JP2008084829A - Manufacturing method of dye sensitized solar battery, and dye sensitized solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐久性が高められて長期に亘り高いエネルギー変換効率を保持できるようになされた色素増感型太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell that has improved durability and can maintain high energy conversion efficiency over a long period of time.
一般に用いられる色素増感型太陽電池としては、例えば金属の無機酸塩溶液に、導電性表面の基板を浸漬し、電気化学的手法により、1〜100m2/gの比表面積の多孔性光電変換半導体層を導電性の表面上に形成し、金属の無機酸塩溶液が、水溶性色素を含み、電気化学的手法により、水溶性色素が表面に担持された多孔性光電変換半導体層を形成する多孔性光電変換半導体層の作製方法、及びその作製方法により形成した多孔性光電変換半導体層を用いた色素増感型太陽電池が開示されている(例えば特許文献1)。 As a commonly used dye-sensitized solar cell, for example, a porous photoelectric conversion semiconductor having a specific surface area of 1 to 100 m <2> / g is obtained by immersing a conductive surface substrate in a metal inorganic acid salt solution and using an electrochemical method. A layer is formed on a conductive surface, a metal inorganic acid salt solution contains a water-soluble dye, and a porous photoelectric conversion semiconductor layer having a water-soluble dye supported on the surface is formed by an electrochemical method. A method for producing a photosensitive photoelectric conversion semiconductor layer and a dye-sensitized solar cell using a porous photoelectric conversion semiconductor layer formed by the production method are disclosed (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載のような従来の色素増感型太陽電池では、多孔性光電変換半導体層に担持された増感色素が最適量となされていない場合には、使用中に半導体層から増感色素が電解液に流出し、流出した増感色素により電解液による円滑な電子の流れが阻害される恐れがあり、長期に亘り高いエネルギー変換効率を保持できにくいものであった。
However, in the conventional dye-sensitized solar cell as described in
本発明は上記の如き課題に鑑みてなされたものであり、長期に亘り電解液における円滑な電子の流れを確保し、高いエネルギー変換効率を保持することができる色素増感型太陽電池の製造方法、及び色素増感型太陽電池を提供せんとするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and a method for producing a dye-sensitized solar cell that can ensure a smooth flow of electrons in an electrolyte and maintain high energy conversion efficiency over a long period of time. And a dye-sensitized solar cell.
上記目的を達成するため、本発明は以下のような構成としている。すなわち、本発明に係わる色素増感型太陽電池の製造方法は、透明基材の第一の導電性被膜上に形成した半導体層に増感色素を担持させて形成した光電極層を、対向基材の第二の導電性被膜と相対向させて配置し、該光電極層と第二の導電性被膜との間の空間に電解質を含む電解液を充填する色素増感型太陽電池の製造方法であって、前記電解液を用いて光電極層を洗浄し、該洗浄後に新たに電解液を充填することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. That is, in the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, a photoelectrode layer formed by supporting a sensitizing dye on a semiconductor layer formed on a first conductive film of a transparent substrate is used as a counter group. A method for producing a dye-sensitized solar cell, which is disposed opposite to a second conductive film of a material, and is filled with an electrolytic solution containing an electrolyte in a space between the photoelectrode layer and the second conductive film Then, the photoelectrode layer is washed with the electrolytic solution, and the electrolytic solution is newly filled after the washing.
本発明に係わる色素増感型太陽電池によれば、光電極層を充填するものと同じ電解液で洗浄することで、充填後に電解液に溶出する恐れのある分の増感色素が確実に洗い流されて、長期に亘り電解液による円滑な電子の流れを確保し、高いエネルギー変換効率を保持することができるようになり得る。 According to the dye-sensitized solar cell of the present invention, by washing with the same electrolytic solution that fills the photoelectrode layer, the sensitizing dye that can be eluted into the electrolytic solution after filling is surely washed away. Therefore, it is possible to secure a smooth flow of electrons by the electrolyte over a long period of time and maintain high energy conversion efficiency.
また前記洗浄は、発電に適する波長の光を含む光を照射しながら行われれば、光電極層が光により活性化された状態において溶出する恐れのある増感色素を予め除去することができ好ましい。 Further, if the washing is performed while irradiating light containing light having a wavelength suitable for power generation, it is preferable that a sensitizing dye that may be eluted in a state where the photoelectrode layer is activated by light can be removed in advance. .
また前記洗浄は、色素増感型太陽電池を組み上げた状態にて行い、電解液のみを一旦抜き取って再度電解液を充填するものであれば、実際の使用状態における色素増感型太陽電池において光電極層を洗浄することができ、光電極層を過不足なく洗浄することができ好ましい。 The washing is performed in a state where the dye-sensitized solar cell is assembled. If the electrolyte solution is once extracted and then filled with the electrolyte solution again, the dye-sensitized solar cell in the actual use state is subjected to light. The electrode layer can be washed, and the photoelectrode layer can be washed without excess or deficiency.
また本発明に係わる色素増感型太陽電池は、請求項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の製造方法により形成されたものであることを特徴とするものである。
The dye-sensitized solar cell according to the present invention is formed by the method for producing a dye-sensitized solar cell according to any one of
本発明に係わる色素増感型太陽電池によれば、光電極層からの増感色素の溶出が起こりにくいことから、長期に亘り電解液による円滑な電子の流れを確保し、高いエネルギー変換効率を保持することができる。 According to the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the elution of the sensitizing dye from the photoelectrode layer hardly occurs, so that a smooth electron flow by the electrolyte is ensured over a long period of time, and high energy conversion efficiency is achieved. Can be held.
本発明に係わる色素増感型太陽電池によれば、光電極層を充填するものと同じ電解液で洗浄することで、充填後に電解液に溶出する恐れのある分の増感色素が確実に洗い流されて、長期に亘り電解液による円滑な電子の流れを確保し、高いエネルギー変換効率を保持することができるようになり得る。 According to the dye-sensitized solar cell of the present invention, by washing with the same electrolytic solution that fills the photoelectrode layer, the sensitizing dye that can be eluted into the electrolytic solution after filling is surely washed away. Therefore, it is possible to secure a smooth flow of electrons by the electrolyte over a long period of time and maintain high energy conversion efficiency.
また本発明に係わる色素増感型太陽電池によれば、光電極層からの増感色素の溶出が起こりにくいことから、長期に亘り電解液による円滑な電子の流れを確保し、高いエネルギー変換効率を保持することができる。 Further, according to the dye-sensitized solar cell according to the present invention, since the elution of the sensitizing dye from the photoelectrode layer hardly occurs, a smooth electron flow by the electrolyte is ensured over a long period of time, and high energy conversion efficiency is achieved. Can be held.
本発明に係わる最良の実施の形態について、図面に基づき以下に具体的に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best embodiment according to the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
図1は、本発明に係わる色素増感型太陽電池の、実施の一形態における厚みを誇張して表現した縦断面図である。色素増感型太陽電池10は、多孔質の半導体材料に増感色素を担持させた光電極層2より光入射側αに透光性の透明基板32が設けられている。透明基板32と光電極層2との間にはITO(スズドープ酸化インジウム)からなる第一の導電性被膜31が設けられ、対向基板33に設けられた同じく白金からなる第二の導電性被膜31と、光電極層2との間には、ヨウ素水溶液である電解液1が充填されている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a dye-sensitized solar cell according to the present invention, exaggerating the thickness in one embodiment. In the dye-sensitized
本発明に係わる色素増感型太陽電池の製造方法においては、この電解液1が充填された状態から適宜の方法にて電解液1を抜き取り、新たに電解液1を充填することで光電極層2の洗浄を行うものである。また洗浄用の電解液1が充填された状態で、発電に適する波長の光を含む光、すなわち少なくとも用いる増感色素が励起される波長の光を含む可視光線を一定時間照射した後、電解液1を抜き取るようにすれば、更に効率よく溶出する恐れのある増感色素を除去することができる。
In the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, the
また光電極層2の洗浄は上記の方法に限定されず、増感色素を嘆じさせた光電極層2を形成した透明基板32を電解液1と同じ成分の洗浄液中に浸漬したり、その浸漬した状態で発電に適する波長の光を含む光を照射したりして洗浄を行うようにしてもよい。
Further, the cleaning of the
電解液1としては、アセトニトリルとエチレンカーボネートの混合溶液や、メトキシプロピオニトリル等の溶媒に、ヨウ素等のハロゲン単体、ヨウ化リチウム、金属ヨウ素等の電解質を加えたもの等の液体電解質を好適に用いることができる。
As the
増感色素としては、クチナシ色素、スイカズラ色素等のカロテノイド系のものやクマリン343等のクマリン系色素等のものを用いることで黄色を発現させることができる。その他の色調を発現させるにおいては、赤色であればエオシン系等、青色であればスクレアリリウム系等の色素を用いて発現させることができ、またこれら三原色を適宜の割合で配合することで様々な色調を設定することが可能となり得る。 As a sensitizing dye, yellow can be expressed by using a carotenoid pigment such as gardenia pigment or honeysuckle pigment or a coumarin pigment such as coumarin 343. In developing other color tones, it can be expressed using dyes such as eosin and the like for red, and Scarylium for blue, and various combinations of these three primary colors at appropriate ratios. It may be possible to set different color tones.
また用いられる用途によっては、増感色素として一般に知られるルテニウム金属錯体色素として、N3、ブラックダイ、ビピリジン−カルボン酸基、ビピリジン系、フェナントロリン、キノリン、β−ジケトナート錯体等、他にOs金属錯体、Fe金属錯体、Cu金属錯体、Pt金属錯体、Re金属錯体等の金属錯体色素や、シアニン色素やメロシアニン色素等のメチン色素、マーキュロクロム色素、キサンテン系色素、ポルフィリン色素、フタロシアニン色素、アゾ系色素、クマリン系色素等の有機系色素などを用いることもできる。 Depending on the application used, ruthenium metal complex dyes generally known as sensitizing dyes include N3, black dye, bipyridine-carboxylic acid group, bipyridine series, phenanthroline, quinoline, β-diketonate complex, and other Os metal complexes, Metal complex dyes such as Fe metal complex, Cu metal complex, Pt metal complex, Re metal complex, methine dyes such as cyanine dyes and merocyanine dyes, mercurochrome dyes, xanthene dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, azo dyes, coumarins Organic dyes such as dyes can also be used.
また透明基板32については、透光性であれば特に限定されるものではないが、成形が容易であるポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ABS等の透光性を有する熱可塑性合成樹脂を好適に用いることができるが、電解液1であるヨウ素溶液に対する耐性の高い環状ポリオレフィン系樹脂が最も好適に用いることができる。また紫外線吸収剤を配合して更に耐久性を高めるようにしてもよい。透光性及び紫外線量の低減効果を発揮させる最適な組合せは、環状ポリオレフィン系樹脂に紫外線吸収剤としてベンゾトリアゾール系のものを配合したものである。
The
また第一の導電性被膜31については、透明性に優れると共に高い導電性を備えるスズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、金、白金等やそれらを複数組み合わせたものを真空蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、泳動電着法等の適宜の方法により基材11上に形成したり、またはそれらの薄膜が形成されたフィルムを基材11に貼着したりする等して形成することができる。
The first
また対向基板33側に設けられる第二の導電性被膜31としては、白金、カーボン、導電性ポリマーや、スズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)等の金属酸化物と前記物質との複合材料等を用いて、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、泳動電着法等の適宜の方法により基材11上に形成したり、またそれらの薄膜が形成されたフィルムを基材11に貼着したりする等して形成することができる。
As the second
また光電極層2を形成する半導体層は、Fe2O3、Cu2O、In2O3、WO3、Fe2TiO3、PbO、V2O5、FeTiO3、Bi2O3、Nb2O3、SrTiO3、ZnO、BaTiO3、CaTiO3、KTaO3、SnO2、ZrO2などの半導体材料を用いて形成された薄膜に増感色素を担持させることで形成でき、多孔質としておくのが好ましい。半導体材料としてはこれらの内、コストや作業性等から酸化チタン(TiO2)、又は透明性の薄層の形成性に優れ且つ電析が可能である酸化亜鉛(ZnO)が好適であるが、それに限定されるものではなく適宜のものを用いることができる。
The semiconductor layers forming the
洗浄用の電解液1が充填された状態で、少なくとも用いる増感色素が励起される波長の光を含む可視光線を照射する時間としては、70〜100時間程度が好ましい。表1は、後述する実施例1に挙げた色素増感型太陽電池をソーラーシミュレータにて疑似太陽光を照射し、JIS C8917「結晶系太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久試験方法」に基づく光照射試験を行った後、UV−VIS(可視・紫外吸光光度法)により測定した光電極層2の、500nmの波長の光における吸光度の推移を示すもので、縦軸は吸光度、横軸は光照射時間(時間)を表している。
The time for irradiating visible light containing light having a wavelength at which the sensitizing dye to be used is excited at least in the state where the
表1に示す如く、光照射試験の時間が経過するにつれて、当初は吸光度が上昇し、すなわち色素の脱離により光電極層2の赤色が少なくなってきているが、光照射試験72時間の時点から吸光度がほぼ一定となっている。従って、少なくとも70時間程度、余裕を考慮しても100時間程度の光照射試験を行って電解質を抜き取り且つ充填することで、会合体等となって吸着力の弱い増感色素が十分に除去されることが推定できる。
As shown in Table 1, as the time of the light irradiation test elapses, the absorbance initially increases, that is, the red color of the
本発明に係わる色素増感型太陽電池の製造方法により得られる効果について、下記の実施例にて説明する。 The effects obtained by the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention will be described in the following examples.
(実施例1)
環状ポリオレフィン系樹脂板の表面に蒸着したITO(スズドープ酸化インジウム)製の第一の導電性皮膜上に、多孔質の酸化亜鉛からなる薄膜の半導体層を形成し、半導体層にクマリン系増感色素(D102)を500μM、1時間浸漬して透明基材を形成した。また同じく環状ポリオレフィン系樹脂板の表面に蒸着したITO(スズドープ酸化インジウム)製上に白金を蒸着した第二の導電性皮膜を設けて対向基材を形成した。この光電極層と第二の導電性被膜と相対向させて配置し、光電極層と第二の導電性被膜との間に、ヨウ素が0.025Mの濃度で、テトラプロピルアンモニウムヨージドが0.5Mの濃度で嵩高い電解質としてアセトニトリル系の溶媒に分散されている電解液を一旦充填し、電解質層の周囲をエポキシ系の封止材にて封止した。この状態で後述するJIS C8917に基づく光照射試験を72時間行った後、電解液を抜き取り、新たに電解液を充填することで、本発明の実施例1に係わる色素増感型太陽電池を得た。
(Example 1)
A thin semiconductor layer made of porous zinc oxide is formed on a first conductive film made of ITO (tin-doped indium oxide) deposited on the surface of a cyclic polyolefin resin plate, and a coumarin sensitizing dye is formed on the semiconductor layer. (D102) was immersed in 500 μM for 1 hour to form a transparent substrate. Similarly, a counter conductive substrate was formed by providing a second conductive film in which platinum was vapor-deposited on ITO (tin-doped indium oxide) vapor-deposited on the surface of the cyclic polyolefin resin plate. The photoelectrode layer and the second conductive film are arranged opposite to each other, and between the photoelectrode layer and the second conductive film, iodine is 0.025M and tetrapropylammonium iodide is 0. An electrolyte solution dispersed in an acetonitrile-based solvent as a bulky electrolyte at a concentration of 5 M was once filled, and the periphery of the electrolyte layer was sealed with an epoxy-based sealing material. In this state, after performing a light irradiation test based on JIS C8917 described later for 72 hours, the electrolyte solution was taken out and newly filled with the electrolyte solution, whereby the dye-sensitized solar cell according to Example 1 of the present invention was obtained. It was.
(比較例1)
光照射試験及び電解液の抜き取り及び新たに充填しない(電解液は最初に充填したそのまま)以外は実施例1と同じにして、比較例1の色素増感型太陽電池を得た。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the light irradiation test, extraction of the electrolytic solution, and no new filling were performed (the electrolytic solution was filled as it was first).
実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池について、初期のエネルギー変換効率を測定し、更にソーラーシミュレータにて疑似太陽光を照射し、JIS C8917「結晶系太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久試験方法」に基づく光照射試験を行い、当該光照射試験144時間(実際の屋外暴露2年相当)及び316時間(実際の屋外暴露5年相当)照射時点のエネルギー変換効率をI−VカーブトレーサーMP−160(英弘精機社製)にて測定した。その光照射試験後のエネルギー変換効率の保持率を表2に示す。 For the dye-sensitized solar cell of Example 1 and Comparative Example 1, the initial energy conversion efficiency was measured, and further simulated sunlight was irradiated with a solar simulator, and JIS C8917 “Environmental test method for crystalline solar cell module and A light irradiation test based on the “endurance test method” was conducted, and the energy conversion efficiency at the time of irradiation for 144 hours (equivalent to actual outdoor exposure for 2 years) and 316 hours (equivalent to actual outdoor exposure for 5 years) was converted to an IV curve. Measurement was performed with a tracer MP-160 (manufactured by Eiko Seiki Co., Ltd.). Table 2 shows the retention rate of the energy conversion efficiency after the light irradiation test.
光照射試験144時間時点においては、実施例1と比較例1とはそれ程差はないものの、光照射試験312時間後においては比較例1と実施例1との間には著しい差が生じており、光照射試験312時間、すなわち屋外暴露5年相当時点においては、比較例1の従来の製造方法によって製造された色素増感型太陽電池では増感色素の電解液への溶出によりエネルギー変換効率の著しい低下が不可避であり、本発明に係わる製造方法による優位性が明確に顕わされている。 Although there is not much difference between Example 1 and Comparative Example 1 at the time of light irradiation test 144 hours, there is a significant difference between Comparative Example 1 and Example 1 after 312 hours of light irradiation test. In the light irradiation test of 312 hours, that is, at the time corresponding to outdoor exposure for 5 years, in the dye-sensitized solar cell manufactured by the conventional manufacturing method of Comparative Example 1, the energy conversion efficiency is improved by elution of the sensitizing dye into the electrolyte. A significant decrease is inevitable, and the superiority of the manufacturing method according to the present invention is clearly manifested.
更に以下の実施例を示して、本発明に係る色素増感型太陽電池の製造方法により得られる利点を説明する。 Further, the following examples will be shown to explain the advantages obtained by the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention.
(実施例2)
電解液のヨウ素濃度を0.25Mとした以外は実施例1と同じにして、本発明に係る実施例2の色素増感型太陽電池を得た。
(Example 2)
A dye-sensitized solar cell of Example 2 according to the present invention was obtained in the same manner as Example 1 except that the iodine concentration of the electrolytic solution was changed to 0.25M.
(比較例2)
電解液のヨウ素濃度を0.25Mとした以外は比較例1と同じにして、比較例2の色素増感型太陽電池を得た。
(Comparative Example 2)
A dye-sensitized solar cell of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as Comparative Example 1 except that the iodine concentration of the electrolytic solution was changed to 0.25M.
実施例2及び比較例2の色素増感型太陽電池について、初期のエネルギー変換効率を測定し、更にソーラーシミュレータにて疑似太陽光を照射し、JIS C8917「結晶系太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久試験方法」に基づく光照射試験を行い、当該光照射試験24時間、72時間、144時間(実際の屋外暴露2年相当)、216時間及び316時間(実際の屋外暴露5年相当)照射時点のエネルギー変換効率をI−VカーブトレーサーMP−160(英弘精機社製)にて測定した。その光照射試験後のエネルギー変換効率の保持率の推移を表3に示す。
About the dye-sensitized solar cell of Example 2 and Comparative Example 2, the initial energy conversion efficiency was measured, and further, simulated sunlight was irradiated with a solar simulator, and JIS C8917 “Environmental test method for crystalline solar cell module and Light irradiation test based on "Durability Test Method", and the irradiation time of the light irradiation test 24 hours, 72 hours, 144 hours (equivalent to actual
本実施例においても、ヨウ素濃度を高めることで比較例2の変換効率の低下の度合いは比較例1より小さくはなされているものの、光照射試験312時間後においては実施例2と比較例2との間には著しい差が生じており、光照射試験312時間、すなわち屋外暴露5年相当時点においては、比較例2の従来の製造方法によって製造された色素増感型太陽電池では増感色素の電解液への溶出によりエネルギー変換効率の著しい低下が不可避であり、本発明に係わる製造方法による優位性が明確に顕わされている。また実施例2と比較例2との変換効率の乖離が開始するのは光照射試験72時間付近からであり、表1に示した増感色素の脱離と、表3に示したエネルギー変換効率とに相関関係があることも推定できる。 Also in this example, the degree of decrease in the conversion efficiency of Comparative Example 2 by increasing the iodine concentration was made smaller than that of Comparative Example 1, but after 312 hours of the light irradiation test, Example 2 and Comparative Example 2 In the light irradiation test of 312 hours, that is, at the time corresponding to 5 years of outdoor exposure, in the dye-sensitized solar cell manufactured by the conventional manufacturing method of Comparative Example 2, the sensitizing dye A significant decrease in energy conversion efficiency is inevitable due to elution into the electrolytic solution, and the superiority of the production method according to the present invention is clearly manifested. Further, the difference in conversion efficiency between Example 2 and Comparative Example 2 starts from around 72 hours of the light irradiation test. The desorption of the sensitizing dye shown in Table 1 and the energy conversion efficiency shown in Table 3 are shown. It can also be estimated that there is a correlation.
1 電解質層
2 光電極層
31 (第一及び第二の)導電性被膜
32 透明基板
33 対向基板
10 色素増感型太陽電池
DESCRIPTION OF
Claims (4)
It forms with the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell in any one of Claims 1-3, The dye-sensitized solar cell characterized by the above-mentioned.
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