JP2008176998A - 光電変換素子の製造方法、光電変換素子および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池1の製造方法は、基板2に支持された電極3上に、電子輸送層4を形成する工程と、電子輸送層4に接触するように色素層Dを形成する工程と、電子輸送層4の基板2と反対側に、電子輸送層4から離間するように、対向基板7に支持された電極6を形成する工程と、電子輸送層4と電極6との間に電解質層5を形成する工程とを有する。電子輸送層4は、複酸化物塩の単結晶材料の粒子を分散媒に分散してなる分散液を、電極3上に供給して液状被膜を形成した後、樹脂材料の耐熱温度未満の温度で熱処理を施し、液状被膜中から分散媒を除去することにより形成される。
【選択図】図1
Description
これに代わる次世代の太陽電池として開発され、製造コストが安く、また、製造エネルギーが少ないとされる色素増感太陽電池が提案されている。
例えば、特許文献1には、半導体層(電子輸送層)を酸化チタンの多結晶材料で構成してなる色素増感太陽電池が提案されている。酸化チタンの多結晶材料表面には、色素が吸着しており、色素で発生した電子は、酸化チタンを介して、電極に移動する。
したがって、比較的耐熱性に劣る樹脂製の基板は、色素増感太陽電池が備える基板として利用することが困難である。
また、色素増感太陽電池は、一般に、基板と半導体層との間に電極となる導電膜を備えているが、この導電膜の構成材料によっては、熱処理の際に導電膜の抵抗値が上昇し、色素増感太陽電池の光電変換効率が低下する原因となっている。
しかしながら、金属アルコキシドや金属酸化物ゲルは、酸性の性質を示すため、透明電極を構成する導電膜を変質・劣化させるおそれがある。特に、酸化インジウム錫(ITO)のような金属酸化物材料においては、その傾向が顕著である。
本発明の光電変換素子の製造方法は、基材に支持された第1の電極上に電子輸送層を形成する第1の工程と、
前記電子輸送層に接触する色素層を形成する第2の工程と、
前記電子輸送層および前記色素層を介して、前記第1の電極と反対側に第2の電極を形成する第3の工程と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に、電解質層を形成する第4の工程とを有し、
前記第1の工程において、複酸化物塩の単結晶材料の粒子を分散媒に分散してなる分散液を、前記第1の電極上に供給して液状被膜を形成した後、該液状被膜に、樹脂材料の耐熱温度未満の温度で熱処理を施すことにより、前記液状被膜中から前記分散媒を揮発・除去することを特徴とする。
これにより、耐熱温度の低い電極を用いた場合でも、これらの特性が低下するのを防止して、光電変換効率の高い光電変換素子を容易に製造することができる。
これにより、光電変換素子の柔軟性を高めることができる。また、樹脂材料は、軽量なため、光電変換素子の可搬性や製造容易性を高めることもできる。
本発明の光電変換素子の製造方法では、前記樹脂材料は、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートであることが好ましい。
これらの樹脂材料は、比較的耐熱性および耐薬品性に優れているため、光電変換素子を製造する際の熱処理や液相プロセスにおいて、基材の耐久性を高めることができる。
本発明の光電変換素子の製造方法では、前記熱処理の温度は、70〜250℃であることが好ましい。
これにより、基材や第1の電極の変質・劣化を、より確実に防止することができる。
ポリエチレングリコールは、分解性が高いため、比較的低温で分解する。このため、比較的低温での熱処理を行う際に、適度な粘性を有し、かつ容易に分解する分散液を調製する際に好適に用いられる。また、ポリエチレングリコールは、分解後に残留物が発生し難いので、残留物により、電子輸送層に対する色素の吸着が阻害されてしまうのを、確実に防止することができる。
これにより、特に、結晶構造の内部または表面に色素を担持し易い。このため、電子輸送層における色素の全担持量が多くなり、光電変換素子の光電変換効率をさらに高めることができる。
これらの金属元素は、物性が類似しており、いずれも、アルカリ金属元素等とともに化学的に安定な複酸化物塩となる。そして、この複酸化物塩は、電子を輸送する機能を有する電子輸送層の構成材料として好適である。
このような組成の複酸化物塩は、化学的に特に安定であるとともに、電子輸送能に優れたものとなる。したがって、かかる複酸化物塩は、電子輸送層の構成材料として、特に好適である。
六ニオブ酸カリウムの単結晶材料の結晶構造は、層状構造で層状形状をなしているため、その層間や表面に多量の色素を担持することができる。また、八ニオブ酸カリウムの単結晶材料の結晶構造は、トンネル構造でウィスカー形状をなしており、そのトンネル内部や表面の表面電荷に分布があるため、多量の色素を担持することができる。また、これらの単結晶材料は、前述したように、光の利用効率が高い他、触媒毒の被毒からの回復が早く、かつ、材料の寿命が長いという利点を有する。このため、かかる材料で構成された電子輸送層を備えてなる光電変換素子は、長寿命で、かつ光電変換効率が高いものとなる。
三チタン酸ナトリウムの単結晶材料の結晶構造は、層状構造で層状形状をなしているため、その層間や表面に多量の色素を担持することができる。また、六チタン酸ナトリウムの単結晶材料の結晶構造は、トンネル構造でウィスカー形状をなしており、そのトンネル内部や表面の表面電荷に分布があるため、多量の色素を担持することができる。また、これらの単結晶材料は、前述したように、光の利用効率が高い他、触媒毒の被毒からの回復が早く、かつ、材料の寿命が長いという利点を有する。このため、かかる材料で構成された電子輸送層を備えてなる光電変換素子は、長寿命で、かつ光電変換効率が高いものとなる。
これにより、各粒子の粒径をある程度確保することができるので、各粒子が、電子の輸送において単結晶としての振る舞いを示すことができる。また、平均粒径が最適化されているので、この粒子を分散媒に分散してなる分散液を用いることにより、電子輸送層を塗布法にて効率よく形成することができる。したがって、複酸化物塩の単結晶材料で構成された電子輸送層を、その単結晶が有する特性を維持しつつ、容易かつ安価に形成することができる。
これにより、電子輸送層が十分な量の色素を担持することができる。
本発明の光電変換素子の製造方法では、前記第1の電極は、主として、金属酸化物材料で構成されていることが好ましい。
金属酸化物材料で構成された第1の電極は、透光性に優れているため、このような第1の電極を備えた光電変換素子は、光電変換効率の高いものとなる。
これにより、複酸化物塩と色素との物理的距離が近くなり、電子輸送層と色素との間で電子の受け渡しを速やかに行うことができるので、電子輸送層における電子輸送能を高める作用をもたらす。
これにより、信頼性の高い光電変換素子が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の光電変換素子を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
まず、本発明の光電変換素子を太陽電池に適用した場合を一例に説明する。
図1は、本発明の光電変換素子を太陽電池に適用した場合の実施形態を示す縦断面図、図2は、図1に示す太陽電池の厚さ方向の一部を模式的に示す拡大図、図3および図4は、図1に示す太陽電池の製造方法(本発明の光電変換素子の製造方法)を説明するための模式図である。なお、以下では、説明の都合上、図1ないし図4中、上側を「上」、下側を「下」として説明を行う。
本実施形態では、基板2および対向基板7は、第1の電極3、電子輸送層4、色素層D、および第2の電極6を支持するためのものであり、平板状の部材で構成されている。
本実施形態にかかる太陽電池1は、図1に示すように、基板2および後述する第1の電極3側から、例えば、太陽光等の光(以下、単に「光」と言う。)を入射させて(照射して)使用するものである。このため、基板2および第1の電極3は、それぞれ、好ましくは実質的に透明(無色透明、着色透明または半透明)とされる。これにより、光を、後述する色素層Dに効率よく到達させることができる。
このうち、基板2および対向基板7の各構成材料は、特に樹脂材料であるのが好ましい。樹脂材料は、柔軟性に富んでいるため、太陽電池1の柔軟性を高めることができる。また、樹脂材料は、軽量なため、太陽電池1の可搬性や製造容易性を高めることもできる。
さらに、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートがより好ましい。これらの樹脂材料は、比較的耐熱性および耐薬品性に優れているため、かかる樹脂材料で構成された基板は、太陽電池1を製造する際の熱処理や液相プロセスにおいて優れた耐久性を有する。
また、これらの樹脂材料は、透光性が高いので、より多くの光を色素層Dに到達させることができ、太陽電池1の光電変換効率を高めることができる。さらに、安価で入手が容易なため、太陽電池1の製造コストの低減を図ることができるという利点もある。
基板2および対向基板7をそれぞれ硬質材料で構成する場合、その平均厚さは、0.1〜1.5mm程度であるのが好ましく、0.3〜1.2mm程度であるのがより好ましい。また、基板2および対向基板7をそれぞれ可撓性材料で構成する場合、その平均厚さは、0.5〜500μm程度であるのが好ましく、10〜300μm程度であるのがより好ましい。
なお、対向基板7は、必要に応じて、省略することもできる。
第1の電極3の構成材料としては、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素原子を含有する酸化錫(FTO)、酸化インジウム(InO2)、酸化錫(SnO2)のような金属酸化物材料、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルまたはこれらを含む合金のような金属材料、黒鉛のような炭素材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて(例えば、複数層の積層体等として)用いることができる。
第1の電極3を金属酸化物材料(透明導電性金属酸化物材料)で構成する場合、その平均厚さは、0.05〜5μm程度であるのが好ましく、0.1〜1.5μm程度であるのがより好ましい。また、第1の電極3を金属材料や炭素材料で構成する場合、その平均厚さは、0.01〜1μm程度であるのが好ましく、0.03〜0.1μm程度であるのがより好ましい。
また、第1の電極3は、このような櫛歯状の電極と、層状の電極とを組み合わせて(例えば、積層等して)用いることもできる。
電子輸送層4は、少なくとも色素層Dで発生した電子を輸送する機能を有するものである。
このような電子輸送層4は、主として、複酸化物塩の単結晶材料で構成されている。
ここで、複酸化物塩とは、2種類以上の金属酸化物を含む金属酸塩である。このような複酸化物塩の単結晶材料は、一般に、立体的な結晶構造を有している。この立体的な結晶構造は、その内部または表面に色素(増感色素)が担持され易くなるので、複酸化物塩の単結晶材料は、その内部または表面に色素を担持した状態を容易に維持することができる。
また、単結晶材料は、多結晶材料に比べ、電子の移動を妨げる結晶粒界がほとんどない(または非常に少ない)ので、電子輸送能に優れているという特徴も有する。
これらのことから、電子輸送層4は、色素層Dで発生した電子を効率よく第1の電極3に輸送することができる。これにより、太陽電池1の光電変換効率を高めることができる。
さらに、単結晶材料には、結晶中に点欠陥や線欠陥等の微小欠陥が極めて少ない。このため、単結晶材料で構成された電子輸送層4は、光を効率的に利用することができるという特徴も有する。
また、上記のような金属元素を含む複酸化物塩の中でも、特に、ニオブ酸カリウムまたはチタン酸ナトリウムであるのが好ましい。このような組成の複酸化物塩は、化学的に特に安定であるとともに、電子輸送能に優れたものとなる。したがって、かかる複酸化物塩は、電子輸送層4の構成材料として、特に好適である。
また、これらの単結晶材料は、前述したように、光の利用効率が高い他、触媒毒の被毒からの回復が早く、かつ、材料の寿命が長いという利点を有する。このため、かかる材料で構成された電子輸送層4を備えてなる太陽電池1は、長寿命で、かつ光電変換効率が高いものとなる。
また、チタン酸ナトリウムの単結晶材料においても、前述のニオブ酸カリウムと同様に、光の利用効率が高い、触媒毒からの回復が早い、材料の寿命が長い等の利点を有することから、この単結晶材料で構成された電子輸送層4を備えてなる太陽電池1は、長寿命で、かつ光電変換効率が高いものとなる。
また、電子輸送層4の平均厚さは、特に限定されないが、1〜300μm程度であるのが好ましく、5〜100μm程度であるのがより好ましく、10〜50μm程度であるのがさらに好ましい。これにより、電子輸送層4が十分な量の色素を担持することができる。
ここで、顔料としては、例えば、フタロシアニングリーン、フタロシアニンブルー等のフタロシアニン系顔料、ファストイエロー、ジスアゾイエロー、縮合アゾイエロー、ペンゾイミダゾロンイエロー、ジニトロアニリンオレンジ、ペンズイミダゾロンオレンジ、トルイジンレッド、パーマネントカーミン、パーマネントレッド、ナフトールレッド、縮合アゾレッド、ベンズイミダゾロンカーミン、ベンズイミダゾロンブラウン等のアゾ系顔料、アントラピリミジンイエロー、アントラキノニルレッド等のアントラキノン系顔料、銅アゾメチンイエロー等のアゾメチン系顔料、キノフタロンイエロー等のキノフタロン系顔料、イソインドリンイエロー等のイソインドリン系顔料、ニッケルジオキシムイエロー等のニトロソ系顔料、ペリノンオレンジ等のペリノン系顔料、キナクリドンマゼンタ、キナクリドンマルーン、キナクリドンスカーレット、キナクリドンレッド等のキナクリドン系顔料、ペリレンレッド、ペリレンマルーン等のペリレン系顔料、ジケトピロロピロールレッド等のピロロピロール系顔料、ジオキサジンバイオレット等のジオキサジン系顔料のような有機顔料、カーボンブラック、ランプブラック、ファーネスブラック、アイボリーブラック、黒鉛、フラーレン等の炭素系顔料、黄鉛、モリブデートオレンジ等クロム酸塩系顔料、カドミウムイエロー、カドミウムリトポンイエロー、カドミウムオレンジ、カドミウムリトポンオレンジ、銀朱、カドミウムレッド、カドミウムリトポンレッド、硫化等の硫化物系顔料、オーカー、チタンイエロー、チタンバリウムニッケルイエロー、べんがら、鉛丹、アンバー、褐色酸化鉄、亜鉛鉄クロムブラウン、酸化クロム、コバルトグリーン、コバルトクロムグリーン、チタンコバルトグリーン、コバルトブルー、セルリアンブルー、コバルトアルミニウムクロムブルー、鉄黒、マンガンフェライトブラック、コバルトフェライトブラック、銅クロムブラック、銅クロムマンガンブラック等の酸化物系顔料、ビリジアン等の水酸化物系顔料、紺青等のフェロシアン化物系顔料、群青等のケイ酸塩系顔料、コバルトバイオレット、ミネラルバイオレット等のリン酸塩系顔料、その他(例えば硫化カドミウム、セレン化カドミウム等)のような無機顔料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
本実施形態にかかる電解質層5は、図2に示すように、その一部が電子輸送層4内に入り込んでいる。これにより、色素層Dと電解質層5との接触面積を増大することができ、色素層Dで発生したキャリアを、より効率よく電解質層5へ受け渡すことができる。その結果、太陽電池1の発電効率をより向上させることができる。
液体状の電解質層5は、例えば、I/I3系、Br/Br3系、Cl/Cl3系、F/F3系のようなハロゲン系、キノン/ハイドロキノン系等のレドックス電解質(酸化還元物質:電解質成分)の1種または2種以上を組み合わせたものを、例えば各種水、アセトニトリル、エチレンカーボネート、炭酸プロピレン、ポリエチレングリコール等の溶媒(または、これらの混合溶媒)に溶解した電解質溶液で構成することができる。
また、ゲル状の電解質層5は、例えば、前述のような電解質溶液をゲル状の基材(ゲル基材)中に保持させたもので構成することができる。
このうち、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等が挙げられ、これらの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂(PI)、エポキシ樹脂、石炭酸樹脂、尿素樹脂等が挙げられる。
また、シロキサン結合を有する化合物としては、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリアルキルフェニルシロキサン、シリコン原子の一部が他の金属原子(例えば、アルミニウム、チタン等)と置換したポリメタロシロキサン等が挙げられる。
なお、前記有機ポリマーは、他のポリマーとの混合物として用いることもできる。一例として、ポリチオフェンを含有する混合物としては、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン/スチレンスルホン酸)(PEDOT/PSS)等が挙げられる。
電解質層5上(第1の電極3と反対側)には、第1の電極3に対向する第2の電極6が設けられている。
また、第2の電極6は、層状の電極を組み合わせて(例えば、積層等して)用いるようにしてもよい。
なお、第2の電極6の平均厚さは、その構成材料、太陽電池1の用途等により適宜設定され、特に限定されない。
また、このような太陽電池1では、第1の電極3が正、第2の電極6が負となるようにして、0.5Vの電圧を印加したとき、その抵抗値が100Ω/cm2以上(好ましくは1kΩ/cm2以上)となる特性を有するのがより好ましい。このような特性を有する太陽電池1では、第1の電極3と電解質層5との間での接触等による短絡(リーク)が好適に防止または抑制されていることを示すものであり、その発電効率(光電変換効率)をより向上させることができる。
なお、必要に応じて、第1の電極3と電子輸送層4との間に、バリア層を有していてもよい。このバリア層は、電解質層5と第1の電極3との接触を防止または抑制する機能を有するものである。このようなバリア層を設けることにより、漏れ電流の発生が増大するのを防止して、太陽電池1の発電効率が低下するのを防止することができる。
また、バリア層の平均厚さ(膜厚)は、0.01〜10μm程度であるのが好ましく、0.1〜5μm程度であるのがより好ましく、0.5〜2μm程度であるのがさらに好ましい。これにより、前記効果をより向上することができる。
なお、このようなバリア層は、例えば、ゾル・ゲル法、蒸着(真空蒸着)法、スパッタリング法(高周波スパッタリング、DCスパッタリング)、スプレー熱分解法、ジェットモールド(プラズマ溶射)法、CVD法等により形成することができる。
以下、太陽電池1の製造方法(本発明の光電変換素子の製造方法)について説明する。
太陽電池1の製造方法は、基板2に支持された第1の電極3上に、電子輸送層4を形成する第1の工程と、電子輸送層4に接触するように色素層Dを形成する第2の工程と、電子輸送層4および色素層Dを介して、前記第1の電極と反対側に、対向基板7に支持された第2の電極6を形成する第3の工程と、第1の電極3と第2の電極6との間に電解質層5を形成する第4の工程とを有する。
[1] まず、太陽電池1の本体の製造に先立って、電子輸送層4を構成する複酸化物塩の単結晶材料を作製する。
複酸化物塩の単結晶材料は、各種の結晶育成方法により作製することができるが、ここでは、代表的にフラックス法による作製方法について説明する。また、以下の説明では、電子輸送層4が複酸化物塩の単結晶材料の粒子の集合物で構成されているとともに、電解質層5が液体状である場合を例に説明する。
例えば、ニオブ酸カリウムの単結晶材料を作製する場合、原材料には、K2CO3とNb2O5とが用いられ、融剤には、K2CO3とMoO3の混合物あるいはKCl(単独)が用いられる。
また、例えば、チタン酸ナトリウムの単結晶材料を作製する場合、原材料には、Na2CO3とTiO2の混合物あるいはTiO2(単独)が用いられ、融剤には、NaClが用いられる。
ここで、るつぼの加熱温度は、用いる原材料や融剤の融点以上とされる。例えば、ニオブ酸カリウムの単結晶材料を作製する場合、加熱温度は、700℃以上、得られる単結晶材料の融点未満とするのが好ましい。また、チタン酸ナトリウムの単結晶材料を作製する場合も、加熱温度は、700℃以上、得られる単結晶材料の融点未満とするのが好ましい。なお、環境への負荷や、装置の耐熱温度を考慮すると、加熱温度は1100℃以下に設定するのが好ましい。
また、上記加熱温度での保持時間は、るつぼの容量に応じて調整するため、特に限定されないが、一例を挙げると、1〜1000時間程度とされる。
以上のようにして、るつぼ内に、複酸化物塩の単結晶材料を作製することができる。
続いて、得られた粉末を分散媒に分散させ、撹拌してペースト状の分散液を調製する。
分散媒としては、例えば、各種水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、フェニルセロソルブ等のセロソルブ類、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ぺンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロへキサン、メチルシクロへキサン等の脂環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ドデシルベンゼンのような長鎖アルキル基を有するベンゼン類等の芳香族炭化水素類、塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドン等の芳香族複素環類、アセトニトリル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩またはその他の各種油類等が挙げられ、これらを単独または混合物として用いることができる。
なお、分散液に対し、必要に応じて、混練等を行ってもよい。
さらに、このようにして得られた分散液に対し、必要に応じて、粘度調整を行ってもよい。
粘度調整剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、水溶性アクリル樹脂、ポリビニルピロリドン、アラビアゴムスターチ等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、高い分解性のため、分解後に残留物が発生し難い。このため、残留物により、電子輸送層4に対する色素の吸着が阻害されてしまうのを、確実に防止することができるという利点もある。
この第1の電極3は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、印刷法等により形成することができる。
[4−1] まず、第1の電極3上に、前記工程[2]で作製した複酸化物塩の単結晶材料の粒子の分散液を塗布する。これにより、第1の電極3上に、図3(b)に示すように、液状被膜41を形成することができる。
この際の塗布法には、例えば、スピンコート法、ディップコート法、スキージ印刷法、スクリーン印刷法、液滴吐出法等の方法が用いられる。
液状被膜中の分散媒を除去する方法としては、例えば、自然乾燥による方法、空気、窒素ガス等の気体を吹き付ける方法、凍結乾燥による方法、比較的低温での熱処理による方法等により行うことができるが、特に、比較的低温での熱処理により行うのが好ましい。これにより、広い面積の液状被膜に対して、分散媒の除去を効率よく行うことができる。
そこで、本発明では、電子輸送層4の構成材料として、複酸化物塩の単結晶材料を用いることとし、この単結晶材料の粒子を分散媒に分散してなる分散液を、第1の電極3上に供給して液状被膜を形成し、この液状被膜に、樹脂材料の耐熱温度未満の温度で熱処理を施すこととした。
また、熱処理の温度が樹脂材料の耐熱温度未満であるため、基板2として樹脂製の基板を用いた場合でも、熱処理に伴う基板の変質・劣化を確実に防止することができる。
さらに、このような比較的低温での熱処理によれば、第1の電極3の抵抗値が熱による影響で上昇する問題も回避することができる。
なお、樹脂材料の耐熱温度とは、一般的な樹脂材料が軟化・変形しない最高温度のことを言う。
したがって、最適な分散液を用いることにより、薬品(分散液)による第1の電極3の変質・劣化を確実に防止することができる。
また、換言すれば、基板2や第1の電極3の構成材料として、耐熱性が低いものの、柔軟性やその他の特性に優れた材料を選択することができるので、材料の選択の幅が広がる。
なお、熱処理の温度は、基板2の構成材料に応じて若干異なるものの、70〜250℃程度であるのが好ましく、70〜200℃程度であるのがより好ましい。これにより、基板2や第1の電極3の変質・劣化を、より確実に防止することができる。
電子輸送層4に色素液を接触させる方法としては、例えば、図4(d)に示すように、色素液D1中に電子輸送層4を備えた基板2を浸漬する方法(浸漬法)、電子輸送層4に色素液をシャワー状に供給する方法(噴霧法)等を用いることができるが、特に、浸漬法が好ましい。この浸漬法によれば、電子輸送層4に対して色素をムラなく、かつ効率よく担持させることができる。
色素液D1中に浸漬した電子輸送層4には、必要に応じて、色素液D1の乾燥を行う。
色素液D1の乾燥は、前述の分散媒を除去する方法と同様の方法により行うことができる。
この第2の電極6は、前記第1の電極3と同様の方法により形成することができる。
[7] 次に、図4(e)に示すように、第2の電極6を備えた対向基板7を、第1の電極3と第2の電極6とが対向するように配置する。そして、第1の電極3と第2の電極6との間の縁部の全周にわたって隔壁8を設ける。これにより、第1の電極3、第2の電極6および隔壁8で画成された液密な空間9を得る。
なお、隔壁8の一部には、空間9と空間9の外部とに連通する貫通孔(図示せず)を設けるようにする。
また、隔壁8は、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤のような各種接着剤、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂のような各種樹脂材料等により構成される。
続いて、隔壁8の構成材料により、前記貫通孔を封止する。
なお、電解質層5が固体状である場合、前記工程[7]に先立って、電子輸送層4(色素層D)上に電解質層5を形成すればよい。
また、電解質層5がゲル状である場合、ゲル化剤を含む電解質溶液を空間9に注入した後、ゲル化剤の作用により電解質溶液をゲル化すればよい。
[9] 次に、第1の電極3と第2の電極6とに、それぞれ、外部回路10の端部を接続する。
なお、本実施形態では、第1の電極3上に電子輸送層4を形成した後、電子輸送層4に色素を担持させるようにしたが、これとは逆に、電子輸送層4を構成する粒子にあらかじめ色素を担持させた後、この色素を含む分散液を第1の電極3上に塗布して、色素を担持してなる電子輸送層4を形成するようにしてもよい。
以下、図5および図6に基づいて、本発明の電子機器について説明する。
図5は、本発明の電子機器を適用した電卓を示す平面図、図6は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)を示す斜視図である。
図5に示す電卓100は、本体部101と、本体部101の上面(前面)に設けられた表示部102、複数の操作ボタン103および太陽電池設置部104とを備えている。
図5に示す構成では、太陽電池設置部104には、太陽電池1が5つ直列に接続されて配置されている。
図6に示す構成では、太陽電池設置部206が、表示部202の周囲を囲むようにして、太陽電池1が複数、直列に接続されて配置されている。
例えば、光電変換素子および電子機器を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。
なお、本発明の光電変換素子は、太陽電池のみならず、例えば、光センサー、光スイッチのような、光を受光して電気エネルギーに変換する各種素子(受光素子)に適用することができるものである。
また、本発明の光電変換素子では、光の入射方向は、図示のものとは異なり、逆方向からであってもよい。すなわち、光の入射方向は、任意である。
1.太陽電池(光電変換素子)の製造
(実施例1)
次のようにして、図1に示す太陽電池(光電変換素子)を製造した。
[1A] まず、白金製のるつぼ(直径36mm×高さ40mm)中に、原材料として、1.433gのK2CO3(和光純薬工業社製)と4.134gのNb2O5(和光純薬工業社製)とを投入した。また、融剤として、9.519gのK2CO3(和光純薬工業社製)と9.914gのMoO3(和光純薬工業社製)とを投入した。そして、原材料と融剤とを混合し、るつぼの開口部に軽く蓋をした。
[3A] 次に、るつぼから単結晶材料を取り出し、X線回折による結晶構造分析を島津製作所製 XRD−6000にて行ったところ、得られた単結晶材料は、六ニオブ酸カリウムK4Nb6O17であった。
[6A] そして、FTO膜上に、スキージ印刷法により、前記工程[4A]で得られた分散液を塗布し、液状被膜を形成した。
[7A] 次に、液状被膜を120℃で加熱することにより、液状被膜中の分散媒を除去し、平均厚さ25μmの電子輸送層を得た。
[10A] 次に、白金膜と電子輸送層とが対向するように、2つのガラス基板を所定間隔を開けて配置し、一部を除いて縁部をエポキシ系接着剤で封止した。
[11A] 次に、封止しなかった部分から、電解質溶液(Solaronix社製 Iodolyte AN-50)を両電極間に注入した。これにより、電解質層を形成した。
[12A] 次に、封止しなかった部分をエポキシ系接着剤で封止し、太陽電池を得た。
以下のようにして、六チタン酸ナトリウムNa2Ti6O13の単結晶材料を作製し、この単結晶材料を用いて電子輸送層を形成した以外は、前記実施例1と同様にして太陽電池を得た。
[1B] まず、白金製のるつぼ(直径36mm×高さ40mm)中に、原材料として、0.174gのNa2CO3(和光純薬工業社製)と0.788gのTiO2(和光純薬工業社製)とを投入した。また、融剤として、19.111gのNaCl(和光純薬工業社製)を投入した。そして、原材料と融剤とを混合し、るつぼの開口部に軽く蓋をした。
[3B] 次に、るつぼから単結晶材料を取り出し、X線回折による結晶構造分析を島津製作所製 XRD−6000にて行ったところ、得られた単結晶材料は、六チタン酸ナトリウムNa2Ti6O13であった。
基板として、平均厚さ1μmのITO膜(第1の電極)を備えたポリカーボネート(PC)基板(平均厚さ100μm)を用いるようにし、対向基板として、白金膜(第2の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにした以外は、前記実施例1と同様にして太陽電池を得た。
液状被膜の加熱温度を70℃にした以外は、前記実施例3と同様にして太陽電池を得た。
(実施例5)
液状被膜の加熱温度を250℃にした以外は、前記実施例3と同様にして太陽電池を得た。
基板として、平均厚さ1μmのITO膜(第1の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにし、対向基板として、白金膜(第2の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いた以外は、前記実施例2と同様にして太陽電池を得た。
(実施例7)
液状被膜の加熱温度を70℃にした以外は、前記実施例6と同様にして太陽電池を得た。
液状被膜の加熱温度を250℃にした以外は、前記実施例6と同様にして太陽電池を得た。
(実施例9)
六ニオブ酸カリウムに代えて、八ニオブ酸カリウムK2Nb8O21を用いるようにした以外は、前記実施例3と同様にして太陽電池を得た。
(実施例10)
六チタン酸ナトリウムに代えて、三チタン酸ナトリウムNa2Ti3O7を用いるようにした以外は、前記実施例6と同様にして太陽電池を得た。
ガラス基板をポリエチレンテレフタレート(PET)基板に変更した以外は、それぞれ、前記実施例1、2と同様にして太陽電池を得た。
(実施例13、14)
ガラス基板をポリエチレンナフタレート(PEN)基板に変更した以外は、それぞれ、前記実施例1、2と同様にして太陽電池を得た。
以下のようにして、あらかじめ色素を担持させた六ニオブ酸カリウムの単結晶材料の粒子を用いて電子輸送層を形成するようにした以外は、前記実施例1と同様にして太陽電池を得た。
[1C] 得られた単結晶材料を乳鉢で粉砕し、粒子状とした。なお、粒子の平均粒径は、15μmであった。続いて、シス−ビス(チオシアナト)−N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(II)二水和物(N719)を、濃度が4×10−4mol%となるように乾燥エタノールに加えて色素液(温度80℃)を調製した。この色素液20mLに粒子2gを加え、4時間撹拌した。これにより、六ニオブ酸カリウムの単結晶材料中に、色素が担持された。
[3C] 次に、平均厚さ1μmのFTO膜(第1の電極)を備えたガラス基板(平均厚さ1mm)を用意した。そして、FTO膜上に、スキージ印刷法により、前記工程[2C]で得られた分散液を塗布し、液状被膜を形成した。
[4C] 次に、液状被膜を120℃で加熱することにより、液状被膜中の分散媒を除去し、平均厚さ25μmの電子輸送層を得た。
六ニオブ酸カリウムに代えて、六チタン酸ナトリウムを用いた以外は、前記実施例15と同様にして太陽電池を得た。
(実施例17)
基板として、平均厚さ1μmのITO膜(第1の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにし、対向基板として、白金膜(第2の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにした以外は、前記実施例15と同様にして太陽電池を得た。
(実施例18)
基板として、平均厚さ1μmのITO膜(第1の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにし、対向基板として、白金膜(第2の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにした以外は、前記実施例16と同様にして太陽電池を得た。
以下のようにして、酸化チタンの多結晶粒子を用いて電子輸送層を形成するようにした以外は、前記実施例1と同様にして太陽電池を得た。
[1D] まず、平均粒径5μmの酸化チタン(アナターゼ、和光純薬工業社製)の粒子を用意した。
[2D] 次いで、25mLの蒸留水と7.5gのポリエチレングリコールとを混合し、混合液を撹拌しつつ、得られた粒子3gを混合液中に加えた。その後、混合液を7時間撹拌し、酸化チタンの多結晶材料の粒子が前記混合液中に分散してなる分散液を得た。
[3D] 次に、平均厚さ1μmのFTO膜(第1の電極)を備えたガラス基板(平均厚さ1mm)を用意した。
[4D] そして、FTO膜上に、スキージ印刷法により、前記工程[2D]で得られた分散液を塗布し、液状被膜を形成した。
[5D] 次に、液状被膜を450℃で加熱することにより、液状被膜中の分散媒を除去するとともに、粒子表面に焼成を施し、平均厚さ5μmの電子輸送層を得た。
基板として、平均厚さ1μmのITO膜(第1の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにし、対向基板として、白金膜(第2の電極)を備えたPC基板(平均厚さ100μm)を用いるようにした以外は、前記比較例1と同様にして太陽電池を得た。
各実施例および各比較例で製造した太陽電池の電流−電圧特性を、それぞれ、ソーラーシミュレータによるAM1.5(100mW/cm2)の条件下でI−Vテスターを用いて測定した。そして、各太陽電池の開放電圧および短絡電流を求め、さらに、光電変換効率を求めた。
また、光電変換効率は、照射する光エネルギーに対する、出力される電気エネルギーの割合である。
測定結果を表1に示す。
Claims (16)
- 基材に支持された第1の電極上に電子輸送層を形成する第1の工程と、
前記電子輸送層に接触する色素層を形成する第2の工程と、
前記電子輸送層および前記色素層を介して、前記第1の電極と反対側に第2の電極を形成する第3の工程と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に、電解質層を形成する第4の工程とを有し、
前記第1の工程において、複酸化物塩の単結晶材料の粒子を分散媒に分散してなる分散液を、前記第1の電極上に供給して液状被膜を形成した後、該液状被膜に、樹脂材料の耐熱温度未満の温度で熱処理を施すことにより、前記液状被膜中から前記分散媒を揮発・除去することを特徴とする光電変換素子の製造方法。 - 前記基材は、樹脂材料で構成されている請求項1に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記樹脂材料は、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートである請求項1または2に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記熱処理の温度は、70〜250℃である請求項1ないし3のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記分散媒は、ポリエチレングリコールを含む請求項1ないし4のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記複酸化物塩の単結晶材料の結晶構造は、層状構造、トンネル構造またはペロブスカイト構造を有する請求項1ないし5のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記複酸化物塩は、ニオブ、チタン、亜鉛、錫、バナジウム、インジウム、タングステン、タンタル、ジルコニウム、モリブデンおよびマンガンからなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1ないし6のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記複酸化物塩は、ニオブ酸カリウムまたはチタン酸ナトリウムである請求項7に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記ニオブ酸カリウムは、六ニオブ酸カリウム(K4Nb6O17)または八ニオブ酸カリウム(K2Nb8O21)である請求項8に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記チタン酸ナトリウムは、三チタン酸ナトリウム(Na2Ti3O7)または六チタン酸ナトリウム(Na2Ti6O13)である請求項8に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記複酸化物塩の単結晶材料の粒子の平均粒径は、0.01〜150μmである請求項1ないし10のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記電子輸送層の平均厚さは、1〜300μmである請求項1ないし11のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記第1の電極は、主として、金属酸化物材料で構成されている請求項1ないし12のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記第2の工程において、前記色素層のうちの少なくとも一部は、前記複酸化物塩の単結晶材料中に取り込まれる請求項1ないし13のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 請求項1ないし14のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法により製造されたことを特徴とする光電変換素子。
- 請求項15に記載の光電変換素子を備えたことを特徴とする電子機器。
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