JP2009057544A - Paste for forming semiconductor porous layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体多孔質層の形成に用いるペーストに関するものであり、より詳細には、色素増感型太陽電池の負極に設けられる半導体多孔質層を形成するためのペーストに関する。 The present invention relates to a paste used for forming a semiconductor porous layer, and more particularly to a paste for forming a semiconductor porous layer provided on a negative electrode of a dye-sensitized solar cell.
現在、地球規模の環境問題や化石エネルギー資源枯渇問題などの観点から太陽光発電に対する期待が大きく、単結晶及び多結晶シリコン光電変換素子が太陽電池として実用化されている。しかし、この種の太陽電池は、高価格であること、シリコン原料の供給問題などを有しており、シリコン以外の材料を用いた太陽電池の実用化が望まれている。 Currently, there is great expectation for photovoltaic power generation from the viewpoint of global environmental problems and fossil energy resource depletion problems, and single crystal and polycrystalline silicon photoelectric conversion elements are put into practical use as solar cells. However, this type of solar cell is expensive and has a problem of supply of silicon raw materials, and the practical application of solar cells using materials other than silicon is desired.
上記のような見地から、最近では、シリコン以外の材料を用いた太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目されている。このような色素増感型太陽電池の代表的なものとして、図1に示す構造を有するものが挙げられる。 From the above viewpoint, recently, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a solar cell using a material other than silicon. A typical example of such a dye-sensitized solar cell is one having the structure shown in FIG.
即ち、この電池は、透明電極基板(正極基板)1と、金属電極基板(負極基板)10とを有している。
透明電極基板1は、透明ガラスや透明樹脂フィルムなどの透明基板3上に透明導電膜5(例えばITO膜)が形成され、さらにその上に、必要によりプラチナや白金等の蒸着膜が電子還元性導電層7として形成されている。一方、金属電極基板10は、金属基板11を有しており、この金属基板11の上に、必要により形成される逆電子防止層15を介して、色素増感半導体多孔質層13が形成されている。このような透明電極基板1と金属電極基板10とが、電解質層20を間に挟んで対峙した構造を有しており、透明電極基板1と金属電極基板10との周縁部分は、電解質層20が漏洩しないように、封止材30で封止されている。即ち、色素増感半導体多孔質層13と電解質層20とを間に挟んで金属電極基板10と透明電極基板1とが対峙している領域が発電領域Xとなっており、封止材30で封止されている領域が封止領域Yとなっている。
That is, this battery has a transparent electrode substrate (positive electrode substrate) 1 and a metal electrode substrate (negative electrode substrate) 10.
In the transparent electrode substrate 1, a transparent conductive film 5 (for example, an ITO film) is formed on a
このような構造の色素増感太陽電池では、透明電極基板1側から可視光を照射すると、色素増感半導体多孔質層13中の色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子は、この多孔質層13中の伝導帯へ注入され、外部回路(図示せず)を通って透明電極基板1に移動する。透明電極基板1に移動した電子は、電解質層20中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出されるわけである。このような色素増感太陽電池の発電メカニズムは、pn接合型光電変換素子と異なり、光の捕捉と電子伝導が別々の場所で行われ、植物の光電変換プロセスに非常に似たものとなっている。
In the dye-sensitized solar cell having such a structure, when visible light is irradiated from the transparent electrode substrate 1 side, the dye in the dye-sensitized semiconductor
上記のような構造の色素増感型太陽電池では、色素を担持している半導体多孔質層13が直接低抵抗の金属基板11上に形成することができるため、変換効率の低下を回避することができ、またセルを大型化した場合の内部抵抗(曲率因子、Fill Factor;FF)の増大を抑制することができるという利点がある。
In the dye-sensitized solar cell having the above-described structure, the semiconductor
また、上記とは全く逆の構造の色素増感型太陽電池も知られており、具体的には、図1における色素増感半導体多孔質層13を透明電極基板1の透明導電膜5(或いは電子還元層7)上に形成し、金属電極基板10を、電解質層20を間に挟んで対峙させた構造のものである。このタイプでは、透明電極基板1が負極基板となり、金属電極基板10(金属基板11)が正極基板となり、負電極基板側からの光照射により発電することとなる。
A dye-sensitized solar cell having a structure opposite to the above is also known. Specifically, the dye-sensitized semiconductor
ところで、上記のような色素増感型太陽電池の負極基板に設けられる半導体多孔質層13は、負極基板(図1の構造のものでは金属電極基板10)上に、例えば酸化チタンなどの半導体粒子が分散されたペーストを塗布し、焼成して酸化チタンからなる半導体の多孔質層3を形成し、この上に色素溶液を塗布し、色素を多孔質層13に吸着させた後、色素溶液の溶媒を除去することにより製造されている(特許文献1参照)。
By the way, the semiconductor
半導体微粒子のペーストを塗布する手段としては、スピンコート、ダイコート、スクリーン印刷などの手段が一般的であるが、大面積化という点でスクリーン印刷が最も好適であり、従って、工業的にはスクリーン印刷が汎用されている。 As means for applying the semiconductor fine particle paste, spin coating, die coating, screen printing, and the like are generally used, but screen printing is the most suitable in terms of large area. Is widely used.
スクリーン印刷用の上記ペースト(以下、単に半導体ペーストと呼ぶことがある)は、半導体微粒子と共に、バインダーとしての樹脂が有機溶媒に分散されたものであり、例えば樹脂としては、半導体微粒子を凝集させずに保持し、且つペーストのコーティング層を乾燥した状態でも半導体微粒子を安定に結合保持し得るとともに焼成により確実に除去できるという点からエチルセルロースが使用され、さらに溶媒としては、半導体微粒子に対して不活性であり、半導体微粒子の特性を損なうことなく均一に分散させることが可能であるという観点から、テルピネオールが使用されている(特許文献2、3)。 The above paste for screen printing (hereinafter sometimes simply referred to as “semiconductor paste”) is a resin in which a resin as a binder is dispersed in an organic solvent together with semiconductor fine particles. For example, the resin does not aggregate the semiconductor fine particles. In addition, ethyl cellulose is used because the semiconductor fine particles can be stably bonded and held even when the paste coating layer is dried, and can be reliably removed by firing, and the solvent is inert to the semiconductor fine particles. From the viewpoint that it can be uniformly dispersed without impairing the characteristics of the semiconductor fine particles, terpineol is used (Patent Documents 2 and 3).
しかるに、上記のような半導体ペーストは、通常、大面積の部分に塗布されるため、特にダレなどを生じることがなく、均一な厚みのコーティング層を形成し得るものでなければならない。この厚みが不均一となると、最終的に得られる半導体多孔質層の厚みにムラが生じ、安定した特性を得ることが困難となってしまう。例えば、エチルセルロースなどのバインダー成分やテルピネオールなどの有機溶媒が使用されている半導体ペーストは、比較的小面積部分にコートするような場合には、さほどの問題は生じないのであるが、大面積部分に塗布する場合には、ダレなどにより厚みが不均一となり易く、その改善が求められている。 However, since the semiconductor paste as described above is usually applied to a large area portion, it should be capable of forming a coating layer having a uniform thickness without causing any particular sagging. If this thickness becomes non-uniform, unevenness occurs in the thickness of the finally obtained semiconductor porous layer, making it difficult to obtain stable characteristics. For example, a semiconductor paste using a binder component such as ethyl cellulose or an organic solvent such as terpineol does not cause much problem when it is coated on a relatively small area portion. In the case of coating, the thickness tends to be non-uniform due to sagging or the like, and an improvement thereof is demanded.
従って、本発明の目的は、ダレを生じることがなく、大面積の部分に塗布する場合にも均一な厚みのコーティング層を安定して形成することが可能であり、特にスクリーン印刷に好適に使用し得る半導体多孔質層形成用ペーストを提供することにある。 Accordingly, the object of the present invention is to prevent the occurrence of sagging and to stably form a coating layer having a uniform thickness even when applied to a large area, and is particularly suitable for screen printing. Another object of the present invention is to provide a paste for forming a semiconductor porous layer.
本発明者等は、上記の課題について鋭意検討した結果、特にバインダー成分として、粘度の異なる2種類のエチルセルロースを使用することにより、コーティング性に優れ、大面積部分に施す場合にも均一なコーティング層を形成し得る半導体ペーストを得ることができるとの知見を見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have achieved excellent coating properties by using two types of ethyl cellulose having different viscosities as the binder component, and a uniform coating layer even when applied to a large area. The present inventors have found that a semiconductor paste capable of forming a film can be obtained, and have completed the present invention.
本発明によれば、5〜60重量%の酸化チタン微粒子と、10〜90重量%のテルピネオールを含み、さらに、溶媒に溶かしたときの粘度が異なる2種のエチルセルロースを合計で5〜60重量%の量で含有していることを特徴とする半導体多孔質層形成用ペーストが提供される。 According to the present invention, 5 to 60% by weight of titanium oxide fine particles and 10 to 90% by weight of terpineol are included, and two types of ethyl cellulose having different viscosities when dissolved in a solvent are added in a total amount of 5 to 60% by weight. Thus, a semiconductor porous layer forming paste is provided.
本発明のペースト(半導体ペースト)においては、
(1)前記エチルセルロースとして、トルエンを溶媒とし固形分エチルセルロース濃度10%溶液の場合の粘度(25℃)が5〜15cPの低粘性エチルセルロースと、粘度(25℃)が30〜50cPの高粘性エチルセルロースとを含有していること、
(2)前記低粘性エチルセルロース(ES1)と高粘性エチルセルロース(ES2)とを、ES1/ES2=51/49〜80/20の重量比で含有していること、
が好適である。
In the paste (semiconductor paste) of the present invention,
(1) As the ethyl cellulose, a low-viscosity ethyl cellulose having a viscosity (25 ° C.) of 5 to 15 cP and a high-viscosity ethyl cellulose having a viscosity (25 ° C.) of 30 to 50 cP in a 10% solid ethyl cellulose concentration solution using toluene as a solvent Containing
(2) containing the low-viscosity ethyl cellulose (ES 1 ) and the high-viscosity ethyl cellulose (ES 2 ) in a weight ratio of ES 1 / ES 2 = 51/49 to 80/20,
Is preferred.
本発明の半導体ペーストは、バインダー成分として溶媒に溶かしたときの粘度が異なる2種類のエチルセルロースを含有していることが顕著な特徴であり、このようなバインダー成分を含有していることにより、大面積の部分にスクリーン印刷によりコーティングした場合にも均一な厚みのコーティング層を形成することが可能となり、均一な厚みの半導体多孔質層を電極上に形成することが可能となる。 The semiconductor paste of the present invention is characterized by the fact that it contains two types of ethyl cellulose having different viscosities when dissolved in a solvent as a binder component. Even when the area is coated by screen printing, a coating layer having a uniform thickness can be formed, and a semiconductor porous layer having a uniform thickness can be formed on the electrode.
即ち、従来公知の半導体ペーストにおいても、エチルセルロースはバインダーとして使用されている。しかしながら、スクリーン印刷などの塗装に適した低粘度型のエチルセルロースは、粘度が低いため、大面積でコーティングした場合には、ダレが生じてしまい、コーティング層の厚みが不安定となり、最終的に形成される半導体多孔質層の厚みが不均一となり、安定した特性を発揮することが困難となっていたのである。 That is, ethyl cellulose is used as a binder in conventionally known semiconductor pastes. However, low-viscosity ethyl cellulose suitable for screen printing and other applications has a low viscosity, so when coated over a large area, sagging occurs, the coating layer thickness becomes unstable, and finally formed As a result, the thickness of the semiconductor porous layer formed becomes uneven, making it difficult to exhibit stable characteristics.
しかるに、本発明によれば、低粘性のエチルセルロースに加えて高粘性のエチルセルロースを組み合わせているため、エチルセルロースのバインダー特性を損なうことなく、また溶媒に対する分散性を低下させることなく、大面積のコーティング層を形成する場合にもダレを有効に防止し、均一な厚みのコーティング層を形成することが可能となるのである。 However, according to the present invention, since high-viscosity ethyl cellulose is combined with low-viscosity ethyl cellulose, the coating layer having a large area is obtained without impairing the binder properties of ethyl cellulose and without reducing the dispersibility in the solvent. In this case, sagging can be effectively prevented and a coating layer having a uniform thickness can be formed.
<半導体ペースト>
本発明の半導体ペーストは、半導体微粒子として二酸化チタンの微粒子を使用し、これを、バインダーとともに有機溶媒に分散させたものである。
<Semiconductor paste>
The semiconductor paste of the present invention uses titanium dioxide fine particles as semiconductor fine particles, which are dispersed in an organic solvent together with a binder.
二酸化チタンとしては、アナターゼ型、ブルーカイト型及びルチル型のものが知られており、本発明においては、何れの型の二酸化チタンも使用することができるが、半導体多孔質層として高い変換効率を得るという観点から、特にアナターゼ型或いはブルーカイト型の二酸化チタンが最も好適である。 As titanium dioxide, anatase type, brookite type and rutile type are known, and in the present invention, any type of titanium dioxide can be used, but the semiconductor porous layer has high conversion efficiency. From the viewpoint of obtaining, anatase type or brookite type titanium dioxide is most preferable.
また、二酸化チタンの微粒子は、一般に、その粒径が500nm以下の微細なものであることが必要である。即ち、粒径の粗大な粒子を用いると、半導体多孔質層への光の透過性にバラツキを生じ易く、太陽電池として安定した特性を発揮させることが困難となるおそれがあるからである。 Further, the fine particles of titanium dioxide generally need to be fine with a particle size of 500 nm or less. That is, when coarse particles are used, the light permeability to the semiconductor porous layer is likely to vary, and it may be difficult to exhibit stable characteristics as a solar cell.
本発明の半導体ペーストにおいて、上記の二酸化チタン微粒子は、5〜60重量%、特に10〜30重量%の量で含有していることが必要である。即ち、二酸化チタン微粒子の量が上記範囲よりも少ないと、一定の厚みの半導体多孔質層を形成するに際して、半導体ペーストを必要以上に厚くコーティングすることが必要となってしまい、この結果、厚みムラを生じ易くなってしまう。また、形成される半導体多孔質層の目付量が少なくなってしまうという不都合も生じる。さらに、上記範囲よりも多量に二酸化チタン微粒子を含有していると、ペーストのコーティング性が低下してしまうという不都合を生じる。 In the semiconductor paste of the present invention, the titanium dioxide fine particles should be contained in an amount of 5 to 60% by weight, particularly 10 to 30% by weight. That is, if the amount of titanium dioxide fine particles is less than the above range, it is necessary to coat the semiconductor paste more than necessary when forming a semiconductor porous layer having a certain thickness. It becomes easy to produce. Further, there is a disadvantage that the basis weight of the formed semiconductor porous layer is reduced. Furthermore, when the titanium dioxide fine particles are contained in a larger amount than the above range, there arises a disadvantage that the coating property of the paste is lowered.
また、本発明においては、上述した二酸化チタン微粒子として、球状粒子と、該球状粒子よりも粒直径が微細な不定形状粒子とを用いることが最も好適である。尚、球状の粒子とは、SEMやTEMなどの電子顕微鏡を用いた観察において、面を形成する角がない形状の粒子であり、角が観察されない限り、真球粒子のみならず、断面が楕円形状の粒子をも含み、大径が短径の10倍以下の粒子を意味するものである。また、不定形状の粒子とは、上記のような電子顕微鏡観察において、特定の形状を認識することはできないが、面と面との境界部を示す稜線或いは角が観察され、大まかに言って多面体形状を有しているボール状の粒子であり、球状粒子と同様、大径が短径の10倍以下の粒子を意味する。また、球状粒子及び不定形状粒子において、粒径(粒直径)は、最大直径を意味するものである。 In the present invention, it is most preferable to use spherical particles and irregularly shaped particles having a finer particle diameter than the spherical particles as the titanium dioxide fine particles described above. Spherical particles are particles having no corners that form a surface in an observation using an electron microscope such as SEM or TEM. Unless the corners are observed, not only true spherical particles but also elliptical cross sections are used. It means particles having a large diameter and not more than 10 times the short diameter, including shaped particles. In addition, the irregularly shaped particles cannot recognize a specific shape in the electron microscope observation as described above, but ridges or corners indicating the boundary between the surfaces are observed. It is a ball-shaped particle having a shape, and means a particle having a large diameter of 10 times or less of a short diameter, like a spherical particle. In spherical particles and irregularly shaped particles, the particle size (grain diameter) means the maximum diameter.
即ち、図2及び図3は、本発明の半導体ペーストを用いて形成される半導体多孔質層50(図1の半導体多孔質層13に相当する)を部分的に拡大して示すものであるが、図2に示されているように、一定の粒径の二酸化チタン微粒子Aを用いた場合には、二酸化チタン微粒子が緻密に結合した層となり、これらの粒子表面に担持される増感色素55は、半導体多孔質層50の表面部分にのみ分布した状態となり、内部(特に電極基板51側)には分布し難い構造となる。これに対して、図3に示されているように、球状の粒子Aと、該球状粒子よりも粒直径の小さい不定形状の粒子Bとを使用した場合には、増感色素53が浸透しやすい大きさのマクロポアが多く形成され、その空隙率も高くなり(例えば60%以上)、表面積も大きくなる結果、半導体多孔質層50の表層部分に限らず、その内部まで均等に色素55が浸透して担持されることとなり、さらには、大きな空隙により発電のために照射される光が散乱によって半導体多孔質層50の全体に行き渡ることとなり、高い変換効率を確保することが可能となるからである。
That is, FIGS. 2 and 3 show a partially enlarged semiconductor porous layer 50 (corresponding to the semiconductor
従って、本発明においては、上記のような特性を発現させるため、球状の二酸化チタン粒子Aが不定形状の二酸化チタン粒子Bよりも粒子径が大きいことを前提条件として、球状粒子Aの粒直径が5〜100nm、特に15〜60nmの範囲にあり、多面体微粒子Bの粒直径が1〜80nm、特に5〜30nmの範囲にあるのがよく、最も好適には、平均して、球状粒子Aの粒直径が不定形状粒子Bの粒直径よりも10nm以上大きいことが望ましい。即ち、両者の粒直径の差が大きいほど、図3に示されるようなマクロポアを有する構造を容易に形成することができる。
尚、上記粒子の粒直径は、プラチナスパッタなどによるスパッタリングを行って電子顕微鏡により求めることができる。
Therefore, in the present invention, in order to express the above characteristics, the spherical particle A has a particle diameter larger than that of the irregularly-shaped titanium dioxide particles B. The diameter of the polyhedral fine particles B should be in the range of 5 to 100 nm, especially 15 to 60 nm, and the diameter of the polyhedral fine particles B should be in the range of 1 to 80 nm, particularly 5 to 30 nm. The diameter is desirably 10 nm or more larger than the particle diameter of the irregularly shaped particles B. That is, the larger the difference in grain diameter between the two, the easier it is to form a structure having macropores as shown in FIG.
The particle diameter of the particles can be determined by an electron microscope after performing sputtering such as platinum sputtering.
また、球状の二酸化チタン粒子Aと不定形状の二酸化チタン粒子Bとの存在比率(A/B)は、特に制限されるものではないが、一般的には、A/B(重量比)=10/90乃至90/10、特に30/70乃至70/30の範囲にあるのがよい。 Further, the abundance ratio (A / B) between the spherical titanium dioxide particles A and the irregularly shaped titanium dioxide particles B is not particularly limited, but in general, A / B (weight ratio) = 10. / 90 to 90/10, particularly 30/70 to 70/30.
尚、上記のような二酸化チタンの球状粒子Aや不定形状の二酸化チタン粒子Bは、それ自体公知であり、例えば球状の二酸化チタン粒子Aは、石原産業株式会社よりSTシリーズの商品として市販されており、また、不定形状の二酸化チタン粒子Bは、テイカ株式会社よりAMTシリーズの商品として市販されている。各粒子の粒度分布を前述した粒直径の範囲に調整する場合には、例えば電成篩などにより行われる。 The spherical particles A of titanium dioxide and the irregularly shaped titanium dioxide particles B as described above are known per se. For example, the spherical titanium dioxide particles A are commercially available as ST series products from Ishihara Sangyo Co., Ltd. In addition, the irregularly shaped titanium dioxide particles B are commercially available as products of the AMT series from Teika Corporation. In order to adjust the particle size distribution of each particle to the above-described range of the particle diameter, for example, it is performed by an electroforming sieve or the like.
本発明において、上述した二酸化チタン微粒子を分散させるための溶媒としては、テルピネオールが使用される。テルピネオール(C10H18O)は、1,8−テルビンから水が1分子脱水して生じる不飽和アルコールであり、α、β及びγの3タイプのものが知られており、何れのタイプも使用できるが、一般には、α−テルピネオール(Bp:219〜221℃)、或いはα−テルピネオールを主成分とし、これにβ−テルピネオールなどの他のタイプものが混合された混合物(一般に、市販されているものは混合物である)が好適に使用される。 In the present invention, terpineol is used as a solvent for dispersing the above-described titanium dioxide fine particles. Terpineol (C 10 H 18 O) is an unsaturated alcohol produced by dehydrating one molecule of water from 1,8-terbin, and three types of α, β and γ are known. In general, α-terpineol (Bp: 219 to 221 ° C.) or a mixture containing α-terpineol as a main component and other types such as β-terpineol mixed (generally commercially available) Are preferably mixtures).
即ち、上記のテルピネオールは、比較的粘稠な液体であり、上述した二酸化チタン微粒子を容易に均一に分散させることができ、しかも、加熱により、二酸化チタン微粒子の半導体特性に悪影響を与えることなく、容易に揮散させることができる。 That is, the above-mentioned terpineol is a relatively viscous liquid, the above-described titanium dioxide fine particles can be easily and uniformly dispersed, and without adversely affecting the semiconductor properties of the titanium dioxide fine particles by heating, It can be easily stripped.
本発明の半導体ペーストにおいて、このテルピネオールは、半導体ペースト中に10〜90重量%、特に40〜80重量%の量で含まれている。この量が、当該範囲外であると、二酸化チタン微粒子や後述するバインダー成分とのバランスが崩れてしまい、二酸化チタン微粒子を均一に分散させることが困難となったり、コーティング性が低下してしまうなどの不都合を生じてしまう。 In the semiconductor paste of the present invention, this terpineol is contained in the semiconductor paste in an amount of 10 to 90% by weight, particularly 40 to 80% by weight. If this amount is out of the range, the balance between the titanium dioxide fine particles and the binder component described later is lost, and it becomes difficult to uniformly disperse the titanium dioxide fine particles, and the coating property is deteriorated. Cause inconvenience.
さらに、本発明の半導体ペーストは、低粘性エチルセルロースと高粘性エチルセルロースの2種のエチルセルロースをバインダー成分として含有している。即ち、エチルセルロースは、二酸化チタン微粒子に対して不活性であり、焼成により二酸化チタン微粒子の半導体特性や粒子形状に悪影響を与えることなく分解除去することが可能な物質である。従来公知の半導体ペーストは、1種類のエチルセルロースがバインダー成分として使用されており、このため、大面積のコーティングを行うと、ダレを生じてしまい、コーティング層の厚みが不均一となってしまい、これが形成される半導体多孔質層に反映されてしまい、電池特性に悪影響を及ぼし、安定した特性を発現させることが困難となっていたのは、既に述べた通りである。しかるに、本発明では、上記のような2種類のエチルセルロースを使用することにより、バインダー性能を低下させることなく、ダレを効果的に防止することが可能となり、大面積でコーティングを行う場合にも、均一な厚みのコーティング層を形成することができ、この結果、半導体多孔質層の厚みを均一とし、安定した電池特性を発現させることが可能となる。 Furthermore, the semiconductor paste of the present invention contains two types of ethyl cellulose, low viscosity ethyl cellulose and high viscosity ethyl cellulose, as binder components. That is, ethyl cellulose is a substance that is inactive with respect to the titanium dioxide fine particles and can be decomposed and removed without adversely affecting the semiconductor characteristics and particle shape of the titanium dioxide fine particles by firing. Conventionally known semiconductor pastes use one type of ethyl cellulose as a binder component. For this reason, when coating is performed on a large area, sagging occurs and the thickness of the coating layer becomes non-uniform. As described above, it is reflected in the formed semiconductor porous layer, adversely affecting the battery characteristics and making it difficult to develop stable characteristics. However, in the present invention, by using two types of ethyl cellulose as described above, it is possible to effectively prevent sagging without lowering the binder performance, and even when coating is performed in a large area, A coating layer having a uniform thickness can be formed. As a result, the thickness of the semiconductor porous layer can be made uniform, and stable battery characteristics can be expressed.
本発明において、上記のエチルセルロースの内、低粘性エチルセルロースは、特にバインダー機能を示すものであり、トルエンを溶媒とし固形分エチルセルロース濃度10%溶液の場合の粘度(25℃)が5〜15cPの範囲にある。即ち、このような低粘性エチルセルロースが配合されていることにより、前述した二酸化チタン微粒子は半導体ペースト中で凝集させることなく均一分散した状態に保持され、また、半導体ペーストをコーティングした後に溶媒(テルピネオール)が加熱乾燥により除去された後においても、二酸化チタン微粒子が積み重ねられた層状状態が安定に保持されるのである。 In the present invention, among the above-mentioned ethylcellulose, low-viscosity ethylcellulose particularly exhibits a binder function, and the viscosity (25 ° C.) in the case of a 10% solid content ethylcellulose concentration solution using toluene as a solvent is in the range of 5 to 15 cP. is there. That is, by blending such low-viscosity ethyl cellulose, the above-mentioned titanium dioxide fine particles are maintained in a uniformly dispersed state without agglomerating in the semiconductor paste, and the solvent (terpineol) is coated after the semiconductor paste is coated. Even after being removed by heating and drying, the layered state in which the titanium dioxide fine particles are stacked is stably maintained.
一方、高粘性エチルセルロースは、上記のようなバインダー機能もある程度は有しているが、特にレオロジー改質のために使用されるものであり、トルエンを溶媒とし固形分エチルセルロース濃度10%溶液の場合の粘度(25℃)が30〜50cPの範囲にある。即ち、本発明の半導体ペーストは、このような高粘性エチルセルロースが配合されているため、低粘性エチルセルロースのバインダー機能を損なうことなく、ダレを有効に防止することができ、大面積で半導体ペーストをコーティングした場合においても、コーティング層の厚みの変動が抑制され、コーティング層の厚みを均一に維持することができるのである。 On the other hand, high-viscosity ethylcellulose has a binder function as described above to some extent, but is particularly used for rheology modification. In the case of a 10% solid content ethylcellulose concentration solution using toluene as a solvent. The viscosity (25 ° C.) is in the range of 30-50 cP. That is, since the semiconductor paste of the present invention contains such high-viscosity ethyl cellulose, dripping can be effectively prevented without impairing the binder function of low-viscosity ethyl cellulose, and the semiconductor paste can be coated over a large area. Even in this case, the variation in the thickness of the coating layer is suppressed, and the thickness of the coating layer can be kept uniform.
本発明において、上記の低粘性エチルセルロース及び高粘性エチルセルロースは、合計で、5〜60重量%、特に5〜30重量%の量で半導体ペースト中に含まれていることが必要である。即ち、この合計量が上記範囲外であると、前述した二酸化チタン微粒子やテルピネオールとのバランスが崩れ、二酸化チタン微粒子の分散状態が不安定になったり、或いはコーティング性が損なわれたり、形成される半導体多孔質層の膜特性に悪影響を与えるなどの不都合を生じてしまう。 In the present invention, the low-viscosity ethyl cellulose and the high-viscosity ethyl cellulose are required to be contained in the semiconductor paste in a total amount of 5 to 60% by weight, particularly 5 to 30% by weight. That is, when the total amount is outside the above range, the balance with the titanium dioxide fine particles and terpineol described above is lost, the dispersion state of the titanium dioxide fine particles becomes unstable, or the coating property is impaired. This causes inconveniences such as adversely affecting the film characteristics of the semiconductor porous layer.
また、低粘性エチルセルロース(ES1)と高粘性エチルセルロース(ES2)とは、ES1/ES2=51/49〜80/20、特に55/45〜70/30の重量比で配合されていることが、低粘性エチルセルロースのバインダー機能と高粘性エチルセルロースのレオロジー改質機能とを効果的に発現させる上で好適である。即ち、低粘性エチルセルロースを上記範囲よりも多量に使用すると、ダレ防止効果が低下してしまうし、また高粘性エチルセルロースを上記範囲よりも多量に使用すると、バインダー機能が損なわれ、二酸化チタン微粒子の凝集が生じたり、或いは半導体ペーストのコーティング層から溶媒を除去したとき、二酸化チタン微粒子の層状構造が損なわれ易くなってしまい、一定の厚みの半導体多孔質層を形成することが困難になる場合がある。 Further, the low viscosity ethyl cellulose (ES 1 ) and the high viscosity ethyl cellulose (ES 2 ) are blended in a weight ratio of ES 1 / ES 2 = 51/49 to 80/20, particularly 55/45 to 70/30. This is suitable for effectively expressing the binder function of low-viscosity ethyl cellulose and the rheology modification function of high-viscosity ethyl cellulose. That is, if low-viscosity ethyl cellulose is used in a larger amount than the above range, the sagging prevention effect is reduced, and if high-viscosity ethyl cellulose is used in a larger amount than the above range, the binder function is impaired and the titanium dioxide fine particles are aggregated. Or when the solvent is removed from the coating layer of the semiconductor paste, the layered structure of the titanium dioxide fine particles tends to be damaged, and it may be difficult to form a semiconductor porous layer having a certain thickness. .
本発明の半導体ペーストは、ダレ防止能や二酸化チタン微粒子の半導体特性などに悪影響を与えない限り、適宜の量で各種の添加剤、例えばレベリング剤や界面活性剤、増粘剤などが添加されていてもよい。 Various additives such as leveling agents, surfactants, thickeners and the like are added to the semiconductor paste of the present invention in appropriate amounts as long as they do not adversely affect the sagging prevention ability and the semiconductor properties of the titanium dioxide fine particles. May be.
また、本発明の半導体ペーストは、上述した各成分を混合することにより調製され、各成分の添加順序等には制限はないが、このペーストの粘度(25℃)が15乃至50cP程度の範囲となるように、前述した量割合の範囲内で各成分の使用量を設定しておくのがよい。 Further, the semiconductor paste of the present invention is prepared by mixing the above-mentioned components, and there is no limitation on the order of addition of the components, but the viscosity (25 ° C.) of the paste is in the range of about 15 to 50 cP. Thus, it is preferable to set the usage amount of each component within the range of the amount ratio described above.
<色素増感多孔質半導体層の形成>
上述した本発明の半導体ペーストは、これを電極基板51(例えば図1における金属電極基板10)上にコーティングし、このコーティング層を、乾燥及び焼き付けた後、増感色素53を担持させることによって半導体多孔質層50が形成される。このような半導体多孔質層50の厚みは、通常、5乃至20μm程度であり、酸化物半導体重量(粒子A,Bの合計重量)としては、0.001乃至0.005g/cm2程度が適当である。
<Formation of dye-sensitized porous semiconductor layer>
The above-described semiconductor paste of the present invention is coated on an electrode substrate 51 (for example, the metal electrode substrate 10 in FIG. 1), and this coating layer is dried and baked. A
コーティング手段としては、スクリーン印刷、スプレーコート、ダイコート等の公知の手段を採用することができるが、上述した本発明の半導体ペーストは、大面積でコーティングした場合にもダレを生じないため、スクリーン印刷が好適に適用され、均一な厚みのコーティング層が形成され、これにより、厚みのバラツキがなく、安定した特性を示す色素増感半導体多孔質層50が形成されることとなる。
As the coating means, known means such as screen printing, spray coating, die coating and the like can be adopted. However, since the semiconductor paste of the present invention described above does not sag even when coated in a large area, screen printing. Is suitably applied to form a coating layer having a uniform thickness, thereby forming a dye-sensitized semiconductor
半導体ペーストのコーティング層の乾燥及び焼付けは、二酸化チタン微粒子等の酸化物半導体微粒子の半導体特性や層状構造を劣化させない程度の温度、例えば350乃至550℃で、30乃至60分間程度で行われ、これにより、溶媒が揮散し、酸化物半導体微粒子同士が焼結して半導体多孔質層が形成される。 The semiconductor paste coating layer is dried and baked at a temperature that does not deteriorate the semiconductor characteristics and layer structure of the oxide semiconductor fine particles such as titanium dioxide fine particles, for example, at 350 to 550 ° C. for about 30 to 60 minutes. As a result, the solvent is volatilized, and the oxide semiconductor fine particles are sintered to form a semiconductor porous layer.
また、増感色素53の担持は、色素溶液を半導体多孔質層に接触させることにより行われ、これにより図2及び図3で示すような色素53で増感された半導体多孔質層50が電極基板51上に形成される。特に球状の二酸化チタン粒子Aと不定形状の二酸化チタン粒子Bとを含む半導体ペーストを用いた場合には、図3に示されているように、増感色素53が深く、内部まで浸透して担持された半導体多孔質層50が形成され、特に高い変換効率を得ることができる。
The sensitizing
色素溶液の接触は、通常は、ディッピングにより行われ、吸着処理時間(浸漬時間)は、通常、30分〜24時間程度であり、吸着後、乾燥して色素溶液の溶媒を除去することにより、増感色素53を浸透して担持させることができる。
The contact of the dye solution is usually performed by dipping, and the adsorption treatment time (immersion time) is usually about 30 minutes to 24 hours, and after adsorption, the solvent of the dye solution is removed by drying,
用いる増感色素は、カルボキシレート基、シアノ基、ホスフェート基、オキシム基、ジオキシム基、ヒドロキシキノリン基、サリチレート基、α−ケト−エノール基などの結合基を有するそれ自体公知のものが使用され、前述した特許文献1〜3等に記載されているもの、例えばルテニウム錯体、オスミウム錯体、鉄錯体などを何ら制限なく使用することができる。特に幅広い吸収帯を有するなどの点で、ルテニウム−トリス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)、ルテニウム−シス−ジアクア−ビス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)などのルテニウム系錯体が好適である。このような増感色素の色素溶液は、溶媒としてエタノールやブタノールなどのアルコール系有機溶媒を用いて調製され、その色素濃度は、3×10−4乃至5×10−4mol/l程度である。 As the sensitizing dye to be used, those known per se having a bonding group such as a carboxylate group, a cyano group, a phosphate group, an oxime group, a dioxime group, a hydroxyquinoline group, a salicylate group, an α-keto-enol group are used. Those described in Patent Documents 1 to 3 described above, for example, ruthenium complexes, osmium complexes, iron complexes, and the like can be used without any limitation. Ruthenium-tris (2,2′-bispyridyl-4,4′-dicarboxylate), ruthenium-cis-diaqua-bis (2,2′-bispyridyl-4,4) in that it has a particularly broad absorption band. Ruthenium-based complexes such as' -dicarboxylate) are preferred. Such a dye solution of a sensitizing dye is prepared using an alcohol-based organic solvent such as ethanol or butanol as a solvent, and the dye concentration is about 3 × 10 −4 to 5 × 10 −4 mol / l. .
上記のようにして表面に色素増感半導体多孔質層50が表面に形成された電極基板51は、負電極基板として、電解質層を間に挟んで対向電極(正電極基板)を対峙させることにより、色素増感型太陽電池として使用される。
The
<色素増感型太陽電池>
既に述べたように、本発明の半導体ペーストは、ダレなどを生じないため、スクリーン印刷によるコーティング層の形成に適しており、このため大面積の電極基板に半導体多孔質層を形成するために特に好適である。従って、上記のような半導体多孔質層50が形成された電極基板51は、特にセルの大型化による内部抵抗の増大を抑制できる図1に示す構造の負電極基板(金属電極基板)10として好適であり、このような負電極基板10を、電解質層20を間に挟んで正極基板(透明電極基板)1に対峙させることにより、色素増感型太陽電池として使用される。即ち、この負電極基板10では、金属基板11の上に、必要により形成される逆電子防止層15を介して、前述した構造の多孔質半導体層50(図1では、この半導体多孔質層は13で示されている)が形成されることとなる。
<Dye-sensitized solar cell>
As already described, the semiconductor paste of the present invention does not cause sagging and the like, and is therefore suitable for forming a coating layer by screen printing, and is therefore particularly suitable for forming a semiconductor porous layer on a large-area electrode substrate. Is preferred. Accordingly, the
このような構造の色素増感太陽電池において、金属基板11としては、低電気抵抗の金属材料から形成されたものであれば特に制限されないが、一般的には、6×10−6Ω・m以下の比抵抗を有する金属乃至合金、例えばアルミニウム、鉄(スチール)、ステンレススチール、銅、ニッケルなどが使用される。また、金属基板11の厚みは特に制限されず、適度な機械的強度が保持される程度の厚みを有していればよい。また、生産性を考慮しないのであれば、金属基板11は、例えば蒸着等により、樹脂フィルム等に形成されていてもよい。勿論、この樹脂フィルム等の基材は透明である必要はない。
In the dye-sensitized solar cell having such a structure, the
上記のような金属基板11において、前述した色素増感半導体多孔質層50(13)は、発電領域Xとなる部分に形成されるものであり、その周囲が発電に関与しない封止領域Yとなるわけである。
In the
尚、金属基板11の表面に適宜形成される逆電子防止層15は、整流障壁として機能し、金属基板11から色素増感半導体多孔質層50(13)への逆電流を抑制するために形成されるものであり、例えば、金属基板11よりも高抵抗の金属乃至金属酸化物(例えば二酸化チタンなど)や、特開2008−53165号などに開示されている化成処理膜から形成され、その厚みは、一般に5乃至500nm程度である。
The reverse
本発明に従って、色素で増感された半導体多孔質層50(13)が形成されている負電極基板10の対向電極として使用される透明電極基板(正極基板)1は、透明基板3上に透明導電膜5を形成したものである。
According to the present invention, a transparent electrode substrate (positive electrode substrate) 1 used as a counter electrode of a negative electrode substrate 10 on which a semiconductor porous layer 50 (13) sensitized with a dye is formed is transparent on a
上記の透明基板3としては、透明なガラス板や透明樹脂フィルムが使用される。透明樹脂フィルムとしては、透明である限り任意のものが使用されるが、例えば、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ4−メチル−1−ペンテン、或いはエチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィン同士のランダム乃至ブロック共重合体等のポリオレフィン系樹脂;エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体等のエチレン−ビニル化合物共重合体樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、ABS、α−メチルスチレン−スチレン共重合体等のスチレン系樹脂;ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル等のビニル系樹脂;ナイロン6、ナイロン6−6、ナイロン6−10、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミド樹脂;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等のポリエステル樹脂;ポリカーボネート;ポリフェニレンオキサイド;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などのセルロース誘導体;酸化澱粉、エーテル化澱粉、デキストリンなどの澱粉;及びこれらの混合物からなる樹脂;などからなるフィルムを用いることができる。一般的には、強度や耐熱性等の見地から、ポリエチレンテレフタレートフィルムが好適に使用される。また、透明基板3の厚みや大きさは、特に制限されず、最終的に使用される色素増感型太陽電池の用途に応じて適宜決定される。
As said
透明導電膜5としては、酸化インジウム−酸化錫合金からなる膜(ITO膜)や酸化錫にフッ素をドープした膜(FTO膜)が代表的であるが、電気抵抗が低いことから、特にITO膜が好適である。これらは蒸着により上記の透明基板3上に形成され、その厚みは、通常、0.5乃至0.7μm程度である。
The transparent conductive film 5 is typically a film made of an indium oxide-tin oxide alloy (ITO film) or a film in which tin oxide is doped with fluorine (FTO film). Is preferred. These are formed on the
尚、透明導電膜5の表面には、適宜、電子還元導電層7が形成される。この電子還元導電層7は、一般に白金の薄層からなり、透明導電膜5に流れ込んだ電子を電解質層20に速やかに移行せしめる機能を有するものである。このような電子還元導電層20は、光透過性が損なわれないように、その平均厚みが0.1乃至1.5nm程度となるように蒸着により薄く形成される。
An electron reduction conductive layer 7 is appropriately formed on the surface of the transparent conductive film 5. The electron-reducing conductive layer 7 is generally made of a thin platinum layer and has a function of quickly transferring electrons flowing into the transparent conductive film 5 to the
上記のようにして形成された負極基板10と透明電極基板(正極基板)1は、電解質層20を間に挟んで対峙され、前述した構造の色素増感半導体多孔質層50(13)と電解質層20とによって発電領域Xが形成されることとなる。
The negative electrode substrate 10 and the transparent electrode substrate (positive electrode substrate) 1 formed as described above are opposed to each other with the
電解質層20は、公知の太陽電池と同様、リチウムイオン等の陽イオンや塩素イオン等の陰イオンを含む種々の電解質溶液により形成される。また、この電解質20中には、酸化型構造及び還元型構造を可逆的にとり得るような酸化還元対を存在させることが好ましく、このような酸化還元対としては、例えばヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物、キノン−ヒドロキノンなどを挙げることができる。
The
上記の電解質層20は、発電領域Xの周縁に位置する封止領域Yに設けられる封止材30により封止され、電極間からの液の漏洩が防止されることとなるわけである。一般に、このような電解質層20の厚みは、最終的に形成される電池の大きさによっても異なるが、通常、10乃至50μm程度である。
The
封止材30としては、ヒートシール可能な各種の熱可塑性樹脂乃至熱可塑性エラストマー、例えば、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ4−メチル−1−ペンテン、或いはエチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィン同士のランダム乃至ブロック共重合体等のポリオレフィン系樹脂;エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体等のエチレン−ビニル化合物共重合体樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、ABS、α−メチルスチレン−スチレン共重合体等のスチレン系樹脂;ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル等のビニル系樹脂;ナイロン6、ナイロン6−6、ナイロン6−10、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミド樹脂;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、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂;ポリカーボネート;ポリフェニレンオキサイド;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などのセルロース誘導体;酸化澱粉、エーテル化澱粉、デキストリンなどの澱粉;及びこれらの混合物からなる樹脂;などが使用される。
As the sealing
即ち、封止材30は、上記の熱可塑性樹脂等を用いての押出成形、射出成形等によって、例えば、封止領域Yに対応する幅のリング形状に成形することにより得られ、この封止材30を、互いに対抗して配置された負極基板10と透明電極基板1との間に挟んだ状態でヒートシール(加熱圧着)することにより、負極基板10と透明電極基板1とが接合され、次いで、この封止材30に注入管を挿入し、該注入管を介して、両電極基板の間の空間内に、電解質層20を形成する電解質溶液を注入することにより、図2に示す構造の色素増感半導体多孔質層50(13)を有する電極基板を有しており且つ図1に示す構造の色素増感型太陽電池を得ることができる。
That is, the sealing
尚、透明基板3として透明樹脂フィルムなどを用いるときには、例えば負極基板10と透明電極基板1との3方を封止剤30でシールし、次いでシールされていない開口部から電解質液を充填し、最後に、開口部を封止剤30で完全に封止することによっても図1に示す構造の色素増感型太陽電池を作製することができる。
When a transparent resin film or the like is used as the
このようにして形成される色素増感太陽電池では、先にも述べたが、透明電極基板1側から可視光を照射することにより、負電極基板10に形成されている色素増感半導体多孔質層50(13)中の色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子が、多孔質層50(13)中の伝導帯へ注入され、金属電極基板10(金属基板11)を介して外部回路(図示せず)を通って透明電極基板1に移動する。透明電極基板1に移動した電子は、電解質層20中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出され、発電が行われることとなる。本発明においては、半導体多孔質層50(13)に増感色素5が内部まで深く且つ均等に分布して吸着担持されているばかりか、散乱によって大きな空隙率を有する半導体多孔質層50(13)の内部まで光が行き渡るため、高い変換効率を示す。さらに、発電領域Xが大面積である場合にも、半導体多孔質層50(13)の厚みにバラツキがなく、均一な厚みを有しているため、安定した特性を発揮することができる。
In the dye-sensitized solar cell thus formed, as described above, the dye-sensitized semiconductor porous material formed on the negative electrode substrate 10 by irradiating visible light from the transparent electrode substrate 1 side. The dye in the layer 50 (13) is excited and transitions from the ground state to the excited state, and electrons of the excited dye are injected into the conduction band in the porous layer 50 (13), and the metal electrode substrate 10 ( It moves to the transparent electrode substrate 1 through an external circuit (not shown) through the metal substrate 11). The electrons that have moved to the transparent electrode substrate 1 are carried by the ions in the
尚、本発明に従って半導体多孔質層50が形成された電極基板51を、図1に示す構造の色素増感型太陽電池の負電極基板10として用いた例を説明したが、このような電極基板は、図1の例に限定されるものではなく、例えば、図1に示されている構造の色素増感型太陽電池における透明導電膜5(或いは電子還元導電層7)の上に色素増感半導体多孔質層50を形成し、光が照射される側に配置される負電極基板として本発明の電極基板を使用することも勿論可能である。この場合には、金属電極基板10もしくは透明導電膜を備えた透明電極基板が正極基板となる。
In addition, although the example which used the
本発明の優れた効果を次の例で説明する。
(実施例1)
酸化物半導体微粒子として、以下の2種類の二酸化チタン微粒子と、2種類のバインダー剤(低粘性エチルセルロース及び高粘性エチルセルロース)を用意した。尚、バインダー剤であるエチルセルロースの粘度は、10重量%のエチルセルロース固形分濃度のトルエン溶液を用いて25℃でB型粘度計により測定された値である。
球状二酸化チタン微粒子(A);
昭和タイタニウム(株)製Fシリーズ
粒径:30nm
不定形二酸化チタン微粒子(B);
テイカ(株)製AMTシリーズ
粒径7nm
低粘性エチルセルロース(ES1);
粘度;5〜15cP
高粘性エチルセルロース(ES2);
粘度;30〜50cP
The superior effect of the present invention is illustrated in the following example.
(Example 1)
The following two types of titanium dioxide fine particles and two types of binder agents (low viscosity ethyl cellulose and high viscosity ethyl cellulose) were prepared as oxide semiconductor fine particles. The viscosity of ethyl cellulose as a binder is a value measured with a B-type viscometer at 25 ° C. using a 10 wt% ethyl cellulose solid content toluene solution.
Spherical titanium dioxide fine particles (A);
Showa Titanium Co., Ltd. F Series Particle size: 30nm
Amorphous titanium dioxide fine particles (B);
AMT series manufactured by Teika Co., Ltd. Particle size 7nm
Low viscosity ethyl cellulose (ES 1 );
Viscosity: 5-15 cP
Highly viscous ethylcellulose (ES 2 );
Viscosity: 30-50 cP
上記の酸化物半導体微粒子及びエチルセルロースを使用し、有機溶媒としてテルピオネールを使用し、以下の組成の半導体ペーストを調製した。
半導体ペーストの組成;
球状二酸化チタン微粒子A:15重量%
不定形二酸化チタン微粒子B:5重量%
(A/B=3)
低粘性エチルセルロース(ES1):4.4重量%
高粘性エチルセルロース(ES2):5.6重量%
(ES1/ES2=11/14)
テルピオネール:70重量%
Using the above oxide semiconductor fine particles and ethyl cellulose, terpioneel was used as an organic solvent, and a semiconductor paste having the following composition was prepared.
Composition of semiconductor paste;
Spherical titanium dioxide fine particles A: 15% by weight
Amorphous titanium dioxide fine particle B: 5% by weight
(A / B = 3)
Low viscosity ethyl cellulose (ES 1 ): 4.4% by weight
Highly viscous ethyl cellulose (ES 2 ): 5.6% by weight
(ES 1 / ES 2 = 11 /14)
Terpioneer: 70% by weight
次いで、金属基板として、リン酸クロメート処理されたアルミニウム板(厚み0.3mm)を用意し、このアルミニウム板上に、上記で調製したペーストを塗布し、450℃で30分間焼成し、厚みが約10μmの半導体多孔質層を形成した。この塗布に際しては、だれは全く生ぜず、また、得られた半導体層の膜厚分布を1cm角エリアで測定したところ、膜厚誤差範囲が±0.2μmと、ほぼ均一な膜厚で形成できていることがわかった。 Next, a phosphoric acid chromate treated aluminum plate (thickness 0.3 mm) is prepared as a metal substrate, and the paste prepared above is applied onto this aluminum plate and baked at 450 ° C. for 30 minutes. A 10 μm semiconductor porous layer was formed. In this coating, no one is produced at all, and when the film thickness distribution of the obtained semiconductor layer is measured in a 1 cm square area, a film thickness error range of ± 0.2 μm can be formed with a substantially uniform film thickness. I found out.
この半導体多孔質層について、窒素吸着・脱離式のBET測定を実施した結果、細孔容積の最大ピークが細孔径約50nmの部分で確認された。また、その層における空隙率は、計算値により69%であった。 As a result of carrying out nitrogen adsorption / desorption type BET measurement for this semiconductor porous layer, the maximum peak of the pore volume was confirmed at a portion having a pore diameter of about 50 nm. The porosity in the layer was 69% according to the calculated value.
さらに、純度99.5%のエタノールに分散させたルテニウム錯体色素からなる色素溶液中に、上記の半導体多孔質層を24時間漬浸させ、次いで乾燥することにより、色素で増感された半導体多孔質層を有する負極基板を得た。尚、用いたルテニウム錯体色素は、下記式で表される。
[Ru(dcbpy)2(NCS)2]・2H2O
Furthermore, the semiconductor porous layer is immersed in a dye solution composed of a ruthenium complex dye dispersed in ethanol having a purity of 99.5% for 24 hours, and then dried, whereby the semiconductor porous material sensitized with the dye is obtained. A negative electrode substrate having a porous layer was obtained. The ruthenium complex dye used is represented by the following formula.
[Ru (dcbpy) 2 (NCS) 2 ] · 2H 2 O
一方、白金を蒸着したITO/PENフィルムで構成される対向電極(正極)基板を用意した。
この対向電極基板と上記で作製した負電極構造体との間に電解質液を挟みこんで、図1に示す構造の色素増感型太陽電池を作製した。このときの電解質液層の厚みは5μmとした。
尚、電解質液としては、LiI/I2(0.5mol/0.025mol)をメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに4−tert−ブチルピリジンを添加したものを用いた。
On the other hand, a counter electrode (positive electrode) substrate composed of an ITO / PEN film deposited with platinum was prepared.
A dye-sensitized solar cell having the structure shown in FIG. 1 was produced by sandwiching an electrolyte solution between the counter electrode substrate and the negative electrode structure produced above. The thickness of the electrolyte solution layer at this time was 5 μm.
As the electrolyte solution, used was added 4-tert-butylpyridine LiI / I 2 a (0.5 mol / 0.025 mol) to those dissolved in methoxypropionitrile.
得られた電池の変換効率を測定したところ、測定面積1cm2で、以下の通りであり、高い変換効率が得られた。
変換効率:5.08%
FF(内部抵抗):0.57
JSC(短絡電流密度):12.9mA/cm2
VOC(開放電圧):0.69V
When the conversion efficiency of the obtained battery was measured, it was as follows with a measurement area of 1 cm 2 , and high conversion efficiency was obtained.
Conversion efficiency: 5.08%
FF (internal resistance): 0.57
J SC (short circuit current density): 12.9 mA / cm 2
V OC (open voltage): 0.69V
(比較例1)
酸化物半導体微粒子として、球状二酸化チタン微粒子Aのみを使用し、不定形状の二酸化チタン微粒子Bを使用せず、さらに、バインダー剤として、低粘性エチルセルロース(ES1)のみを使用し、高粘性エチルセルロース(ES2)を使用しなかった以外は、実施例1と全く同様にしてTiO2ペーストを調製し、このペーストを用いて実施例1と全く同様にして厚みが約10μmの半導体多孔質層を形成した。この半導体多孔質層の膜厚分布を1cm角エリアで測定したところ、膜厚誤差範囲が±1μmと、膜厚が均一とは云えない膜であることがわかった。
(Comparative Example 1)
Only spherical titanium dioxide fine particles A are used as oxide semiconductor fine particles, amorphous titanium dioxide fine particles B are not used, and only low-viscosity ethyl cellulose (ES 1 ) is used as a binder, and high-viscosity ethyl cellulose ( A TiO 2 paste was prepared in the same manner as in Example 1 except that ES 2 ) was not used, and a semiconductor porous layer having a thickness of about 10 μm was formed using this paste in the same manner as in Example 1. did. When the film thickness distribution of the semiconductor porous layer was measured in a 1 cm square area, it was found that the film thickness error range is ± 1 μm, and the film cannot be said to be uniform.
次いで、上記の半導体多孔質層を表面に有するアルミニウム板を用いて、実施例1と全く同様にして、色素を担持させ、次いで、これを負電極基板として、図1に示す構造の色素増感型太陽電池を作製した。 Next, using the aluminum plate having the above-described semiconductor porous layer on the surface, the dye was supported in exactly the same manner as in Example 1, and then this was used as the negative electrode substrate, and the dye sensitization having the structure shown in FIG. Type solar cells were produced.
得られた電池の変換効率を測定したところ、測定面積1cm2で、以下の通りであり、実施例1に比して、変換効率は低かった。
変換効率:3.20%
FF(内部抵抗):0.61
JSC(短絡電流密度):7.64mA/cm2
VOC(開放電圧):0.69V
When the conversion efficiency of the obtained battery was measured, the measurement area was 1 cm 2 and was as follows. Compared to Example 1, the conversion efficiency was low.
Conversion efficiency: 3.20%
FF (internal resistance): 0.61
J SC (short circuit current density): 7.64 mA / cm 2
V OC (open voltage): 0.69V
1:透明電極基板
3:透明基板
7:電子還元導電層
10:負電極基板(金属電極基板)
11:金属基板
13:色素増感半導体多孔質層
15:逆電子防止層
20:電解質層
50:色素増感半導体多孔質層
51:電極基板
53:増感色素
1: Transparent electrode substrate 3: Transparent substrate 7: Electron reduction conductive layer 10: Negative electrode substrate (metal electrode substrate)
11: Metal substrate 13: Dye-sensitized semiconductor porous layer 15: Reverse electron blocking layer 20: Electrolyte layer 50: Dye-sensitized semiconductor porous layer 51: Electrode substrate 53: Sensitizing dye
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