JP2009193863A - Dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池モジュールに関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell module.
近年、地球環境保全、化石エネルギー資源の枯渇等の問題に対し、太陽から無尽蔵に降り注ぐ自然光を利用して発電する太陽電池が注目されてきている。現在普及している太陽電池システムでは、シリコン系太陽電池(結晶シリコン又はアモルファスシリコンを利用した太陽電池)が主流である。しかしながら、これらシリコン系太陽電池は、半導体シリコン原料の不足や、コストが高い等の問題を抱えている。こうした中、このような問題が少ない色素増感型太陽電池が開発されている。色素増感型太陽電池は、1991年にスイスのローザンヌ大学のグレッツェルらによって開発されたものであり、グレッツェルセルとも呼ばれている。 2. Description of the Related Art In recent years, solar cells that generate electricity using natural light that falls inexhaustibly from the sun have been attracting attention with respect to problems such as global environment conservation and fossil energy resource depletion. In the currently popularized solar cell systems, silicon-based solar cells (solar cells using crystalline silicon or amorphous silicon) are the mainstream. However, these silicon-based solar cells have problems such as shortage of semiconductor silicon raw materials and high cost. Under such circumstances, dye-sensitized solar cells with few such problems have been developed. The dye-sensitized solar cell was developed in 1991 by Gretzer et al. At the University of Lausanne in Switzerland and is also called a Gretzell cell.
この色素増感型太陽電池は、光透過性をもつ基板と、基板に積層された透明導電層と、光極と、光極に対して所定の間隔を隔てて設けられた導電性を有する対極と、光極と対極との間に封入された電解質層と、から構成される。光極は、透明導電層に積層されたn型半導体層と、n型半導体層に担持された色素とを有する。この色素増感型太陽電池に対して、光極側から光を照射すると、色素が光を吸収して電子と正孔が発生する。正孔は色素から電解質層へ移動して電解質溶液中のイオンを酸化する。一方、電子は光極から外部回路を経由して対極へ移動し、そこで電解質溶液中のイオンを還元する。このイオン種の酸化還元電位により起電力が発生し、電池の発電作用が得られる。 This dye-sensitized solar cell includes a light-transmitting substrate, a transparent conductive layer laminated on the substrate, a photoelectrode, and a conductive counter electrode provided at a predetermined interval with respect to the photoelectrode. And an electrolyte layer enclosed between the photoelectrode and the counter electrode. The photoelectrode has an n-type semiconductor layer stacked on the transparent conductive layer and a dye supported on the n-type semiconductor layer. When this dye-sensitized solar cell is irradiated with light from the photoelectrode side, the dye absorbs light and generates electrons and holes. Holes move from the dye to the electrolyte layer and oxidize ions in the electrolyte solution. On the other hand, electrons move from the photoelectrode to the counter electrode via an external circuit, where they reduce ions in the electrolyte solution. An electromotive force is generated by the oxidation-reduction potential of the ion species, and the power generation action of the battery is obtained.
このような色素増感型太陽電池をモジュール化、集積化する試みも行われている。例えば、以下の特許文献1には、導電性ガラス基板を一枚だけ用いて、当該導電性ガラス基板上にセルを集積化した色素増感型太陽電池の構造が記載されている。この色素増感型太陽電池においては、図6に示すように、一枚の透明ガラス基板101上に所定の間隔を隔てて透明導電層102を分離形成し、互いに隣り合う二つの透明導電層102のうちの一方に光極103が積層されている。そして、光極103に対して所定の間隔を隔てて対向する対極(カーボン層)104は、光極の片側を覆うように断面L字状に形成されて他方の透明導電層102に導通され、光極103と対極104との間には電解液層105が封入されている。このような構造を採用することで、高価で重量も重い導電性ガラス基板の使用量を低減することができるため、低コスト化、軽量化が可能となる。
Attempts have been made to modularize and integrate such dye-sensitized solar cells. For example,
しかし、特許文献1に記載された色素増感型太陽電池のセル構造にあっては、光極と対向する対極が、光極の片側を覆うように断面L字状に形成されているため、光極に対して対極の方が、表面積が必ず大きくなってしまう。多孔質のカーボン層からなる対極は、その内部に電解液を吸い込み、電解液中のイオンの還元反応の触媒として機能するため、この光極と対極の大きさのアンバランスに起因して、全体として電解液中のイオンの還元反応が酸化反応よりも優位に進行することになる。特に、対極のうち光極と対向していない部位においては還元反応のみが選択的に進行してレドックス対の濃度勾配が発生してしまう。そのため、短期的には良好な発電性能を発揮するにしても、使用を続けるにつれて活性なイオン種の量が減少して電解液の導電性が低下し、電池の内部抵抗が増加して出力低下につながってしまう。つまり、特許文献1に記載されたようなセル構造を有する色素増感型太陽電池には、長期耐久性の点で改善すべき点が残っていた。
However, in the cell structure of the dye-sensitized solar cell described in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池及びこれを用いた色素増感型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the dye-sensitized solar cell excellent in long-term durability, and a dye-sensitized solar cell module using the same.
この目的を達成するための本発明に係る色素増感型太陽電池の特徴構成は、光透過性を有する基板上に、所定の間隔を隔てて分離形成された二つの透明導電層と、前記透明導電層の一方に積層された、受光に伴い電子を放出する色素を含んだn型半導体層を有する光極と、前記光極に対して所定の間隔を隔てて等面積で対向する対極と、前記光極と前記対極との間に封入された電解液層と、を備え、前記透明導電層の他方と前記対極とに亘って、導電性を有し、かつ、還元触媒としての機能を有さない接続部を備えた点にある。 In order to achieve this object, the dye-sensitized solar cell according to the present invention is characterized in that two transparent conductive layers formed on a light-transmitting substrate with a predetermined interval therebetween, and the transparent A photoelectrode having an n-type semiconductor layer containing a dye that emits electrons upon reception of light, laminated on one of the conductive layers, and a counter electrode facing the photoelectrode at a predetermined interval with an equal area; An electrolyte layer sealed between the photoelectrode and the counter electrode, and has conductivity and functions as a reduction catalyst across the other of the transparent conductive layer and the counter electrode. It is in the point provided with the connection part which does not.
上記の特徴構成によれば、一つの基板上にセルを形成する色素増感型太陽電池において、光極と対極とを所定の間隔を隔てて等面積で対向させる。このため、電解液中のイオンの還元反応及び酸化反応の進行度をほぼ等しくすることができる。また、透明導電層と対極とを、導電性を有しかつ還元触媒としての機能を有さない接続部で接続するため、発生した電子の適切な流れを確保しつつ、接続部において還元反応のみが選択的に進行してしまうことを抑制することができる。したがって、レドックス対の濃度勾配が発生することを抑制して、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。 According to the above characteristic configuration, in the dye-sensitized solar cell in which cells are formed on one substrate, the photoelectrode and the counter electrode are opposed to each other with a predetermined distance and at an equal area. For this reason, the progress of the reduction reaction and the oxidation reaction of ions in the electrolytic solution can be made substantially equal. In addition, since the transparent conductive layer and the counter electrode are connected by a connection portion that has conductivity and does not function as a reduction catalyst, only a reduction reaction is performed at the connection portion while ensuring an appropriate flow of generated electrons. Can be prevented from proceeding selectively. Accordingly, it is possible to provide a dye-sensitized solar cell excellent in long-term durability by suppressing the occurrence of a redox pair concentration gradient.
ここで、前記接続部を、導電性酸化物を用いて形成すると好適である。 Here, it is preferable that the connection portion is formed using a conductive oxide.
導電性酸化物は、導電性を有し、また、その表面においては酸化還元反応が生じにくい。したがって、上記の構成を採用して接続部を導電性酸化物を用いて形成すれば、レドックス対の濃度勾配が発生することを抑制して、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。 The conductive oxide has conductivity, and a redox reaction hardly occurs on the surface thereof. Therefore, if the connection portion is formed using a conductive oxide by adopting the above configuration, a dye-sensitized solar cell excellent in long-term durability can be obtained by suppressing the occurrence of a redox pair concentration gradient. Can be provided.
また、前記接続部は、粒子径が1〜50nmの導電性酸化物粉末を原料とする焼結体であると好適である。 Moreover, it is preferable that the connection part is a sintered body using a conductive oxide powder having a particle diameter of 1 to 50 nm as a raw material.
この構成によれば、粒子径が1〜50nmの微細な導電性酸化物粉末を原料として、透明導電層上に接続部を焼結させて形成するので、透明導電層と接続部とを密に結着させることができる。よって、当該結着部位における外力や膨張収縮ストレス等に対する機械的強度を向上させることができ、この点からも色素増感型太陽電池の長期耐久性を向上させることができる。 According to this structure, since the connection part is formed on the transparent conductive layer by using a fine conductive oxide powder having a particle diameter of 1 to 50 nm as a raw material, the transparent conductive layer and the connection part are densely formed. Can be bound. Therefore, the mechanical strength against external force, expansion / contraction stress, and the like at the binding site can be improved, and the long-term durability of the dye-sensitized solar cell can be improved from this point.
また、前記導電性酸化物は、インジウム・スズ酸化物、アンチモン・スズ酸化物、フッ素ドープスズ酸化物及び導電性酸化亜鉛の中から選択される少なくともいずれか一つ以上からなるものであると好適である。 The conductive oxide is preferably composed of at least one selected from indium tin oxide, antimony tin oxide, fluorine-doped tin oxide, and conductive zinc oxide. is there.
この構成によれば、導電性酸化物として一般に普及している材料を用いて、簡単に長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。 According to this configuration, it is possible to easily provide a dye-sensitized solar cell that is excellent in long-term durability using a material that is generally spread as a conductive oxide.
ここで、前記接続部を、前記対極を形成する材料と同じ材料を用いて前記対極と一体的に形成するとともに、前記接続部に樹脂材料を含浸させると好適である。 Here, it is preferable that the connecting portion is formed integrally with the counter electrode using the same material as that for forming the counter electrode, and the connecting portion is impregnated with a resin material.
この構成によれば、接続部を、対極を形成する材料と同じ材料を用いて対極と一体的に形成するので、その製造工程を簡素化することができる。また、接続部に対して樹脂材料を含浸させることにより、接続部の導電性を維持しながら還元触媒としての機能を阻害することが可能となる。したがって、レドックス対の濃度勾配が発生することを抑制して、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。 According to this configuration, since the connection portion is formed integrally with the counter electrode using the same material as that for forming the counter electrode, the manufacturing process can be simplified. In addition, by impregnating the connecting portion with a resin material, it is possible to inhibit the function as a reduction catalyst while maintaining the conductivity of the connecting portion. Accordingly, it is possible to provide a dye-sensitized solar cell excellent in long-term durability by suppressing the occurrence of a redox pair concentration gradient.
また、前記樹脂材料は、熱可塑性樹脂を主成分とする材料であると好適である。 The resin material is preferably a material mainly composed of a thermoplastic resin.
この構成によれば、熱可塑性樹脂を主成分とする材料を融点付近まで加熱して溶融しておいて接続部の表面に塗布するだけで、接続部に対して簡単に樹脂材料を含浸させることができる。 According to this configuration, the material having a thermoplastic resin as a main component is heated to the vicinity of the melting point, melted, and simply applied to the surface of the connection part, so that the connection part can be easily impregnated with the resin material. Can do.
本発明に係る色素増感型太陽電池モジュールの特徴構成は、これまで説明してきたような色素増感型太陽電池を複数用い、これらを直列に接続した点にある。 The characteristic configuration of the dye-sensitized solar cell module according to the present invention is that a plurality of dye-sensitized solar cells as described above are used and connected in series.
この特徴構成によれば、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池を直列に接続することにより、所定の大きさの電力を取り出すことが可能となるとともに、色素増感型太陽電池モジュール全体の長期耐久性を向上させることができる。 According to this characteristic configuration, it is possible to take out a predetermined amount of power by connecting dye-sensitized solar cells excellent in long-term durability in series, and the entire dye-sensitized solar cell module The long-term durability can be improved.
〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る色素増感型太陽電池モジュールMの全体構造を示す斜視図である。この図に示すように、本実施形態に係る色素増感型太陽電池モジュールMは、ガラス基板1上に複数の色素増感型太陽電池C(以下、セルと称することがある)が順次配列した構成となっている。これらのセルは直列に接続されている。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing the overall structure of a dye-sensitized solar cell module M according to the present invention. As shown in this figure, in the dye-sensitized solar cell module M according to this embodiment, a plurality of dye-sensitized solar cells C (hereinafter sometimes referred to as cells) are sequentially arranged on a
図2は、本実施形態に係る色素増感型太陽電池Cのセル構造を示す断面斜視図である。この図に示すように、本実施形態に係る色素増感型太陽電池Cは、光透過性を有する基板1と、基板1上に形成された透明導電層3と、光極7と、セパレータ層15と、光極7に対してセパレータ層15を介して設けられた対極13と、を備える。光極7は、透明導電層3に積層されたn型半導体層9と、n型半導体層9に担持された受光に伴い電子を放出する色素11とを有する。光極7、対極13及びセパレータ層15には、電解質溶液やイオン性液体等の電荷輸送が可能な電解液17が浸漬されている。更に、本実施形態に係る色素増感型太陽電池Cは、対極13と透明導電層3とを接続する接続部21を備えている。この色素増感型太陽電池Cに対して、光極7の側から光を照射すると、色素11が光を吸収して電子と正孔が発生する。正孔は色素11から電解液17へ移動して電解液17の中のイオンを酸化する。一方、電子は光極7から透明導電層3及び接続部21を経由して対極13へ移動し、そこで電解液17の中のイオンを還元する。このイオン種の酸化還元電位により起電力が発生し、電池の発電作用が得られる。以下では、本実施形態に係る色素増感型太陽電池Cの各部の詳細について説明する。
FIG. 2 is a cross-sectional perspective view showing the cell structure of the dye-sensitized solar cell C according to this embodiment. As shown in this figure, the dye-sensitized solar cell C according to this embodiment includes a
基板1としては、光透過性を有するものを使用する。シリコン太陽電池や液晶表示パネルに用いられているものを使用することができ、具体的には、透明ガラス基板を好適に使用することができる。
As the
透明導電層3は、光透過性を有する基板1上に形成される。透明導電層3は、例えば、基板1上に酸化スズを付着させることにより形成することができる。特に、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)等の金属酸化物を用いれば、好適な透明導電層3を形成することができる。透明導電層3はスクライブ5を有しており、このスクライブ5の幅に相当する間隔を隔てて二つの透明導電層3が分離形成される。
The transparent
光極7は、分離形成された二つの透明導電層3の一方に積層され、受光に伴い電子を放出する色素11とn型半導体層9とを有する。n型半導体としては、金属酸化物半導体が適しており、例えば、チタン、亜鉛、スズ、インジウム、ジルコニウム等の酸化物が好適に用いられる。これらの半導体材料を微結晶又は多結晶状態にして薄膜化することにより、良好な多孔質のn型半導体層9を形成することができる。特に、多孔質の酸化チタン層は、光極7が有するn型半導体層9として好適である。色素11は、受光に伴い電子を放出する。このような色素11としては、可視光領域又は赤外領域に吸収を有する色素が適しており、例えば、金属錯体や有機色素を用いることができる。特に、ルテニウム錯体を用いると好適である。色素11は、多孔質のn型半導体層9の表面に付着させられる。付着は、化学吸着や物理吸着等によって行うことができる。具体的には、色素11を含む溶液中に多孔質のn型半導体層9を浸漬させる方法がある。
The
セパレータ層15は、光極7に積層され、光極7の片側を覆うように断面L字状に形成されている。セパレータ層15の一端は基板1上のスクライブ5と接触している。これにより、光極7と対極13との直接接触、及び光極7と接続部21との直接接触が回避される。セパレータ層15は、例えば、ルチル型の酸化チタンを用いて多孔質に形成され、その細孔の内部に電解液17を蓄える。つまり、セパレータ層15の内部に蓄えられた電解液17により、本発明の電解液層が形成される。
The
対極13は、光極7に対して所定の間隔を隔てて対向する。光極7と対極13とは等面積に形成される。対極13としては、導電性及び電解液17に対する耐久性を有する多孔質カーボンが好適に用いられる。このような多孔質のカーボン層からなる対極13は、その内部に電解液17を吸い込み、電解液17の中のイオンの、還元反応の触媒としても機能する。
The
接続部21は、対極13と透明導電層3とに亘って設けられ、これらを接続する部材である。接続部21は、導電性を有し、かつ、還元触媒としての機能を有さない材料を用いて形成される。このような材料としては、インジウム・スズ酸化物、アンチモン・スズ酸化物、フッ素ドープスズ酸化物、導電性酸化亜鉛等の導電性酸化物が好適に用いられる。これらは単独で用いても良いし、いずれか二つ以上を混合して用いても良い。接続部21は、図2に示すように、光極7が積層された透明導電層3とスクライブ5を隔てて隣設する透明導電層3から、セパレータ層15の一方の端面に接しつつ基板1に対して垂直に伸延している。そして、その上方の側面において対極13と接することにより、透明導電層3と対極13とを導通させている。
この接続部21が配置された位置は、図6の従来型の色素増感型太陽電池Cのセル構造において、対極104のうち、光極103とは対向せずに光極103の片側を覆う部位が占める位置(104a)に相当する。本発明における接続部21は、導電性を有し、かつ、還元触媒としての機能を有さないものであるため、発生した電子の適切な流れを確保しつつ、接続部21において還元反応のみが選択的に進行してしまうことを抑制することができる。これと、光極7と対極13とが等面積に形成されていることにより、電解液17の中のイオンの還元反応と酸化反応の進行度がほぼ等しくなり、酸化還元サイクルの偏りが防止される。よって、対極13の一部において還元反応のみが選択的に進行してレドックス対の濃度勾配が発生し、使用を続けるにつれて活性なイオン種の量が減少して電解液17の導電性が低下し、出力低下につながってしまう等の不都合の発生を抑制することができる。したがって、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池Cを提供することができる。
The
In the cell structure of the conventional dye-sensitized solar cell C in FIG. 6, the position where the connecting
なお、セパレータ層15は光極7の片側を覆うように断面L字状に形成されており、接続部21はセパレータ層15の一方の端面と接しているため、厳密には、光極7の片側を覆う部位のセパレータ層15の厚み(スクライブ5の半幅〜全幅程度)の分だけ対極13の方が表面積が大きくなる。しかし、通常、スクライブ5の幅は光極7及び対極13の幅に対して極めて小さく、その差は無視できる程度であるので、ここでは等面積であるものとして扱う。つまり、本発明において、光極7と対極13とが「等面積」とは、実質的にみて面積が等しいことを意味し、たとえ多少大きさに差があったとしても、電解液17の中のイオンの還元反応と酸化反応の進行度が実質的に等しくなる程度の差は「等面積」に含まれるものとする。
The
ここで接続部21は、粒子径が1〜50nmの導電性酸化物粉末を原料とする焼結体であると好ましい。このような微細粉末を原料として透明導電層3の上に接続部21を焼結させて形成すれば、透明導電層3と接続部21とを密に結着させることができる。よって、当該結着部位における外力や膨張収縮ストレス等に対する機械的強度を向上させ、この点からも色素増感型太陽電池Cの長期耐久性を向上させることができる。
Here, the connecting
これまで説明してきたような色素増感型太陽電池モジュールMは、基板1を加工する第一工程、n型半導体層9を形成する第二工程、セパレータ層15を形成する第三工程、接続部21を形成する第四工程、対極13を形成する第五工程、n型半導体層9に色素11を吸着させて光極7を形成する第六工程、光極7、対極13及びセパレータ層15に電解液17を浸漬する第七工程、を経て製造される。この製造工程については、以下に、実施例とともに具体的に説明する。
As described above, the dye-sensitized solar cell module M includes a first step of processing the
(実施例1)
図3に示すような工程により、色素増感型太陽電池Cを製造した。なお、性能評価試験を行う際には、光極7が積層された透明導電層3とスクライブ5を隔てて隣設する透明導電層3と対極13とに亘って、導電性を有し、かつ、還元触媒としての機能を有さない接続部21を備えたことが、純粋に連続作動による性能低下の抑制作用を発揮させていることを確認するため、1セルのみの構成としたものを用いた。
(Example 1)
The dye-sensitized solar cell C was manufactured by the process as shown in FIG. When performing the performance evaluation test, the transparent
図3(a)に示す第一工程では、基板1が加工される。まず透明ガラス基板上にフッ素ドープ酸化スズ(FTO)を付着させて膜厚0.5μmの透明導電層3を形成した。その後、透明導電層3にYAGレーザー加工を施すことにより50μmの幅のスクライブ5を形成し、隣設する透明導電層3どうしを絶縁した。
In the first step shown in FIG. 3A, the
図3(b)に示す第二工程では、n型半導体層9が形成される。平均粒子径25nm以下の酸化チタンを分散し、セルロース系バインダを混合した後、ブチルカルビトール等溶媒置換しながら混合し、最終的に酸化チタン固形分濃度が16wt%になるようにペーストを調合した。このペーストをスクリーン印刷にて透明導電層3に積層した後、乾燥し、450度で焼成した。このようにして、酸化チタン層からなるn型半導体層9を形成した。
In the second step shown in FIG. 3B, the n-
図3(c)に示す第三工程では、セパレータ層15が形成される。平均粒子径が250nmよりも大きな粒子のルチル100%酸化チタンと平均粒子径20nmの酸化ジルコニウムとを分散し、セルロース系バインダを混合した。その後、ブチルカルビトール等溶媒置換しながら混合し、最終的に酸化チタン、酸化ジルコニウム固形分濃度が15wt%になるようにペーストを調合した。このペーストをスクリーン印刷にて光極7に積層した後、乾燥し、450度で焼成した。このようにして、平均膜厚5μmのセパレータ層15を形成した。
なお、セパレータ層15は、その一端が基板1上のスクライブ5と接触し、かつ、光極7の片側を覆うように断面L字状に形成される。これにより、光極7と対極13との直接接触、及び光極7と接続部21との直接接触が回避される。
In the third step shown in FIG. 3C, the
The
図3(d)に示す第四工程では、接続部21が形成される。平均粒子径が1〜50nmのインジウム・スズ酸化物(ITO)のナノ粒子粉末を分散し、セルロース系バインダを混合した後、ブチルカルビトール等溶媒置換しながら混合し、最終的にITO固形分濃度が16wt%になるようにペーストを調合した。このペーストをスクリーン印刷にて、光極7が積層された透明導電層3とスクライブ5を隔てて隣設する透明導電層3に積層した後、乾燥し、450度で焼成した。このようにして、接続部21を形成した。
なお、接続部21は、その原料濃度を調節することにより、セパレータ層15の上面よりもやや高くなるように形成される。
In the fourth step shown in FIG. 3D, the
The connecting
図3(e)に示す第五工程では、対極13が形成される。比表面積800m2/g以上のカーボンブラック、平均粒子径5μmのグラファイト、平均一次粒子径6nmの酸化チタンを重量基準で1:5:1で混合し、更にセルロース系バインダを混合した。その後、ブチルカルビトール等溶媒置換しながら混合し、最終的に固形分濃度が30wt%になるようにペーストを調合した。このペーストをスクリーン印刷にて、接続部21とセパレータ層15の段差を埋めるようにしながらセパレータ層15に積層した後、乾燥し、450度で焼成した。このようにして、対極13を形成した。
In the fifth step shown in FIG. 3E, the
第六工程では、n型半導体層9に色素11が吸着される。第一工程から第五工程までを経た基板1を、ルテニウム錯体のエタノール溶液に所定時間(24時間)浸漬することにより、酸化チタン層からなるn型半導体層9に色素11、つまりルテニウム錯体を吸着させた。このようにして、色素11を含んだn型半導体層9を有する光極7を形成した。
In the sixth step, the
第七工程では、光極7、対極13及びセパレータ層15に電解液17が浸漬される。本実施例では、3−メトキシプロピオニトリルに0.05mol/Lのヨウ素(I2)と、0.5mol/Lのリチウムヨウ素(LiI)と0.5mol/Lの4−t−ブチルピリジンを溶解した電解質溶液を電解液17として注入し、セル内に封止した。このようにして、色素増感型太陽電池Cを製造した。
In the seventh step, the
このようにして得られた色素増感型太陽電池Cを二つ作製し、初期出力、連続作動耐久性能、性能回復性、温度サイクル耐久性の夫々について評価を行った。
初期出力については、AM1.5スペクトル分布のキセノンランプを用いたソーラーシュミレータで100mW/cm2の条件下での初期変換効率(A)を測定した。
連続作動耐久性能については、二つずつ作製した色素増感型太陽電池Cのうちの一つを、雰囲気温度が60℃に保たれ、AM1.5スペクトル分布を照射できるキセノン光源を具備した作動耐久試験機に設置し、電池の両端出力を導線でつないで100mW/cm2の光を照射しながら1000時間放置した後の連続作動後変換効率(B)を測定した。
性能回復性については、更にその後、その電池を室温下暗所で24時間放置後、暗所休止後変換効率(C0)を測定した。そして、連続作動後変換効率(B)に対する暗所休止後変換効率(C0)の比率を回復率(C)として求めた。
温度サイクル耐久性については、二つ作製した色素増感型太陽電池Cのうちの別の一つを用い、−40℃から90℃の温度サイクル試験を100サイクル行って、温度サイクル後変換効率(D0)を測定した。そして、初期変換効率(A)に対する温度サイクル後変換効率(D0)の比率を性能維持率(D)として求めた。
Two dye-sensitized solar cells C thus obtained were prepared and evaluated for each of initial output, continuous operation durability, performance recovery, and temperature cycle durability.
For the initial output, the initial conversion efficiency (A) was measured under the condition of 100 mW / cm 2 with a solar simulator using a xenon lamp with an AM 1.5 spectral distribution.
For continuous operation durability performance, one of the dye-sensitized solar cells C produced two by two has an operation durability equipped with a xenon light source capable of irradiating AM1.5 spectral distribution while maintaining the ambient temperature at 60 ° C. The conversion efficiency (B) after continuous operation was measured after the battery was installed for 1000 hours while it was installed in a testing machine, connected at both ends of the battery with a lead wire and irradiated with light of 100 mW / cm 2 .
Regarding performance recovery, the battery was then allowed to stand in the dark at room temperature for 24 hours, and the conversion efficiency (C0) was measured after resting in the dark. And the ratio of the conversion efficiency after dark stop (C0) with respect to the conversion efficiency after continuous operation (B) was calculated | required as a recovery rate (C).
For temperature cycle durability, another one of the two dye-sensitized solar cells C produced was used, and a temperature cycle test from −40 ° C. to 90 ° C. was performed 100 cycles, and the conversion efficiency after temperature cycle ( D0) was measured. And the ratio of the conversion efficiency after temperature cycle (D0) with respect to the initial conversion efficiency (A) was calculated | required as a performance maintenance factor (D).
(実施例2)
実施例1の接続部21を、平均粒子径が50nm以下のアンチモン・スズ酸化物(ATO)のナノ粒子粉末を用いて形成した以外は、全て実施例1と同じ条件で色素増感型太陽電池Cを作製し、実施例1と同様の評価を行った。
(Example 2)
A dye-sensitized solar cell was formed under the same conditions as in Example 1 except that the connecting
なお、実施例1及び実施例2の共通の比較例として、図6に示すような従来型の色素増感型太陽電池Cを用いて、上記と同様の評価を行った。その結果を表1に示す。 As a common comparative example of Example 1 and Example 2, the same evaluation as described above was performed using a conventional dye-sensitized solar cell C as shown in FIG. The results are shown in Table 1.
表1によれば、実施例1のセル(No.1)や実施例2のセル(No.3)では、連続作動後変換効率(B)は初期変換効率(A)と比較してほとんど変化していない。一方、比較例のセル(No.5)では、1000時間の連続作動により変換効率が低下した。このことより、導電性酸化物を用いて形成した接続部21を備えることによって、セルの連続作動耐久性を向上させることができることが確認できた。これは、上記接続部21は還元触媒としての機能を有さないため、使用を続けるにつれて活性なイオン種の量が減少して電解液17の導電性が低下するといった不都合の発生が抑制されるからと考えられる。
また、温度サイクル耐久性については、実施例1のセル(No.2)や実施例2のセル(No.4)では、温度サイクル後変換効率(D0)は初期変換効率(A)と比較してほとんど変化がない。一方、比較例のセル(No.6)では、−40℃から90℃までの温度サイクル(100サイクル)により変換効率が低下した。このことより、導電性酸化物を用いて形成した接続部21を備えることによって、セルの温度サイクル耐久性をも向上させることができることが確認できた。これは、接続部21を形成する導電性酸化物の方が対極13を形成する多孔質カーボンよりも、透明導電層3に対してより緻密に結着して電解液17による膨潤が抑制されるため、電解液17の凍結及び溶解を繰り返すことによる膨張収縮ストレスに対して密着性が長期にわたって保証されるからと考えられる。
According to Table 1, in the cell of Example 1 (No. 1) and the cell of Example 2 (No. 3), the conversion efficiency (B) after continuous operation is almost the same as the initial conversion efficiency (A). Not done. On the other hand, in the cell (No. 5) of the comparative example, the conversion efficiency was lowered by 1000 hours of continuous operation. From this, it was confirmed that the continuous operation durability of the cell can be improved by providing the
Regarding the temperature cycle durability, in the cell of Example 1 (No. 2) and the cell of Example 2 (No. 4), the conversion efficiency after temperature cycle (D0) is compared with the initial conversion efficiency (A). There is almost no change. On the other hand, in the cell (No. 6) of the comparative example, the conversion efficiency was lowered by the temperature cycle (100 cycles) from −40 ° C. to 90 ° C. From this, it was confirmed that the temperature cycle durability of the cell can be improved by providing the
(実施例3)
実施例1の電解液17を、イオン性液体からなる電解液とした以外は、全て実施例1と同じ条件で色素増感型太陽電池Cを作製した。イオン性液体からなる電解液としては、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムイオダイド(MPII)5molに0.5molのヨウ素(I2)と0.5molの4−t−ブチルピリジンを溶解させたものを用いた。その粘度は約900mPa・sであった。このイオン性液体からなる電解液をセル内に注入して封止した。このようにして、色素増感型太陽電池Cを製造した。
(Example 3)
A dye-sensitized solar cell C was produced under the same conditions as in Example 1 except that the
このようにして得られた色素増感型太陽電池Cを二つ作製し、実施例1及び実施例2と同様の評価を行った。なお、比較例として、図6に示すような従来型の色素増感型太陽電池Cにイオン性液体からなる電解液を封入したものを用いて、上記と同様の評価を行った。その結果を表2に示す。 Two dye-sensitized solar cells C thus obtained were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 and Example 2. As a comparative example, the same evaluation as described above was performed using a conventional dye-sensitized solar cell C as shown in FIG. 6 in which an electrolytic solution made of an ionic liquid was sealed. The results are shown in Table 2.
表2によれば、実施例3のセル(No.7)では、連続作動後変換効率(B)は初期変換効率(A)と比較してほとんど変化していない。一方、比較例のセル(No.9)では、1000時間の連続作動により変換効率が大きく低下した。このことより、導電性酸化物を用いて形成した接続部21を備えることによって、セルの連続作動耐久性を大幅に向上させることができることが確認できた。これは、実施例1及び実施例2での考察と同様に、上記接続部21は還元触媒としての機能を有さないため、使用を続けるにつれて活性なイオン種の量が減少して電解液17の導電性が低下するといった不都合の発生が抑制されるからと考えられる。特に、イオン性液体からなる電解液のように粘性の高い電解液17を用いた場合には、電解液17自体の流動性が低いため、一旦レドックス対の濃度勾配が生じてしまうと元に戻るのに非常に時間がかかることから、その効果がより顕著に現れる。
また、温度サイクル耐久性については、実施例3のセル(No.8)では、温度サイクル後変換効率(D0)は初期変換効率(A)と比較してほとんど変化していない。一方、比較例のセル(No.10)では、−40℃から90℃までの温度サイクル(100サイクル)により変換効率が大きく低下した。このことより、本実施例においても、導電性酸化物を用いて形成した接続部21を備えることによって、セルの温度サイクル耐久性をも大幅に向上させることができることが確認できた。
According to Table 2, in the cell of Example 3 (No. 7), the conversion efficiency (B) after continuous operation hardly changes compared to the initial conversion efficiency (A). On the other hand, in the cell (No. 9) of the comparative example, the conversion efficiency was greatly reduced by continuous operation for 1000 hours. From this, it was confirmed that the continuous operation durability of the cell can be significantly improved by providing the
Further, regarding the temperature cycle durability, in the cell (No. 8) of Example 3, the post-temperature cycle conversion efficiency (D0) hardly changes compared to the initial conversion efficiency (A). On the other hand, in the cell (No. 10) of the comparative example, the conversion efficiency was greatly reduced by the temperature cycle (100 cycles) from −40 ° C. to 90 ° C. From this, it was confirmed that the temperature cycle durability of the cell can be greatly improved by providing the
〔第二の実施形態〕
本発明の第二の実施形態について図面を参照して説明する。
図4は本実施形態に係る色素増感型太陽電池Cのセル構造を示す断面斜視図である。基本的な構造は第一の実施形態に係る色素増感型太陽電池Cと同様であるが、本実施形態では接続部21を形成する材質が異なり、それに伴い製造方法が一部異なる。以下では、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a cross-sectional perspective view showing the cell structure of the dye-sensitized solar cell C according to this embodiment. The basic structure is the same as that of the dye-sensitized solar cell C according to the first embodiment, but in this embodiment, the material forming the
本実施形態においては、接続部21は、対極13を形成する材料と同じ材料を用いて対極13と一体的に形成される。すなわち、導電性及び電解液17に対する耐久性を有する多孔質カーボンを用いて、対極13と接続部21とが一体となって、光極7の片側を覆うように断面L字状に形成される。
In the present embodiment, the
そして、そのうちの接続部21に対して、樹脂材料31が含浸されている。樹脂材料31としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、光硬化性樹脂等を用いることができる。特に、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン等のポリオレフィン系の熱可塑性樹脂を主成分とする材料を用いれば、融点付近まで加熱して溶融しておき、接続部21の表面に塗布するだけで簡単に細孔33の内部へと含浸させることができるので好適である。
And the
図5は、接続部21の拡大図である。対極13及び接続部21は多孔質カーボン層により形成されており、これらはその内部に細孔33を有する。対極13については通常どおり、この細孔33に電解液17が浸漬し、細孔33の表面においてカーボンが触媒として機能することにより、電解液17の中のイオンの還元反応が進行する。
一方、接続部21については、その外側から熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料31が溶融されて塗布される。塗布された樹脂材料31は接続部21の内部へと含浸され、電解液17の中のイオンの還元反応の場としての細孔33がこの樹脂材料31により埋められてしまう。そのため、細孔33の表面においてカーボンが触媒として機能することが阻害され、接続部21の内部の細孔33においては還元反応がほとんど進行しなくなる。よって、還元反応のみが選択的に進行し、使用を続けるにつれて活性なイオン種の量が減少して電解液17の導電性が低下し、出力低下につながってしまう等の不都合が生じることが抑制される。したがって、長期耐久性に優れた色素増感型太陽電池Cを提供することができる。
FIG. 5 is an enlarged view of the connecting
On the other hand, a
本発明は、色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池モジュールに好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for dye-sensitized solar cells and dye-sensitized solar cell modules.
C 色素増感型太陽電池
M 色素増感型太陽電池モジュール
1 基板
3 透明導電層
7 光極
9 n型半導体層
11 色素
13 対極
17 電解液
21 接続部
31 樹脂材料
C Dye-sensitized solar cell M Dye-sensitized
Claims (7)
前記透明導電層の一方に積層された、受光に伴い電子を放出する色素を含んだn型半導体層を有する光極と、
前記光極に対して所定の間隔を隔てて等面積で対向する対極と、
前記光極と前記対極との間に封入された電解液層と、を備え、
前記透明導電層の他方と前記対極とに亘って、導電性を有し、かつ、還元触媒としての機能を有さない接続部を備えた色素増感型太陽電池。 Two transparent conductive layers formed on a substrate having light transmissivity at a predetermined interval, and
A photoelectrode having an n-type semiconductor layer, which is laminated on one of the transparent conductive layers, and contains a dye that emits electrons upon receiving light;
A counter electrode facing the photoelectrode with a predetermined distance and an equal area;
An electrolyte layer sealed between the photoelectrode and the counter electrode,
A dye-sensitized solar cell including a connection portion that has conductivity and does not have a function as a reduction catalyst across the other side of the transparent conductive layer and the counter electrode.
前記接続部に樹脂材料を含浸させた請求項1に記載の色素増感型太陽電池。 The connection portion is formed integrally with the counter electrode using the same material as the material forming the counter electrode,
The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the connection portion is impregnated with a resin material.
A dye-sensitized solar cell module in which a plurality of dye-sensitized solar cells according to any one of claims 1 to 6 are used and connected in series.
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