酸化物との複合酸化物であってもよい。該微粒子の平均粒径は、例えば凡そ10nm〜1000nm程度の範囲であり得る。好ましい一つの態様では、多孔質層22が、酸化チタン(典型的には、アナターゼ型の酸化チタン)の微粒子を用いて形成された多孔質層である。例えば、平均粒径が凡そ10nm〜40nm程度(より好ましくは15〜25nm程度、例えば20nm程度)の酸化チタン微粒子を用いることができる。かかる平均粒径の酸化チタン微粒子を用いて第一色素層を作製することが好ましい。また、例えば、平均粒径が凡そ100nm〜1000nm程度(より好ましくは200〜600nm程度、例えば400nm程度)の酸化チタン微粒子を用いることができる。かかる平均粒径の酸化チタン微粒子を用いて第二色素層を作製することが好ましい。 In a preferred embodiment, the porous layer 22 constituting the first dye layer 20 and the porous layer 42 constituting the second dye layer 40 are formed using fine particles of an oxide semiconductor (typically an n-type semiconductor). It is a formed layer. For example, the oxide may be titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), barium titanate (BaTiO 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), or the like. These oxides may be complex oxides of these oxides, or complex oxides of these oxides and other oxides. The average particle diameter of the fine particles may be, for example, in the range of about 10 nm to 1000 nm. In a preferred embodiment, the porous layer 22 is a porous layer formed using fine particles of titanium oxide (typically anatase-type titanium oxide). For example, titanium oxide fine particles having an average particle diameter of about 10 nm to 40 nm (more preferably about 15 to 25 nm, for example, about 20 nm) can be used. It is preferable to prepare the first dye layer by using titanium oxide fine particles having such an average particle diameter. Further, for example, titanium oxide fine particles having an average particle diameter of about 100 nm to 1000 nm (more preferably about 200 to 600 nm, for example, about 400 nm) can be used. It is preferable to produce the second dye layer using titanium oxide fine particles having such an average particle diameter.

かかる酸化物半導体微粒子を用いて透明導電層14上に多孔質層22を形成する方法としては、色素増感太陽電池の分野において従来公知の各種方法を適宜採用することができる。例えば、該粒子を適当な媒体に分散させた液状組成物を用意し、該組成物をスキージ法、ドクターブレード法、スピンコート法、スクリーン印刷法等の湿式プロセスにより透明導電層14上に塗布し、必要に応じて乾燥させた後に、適当な温度(酸化チタン微粒子の場合には凡そ400〜500℃、典型的には450℃程度を好ましく採用し得る。)に加熱する(焼成する)方法を好ましく採用することができる。   As a method of forming the porous layer 22 on the transparent conductive layer 14 using such oxide semiconductor fine particles, various conventionally known methods in the field of dye-sensitized solar cells can be appropriately employed. For example, a liquid composition in which the particles are dispersed in an appropriate medium is prepared, and the composition is applied onto the transparent conductive layer 14 by a wet process such as a squeegee method, a doctor blade method, a spin coating method, or a screen printing method. And a method of heating (baking) to an appropriate temperature (approximately 400 to 500 ° C., typically about 450 ° C. can be preferably employed in the case of titanium oxide fine particles) after drying as necessary. It can preferably be employed.

第一増感色素24および第二増感色素44としては、色素増感太陽電池の電極(典型的にはアノード)に用いられて光増感機能を発揮し得るものとして知られている種々の色素を適宜選択することができる。かかる色素の例として、ルテニウムポリピリジル錯体(N3色素、ブラックダイ等)、ルテニウムフェナントロリン錯体、キノリン系ルテニウム錯体等のルテニウム金属錯体が挙げられる。カルボン酸基、無水カルボン酸基、スルホン酸基、アルコキシ基等の、該錯体と酸化物半導体(典型的にはTiO2)との間に化学結合を形成し得る官能基を分子中に備える色素の使用が好ましい。 As the first sensitizing dye 24 and the second sensitizing dye 44, various kinds known to be used for an electrode (typically an anode) of a dye-sensitized solar cell and exhibit a photosensitizing function. A pigment | dye can be selected suitably. Examples of such a dye include ruthenium metal complexes such as a ruthenium polypyridyl complex (N 3 dye, black dye, etc.), a ruthenium phenanthroline complex, and a quinoline-based ruthenium complex. A dye having a functional group in the molecule such as a carboxylic acid group, a carboxylic anhydride group, a sulfonic acid group, and an alkoxy group that can form a chemical bond between the complex and an oxide semiconductor (typically TiO 2 ). Is preferred.

第一増感色素(光の入射方向に対して最も前面側に配置される色素層に含まれる色素)としては、太陽光をよく吸収し得る吸光スペクトルを示す色素が好ましく採用され得る。一方、第二増感色素としては、(1)太陽光をよく吸収し得る吸光スペクトルを示すこと、および/または、(2)第一色素層および電解質を透過した光(より一般化すれば、入射光のうち第二色素層に到達する光)をよく吸収し得る吸光スペクトルを示すこと、の少なくとも一方を満たす色素が好ましく採用され得る。かかる観点から好ましく採用し得る第一増感色素と第二増感色素との組み合わせの一例として、N3色素とブラックダイとの組み合わせが挙げられる。N3色素を第一増感色素としブラックダイを第二増感色素としてもよく、ブラックダイを第一増感色素としN3色素を第二増感色素としてもよい。第一増感色素としてN3色素、第二増感色素としてブラックダイを用いた太陽電池によると、より好ましい結果が実現され得る。 As the first sensitizing dye (the dye contained in the dye layer disposed on the foremost side with respect to the incident direction of light), a dye exhibiting an absorption spectrum that can absorb sunlight well can be preferably employed. On the other hand, as the second sensitizing dye, (1) showing an absorption spectrum capable of absorbing sunlight well, and / or (2) light transmitted through the first dye layer and the electrolyte (more generalized, A dye satisfying at least one of the absorption spectrum that can well absorb the incident light (light reaching the second dye layer) can be preferably employed. An example of a combination of a first sensitizing dye and a second sensitizing dye that can be preferably employed from such a viewpoint includes a combination of an N 3 dye and a black die. The N 3 dye may be the first sensitizing dye and the black dye may be the second sensitizing dye, the black dye may be the first sensitizing dye and the N 3 dye may be the second sensitizing dye. More favorable results can be achieved with a solar cell using an N 3 dye as the first sensitizing dye and a black die as the second sensitizing dye.

上記多孔質層(典型的には、多孔質酸化チタン層)に増感色素を保持させる手法としては、多孔質酸化チタン層に増感色素を保持した単一のアノードを備える従来の色素増感太陽電池において該多孔質酸化チタン層に増感色素を保持させる場合と同様の各種方法を適宜採用することができる。例えば、増感色素を適当な溶媒に溶解させた溶液を上記多孔質層に含浸させること、および、その含浸された増感色素溶液を乾燥させる(溶媒を除去する)ことを含む手法を採用し得る。上述のように多孔質層の形成過程で酸化物半導体微粒子を加熱する場合には、その加熱後に多孔質層の温度が適度に(例えば150〜250℃程度まで)低下した段階で、該多孔質層を上記増感色素溶液に浸漬するとよい。このことによって該多孔質層の各部に上記増感色素溶液をよく行き渡らせることができ、より多くの増感色素が保持された色素層が形成され得る。かかる手法は、第一色素層の作製にも第二色素層の作製にも好ましく適用可能である。   As a technique for holding the sensitizing dye in the porous layer (typically, the porous titanium oxide layer), a conventional dye sensitization including a single anode holding the sensitizing dye in the porous titanium oxide layer is used. Various methods similar to those used when the sensitizing dye is held in the porous titanium oxide layer in a solar cell can be appropriately employed. For example, a method including impregnating the porous layer with a solution obtained by dissolving a sensitizing dye in an appropriate solvent and drying the impregnated sensitizing dye solution (removing the solvent) is adopted. obtain. When the oxide semiconductor fine particles are heated in the process of forming the porous layer as described above, the porous layer is heated at a stage where the temperature of the porous layer is moderately lowered (for example, to about 150 to 250 ° C.) after the heating. The layer may be immersed in the sensitizing dye solution. As a result, the sensitizing dye solution can be well distributed to each part of the porous layer, and a dye layer in which more sensitizing dye is retained can be formed. Such a method can be preferably applied to the production of the first dye layer and the second dye layer.

好ましい一つの態様では、第一色素層および第二色素層の少なくとも一方(好ましくは両方)が、色素層(典型的には、多孔質酸化チタン層に増感色素が保持された構成の色素層)の面積1cm2当たり凡そ5×10-8mol以上(例えば凡そ5×10-8mol/cm2〜30×10-8mol/cm2)の増感色素が保持された色素層である。該色素層の面積1cm2当たり凡そ10×10-8mol/cm2以上(例えば凡そ10×10-8mol/cm2〜30×10-8mol/cm2)の増感色素が保持された色素層がより好ましい。少なくとも第一色素層の面積1cm2当たりの増感色素保持量が上記範囲にあることが好ましい。
また、色素層(典型的には、多孔質酸化チタン層に増感色素が保持された構成の色素層)の体積1cm3当たりに保持されている増感色素の量が凡そ3×10-5mol/cm3以上(例えば凡そ3×10-5mol/cm3〜50×10-5mol/cm3)である色素層が好ましく、10×10-5mol/cm3以上(例えば凡そ10×10-5mol/cm3〜50×10-5mol/cm3、典型的には凡そ10×10-5mol/cm3〜30×10-5mol/cm3)である色素層がより好ましい。少なくとも第一色素層の体積1cm3当たりの増感色素保持量が上記範囲にあることが好ましい。
In a preferred embodiment, at least one (preferably both) of the first dye layer and the second dye layer is a dye layer (typically a dye layer having a structure in which a sensitizing dye is held in a porous titanium oxide layer). ) is a dye layer sensitizing dye is retained in the area of 1 cm 2 per approximately 5 × 10 -8 mol or more (e.g., about 5 × 10 -8 mol / cm 2 ~30 × 10 -8 mol / cm 2) of the. About 10 × 10 −8 mol / cm 2 or more (for example, about 10 × 10 −8 mol / cm 2 to 30 × 10 −8 mol / cm 2 ) of the sensitizing dye was retained per 1 cm 2 of the area of the dye layer. A dye layer is more preferable. It is preferable that the sensitizing dye retention amount per 1 cm 2 of area of the first dye layer is in the above range.
Further, the amount of the sensitizing dye held per volume of 1 cm 3 of the dye layer (typically a dye layer having a structure in which the sensitizing dye is held in the porous titanium oxide layer) is about 3 × 10 −5. A dye layer having a mol / cm 3 or more (for example, about 3 × 10 −5 mol / cm 3 to 50 × 10 −5 mol / cm 3 ) is preferable, and 10 × 10 −5 mol / cm 3 or more (for example, about 10 ×). 10 −5 mol / cm 3 to 50 × 10 −5 mol / cm 3 , typically about 10 × 10 −5 mol / cm 3 to 30 × 10 −5 mol / cm 3 ) are more preferable. . It is preferable that at least the sensitizing dye retention amount per 1 cm 3 of the volume of the first dye layer is in the above range.

一般に、色素層の単位面積当たりに保持される増感色素の量が多くなれば、該色素層に入射した光によって励起される増感色素分子が多くなるため、より多くの電流を該色素層から取り出すことができる。増感色素の量を多くするには、多孔質層の比表面積を大きくすることが有効である。したがって、多孔質層の比表面積が同程度であれば、多孔質層の厚さが大きくなるにつれて、該多孔質層に保持させることのできる増感色素の保持量は増加する傾向にある。しかし、上述のように色素層の厚さを過剰に大きくすると、増感色素から取り出された電子が再結合により消失してしまいうため外部回路に取り出される電流密度が低下し得る。このため、他の条件を同等にして色素層の厚さと該色素層をアノード上に有するセルの短絡電流密度(Jsc)との関係を調べると、一般に、(a)色素層の厚さが比較的小さい間は該多孔質層の厚さが増加するとともに短絡電流密度の値が上昇し、(b)色素層の厚さがより大きくなると短絡電流密度の値の上昇が鈍り、(c)色素層の厚さがさらに大きくなると該色素層の厚さが増加しても短絡電流密度の値は概ね同程度となり、(d)色素層の厚さがなお大きくなると該色素層の厚さが増加するにつれて短絡電流密度が減少する、という傾向がみられる。 In general, when the amount of the sensitizing dye retained per unit area of the dye layer increases, the number of sensitizing dye molecules excited by light incident on the dye layer increases, so that more current is supplied to the dye layer. Can be taken out from. In order to increase the amount of the sensitizing dye, it is effective to increase the specific surface area of the porous layer. Therefore, if the specific surface area of the porous layer is approximately the same, the amount of the sensitizing dye that can be held in the porous layer tends to increase as the thickness of the porous layer increases. However, when the thickness of the dye layer is excessively increased as described above, the electrons extracted from the sensitizing dye disappear due to recombination, so that the current density extracted to the external circuit can be reduced. Therefore, when the relationship between the thickness of the dye layer and the short-circuit current density (J sc ) of the cell having the dye layer on the anode is examined under the same conditions, in general, (a) the thickness of the dye layer is While the thickness of the porous layer increases while the thickness is relatively small, the value of the short-circuit current density increases. (B) When the thickness of the dye layer becomes larger, the increase in the value of the short-circuit current density becomes dull. When the thickness of the dye layer is further increased, the value of the short-circuit current density is approximately the same even if the thickness of the dye layer is increased, and (d) when the thickness of the dye layer is further increased, the thickness of the dye layer is increased. There is a tendency for the short circuit current density to decrease as it increases.

したがって、第一色素層および第二色素層の厚さとしては、色素層の厚さと短絡電流密度とが上記(a),(b)または(c)の関係にある程度の厚さとすることが好ましい。例えば、第一色素層および第二色素層の厚さをいずれも凡そ25μm以下(典型的には凡そ3μm〜25μm、より好ましくは3μm〜20μm、例えば5μm〜20μm)とすることが好ましい。特に、光の入射方向に対して第二色素層よりも前側に配置される第一色素層の厚さは、色素層の厚さと短絡電流密度とが上記(a)または(b)の関係にある程度の厚さとすることが好ましい。例えば、該第一色素層の厚さを凡そ20μm以下(典型的には3μm〜20μm、より好ましくは凡そ3μm〜15μm、例えば5μm〜15μm)とすることが好ましい。
なお、前記第一色素層と前記第二色素層との合計厚さは、例えば凡そ10〜40μmの範囲とすることができる。該合計厚さが凡そ15〜30μmの範囲であってもよい。
Therefore, it is preferable that the thickness of the first dye layer and the second dye layer is set to a certain degree so that the thickness of the dye layer and the short-circuit current density are in the relationship (a), (b) or (c). . For example, it is preferable that the thickness of each of the first dye layer and the second dye layer is about 25 μm or less (typically about 3 μm to 25 μm, more preferably 3 μm to 20 μm, for example, 5 μm to 20 μm). In particular, the thickness of the first dye layer disposed in front of the second dye layer with respect to the incident direction of light is such that the thickness of the dye layer and the short-circuit current density are in the relationship (a) or (b). It is preferable to have a certain thickness. For example, the thickness of the first dye layer is preferably about 20 μm or less (typically 3 μm to 20 μm, more preferably about 3 μm to 15 μm, for example 5 μm to 15 μm).
The total thickness of the first dye layer and the second dye layer can be set in a range of about 10 to 40 μm, for example. The total thickness may be in the range of approximately 15-30 μm.

ここに開示される色素増感電池を構成するカソードは、透光性および導電性を提供し得るものであればよく、特に限定されない。例えば、透光性および導電性を確保するとともに電解質との接触効率を高める(内部抵抗を低減する)という観点から、導電性を有する網状部材を好ましく用いることができる。例えば、導電性金属(プラチナ(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)等)製のメッシュ、導電性繊維(プラチナ線、カーボンファイバー等)からなる織布または不織布等の使用が好ましい。また、カーボンファイバー、グラスファイバー、合成樹脂繊維等からなる織布または不織布の表面に、スパッタリング、メッキ等の手法により導電性金属(プラチナ等)を薄く付着させた部材を用いることもできる。
カソードの厚さは特に限定されないが、透光性および太陽電池全体の体格(厚さ)を考慮すると、該カソードの厚さを過剰に大きくすることは好ましくない。通常は、該カソードの厚さを凡そ5μm〜1000μm程度(例えば凡そ30μm〜300μm程度)とすることが適当である。光の入射方向(典型的には、カソードの厚み方向)からみて、カソード全体の面積に対して、該カソードを貫通する孔の開口面積の割合が少なくとも凡そ25%以上(より好ましくは40%以上)であることが好ましい。
The cathode constituting the dye-sensitized battery disclosed herein is not particularly limited as long as it can provide translucency and conductivity. For example, a conductive mesh member can be preferably used from the viewpoint of ensuring translucency and conductivity and increasing the contact efficiency with the electrolyte (reducing internal resistance). For example, a mesh made of conductive metal (platinum (Pt), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), etc.), woven fabric or non-woven fabric made of conductive fibers (platinum wire, carbon fiber, etc.), etc. Use is preferred. In addition, a member in which a conductive metal (platinum or the like) is thinly attached to the surface of a woven or nonwoven fabric made of carbon fiber, glass fiber, synthetic resin fiber, or the like by a technique such as sputtering or plating can be used.
Although the thickness of the cathode is not particularly limited, it is not preferable to excessively increase the thickness of the cathode in consideration of translucency and the entire size (thickness) of the solar cell. Usually, it is appropriate to set the thickness of the cathode to about 5 μm to 1000 μm (for example, about 30 μm to 300 μm). When viewed from the light incident direction (typically, the thickness direction of the cathode), the ratio of the opening area of the holes penetrating the cathode to the area of the entire cathode is at least about 25% (more preferably 40% or more). ) Is preferable.

電解質としては、色素増感太陽電池の電解質に利用され得るものとして知られている種々の電解質を適宜選択して用いることができる。例えば、溶質としてのヨウ素系(I-/I3 -)、臭素系(Br-/Br3 -)等の酸化還元対(レドックスカップル)が適当な溶媒に溶解された、該酸化還元対を含有する一般的なレドックス系の電解質を好ましく採用し得る。上記溶媒としては、ニトリル系(例えばアセトニトリル)、カーボネート系(例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート)等の有機溶媒またはこれらの混合溶媒を好ましく用いることができる。 As the electrolyte, various electrolytes known as those that can be used for the electrolyte of a dye-sensitized solar cell can be appropriately selected and used. For example, an oxidation-reduction pair (redox couple) such as iodine (I / I 3 ) or bromine (Br / Br 3 ) as a solute is dissolved in a suitable solvent A common redox electrolyte can be preferably used. As said solvent, organic solvents, such as nitrile type (for example, acetonitrile), carbonate type (for example, ethylene carbonate, propylene carbonate), or these mixed solvents can be used preferably.

なお、以上では主として図1および図2に模式的に示される構成の太陽電池、すなわち互いに異なる増感色素を有する二つのアノード(第一アノードおよび第二アノード)が透光性のカソードの前後に配置した構成の色素増感太陽電池について説明したが、光の入射方向に対して前後に離隔して配置された複数のアノードを備え、互いに異なる増感色素を有する色素層をそれら複数のアノードに分けて配置するという本発明の思想は他の態様でも実現され得る。   In the above, the solar cell having the structure schematically shown in FIGS. 1 and 2, that is, two anodes (first anode and second anode) having different sensitizing dyes are arranged before and after the light-transmitting cathode. Although the dye-sensitized solar cell having the arranged configuration has been described, a plurality of anodes spaced apart from each other in the light incident direction are provided, and dye layers having different sensitizing dyes are provided on the plurality of anodes. The idea of the present invention of arranging separately can also be realized in other modes.

例えば、図1に示す構成では、第一アノード、第二アノードおよびカソードが、光の入射側から順に「(入射側)第一アノード/カソード/第二アノード(背面側)」のように配置されているが、例えば、これらの電極の配置を「(入射側)第一アノード/第二アノード/カソード(背面側)」としてもよい。ここで、第一アノードと第二アノードとはそれぞれ互いに異なる増感色素が保持された第一色素層および第二色素層を有し、光の入射方向に対して前後に離隔して配置されている。また、上記カソードは上記第一アノードおよび上記第二アノードと電気的に接続されている。このことによって、上記第一アノードと上記カソードとの間に第一サブセルが、また上記第二アノードと上記カソードとの間に第二サブセルが構成されている。これら第一サブセルと第二サブセルとは、上記カソードを共有して電気的に並列に接続されており、かつ光の入射方向に対して前後に積み重なって配置されている。なお、上記第一サブセルのうち上記第二アノードよりも後側の部分は上記第二サブセルと重複している。このような構成の色素増感太陽電池では、カソードとして、表面に透明導電膜(ITO等)を有する導電性ガラス基板上に白金膜が設けられた構成のカソード等を好ましく用いることができる。また、該太陽電池を構成する第二アノードは、第一アノードとカソードとの間で電解質を介しての電荷移動を確保するために、電解質の流通が可能な一または二以上の貫通孔を有するものであり得る。上記第二アノードの色素層は、該第二アノードを構成する透明基板の背面側(カソード側)に設けられていてもよく、前面側(第一カソード側すなわち入射側)に設けられていてもよく、両面に設けられていてもよい。通常は、少なくとも背面側(カソード側)に色素層を有する構成の第二アノードとすることが好ましい。   For example, in the configuration shown in FIG. 1, the first anode, the second anode, and the cathode are arranged in order of “(incident side) first anode / cathode / second anode (back side)” from the light incident side. However, for example, the arrangement of these electrodes may be “(incident side) first anode / second anode / cathode (back side)”. Here, each of the first anode and the second anode has a first dye layer and a second dye layer in which different sensitizing dyes are held, and the first anode and the second anode are spaced apart from each other in the light incident direction. Yes. The cathode is electrically connected to the first anode and the second anode. Thus, a first subcell is formed between the first anode and the cathode, and a second subcell is formed between the second anode and the cathode. The first subcell and the second subcell share the cathode and are electrically connected in parallel, and are stacked in the front-rear direction with respect to the light incident direction. Note that the portion of the first subcell on the rear side of the second anode overlaps with the second subcell. In the dye-sensitized solar cell having such a configuration, a cathode having a platinum film provided on a conductive glass substrate having a transparent conductive film (ITO or the like) on the surface can be preferably used as the cathode. Further, the second anode constituting the solar cell has one or more through holes through which the electrolyte can flow in order to ensure charge transfer via the electrolyte between the first anode and the cathode. Can be a thing. The dye layer of the second anode may be provided on the back side (cathode side) of the transparent substrate constituting the second anode, or may be provided on the front side (first cathode side or incident side). It may be provided on both sides. Usually, it is preferable to use a second anode having a dye layer on at least the back side (cathode side).

さらに他の態様として、互いに異なる増感色素を有し前後に離隔して配置された3以上のアノード(第一アノード、第二アノード、第三アノード・・・)を備える構成としてもよい。例えば、これら複数のアノードとカソードとが、光の入射側から順に「(入射側)第一アノード/第二アノード/第三アノード/カソード(背面側)」のように配置された構成、あるいは「(入射側)第一アノード/第二アノード/カソード/第三アノード(背面側)」のように配置された構成、等とすることができる。   Furthermore, as another aspect, it is good also as a structure provided with three or more anodes (1st anode, 2nd anode, 3rd anode ...) which have mutually different sensitizing dyes and are arrange | positioned back and forth. For example, the plurality of anodes and cathodes are arranged in the order of “(incident side) first anode / second anode / third anode / cathode (back side)” from the light incident side, or “ (Incident side) first anode / second anode / cathode / third anode (back side) ”, etc.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。   Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.

<例1:N3増感アノードとBD増感アノードとを備えるセル>
[N3増感アノード(A)の作製]
導電層としてのフッ素ドープ酸化スズ(F:SnO2)膜を表面に有する導電性ガラス基板(幅10mm、長さ25mm、厚さ1.1mm)を用意した。上記ガラス基板の導電層上に、直径20nmのアナターゼ型酸化チタン粒子(触媒化成工業株式会社製品、商品名「PST−18NR」を使用した。)を含むペースト状組成物を、5mm×5mmの正方形状の範囲に塗布した。該組成物が塗布された基板を乾燥させた後、大気雰囲気下にて室温から450℃まで30分かけて昇温し、同温度に30分間保持してTiO2膜を焼成した。その後、該基板を200℃まで自然放冷させ、ここで上記基板を増感色素としてのN3色素(Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'bipyridine)2(NCS)2)のエタノール溶液に浸漬してTiO2膜にN3色素を吸着させた。このようにして、導電性ガラス基板上の5mm×5mmの範囲にN3色素吸着TiO2膜(色素層)が形成されたN3増感アノード(A)を得た。上記N3色素吸着TiO2膜の厚さは6μmであり、比表面積は72m2/gであった。また、単位面積あたりのN3色素吸着量は8.8×10-8mol/cm2であった。
<Example 1: cell and a N 3 sensitized anode and BD sensitized anode>
[Preparation of N 3 -sensitized anode (A)]
A conductive glass substrate (width 10 mm, length 25 mm, thickness 1.1 mm) having a fluorine-doped tin oxide (F: SnO 2 ) film on the surface as a conductive layer was prepared. On a conductive layer of the glass substrate, a paste-like composition containing anatase-type titanium oxide particles having a diameter of 20 nm (Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name “PST-18NR” was used) was square of 5 mm × 5 mm. It was applied to the shape range. After drying the substrate coated with the composition, the temperature was raised from room temperature to 450 ° C. in an air atmosphere over 30 minutes, and the TiO 2 film was baked by maintaining the same temperature for 30 minutes. Thereafter, the substrate was allowed to cool to 200 ° C., where N 3 dye (Ru (4,4′-dicarboxy-2,2′bipyridine) 2 (NCS) 2 ) ethanol as a sensitizing dye was used. It was immersed in the solution to adsorb the N 3 dye on the TiO 2 film. In this way, N 3 dye-adsorbed TiO 2 layer (dye layer) in the range of 5mm × 5mm conductive glass substrate to obtain a formed N 3 sensitization anode (A). The N 3 dye-adsorbed TiO 2 film had a thickness of 6 μm and a specific surface area of 72 m 2 / g. The N 3 dye adsorption amount per unit area was 8.8 × 10 −8 mol / cm 2 .

[BD増感アノード(a)の作製]
増感色素としてN3色素に代えてブラックダイ(BD)を吸着させた点(該吸着は、BDテトラブチルアンモニウム塩([Ru(4,4’,4”-tricarboxy-2,2’:6,2”-terpyridine)(NCS)3]3-[(C4H9)4N]+ 3)のエタノール溶液を用いて行った。)、および厚さ約10μmのTiO2膜が形成されるようにペースト状組成物の塗布厚を調節した点以外は上記N3増感アノード(A)の作製と同様にして、導電性ガラス基板上に厚さ11μmのBD吸着TiO2膜(色素層)が5mm×5mmの範囲に形成されたBD増感アノード(a)を得た。上記BD吸着TiO2膜の比表面積は、上記N3増感アノード(A)のN3色素吸着TiO2膜と同程度であった。また、単位面積あたりのBD吸着量は12.0×10-8mol/cm2であった。
[Production of BD-sensitized anode (a)]
A point where black dye (BD) was adsorbed instead of N 3 dye as a sensitizing dye (this adsorption was performed using BD tetrabutylammonium salt ([Ru (4,4 ', 4 "-tricarboxy-2,2': 6 , 2 "-terpyridine) (NCS) 3 ] 3- [(C 4 H 9 ) 4 N] + 3 ) ethanol solution)), and a TiO 2 film with a thickness of about 10 μm is formed The BD-adsorbed TiO 2 film (dye layer) having a thickness of 11 μm on the conductive glass substrate was prepared in the same manner as the production of the N 3 sensitized anode (A) except that the coating thickness of the paste-like composition was adjusted. BD sensitized anode (a) having a size of 5 mm × 5 mm was obtained. The specific surface area of the BD adsorption TiO 2 film was N 3 comparable to the dye-adsorbed TiO 2 film of the N 3 sensitization anode (A). Further, the BD adsorption amount per unit area was 12.0 × 10 −8 mol / cm 2 .

[セルの構築]
上記N3増感アノード(A)を第一アノード(光の入射方向に対して前面側に配置されるアノード)に用い、上記BD増感アノード(a)を第二アノード(上記入射方向に対して背面側に配置されるアノード)に用いて、図2に模式的に示す構成のセルを構築した。なお、カソードとしては、厚さ70μmのプラチナメッシュ(株式会社高純度化学研究所製品、プラチナ線を織ってなる100メッシュのPt金網。正方形状の網目が約200μmのピッチで縦横に連続して形成されている。)を使用した。このプラチナメッシュの厚み方向からAM1.5,光量100mW/cm2の模擬太陽光を照射した場合における該メッシュの透光率は50%程度である。
[Build cell]
The N 3 sensitized anode (A) is used as a first anode (an anode disposed on the front side with respect to the light incident direction), and the BD sensitized anode (a) is used as a second anode (with respect to the incident direction). 2), a cell having a configuration schematically shown in FIG. 2 was constructed. As the cathode, platinum mesh with a thickness of 70 μm (product of High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., 100 mesh Pt wire mesh made of woven platinum wire. Square meshes are formed continuously in the vertical and horizontal directions at a pitch of about 200 μm. Used). The light transmittance of the mesh when irradiated with simulated sunlight of AM 1.5 and light quantity 100 mW / cm 2 from the thickness direction of the platinum mesh is about 50%.

図2に示すように、カソード(上記プラチナメッシュ)50の両側にスペーサ62,64を挟んで、第一アノード(N3増感アノード(A))10および第二アノード(BD増感アノード(a))30を配置した。第一アノード10と第二アノード30とは、それぞれ色素層20,40を内側(向かい合わせ)とし、また光の入射方向(セルの厚み方向)からみて色素層20の位置と色素層40の位置とが一致する(重なり合う)ように配置した。スペーサ62,64としては、厚さ50μmのポリテトラフルオロエチレンフィルムに色素層20,40の大きさ(平面形状)に対応する孔を形成したものを使用した。
そして、両アノード10,30間のスペースに電解液60を注入した。この電解液60としては、0.1Mのヨウ化リチウム(LiI)、0.05Mのヨウ素(I2)、0.5Mの4−tert−ブチルピリジンおよび0.5Mのテトラブチルアンモニウムヨージド((C494NI)を含むアセトニトリル溶液を使用した。このようにして、全体の厚さが約2.37mmのセル1を構築した。このセル1は、第一アノード10とカソード50の間に形成された第一サブセル6と、第二アノード30とカソード50の間に形成された第二サブセル7とが、光の入射方向に対して前後に積み重なって(タンデムに)配置された構成を有する。カソード50および電解質60は、第一サブセル6と第二サブセル7とに共有されている。
As shown in FIG. 2, a first anode (N 3 sensitized anode (A)) 10 and a second anode (BD sensitized anode (a) are sandwiched between spacers 62 and 64 on both sides of a cathode (platinum mesh) 50. )) 30 was placed. The first anode 10 and the second anode 30 have the dye layers 20 and 40 inside (facing each other), and the position of the dye layer 20 and the position of the dye layer 40 when viewed from the light incident direction (cell thickness direction). And are arranged so as to match (overlap). As the spacers 62 and 64, a polytetrafluoroethylene film having a thickness of 50 μm formed with holes corresponding to the size (planar shape) of the dye layers 20 and 40 was used.
Then, the electrolytic solution 60 was injected into the space between the anodes 10 and 30. The electrolyte 60 includes 0.1 M lithium iodide (LiI), 0.05 M iodine (I 2 ), 0.5 M 4-tert-butylpyridine and 0.5 M tetrabutylammonium iodide (( An acetonitrile solution containing C 4 H 9 ) 4 NI) was used. In this way, a cell 1 having an overall thickness of about 2.37 mm was constructed. The cell 1 includes a first subcell 6 formed between the first anode 10 and the cathode 50 and a second subcell 7 formed between the second anode 30 and the cathode 50 with respect to the incident direction of light. And stacked in front and back (in tandem). The cathode 50 and the electrolyte 60 are shared by the first subcell 6 and the second subcell 7.

[出力特性の評価]
上記で得られたセル1の第一アノード10および第二アノード30をカソード50と電気的に接続することにより、第一サブセル6と第二サブセル7とを電気的に並列に接続した(図1参照)。そして、第一アノード10側(図2の左側)からソーラーシミュレータを用いて(ウシオ電機株式会社製品、機種名「ModuleX」を使用した。)AM1.5,光量100mW/cm2の模擬太陽光を照射し、ソースメータ(ケースレー社製品、機種名「Model 2400」を使用した。)により電流−電圧特性を測定した。得られた電流−電圧曲線から、セルの短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、フィルファクター(FF)およびエネルギー変換効率(η)を算出した。その結果、本例に係るセルの短絡電流密度(Jsc)は11.5mA/cm2であり、開放電圧(Voc)は0.70V、フィルファクター(FF)は0.49、エネルギー変換効率(η)は4.0%であった。
[Evaluation of output characteristics]
By electrically connecting the first anode 10 and the second anode 30 of the cell 1 obtained above with the cathode 50, the first subcell 6 and the second subcell 7 are electrically connected in parallel (FIG. 1). reference). Then, using a solar simulator from the first anode 10 side (left side in FIG. 2) (using Ushio Electric Co., Ltd. product, model name “Module X”), simulated sunlight with AM 1.5 and light quantity of 100 mW / cm 2 was used. Irradiation was performed, and current-voltage characteristics were measured with a source meter (a Keithley product, model name “Model 2400” was used). From the obtained current-voltage curve, the short circuit current density (J sc ), the open circuit voltage (V oc ), the fill factor (FF) and the energy conversion efficiency (η) of the cell were calculated. As a result, the short-circuit current density (Jsc) of the cell according to this example is 11.5 mA / cm 2 , the open circuit voltage (V oc ) is 0.70 V, the fill factor (FF) is 0.49, and the energy conversion efficiency ( η) was 4.0%.

<例2:N3増感アノードとBD増感アノードとを備えるセル>
上記例1に係るN3増感アノード(A)の作製と同様の手順により、導電性ガラス基板上に厚さ6μmのN3色素吸着TiO2膜(色素層)が5mm×5mmの範囲に形成されたN3増感アノード(B)を得た。また、厚さ約10μmのTiO2膜が形成されるようにペースト状組成物の塗布厚を調節した点以外は上記例1に係るBD増感アノード(a)の作製と同様にして、導電性ガラス基板上に厚さ10μmのBD吸着TiO2膜(色素層)が5mm×5mmの範囲に形成されたBD増感アノード(b)を得た。
上記N3増感アノード(B)を第一アノード(前面側)に用い、上記BD増感アノード(b)を第二アノード(背面側)に用いた点以外は例1と同様にしてセルを構築し、その出力特性を評価した。その結果、本例に係るセルの短絡電流密度(Jsc)は7.3mA/cm2であり、変換効率(η)は3.9%であった。また、同セルにつき、第二アノードとカソードとを接続する導電経路を遮断して第一アノード(第一サブセル)のみによる出力特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc)4.6mA/cm2、変換効率(η)3.1%であった。一方、第一アノードとカソードとを接続する導電経路を遮断して第二アノード(第二サブセル)のみによる出力特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc)2.2mA/cm2、変換効率(η)0.9%であった。
<Example 2: Cell comprising N 3 sensitized anode and BD sensitized anode>
A 6 μm thick N 3 dye-adsorbed TiO 2 film (dye layer) is formed in a range of 5 mm × 5 mm on a conductive glass substrate by the same procedure as the production of the N 3 -sensitized anode (A) according to Example 1 above. N 3 sensitized anode (B) was obtained. Further, except that the coating thickness of the paste-like composition was adjusted so that a TiO 2 film having a thickness of about 10 μm was formed, the same as the production of the BD sensitized anode (a) according to Example 1 above, A BD-sensitized anode (b) in which a BD-adsorbed TiO 2 film (dye layer) having a thickness of 10 μm was formed in a range of 5 mm × 5 mm on a glass substrate was obtained.
A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the N 3 sensitized anode (B) was used for the first anode (front side) and the BD sensitized anode (b) was used for the second anode (back side). It was constructed and its output characteristics were evaluated. As a result, the short-circuit current density (J sc ) of the cell according to this example was 7.3 mA / cm 2 , and the conversion efficiency (η) was 3.9%. Further, when the output characteristic of only the first anode (first subcell) was evaluated by blocking the conductive path connecting the second anode and the cathode, the short-circuit current density (J sc ) of 4.6 mA / cm. 2 and the conversion efficiency (η) was 3.1%. On the other hand, when the output characteristic of only the second anode (second subcell) was evaluated by cutting off the conductive path connecting the first anode and the cathode, the short-circuit current density (J sc ) was 2.2 mA / cm 2 and the conversion efficiency was (Η) 0.9%.

ここで、上記N3増感アノード(A)の作製と同様の手法によってTiO2膜にN3色素を吸着させる場合につき、該TiO2膜の厚さとN3色素の吸着量との関係を検討した結果を説明する。上記検討は、例1で使用したものと同じTiO2粒子を用いた場合および該TiO2粒子とは性状の異なるTiO2粒子を用いた場合について行った。 Here, the relationship between the thickness of the TiO 2 film and the adsorption amount of the N 3 dye was examined in the case where the N 3 dye was adsorbed on the TiO 2 film by the same method as the production of the N 3 sensitized anode (A). The results will be described. The study, the case and the TiO 2 particles used the same TiO 2 particles as used in Example 1 was performed in the case of using a different TiO 2 particles properties.

すなわち、例1で使用したものと同じ酸化チタン粒子(商品名「PST−18NR」)を使用して、上記N3増感アノード(A)の作製と同様の手法により、導電性ガラス基板上にN3色素吸着TiO2膜(色素層)を有する複数のサンプルを作製した。このとき、上記ペースト状組成物の塗布量を調節することにより、各サンプルの有する上記色素層の厚さを凡そ3〜15μmの範囲で異ならせた。これらPST−18NRを用いて形成された色素層の比表面積は、いずれも72m2/g程度であった。
また、直径30nmの酸化チタン粒子(Degussa社製品、商品名「AWROXIDE(商標)TiO2 P25」を使用した。以下、これを「P25」と標記することもある。)を含むペースト状組成物を使用して、上記N3増感アノード(A)の作製と同様の手法により、導電性ガラス基板上にN3色素吸着TiO2膜(色素層)を有する複数のサンプルを作製した。このとき、上記ペースト状組成物の塗布量を調節することにより、各サンプルの有する上記色素層の厚さを凡そ6〜20μmの範囲で異ならせた。これらP25を用いて形成された色素層の比表面積は49〜50m2/g程度であった。
That is, using the same titanium oxide particles (trade name “PST-18NR”) as used in Example 1, on the conductive glass substrate by the same method as the production of the N 3 sensitized anode (A). A plurality of samples having an N 3 dye-adsorbing TiO 2 film (dye layer) was prepared. At this time, by adjusting the application amount of the paste composition, the thickness of the dye layer of each sample was varied in the range of about 3 to 15 μm. The specific surface areas of the dye layers formed using these PST-18NRs were all about 72 m 2 / g.
In addition, a paste-like composition containing titanium oxide particles having a diameter of 30 nm (Degussa product, trade name “AWROXIDE (trademark) TiO 2 P25”. This may also be referred to as “P25” hereinafter). A plurality of samples having an N 3 dye-adsorbing TiO 2 film (dye layer) on a conductive glass substrate were prepared in the same manner as in the preparation of the N 3 sensitized anode (A). At this time, the thickness of the dye layer of each sample was varied in the range of about 6 to 20 μm by adjusting the coating amount of the paste composition. The specific surface area of the dye layer formed using P25 was about 49 to 50 m 2 / g.

これらのサンプルに吸着されたN3色素の量(色素吸着量)を測定した。該測定は、各サンプルを0.1M濃度の水酸化カリウム水溶液に浸漬して色素を脱着させた後、該水酸化カリウム水溶液の色素濃度を比色法で求めることにより行った。
各サンプルの色素層に吸着されたN3色素の量(色素吸着量[mol/cm2])を該色素層の厚さに対してプロットした結果を図3に示す。図3中、白丸で示されたプロットは酸化チタン粒子としてPST−18NRを用いたサンプルに係るデータであり、黒丸で示されたプロットは酸化チタン粒子としてP25を用いたサンプルに係るデータである。この図から判るように、いずれの酸化チタン粒子を用いた場合にも、それら酸化チタンの種類毎に、色素層の厚さ(膜厚)と色素吸着量との間には概ね比例関係が認められた。また、より平均粒径の小さい(より比表面積の大きな色素層を形成し得る)PST−18NRを用いたサンプルは、P25を用いたサンプルに比べて、同程度の膜厚においてより多くの色素を吸着し得ることが判る。
The amount of N 3 dye adsorbed on these samples (dye adsorption amount) was measured. The measurement was performed by immersing each sample in a 0.1M aqueous potassium hydroxide solution to desorb the dye, and then determining the dye concentration of the aqueous potassium hydroxide solution by a colorimetric method.
FIG. 3 shows the result of plotting the amount of N 3 dye adsorbed on the dye layer of each sample (dye adsorption amount [mol / cm 2 ]) against the thickness of the dye layer. In FIG. 3, the plots indicated by white circles are data relating to samples using PST-18NR as titanium oxide particles, and the plots indicated by black circles are data relating to samples using P25 as titanium oxide particles. As can be seen from this figure, regardless of which titanium oxide particles are used, there is a generally proportional relationship between the dye layer thickness (film thickness) and the dye adsorption amount for each type of titanium oxide. It was. In addition, a sample using PST-18NR having a smaller average particle diameter (which can form a dye layer having a larger specific surface area) has more dye at a comparable film thickness than a sample using P25. It can be seen that it can be adsorbed.

<例3:BD増感アノードとN3増感アノードとを備えるセル>
例2で作製したセルにつき、該セルのBD増感アノード(b)側から上記模擬太陽光を照射して、該セルの出力特性を測定した。すなわち、ここで評価したセルでは、BD増感アノード(b)が第一アノード(前面側)として、N3増感アノード(B)が第二アノード(背面側)として用いられている。その結果、本例に係るセルの短絡電流密度(Jsc)は6.5mA/cm2、変換効率(η)は2.9%であった。また、同セルにつき、第二アノードとカソードとを接続する導電経路を遮断して第一アノードのみによる出力特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc)6.2mA/cm2、変換効率(η)2.6%であった。一方、第一アノードとカソードとを接続する導電経路を遮断して第二アノードのみによる出力特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc)0.7mA/cm2、変換効率(η)0.5%であった。
<Example 3: cell and a BD-sensitized anode and N 3 sensitization anode>
The cell produced in Example 2 was irradiated with the simulated sunlight from the BD-sensitized anode (b) side of the cell, and the output characteristics of the cell were measured. That is, in the cell evaluated here, the BD sensitized anode (b) is used as the first anode (front side) and the N 3 sensitized anode (B) is used as the second anode (back side). As a result, the short-circuit current density (J sc ) of the cell according to this example was 6.5 mA / cm 2 and the conversion efficiency (η) was 2.9%. Further, when the output characteristics of only the first anode were evaluated by blocking the conductive path connecting the second anode and the cathode, the short-circuit current density (J sc ) of 6.2 mA / cm 2 and the conversion efficiency ( η) 2.6%. On the other hand, when the output characteristic of only the second anode was evaluated by cutting off the conductive path connecting the first anode and the cathode, the short-circuit current density (J sc ) 0.7 mA / cm 2 , the conversion efficiency (η) 0. It was 5%.

例2および例3に係るセルについて測定された出力特性を、各例に係るセルの第一アノードおよび第二アノードの概略構成とともに表1にまとめて示す。この表には、例2および例3に係るセルについて、第一アノードのみおよび第二アノードのみを用いて得られた出力特性を併せて示している。   The output characteristics measured for the cells according to Example 2 and Example 3 are shown together in Table 1 together with the schematic configurations of the first anode and the second anode of the cell according to each example. This table also shows the output characteristics obtained by using only the first anode and only the second anode for the cells according to Example 2 and Example 3.

Figure 2008053042
Figure 2008053042

表1に示されるように、個々のアノードを用いて得られた短絡電流密度および変換効率と、第一アノードおよび第二アノードの二つのアノードを用いて得られた短絡電流密度および変換効率との間には加成性が認められた。すなわち、例2に係るセルの短絡電流密度は、該セルの具備する二つのアノードのうち第一アノードのみを用いたときの短絡電流密度と第二アノードのみを用いたときの短絡電流密度との和とほぼ一致した。また、例2に係るセルの変換効率は、該セルの具備する二つのアノードのうち第一アノードのみを用いたときの効率および第二アノードのみを用いたときの効率との和とほぼ一致した。同様に、例3に係るセルの短絡電流密度および変換効率は、それぞれ、第一アノードのみを用いたときの測定値および第二アノードのみを用いたときの測定値との和とほぼ一致した。なお、例2に係るセルについて第一アノードのみを用いて測定された短絡電流密度および変換効率は、例2に係る第一アノード(N3増感アノード(B))と導電性ガラス基板上に白金膜を有するカソードとの間に電解質が充填された構成のセル(第二アノードを有しない。)の短絡電流密度および変換効率と同程度であった。これらの結果は、第一アノードに加えて第二アノードを有する構成とすることに伴って生じる不都合(例えば、第一アノードの性能が大きく低下する等)は特に認められないことを支持している。また、第二アノード(第二サブセル)により得られる性能(光電変換性能)は、第一アノード(第一サブセル)により得られる性能に対する追加分として、セル全体の性能向上に効果的に寄与し得ることを支持している。 As shown in Table 1, the short-circuit current density and conversion efficiency obtained using the individual anodes, and the short-circuit current density and conversion efficiency obtained using the two anodes, the first anode and the second anode, Additivity was observed between them. That is, the short-circuit current density of the cell according to Example 2 is the short-circuit current density when only the first anode is used among the two anodes of the cell and the short-circuit current density when only the second anode is used. Almost consistent with the sum. In addition, the conversion efficiency of the cell according to Example 2 was almost the same as the sum of the efficiency when only the first anode was used and the efficiency when only the second anode was used among the two anodes of the cell. . Similarly, the short-circuit current density and the conversion efficiency of the cell according to Example 3 were almost the same as the sum of the measured value when only the first anode was used and the measured value when only the second anode was used. In addition, the short circuit current density and conversion efficiency which were measured using only the first anode for the cell according to Example 2 were measured on the first anode (N 3 sensitized anode (B)) according to Example 2 and the conductive glass substrate. The short-circuit current density and the conversion efficiency of the cell (without the second anode) filled with the electrolyte between the cathode having the platinum film and the conversion efficiency were comparable. These results support that inconvenience (for example, the performance of the first anode is greatly reduced) caused by the configuration having the second anode in addition to the first anode is not particularly recognized. . Moreover, the performance (photoelectric conversion performance) obtained by the second anode (second subcell) can effectively contribute to the performance improvement of the entire cell as an addition to the performance obtained by the first anode (first subcell). I support that.

<例4:N3増感アノードを備えるセル>
厚さ約15μmのTiO2膜が形成されるようにペースト状組成物の塗布厚を調節した点以外は上記N3増感アノード(A)の作製と同様にして、導電性ガラス基板上に厚さ14.9μmのN3吸着TiO2膜(色素層)が5mm×5mmの範囲に形成されたN3増感アノード(C)を得た。また、表面にITO膜を有する導電性ガラス基板上に白金膜が設けられた構成のカソードを用意した。厚さ50μmのポリテトラフルオロエチレンフィルム(上記色素層に対応する形状の孔が形成されている。)をスペーサとして上記N3増感アノード(C)と上記カソードとを対向配置し、その間に例1〜3で用いたものと同じ電解質を充填した。このようにして、上記N3増感アノード(C)を単一のアノードとして備える(第二アノードに相当する構成要素を有しない)セルを構築した。該セルの出力特性を例1と同様に評価したところ、短絡電流密度(Jsc)は10.1mA/cm2であり、開放電圧(Voc)は0.74V、フィルファクター(FF)は0.56、エネルギー変換効率(η)は4.2%であった。
<Example 4: cells with N 3 sensitization anode>
Except that the coating thickness of the paste-like composition was adjusted so that a TiO 2 film having a thickness of about 15 μm was formed, a thickness was formed on the conductive glass substrate in the same manner as the preparation of the N 3 sensitized anode (A). Thus, an N 3 sensitized anode (C) in which an N 3 adsorption TiO 2 film (dye layer) of 14.9 μm was formed in a range of 5 mm × 5 mm was obtained. Also, a cathode having a structure in which a platinum film was provided on a conductive glass substrate having an ITO film on the surface was prepared. The N 3 sensitized anode (C) and the cathode are opposed to each other with a polytetrafluoroethylene film having a thickness of 50 μm (holes having a shape corresponding to the dye layer) as spacers. The same electrolyte as used in 1-3 was filled. In this way, a cell having the N 3 sensitized anode (C) as a single anode (having no component corresponding to the second anode) was constructed. When the output characteristics of the cell were evaluated in the same manner as in Example 1, the short-circuit current density (J sc ) was 10.1 mA / cm 2 , the open circuit voltage (V oc ) was 0.74 V, and the fill factor (FF) was 0. The energy conversion efficiency (η) was 4.2%.

<例5:BD増感アノードを備えるセル>
厚さ約15μmのTiO2膜が形成されるようにペースト状組成物の塗布厚を調節した点以外は上記BD増感アノード(a)の作製と同様にして、導電性ガラス基板上に厚さ13.5μmのBD吸着TiO2膜(色素層)が5mm×5mmの範囲に形成されたBD増感アノード(c)を得た。N3増感アノード(C)に代えて上記BD増感アノード(c)を用いた点以外は上記例4と同様にして、該BD増感アノード(c)を単一のアノードとして備えるセルを構築した。該セルの出力特性を例1と同様に評価したところ、短絡電流密度(Jsc)は6.1mA/cm2であり、開放電圧(Voc)は0.68V、フィルファクター(FF)は0.60、エネルギー変換効率(η)は2.5%であった。
<Example 5: Cell with BD sensitized anode>
Similar to the production of the BD sensitized anode (a) except that the coating thickness of the paste-like composition was adjusted so that a TiO 2 film having a thickness of about 15 μm was formed, the thickness was formed on the conductive glass substrate. A BD-sensitized anode (c) in which a 13.5 μm BD-adsorbed TiO 2 film (dye layer) was formed in a range of 5 mm × 5 mm was obtained. A cell comprising the BD sensitized anode (c) as a single anode in the same manner as in Example 4 except that the BD sensitized anode (c) was used instead of the N 3 sensitized anode (C). It was constructed. When the output characteristics of the cell were evaluated in the same manner as in Example 1, the short-circuit current density (J sc ) was 6.1 mA / cm 2 , the open circuit voltage (V oc ) was 0.68 V, and the fill factor (FF) was 0. The energy conversion efficiency (η) was 2.5%.

<例6:N3−BD混合色素増感アノードを備えるセル>
厚さ約15μmのTiO2膜が形成されるようにペースト状組成物の塗布厚を調節した点、および増感色素としてN3色素とブラックダイとの混合物を吸着させた点以外は上記N3増感アノード(A)の作製と同様にして、導電性ガラス基板上に厚さ16.2μmのN3−BD混合色素吸着TiO2膜(色素層)が5mm×5mmの範囲に形成されたN3−BD混合色素増感アノードを得た。上記吸着は、N3色素とブラックダイとを1:1の質量比で含む溶液を用いて行った。N3増感アノード(C)に代えて上記N3−BD混合色素増感アノードを用いた点以外は上記例4と同様にして、該N3−BD混合色素増感アノードを単一のアノードとして備えるセルを構築した。該セルの出力特性を例1と同様に評価したところ、短絡電流密度(Jsc)は4.1mA/cm2であり、開放電圧(Voc)は0.69V、フィルファクター(FF)は0.60、エネルギー変換効率(η)は1.7%であった。
<Example 6: N 3 cells with -BD mixture sensitized anode>
The above N 3 except that the coating thickness of the paste-like composition was adjusted so that a TiO 2 film having a thickness of about 15 μm was formed and a mixture of N 3 dye and black die was adsorbed as a sensitizing dye. Similar to the production of the sensitized anode (A), an N 3 -BD mixed dye adsorbing TiO 2 film (dye layer) having a thickness of 16.2 μm formed on a conductive glass substrate in a range of 5 mm × 5 mm A 3- BD mixed dye-sensitized anode was obtained. The adsorption was performed using a solution containing N 3 dye and black dye at a mass ratio of 1: 1. Except using anode sensitization the N 3 -BD dye mixture in place of N 3 sensitization anode (C) is in the same manner as in Example 4, a single anode the N 3 -BD mixed dye sensitized anode A cell was prepared as When the output characteristics of the cell were evaluated in the same manner as in Example 1, the short-circuit current density (J sc ) was 4.1 mA / cm 2 , the open circuit voltage (V oc ) was 0.69 V, and the fill factor (FF) was 0. The energy conversion efficiency (η) was 1.7%.

例1および例4〜6に係るセルについて測定された出力特性を、各例に係るセルの概略構成とともに表2にまとめて示す。また、例1および例4〜6に係るセルについて測定された電流−電圧曲線を図4に示す。   The output characteristics measured for the cells according to Example 1 and Examples 4 to 6 are shown together in Table 2 together with the schematic configuration of the cells according to each example. Moreover, the current-voltage curve measured about the cell which concerns on Example 1 and Examples 4-6 is shown in FIG.

Figure 2008053042
Figure 2008053042

表2および図4に示されるように、例1に係るセル(N3増感アノード(A)を有する第一サブセルとBD増感アノード(a)を有する第二サブセルとがこの順に積み重なって且つ電気的に並列に接続された構成を備える。)によると、第一色素層の厚さ6μmにおいて、この第一色素層に相当する位置に二倍以上(14.9μm)の厚さの色素層が配置された例4に係るセルに匹敵する短絡電流密度および変換効率が得られた。この結果は、例えば例1に係るセル構成におけるN3増感アノード(A)を例4で用いたN3増感アノード(C)に置き換えたセルによれば、例4の特性を大きく上回る性能(短絡電流密度、変換効率等)が実現され得ることを示すものである。 As shown in Table 2 and FIG. 4, a cell according to Example 1 (a first subcell having an N 3 sensitized anode (A) and a second subcell having a BD sensitized anode (a) are stacked in this order, and According to the present invention, when the thickness of the first dye layer is 6 μm, the dye layer is more than twice (14.9 μm) thick at the position corresponding to the first dye layer. A short-circuit current density and conversion efficiency comparable to those of the cell according to Example 4 in which is arranged. This result shows that, for example, according to the cell in which the N 3 sensitized anode (A) in the cell configuration according to Example 1 is replaced with the N 3 sensitized anode (C) used in Example 4, the performance greatly exceeds the characteristics of Example 4. (Short-circuit current density, conversion efficiency, etc.) can be realized.

また、表1に示されている例3に係るセル(BD増感アノード(b)を有する第一サブセルとN3増感アノード(B)を有する第二サブセルとがこの順に積み重なって且つ電気的に並列に接続された構成を備える。)の特性と表2中の例5に係るセルの特性との比較から判るように、例3に係るセルによると、第一色素層の厚さ10μmにおいて、この第一色素層に相当する位置により厚い色素層(13.5μm)が配置された例5に係るセルをも上回る短絡電流密度および変換効率が得られた。この結果は、例えば例3に係るセル構成におけるBD増感アノード(b)を例5で用いたBD増感アノード(c)に置き換えた構成のセルによれば、例5の特性をさらに大きく上回る性能(短絡電流密度、変換効率等)が実現され得ることを示すものである。
なお、一つの色素層にN3色素とBDとを混合状態で保持された例6に係るセルの性能(短絡電流密度、変換効率等)は、各色素を有する色素層を第一アノードおよび第二アノード上に分離して設けた例1〜3に係るセルに比べて明らかに劣るものであった。
Further, the cells according to Example 3 shown in Table 1 (the first subcell having the BD sensitized anode (b) and the second subcell having the N 3 sensitized anode (B) are stacked in this order and are electrically As can be seen from a comparison between the characteristics of the cell according to Example 5 in Table 2 and the cell according to Example 3, the thickness of the first dye layer is 10 μm. Further, the short-circuit current density and the conversion efficiency exceeding that of the cell according to Example 5 in which the thick dye layer (13.5 μm) was arranged at the position corresponding to the first dye layer were obtained. This result is, for example, much higher than the characteristics of Example 5 in the cell having the configuration in which the BD sensitized anode (b) in the cell configuration according to Example 3 is replaced with the BD sensitized anode (c) used in Example 5. It shows that performance (short circuit current density, conversion efficiency, etc.) can be realized.
Note that the performance (short circuit current density, conversion efficiency, etc.) of the cell according to Example 6 in which the N 3 dye and BD are held in a mixed state in one dye layer is the same as that of the first anode and the first dye layer. It was clearly inferior to the cells according to Examples 1 to 3 provided separately on the two anodes.

一実施態様に係る色素増感太陽電池の構成および作動を示す模式的説明図である。It is typical explanatory drawing which shows the structure and operation | movement of a dye-sensitized solar cell which concern on one embodiment. 例1〜3に係るセルの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the cell which concerns on Examples 1-3. 色素層の厚さと色素吸着量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness of a pigment | dye layer, and pigment | dye adsorption amount. 例1および例4〜6に係るセルの電流−電圧特性を示すチャートである。It is a chart which shows the current-voltage characteristic of the cell which concerns on Example 1 and Examples 4-6. 従来の色素増感太陽電池の構成および作動を示す模式的説明図である。It is typical explanatory drawing which shows the structure and operation | movement of the conventional dye-sensitized solar cell.

符号の説明Explanation of symbols

1:色素増感太陽電池(セル)
10:第一アノード
20:第一色素層
24:第一増感色素
30:第二アノード
40:第二色素層
44:第二増感色素
50:カソード
60:電解質
70:導電経路
1: Dye-sensitized solar cell (cell)
10: First anode 20: First dye layer 24: First sensitizing dye 30: Second anode 40: Second dye layer 44: Second sensitizing dye 50: Cathode 60: Electrolyte 70: Conductive path

Claims (9)

グレッツェル・セル型の色素増感太陽電池であって:
第一増感色素が保持された第一色素層を備えた透光性の第一アノード;
前記第一増感色素とは異なる第二増感色素が保持された第二色素層を備え、光の入射方向に対して前記第一アノードよりも後側に且つ該入射方向からみて前記第一色素層と前記第二色素層とが重なり合うように配置された第二アノード;
前記光の入射方向からみて前記第一アノードと前記第二アノードとの間に配置され、それらのアノードと電気的に接続された透光性のカソード;および、
前記第一アノード、前記第二アノードおよび前記カソードの間に充填された電解質;
を含む、色素増感太陽電池。
A Gretzel cell type dye-sensitized solar cell:
A translucent first anode comprising a first dye layer carrying a first sensitizing dye;
A second dye layer on which a second sensitizing dye different from the first sensitizing dye is held; the first dye layer being behind the first anode with respect to the light incident direction and viewed from the incident direction; A second anode arranged such that the dye layer and the second dye layer overlap;
A translucent cathode disposed between the first anode and the second anode as viewed from the direction of incidence of the light and electrically connected to the anode; and
An electrolyte filled between the first anode, the second anode and the cathode;
A dye-sensitized solar cell comprising:
前記第一増感色素および前記第二増感色素のうち、一方はN3色素であり、他の一方はブラックダイである、請求項1に記載の太陽電池。 2. The solar cell according to claim 1, wherein one of the first sensitizing dye and the second sensitizing dye is an N 3 dye and the other is a black die. 前記第一増感色素がN3色素であり、前記第二増感色素がブラックダイである、請求項2に記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 2, wherein the first sensitizing dye is an N 3 dye and the second sensitizing dye is a black die. 前記第一色素層および前記第二色素層の厚さがいずれも20μm以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の太陽電池。   4. The solar cell according to claim 1, wherein each of the first dye layer and the second dye layer has a thickness of 20 μm or less. 前記第一色素層と前記第二色素層との合計厚さが10〜40μmである、請求項4に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 4, wherein the total thickness of the first dye layer and the second dye layer is 10 to 40 μm. 前記カソードは導電性を有する網状部材である、請求項1から5のいずれか一項に記載の太陽電池。   The solar cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the cathode is a mesh member having conductivity. 前記第二アノードは、前記光の入射方向に対して後側に光反射用の金属膜を備え、少なくとも該金属膜よりも前記入射方向側の部分は透光性を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の太陽電池。   The second anode includes a metal film for light reflection on the rear side with respect to the incident direction of the light, and at least a portion on the incident direction side of the metal film has translucency. The solar cell as described in any one of these. 前記第一色素層は、平均粒径10〜40nmの酸化チタン粒子を焼成して成る多孔質層に前記第一増感色素を保持させたものであり、
前記第二色素層は、平均粒径100〜1000nmの酸化チタン粒子を焼成して成る多孔質層に前記第二増感色素を保持させたものである、請求項1から7のいずれか一項に記載の太陽電池。
The first dye layer is obtained by holding the first sensitizing dye in a porous layer formed by firing titanium oxide particles having an average particle diameter of 10 to 40 nm.
The said 2nd pigment | dye layer hold | maintains said 2nd sensitizing pigment | dye to the porous layer formed by baking the titanium oxide particle with an average particle diameter of 100-1000 nm, Any one of Claim 1 to 7 The solar cell as described in.
前記第一色素層は、平均粒径15〜25nmの酸化チタン粒子を焼成して成る比表面積60〜80m2/gの多孔質層に、該多孔質層1cm2当たり5×10-8mol以上の前記第一色素を保持させたものである、請求項1から8のいずれか一項に記載の太陽電池。
The first dye layer is a porous layer having a specific surface area of 60 to 80 m 2 / g obtained by firing titanium oxide particles having an average particle diameter of 15 to 25 nm, and 5 × 10 −8 mol or more per 1 cm 2 of the porous layer. The solar cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the first dye is retained.
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