JP2008077924A - Photoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置に関し、特に、透明電極を備える光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a photoelectric conversion device including a transparent electrode.
近年のエネルギー問題および環境問題を解決する手段として、太陽電池に代表される光電変換装置が注目を集めている。この光電変換装置の中でも、特に、色素増感太陽電池は、製造工程において、高温処理する必要がなかったり、真空装置内の処理を行う必要がなかったり、不足しているシリコン基板を用いる必要がないことから、製造コストが低減された安価な太陽電池として期待が高まっている。この色素増感太陽電池は、ガラス等の透明基板に酸化錫等の透明導電膜を形成した後、酸化チタン等の半導体微粒子を形成し、この半導体微粒子にルテニウム錯体色素を担持させ、白金等を形成した対向電極を貼り合わせることによって製造される(例えば、非特許文献1及び特許文献1参照)。 As means for solving energy problems and environmental problems in recent years, photoelectric conversion devices represented by solar cells have attracted attention. Among the photoelectric conversion devices, in particular, the dye-sensitized solar cell does not need to be subjected to high temperature processing in the manufacturing process, does not need to perform processing in the vacuum device, or needs to use a deficient silicon substrate. Therefore, there is an increasing expectation for an inexpensive solar cell with reduced manufacturing costs. In this dye-sensitized solar cell, a transparent conductive film such as tin oxide is formed on a transparent substrate such as glass, and then semiconductor fine particles such as titanium oxide are formed. It is manufactured by bonding the formed counter electrode (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).
上記色素増感太陽電池は、電解質中に溶解した色素分子が光を吸収することにより色素分子の電子が励起され、この励起された電子が酸化チタン電極中に注入されるという原理であり、酸化チタン等の半導体微粒子にルテニウム錯体色素を担持させた後に電解質が注入されることにより製造される。 The dye-sensitized solar cell is based on the principle that dye molecules dissolved in an electrolyte absorb light to excite the electrons of the dye molecules, and the excited electrons are injected into the titanium oxide electrode. It is manufactured by injecting an electrolyte after supporting a ruthenium complex dye on semiconductor fine particles such as titanium.
また、上記色素増感太陽電池において、ガラス基板上に酸化錫膜から成る透明導電膜が透明電極として光が入射する側に設けられている。 In the dye-sensitized solar cell, a transparent conductive film made of a tin oxide film is provided on a glass substrate on the side where light enters as a transparent electrode.
さらに、透明導電膜及び半導体微粒子間に下引き層を形成した光電変換素子が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、酸化錫膜のみを透明電極として用いた場合に、光を吸収することにより励起された色素分子の電子が、酸化チタン等の半導体微粒子を通って酸化錫膜に移動した後に、電解質液に接した酸化錫膜の表面から電解質液側に逆電子移動を起こして、得られる電力を低減してしまうという問題があった。 However, when only the tin oxide film is used as the transparent electrode, the electrons of the dye molecules excited by absorbing light move to the tin oxide film through the semiconductor fine particles such as titanium oxide, and then into the electrolyte solution. There has been a problem that reverse electron transfer is caused from the surface of the contacted tin oxide film to the electrolyte solution side to reduce the electric power obtained.
透明導電膜と半導体微粒子との間に下引き層を形成することにより上記問題を解決することもできるが、特許文献2において提案されている光電変換素子によっては十分に高い光電変換効率を得ることができなかった。 Although the above problem can be solved by forming an undercoat layer between the transparent conductive film and the semiconductor fine particles, a sufficiently high photoelectric conversion efficiency can be obtained depending on the photoelectric conversion element proposed in Patent Document 2. I could not.
本発明の目的は、透明電極からの逆電子移動を防ぐと共に光電変換効率を向上することができる光電変換装置を提供することにある。 The objective of this invention is providing the photoelectric conversion apparatus which can improve the photoelectric conversion efficiency while preventing the reverse electron transfer from a transparent electrode.
上述の目的を達成するために、請求項1記載の光電変換装置は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜、及び、前記透明導電膜上に形成され、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)の群から選択される少なくとも1つから成る酸化物膜を有する透明電極とを備える光電変換装置であって、前記酸化物膜は膜厚が0.4〜70nmであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a photoelectric conversion device according to claim 1 is formed on a glass substrate, a transparent conductive film mainly made of tin oxide formed on the glass substrate, and the transparent conductive film. A transparent electrode having an oxide film made of at least one selected from the group consisting of niobium oxide (Nb 2 O 5 ), magnesium oxide (MgO), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ). The oxide film has a thickness of 0.4 to 70 nm.
請求項2記載の光電変換装置は、請求項1記載の光電変換装置において、前記酸化物膜は膜厚が3〜5nmの酸化ニオブ(Nb2O5)から成ることを特徴とする。 The photoelectric conversion device according to claim 2 is the photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the oxide film is made of niobium oxide (Nb 2 O 5 ) having a thickness of 3 to 5 nm.
請求項3記載の光電変換装置は、請求項2記載の光電変換装置において、光電変換効率が4.4%以上であることを特徴とする。
The photoelectric conversion device according to
請求項4記載の光電変換装置は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光電変換装置において、前記光電変換装置は色素増感太陽電池であることを特徴とする。 The photoelectric conversion device according to claim 4 is the photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the photoelectric conversion device is a dye-sensitized solar cell.
請求項1記載の光電変換装置によれば、ガラス基板と、ガラス基板上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜、及び、透明導電膜上に形成され、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)の群から選択される少なくとも1つから成る酸化物膜を有する透明電極とを備え、酸化物膜は膜厚が0.4〜70nmであるので、透明導電膜への電子の移動を妨げることなく、透明導電膜から電解質液側への逆電子移動を防ぐことができ、もって光電変換効率を向上することができる。 According to the photoelectric conversion device of claim 1, a glass substrate, a transparent conductive film mainly made of tin oxide formed on the glass substrate, and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) formed on the transparent conductive film. And a transparent electrode having an oxide film made of at least one selected from the group consisting of magnesium oxide (MgO) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the oxide film having a thickness of 0.4 to 70 nm Therefore, the reverse electron transfer from the transparent conductive film to the electrolyte solution side can be prevented without hindering the movement of electrons to the transparent conductive film, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
請求項2記載の光電変換装置によれば、酸化物膜は膜厚が3〜5nmの酸化ニオブ(Nb2O5)から成るので、光電変換効率を4.4%以上に向上することができる。 According to the photoelectric conversion device of claim 2, since the oxide film is made of niobium oxide (Nb 2 O 5 ) having a thickness of 3 to 5 nm, the photoelectric conversion efficiency can be improved to 4.4% or more. .
本明細書において、用語「主として」とは50重量%以上を占めることを意味する。 In the present specification, the term “mainly” means 50% by weight or more.
以下、本発明の実施の形態に係る光電変換装置を図面を参照しながら詳述する。 Hereinafter, a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る光電変換装置としての色素増感太陽電池の構成を概略的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a dye-sensitized solar cell as a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
図1において、色素増感太陽電池100は、大きさ5cm角、厚さ3mmの板状の透明な2枚のソーダライムガラス基板10a,10bと、各ガラス基板10a,10bの上に形成された厚さ750nmのフッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜20a,20bと、透明導電膜20a上に形成された酸化ニオブ(Nb2O5)膜25と、酸化ニオブ(Nb2O5)膜25上に形成された酸化チタンから成る半導体微粒子層30と、半導体微粒子層30上に形成された電解質液40と、透明導電膜20b及び電解質液40間に形成された白金から成る対向電極50とを備える。上記透明導電膜20a及び酸化ニオブ(Nb2O5)膜25が透明電極60を形成する。なお、板ガラス製造ライン上でガラス基板10a,10bを形成すると同時に,ガラスリボンのもつ熱エネルギーを利用して成膜を行うオンラインCVD法により、ガラス基板10a,10b上に透明導電膜20a,20bを形成することが好ましい。これにより、大面積のガラスへの生産性よく透明導電膜20a,20bを形成することができる。
In FIG. 1, a dye-sensitized
透明導電膜20a上に形成された酸化ニオブ(Nb2O5)膜25の替わりに、酸化マグネシウム(MgO)又は酸化アルミニウム(Al2O3)から成る被膜を用いてもよい。ここで、酸化ニオブ(Nb2O5)膜25、酸化マグネシウム(MgO)膜、又は酸化アルミニウム(Al2O3)膜は、膜厚が0.4〜70nmの範囲内であることが好ましい。即ち、これらの酸化ニオブ(Nb2O5)膜25、酸化マグネシウム(MgO)膜、又は酸化アルミニウム(Al2O3)膜の膜厚が0.4nm以上であれば、被膜が十分に形成され、逆電子移動を防止する効果がより確実となる。一方、これらの酸化ニオブ(Nb2O5)膜25、酸化マグネシウム(MgO)膜、又は酸化アルミニウム(Al2O3)膜の膜厚が70nm以下であれば、酸化チタンから成る半導体微粒子層30を経由してきた電子を、より確実に、フッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜20a側に移動することができ、もって電力をより十分に得ることができる。
Instead of the niobium oxide (Nb 2 O 5 )
上記酸化ニオブ(Nb2O5)膜25、酸化マグネシウム(MgO)膜、又は酸化アルミニウム(Al2O3)膜の形成方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学的堆積法(CVD法)、スプレーパイロリシス法等が挙げられる。
As a method for forming the niobium oxide (Nb 2 O 5 )
フッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜20a,20bは、電極として用いることができるという観点から、シート抵抗は1〜500Ω/□の範囲であることが望ましい。また、透明導電膜20a,20bの膜厚としては10〜2000nmの範囲内であることが好ましい。透明導電膜20a,20bの膜厚が10nm以上であれば、より十分に低いシート抵抗が得られ、透明導電膜20a,20bの膜厚が2000nm以下であれば、透明導電膜20a,20bの光吸収がより十分に低くなって光の透過率が十分に高くなるので、半導体微粒子層30における半導体微粒子に担持された色素に十分に光が届くようになる。
From the viewpoint that the transparent
また、酸化チタンから成る半導体微粒子層30の厚さとしては1000〜50000nmの範囲内であることが好ましい。半導体微粒子層30の厚さが1000nm以上であれば、半導体微粒子に担持された色素の量が十分に多いので、電子が十分に発生する。一方、半導体微粒子層30の厚みが50000nm以下であれば、より生産性が高くなる。
The thickness of the semiconductor
本実施の形態によれば、ガラス基板10と、ガラス基板10上に形成された主として酸化錫から成る透明導電膜20a、及び、透明導電膜20a上に形成された上に形成された酸化ニオブ(Nb2O5)膜25を有する透明電極60とを備え、酸化ニオブ膜25は膜厚が0.4〜70nmであるので、酸化チタンから成る半導体微粒子層30から透明導電膜20aへの電子の移動を妨げることなく、透明導電膜20aから電解質液40側への逆電子移動を防ぐことができ、もって光電変換効率を向上することができる。
According to the present embodiment, the glass substrate 10, the transparent
本実施の形態では、ガラス基板10a,10bとしてソーダライムガラスを用いているが、これに限定されるものではなく、低アルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等を用いてもよい。
In the present embodiment, soda lime glass is used as the
本実施の形態では、ガラス基板10aの上にフッ素添加の酸化錫から成る透明導電膜20aが形成されているが、これに限定されるものではなく、ガラス基板10aと透明導電膜20aとの間にアルカリバリア膜としての酸化シリコン膜を設けてもよい。この酸化シリコン膜は5〜100nmの範囲内であることが好ましい。酸化シリコン膜の膜厚が5nm以上であればアルカリバリア性能がより確実であり、酸化シリコン膜の膜厚が100nm以下であれば生産性が良くなる。
In the present embodiment, the transparent
本実施の形態では、光電変換装置として色素増感太陽電池100を用いているが、これに限定されるものではなく、アモルファスSi、微結晶Si等の薄膜シリコン太陽電池を用いてもよい。
In this embodiment, the dye-sensitized
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
(実施例1)
本発明者は、まず、厚さ3mmの板状の透明なソーダライムガラス基板を準備し、このソーダライムガラス基板上に厚さ30nmの酸化シリコン膜を熱CVD法により形成し、この酸化シリコン膜上に厚さ750nmのフッ素添加酸化錫膜を熱CVD法により形成し、このフッ素添加酸化錫膜上に厚さ3nmの酸化ニオブ(Nb2O5)膜をスパッタリング法(Ar及びO2がモル比で4:1の混合ガスを使用、圧力0.5Pa、電力50W)により形成し、この酸化ニオブ(Nb2O5)膜上にSolaronix製の酸化チタンから成る厚さ5500nmの酸化チタン微粒子層を形成し、酸化チタン微粒子にZ−907色素を沈着させ、モル比が1:0.5のプロピルメチルイミダゾリウムアイオダイド(PMImI)及びエチルメチルイミダゾリウムジシアノアミド (EMIm−DCA)、0.5モルのヨウ素(I2)、0.5モルのtert-ブチルピリジン(TBP)、及び0.1モルのヨウ化リチウムから成る電解質液で構成される層を形成し、この電解質液で構成される層に、ソーダライムガラス基板、ソーダライムガラス基板上に形成された酸化錫膜、及び酸化錫膜の上に形成された白金から成る対向電極を貼り合せて、色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性(開放電圧、短絡電流、曲線因子、変換効率)及びセル面積を図2に実施例1として示す。
(Example 1)
The inventor first prepared a plate-shaped transparent soda lime glass substrate having a thickness of 3 mm, and formed a silicon oxide film having a thickness of 30 nm on the soda lime glass substrate by a thermal CVD method. A fluorine-added tin oxide film having a thickness of 750 nm is formed thereon by a thermal CVD method, and a niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film having a thickness of 3 nm is formed on the fluorine-added tin oxide film by a sputtering method (Ar and O 2 are in a molar ratio). A 4: 1 ratio gas mixture, pressure 0.5 Pa, power 50 W), and a titanium oxide fine particle layer having a thickness of 5500 nm made of Solaronix titanium oxide on the niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film. Z-907 dye is deposited on titanium oxide fine particles, and propylmethylimidazolium iodide (PMImI) and ethyl having a molar ratio of 1: 0.5 are formed. Chill imidazolium dicyanamide (EMIm-DCA), 0.5 mole of iodine (I 2), 0.5 mol of tert- butylpyridine (TBP), and composed of an electrolyte solution consisting of 0.1 moles of lithium iodide A counter electrode comprising a soda lime glass substrate, a tin oxide film formed on the soda lime glass substrate, and platinum formed on the tin oxide film. Were bonded together to obtain a dye-sensitized solar cell. The output characteristics (open-circuit voltage, short-circuit current, fill factor, conversion efficiency) and cell area of the obtained dye-sensitized solar cell are shown as Example 1 in FIG.
(実施例2)
酸化ニオブ(Nb2O5)膜の膜厚を5nmとした以外は実施例1と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図2に実施例2として示す。
(Example 2)
A dye-sensitized solar cell was obtained which was the same as Example 1 except that the thickness of the niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film was 5 nm. The output characteristics and cell area of the obtained dye-sensitized solar cell are shown in FIG.
(実施例3)
膜厚3nmの酸化ニオブ(Nb2O5)膜の替わりに膜厚7nmの酸化マグネシウム(MgO)膜を用いた以外は実施例1と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図2に実施例3として示す。
(Example 3)
A dye-sensitized solar cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that a 7 nm-thick magnesium oxide (MgO) film was used instead of the 3 nm-thick niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film. The output characteristics and cell area of the obtained dye-sensitized solar cell are shown in FIG.
(実施例4)
膜厚3nmの酸化ニオブ(Nb2O5)膜の替わりに膜厚0.4nmの酸化アルミニウム(Al2O3)膜を用いた以外は実施例1と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図2に実施例4として示す。
Example 4
A dye-sensitized solar cell is obtained which is the same as that of Example 1 except that a 0.4 nm-thick aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film is used instead of the 3 nm-thick niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film. It was. The output characteristics and cell area of the obtained dye-sensitized solar cell are shown as Example 4 in FIG.
(比較例1)
酸化ニオブ(Nb2O5)膜を形成せずに、フッ素添加酸化錫膜に酸化チタン微粒子層を直接形成した以外は実施例1と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図2に比較例1として示す。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell was obtained which was the same as in Example 1 except that the titanium oxide fine particle layer was directly formed on the fluorine-added tin oxide film without forming the niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film. The output characteristics and cell area of the obtained dye-sensitized solar cell are shown as Comparative Example 1 in FIG.
(比較例2)
酸化ニオブ(Nb2O5)膜の膜厚を80nmとした以外は実施例1と同じである色素増感太陽電池を得た。得られた色素増感太陽電池の出力特性及びセル面積を図2に比較例2として示す。
(Comparative Example 2)
A dye-sensitized solar cell was obtained which was the same as Example 1 except that the thickness of the niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film was 80 nm. The output characteristics and cell area of the obtained dye-sensitized solar cell are shown in FIG.
図2より、膜厚が0.4〜70nmの範囲内である酸化ニオブ(Nb2O5)膜、酸化マグネシウム(MgO)膜、又は酸化アルミニウム(Al2O3)膜を酸化物膜として用いると、開放電圧を691mV以上、短絡電流を8.00mA以上、光電変換効率を3.78%以上にすることができることが分かった。特に、膜厚が3〜5nmの範囲内である酸化ニオブ(Nb2O5)膜を酸化物膜として用いると、開放電圧を710mV以上、短絡電流を9.22mA以上、変換効率を4.46(%)以上にすることができることが分かった。 As shown in FIG. 2, a niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film, a magnesium oxide (MgO) film, or an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film having a thickness in the range of 0.4 to 70 nm is used as the oxide film. It was found that the open circuit voltage can be 691 mV or more, the short circuit current can be 8.00 mA or more, and the photoelectric conversion efficiency can be 3.78% or more. In particular, when a niobium oxide (Nb 2 O 5 ) film having a thickness of 3 to 5 nm is used as the oxide film, the open circuit voltage is 710 mV or more, the short circuit current is 9.22 mA or more, and the conversion efficiency is 4.46. It turned out that it can be made more than (%).
10a ガラス基板
10b ガラス基板
20a 透明導電膜
20b 透明導電膜
25 酸化ニオブ(Nb2O5)膜
30 半導体微粒子層
40 電解質液
50 対向電極
60 透明電極
100 色素増感太陽電池
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