JP2008277258A - 蛍光物質含有の色素増感型太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】蛍光物質含有の色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る蛍光物質含有の色素増感型太陽電池は、透明ガラス基板１１ａにＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜１１ｂを蒸着させた投光層１１と前記ＦＴＯ薄膜１１ｂに白金を蒸着させた触媒層１２を含む相対電極１０と、ガラス基板２１ａにＦＴＯ薄膜２１ｂを蒸着させた投光層２１を含む光電極２０と、を含み、前記光電極２０は二酸化チタン(ＴｉＯ2)２３を含む遷移金属酸化物と蛍光物質２５の混合物でコーティングされて色素２６が吸着され、前記相対電極１０と光電極２０との間は電解液３１で充填されることを特徴とする。本発明によれば、色素増感型太陽電池の光電極に蛍光物質を混入して可視光線領域で蛍光物質の発光特性により高いエネルギー変換効率が得られる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る蛍光物質含有の色素増感型太陽電池は、透明ガラス基板１１ａにＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜１１ｂを蒸着させた投光層１１と前記ＦＴＯ薄膜１１ｂに白金を蒸着させた触媒層１２を含む相対電極１０と、ガラス基板２１ａにＦＴＯ薄膜２１ｂを蒸着させた投光層２１を含む光電極２０と、を含み、前記光電極２０は二酸化チタン(ＴｉＯ2)２３を含む遷移金属酸化物と蛍光物質２５の混合物でコーティングされて色素２６が吸着され、前記相対電極１０と光電極２０との間は電解液３１で充填されることを特徴とする。本発明によれば、色素増感型太陽電池の光電極に蛍光物質を混入して可視光線領域で蛍光物質の発光特性により高いエネルギー変換効率が得られる。
【選択図】図１
Description
本発明は、蛍光物質が含有されている色素増感型太陽電池及びその製造方法に関する。
色素増感型太陽電池は、高い変換効率と低いコストで製造可能な新たなタイプの太陽電池である。一般に、色素増感型太陽電池は色素の太陽光吸収能力を用いて化学的に発電を行う太陽電池の一種であって、透明な電導性ガラス基板に金属酸化物と色素が含まれている光電極、電解質及び相対電極などで構成されている。
多孔質膜の形態として存在する光電極は、ＴｉＯ2、ＺｎＯまたはＳｎＯ2のような広いバンドギャップを有するｎ型の遷移金属酸化物半導体で構成され、この表面に単分子層の色素が吸着されている。太陽光が太陽電池に入射されると、色素内のフェルミエネルギー近くの電子が太陽エネルギーを吸収して電子の充填されない上位準位に励起される。この際、電子の出た下位準位の空準位は、電解質内のイオンが電子を提供することにより再び電子が充填される。色素に電子を提供したイオンは光電極に移動して電子が提供される。ここで、光電極は電解質内のイオンの酸化還元反応の触媒として作用して表面における酸化還元反応を通じて電解質内のイオンに電子を提供する役割を果たす。
従来の色素増感型太陽電池では、エネルギー変換効率を改善させるために、触媒作用に優れた白金薄膜を主として使用しており（例えば、特許文献１）、白金と特性の類似したパラジウム、銀または金などの貴金属とカーボンブラック、グラファイトのような炭素系電極を使用することがある（例えば、特許文献２）。かかる従来の白金電極を相対電極として使用する色素増感型太陽電池では、太陽光を電気エネルギーに変換する効率が依然として低いという問題点がある。これにより、太陽電池の効率を高めるための各種の方法が模索されている。
本発明は上述した問題点を解決するためのものであって、その目的は、色素増感型太陽電池の光電極部に蛍光物質を混入して可視光線領域で蛍光物質の発光特性により高いエネルギー変換効率を得ることである。また、本発明の他の目的は、光電極に含有された蛍光物質が暗い所で光を出すことによって、前述の高いエネルギー変換効率と共に、暗い所における発光による宣伝効果を同時に実現することができる太陽電池を提供することである。
本発明による蛍光物質含有の色素増感型太陽電池は、透明ガラス基板にＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜を蒸着させた投光層と前記ＦＴＯ薄膜に白金を蒸着させた触媒層を含む相対電極と、ガラス基板にＦＴＯ薄膜を蒸着させた投光層を含む光電極と、を含み、前記光電極は二酸化チタンを含む遷移金属酸化物と蛍光物質の混合物でコーティングされて色素が吸着され、前記相対電極と光電極との間は接着フィルムで密封され、電解液で充填されることを特徴とする。ここで、前記光電極の蛍光物質はタングステン塩、ケイ酸塩、ホウ酸塩の単一成分または二つ以上の複合成分で構成されて光を出すことができる。
さらに、前記光電極で遷移金属酸化物と蛍光物質を混合した光電極ペースト固形粉１００重量％に対して、蛍光物質の量は０.０１〜２０重量％が含有されることが好ましく、前記蛍光物質は紫外線により可視光線領域の光を出すＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet:Ｙ3Ａｌ5Ｏ12)のランタン系列物質としてＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｙ、Ｈｏイオンまたは元素のうち、少なくとも一つの成分を含むか、これらを含む塩からなることが好ましい。
さらにまた、本発明による蛍光物質含有の色素増感型太陽電池の製造方法は、遷移金属酸化物と蛍光物質を混合した光電極ペーストを製造するステップと、ＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)処理された透明ガラス基板に前記ペーストをコーティングして乾燥及び熱処理した後、色素を吸着して光電極を製造するステップと、ＦＴＯ処理されたガラス基板に白金層をコーティングして相対電極を製造するステップと、前記光電極と相対電極との間を接着フィルムで密封し、その間の空間に電解液を注入するステップと、を含むことを特徴とする。
ここで、前記ペーストを製造するステップでは、１２〜１８分間攪拌し、２〜７分間休止する過程を１サイクルにして２０サイクル間攪拌することが好ましい。
上述したように、本発明による蛍光物質含有の色素増感型太陽電池及びその製造方法によれば、可視光線領域で蛍光物質の発光特性により二倍以上の高いエネルギー変換効率を得ることができる。また、本発明における色素増感型太陽電池は、光電極に添加された蛍光物質が光のない暗い所でも蛍光により発光するので、暗い所において、付加的な光システムを必要とする製品の宣伝用として使用できる。そのため、本発明における色素増感型太陽電池は高いエネルギー変換効率と、暗いところでの蛍光発光の宣伝効果とのシナジー効果が発揮できる。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明による色素増感型太陽電池の構造を概略的に示した断面図である。図１を参照すると、本発明による色素増感型太陽電池は、透明ガラス基板１１ａにＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜１１ｂを蒸着させた投光層１１と前記ＦＴＯ薄膜１１ｂに白金を蒸着させた触媒層１２とを含む相対電極１０と、ガラス基板２１ａにＦＴＯ薄膜２１ｂを蒸着させた投光層２１を含む光電極２０とを含み、前記光電極２０は二酸化チタン２３、ポリエチレングリコール、トリトンＸ−１００、アセチルアセトン、エタノール、水、硝酸及び蛍光物質２５を混合したペーストでコーティングされて乾燥及び熱処理してから色素２６が吸着され、前記相対電極１０と光電極２０との間には接着フィルム３０を位置させて熱転写機で密封し、相対電極１０に形成された微細孔１０ａを通じてレドックス対(通常はＩ-/Ｉ3 -)を含む電解液３１で充填される。
図１は、本発明による色素増感型太陽電池の構造を概略的に示した断面図である。図１を参照すると、本発明による色素増感型太陽電池は、透明ガラス基板１１ａにＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜１１ｂを蒸着させた投光層１１と前記ＦＴＯ薄膜１１ｂに白金を蒸着させた触媒層１２とを含む相対電極１０と、ガラス基板２１ａにＦＴＯ薄膜２１ｂを蒸着させた投光層２１を含む光電極２０とを含み、前記光電極２０は二酸化チタン２３、ポリエチレングリコール、トリトンＸ−１００、アセチルアセトン、エタノール、水、硝酸及び蛍光物質２５を混合したペーストでコーティングされて乾燥及び熱処理してから色素２６が吸着され、前記相対電極１０と光電極２０との間には接着フィルム３０を位置させて熱転写機で密封し、相対電極１０に形成された微細孔１０ａを通じてレドックス対(通常はＩ-/Ｉ3 -)を含む電解液３１で充填される。
本発明の重要な特徴の一つは、光電極の製造時に蛍光物質の導入に関する。これは色素増感型太陽電池の変換効率を高めるのに主な役割を果たす少量の光が入射される場合、発光特性を示して暗い所でも太陽電池のまた他の役割を果たすという長所がある。たとえば、昼には太陽電池が作動して電気エネルギーを得、夜には蛍光物質が光を出すことで特別な宣伝効果も期待できる。
また、本発明による蛍光物質含有の色素増感型太陽電池の製造方法は、二酸化チタン(デグサＰ−２５)、ポリエチレングリコール(分子量２０,０００)、トリトンＸ−１００、エタノールを硝酸溶液と攪拌し、アセチルアセトンを水と攪拌した後、蛍光物質（ＹＡＧ(Ｃｅ)：Yttrium Aluminum Garnet:Ｙ3Ａｌ5Ｏ12)を添加して再び攪拌することにより、光電極ペーストを製造するステップと、ＦＴＯ処理されたガラス基板に前記ペーストをコーティングして乾燥及び熱処理した後、色素を吸着させて光電極を製造するステップと、ＦＴＯ処理されたガラス基板に白金層をコーティングして相対電極を製造するステップと、前記光電極と相対電極との間を接着フィルムで密封し、その間の空間に電解液を注入するステップと、を備えてなる。
［実施例］
本発明による色素増感型太陽電池を次のように製造した。二酸化チタン２gとポリエチレングリコール(分子量２０,０００)０.４g、トリトンＸ−１００ ０.１ｇ、硝酸溶液１ｍｌ、エタノール２ｍｌ、アセチルアセトン０.２ｇと蒸留水７ｍｌを攪拌機に入れて攪拌機を作動させる。攪拌方法は１５分攪拌し、５分間休止する過程を１サイクルにして２０サイクル間作動させた後、蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)を添加して光電極ペースト固形粉を作り、この際、ＹＡＧ(Ｃｅ)の量は光電極ペースト固形粉１００重量％に対して１０重量％が含有されるようにして再び１０サイクルの攪拌過程を通じて蛍光物質が含まれた光電極ペーストを製造する。
本発明による色素増感型太陽電池を次のように製造した。二酸化チタン２gとポリエチレングリコール(分子量２０,０００)０.４g、トリトンＸ−１００ ０.１ｇ、硝酸溶液１ｍｌ、エタノール２ｍｌ、アセチルアセトン０.２ｇと蒸留水７ｍｌを攪拌機に入れて攪拌機を作動させる。攪拌方法は１５分攪拌し、５分間休止する過程を１サイクルにして２０サイクル間作動させた後、蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)を添加して光電極ペースト固形粉を作り、この際、ＹＡＧ(Ｃｅ)の量は光電極ペースト固形粉１００重量％に対して１０重量％が含有されるようにして再び１０サイクルの攪拌過程を通じて蛍光物質が含まれた光電極ペーストを製造する。
ＦＴＯ処理された透明ガラス基板上にペーストをコーティングし、一次熱処理過程として８０℃で３０分間乾燥した後に、二次熱処理過程として、４５０℃に昇温させて３０分間熱処理することで光電極を製造する。一方、透明ガラスにＦＴＯがコーティングされている基板に今後電解液を注入する二つの微細孔を備えて白金ゾルを薄膜の形態でコーティングして相対電極を製造する。相対電極と光電極との間に接着フィルムを載置して熱を加えて密封させた後、相対電極面の微細孔の間に液体形態の電解液を注入して孔を密封して色素増感型太陽電池を完成させる。この際、エネルギー変換効率を高めるために、光電極ペースト固形粉１００重量％に対して蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)の量は０.０１〜２０重量％が好ましく、より好ましくは０.１〜１０重量％の間である。
［比較例］
光電極の製造時に添加される蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)を除いては、実施例と同じく製造した試料を比較例１とし、光電極の製造時に二次熱処理してから紫外線(ＵＶ)照射した試料を比較例２として本発明の実施例と比較した。
光電極の製造時に添加される蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)を除いては、実施例と同じく製造した試料を比較例１とし、光電極の製造時に二次熱処理してから紫外線(ＵＶ)照射した試料を比較例２として本発明の実施例と比較した。
表１は、開放電圧とエネルギー変換効率を示し、従来の公知された方法により製造した光電極を搭載した試料と本発明により製造された試料の電気的特性を比較したものである。本発明により製造された蛍光物質含有の光電極を搭載した試料で優れた電気的な特性を示した。従来の技術によれば、光電極の製造時に熱処理してから紫外線(ＵＶ)を照射すると、エネルギー変換効率が高くなると報告されたことがあるので、これを比較した。
表２は、蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)含有量による変換効率を示し、本発明により製造された試料の蛍光物質添加重量比を比較して添加量による電気的特性を比較したものである。
表２は、蛍光物質ＹＡＧ(Ｃｅ)含有量による変換効率を示し、本発明により製造された試料の蛍光物質添加重量比を比較して添加量による電気的特性を比較したものである。
以上のように、本発明は限定された実施例と図面により説明したが、本明細書及び請求範囲に使用された用語や言葉は通常的や辞典的な意味に限定されず、本発明の技術的思想に合う意味と概念として解釈されるべきである。したがって、本明細書に記載された実施例と図面の構成は本発明の一実施例に過ぎないため、本出願時点においてこれらが取り替えできる各種の均等物と変形例が可能なのは明らかである。
本発明によれば、色素増感型太陽電池の光電極部に蛍光物質を混入して可視光線領域で蛍光物質の発光特性により高いエネルギー変換効率が得られる色素増感型太陽電池を提供することができる。
１０ 相対電極
１０ａ 微細孔
１１，２１ 投光層
１１ａ 透明ガラス基板
１１ｂ，２１ｂ ＦＴＯ薄膜
１２ 触媒層
２０ 光電極
２１ａ ガラス基板
２３ 二酸化チタン
２５ 蛍光物質
２６ 色素
３０ 接着フィルム
３１ 電解液
１０ａ 微細孔
１１，２１ 投光層
１１ａ 透明ガラス基板
１１ｂ，２１ｂ ＦＴＯ薄膜
１２ 触媒層
２０ 光電極
２１ａ ガラス基板
２３ 二酸化チタン
２５ 蛍光物質
２６ 色素
３０ 接着フィルム
３１ 電解液
Claims (6)
- 透明ガラス基板にＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜を蒸着させた投光層と前記ＦＴＯ薄膜に白金を蒸着させた触媒層を含む相対電極と、
ガラス基板にＦＴＯ薄膜を蒸着させた投光層を含む光電極と、を含み、
前記光電極は二酸化チタンを含む遷移金属酸化物と蛍光物質の混合物でコーティングされて色素が吸着され、
前記相対電極と光電極との間は接着フィルムで密封され、電解液で充填されることを特徴とする蛍光物質含有の色素増感型太陽電池。 - 前記光電極で遷移金属酸化物と蛍光物質を混合した光電極ペースト固形粉１００重量％に対して、蛍光物質の量は０.０１〜２０重量％が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光物質含有の色素増感型太陽電池。
- 前記蛍光物質は紫外線により可視光線領域の光を出すＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet:Ｙ3Ａｌ5Ｏ12)のランタン系列物質としてＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｙ、Ｈｏイオンまたは元素のうち、少なくとも一つの成分を含むか、これらを含む塩からなることを特徴とする請求項１に記載の蛍光物質含有の色素増感型太陽電池。
- 透明ガラス基板にＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)薄膜を蒸着させた投光層と前記ＦＴＯ薄膜に白金を蒸着させた触媒層を含む相対電極と、
ガラス基板にＦＴＯ薄膜を蒸着させた投光層を含む光電極と、を含み、
前記光電極はタングステン塩、ケイ酸塩、ホウ酸塩の単一成分または二つ以上の複合成分からなる蛍光物質の混合物と二酸化チタンを含む遷移金属酸化物でコーティングされて色素が吸着され、
前記相対電極と光電極との間は接着フィルムで密封され、電解液で充填されることを特徴とする蛍光物質含有の色素増感型太陽電池。 - 遷移金属酸化物と蛍光物質を混合した光電極ペーストを製造するステップと、
ＦＴＯ(Fluorine-doped tin oxide)処理された透明ガラス基板に前記ペーストをコーティングして乾燥及び熱処理した後、色素を吸着して光電極を製造するステップと、
ＦＴＯ処理されたガラス基板に白金層をコーティングして相対電極を製造するステップと、
前記光電極と相対電極との間を接着フィルムで密封し、その間の空間に電解液を注入するステップと、を含むことを特徴とする蛍光物質含有の色素増感型太陽電池の製造方法。 - 前記ペーストを製造するステップでは、１２〜１８分間攪拌し、２〜７分間休止する過程を１サイクルにして２０サイクル間攪拌することを特徴とする請求項５に記載の蛍光物質含有の色素増感型太陽電池の製造方法。
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