JP2009277626A - Method of manufacturing acting electrode, acting electrode, and photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多孔質酸化物半導体層を有する作用極の製造方法、作用極及び光電変換素子に関する。 The present invention relates to a method for producing a working electrode having a porous oxide semiconductor layer, a working electrode, and a photoelectric conversion element.
環境問題・資源問題などを背景に、クリーンエネルギーとしての太陽電池が注目を集めている。しかしながら、従来のシリコン系太陽電池は、製造コストが高い、原料供給が不十分などの課題が残されており、大幅普及には至っていない。また、CIS系などの化合物系太陽電池は、極めて高い光電変換効率を示すなど優れた特徴を有しているが、コストや環境負荷などの問題がやはり大幅普及への障害となっている。 Against the backdrop of environmental issues and resource issues, solar cells as clean energy are attracting attention. However, conventional silicon-based solar cells still have problems such as high manufacturing costs and insufficient raw material supply, and have not yet been widely spread. In addition, although compound solar cells such as CIS have excellent characteristics such as extremely high photoelectric conversion efficiency, problems such as cost and environmental load are still an obstacle to widespread use.
一方、色素増感型太陽電池は、安価で高い光電変換効率を得られる光電変換素子として着目されている(例えば、非特許文献1参照。)。この光電変換素子の一般的な構造としては、透明な導電性基板の上に、二酸化チタンなどの酸化物半導体ナノ粒子を用いた多孔膜を形成し、これに増感色素を担持させた半導体電極と、白金スパッタした導電性ガラスなどの対極とを組み合わせ、両極間にヨウ素・ヨウ化物イオンなどの酸化・還元種を含む有機電解液を電荷移送層として充填したものなどを挙げることができる。 On the other hand, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a photoelectric conversion element that can be obtained at low cost and high photoelectric conversion efficiency (see, for example, Non-Patent Document 1). As a general structure of this photoelectric conversion element, a semiconductor electrode in which a porous film using oxide semiconductor nanoparticles such as titanium dioxide is formed on a transparent conductive substrate and a sensitizing dye is supported on the porous film. And a counter electrode such as a platinum-sputtered conductive glass, and an organic electrolyte containing an oxidizing / reducing species such as iodine / iodide ions between the two electrodes as a charge transfer layer.
このような光電変換素子では、半導体極をラフネスファクタ>1000という大きな比表面を有する多孔質構造とすることで光吸収率を高め、10%以上の光電変換効率も報告されている。コスト面でも、現行のシリコン系太陽電池の1/2〜1/6程度と予想されており、必ずしも複雑・大規模な製造設備を必要とせず、更に有害物質も含まないため、大量普及に対応できる安価・大量生産型太陽電池として、高い可能性を有するといえる。
ここで用いる透明基板としては、ガラス基板表面にスズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)などの透明導電膜を予め蒸着、スパッタなどの手法により被覆したものが一般的である。
In such a photoelectric conversion element, it has been reported that the semiconductor electrode has a porous structure having a large specific surface with a roughness factor> 1000, thereby increasing the light absorption rate and a photoelectric conversion efficiency of 10% or more. In terms of cost, it is expected to be about 1/2 to 1/6 that of current silicon-based solar cells, and does not necessarily require complicated and large-scale manufacturing facilities, and does not contain harmful substances. It can be said that it has high potential as an inexpensive and mass-produced solar cell that can be produced.
As the transparent substrate used here, a glass substrate is generally coated with a transparent conductive film such as tin-added indium oxide (ITO) or fluorine-added tin oxide (FTO) in advance by a technique such as vapor deposition or sputtering.
上記の光電変換素子において、多孔質酸化物半導体層の形成には、スクリーン印刷を用いた技術が使用されている。このスクリーン印刷は、ステンシルと呼ばれる印刷部を小さな孔で貫通してある刷版を用い、版自体の穴からインクを擦り付けるといった方法を用いる印刷技術である。このスクリーン印刷は印刷圧が小さく、ガラスのようなデリケートな素材を被印刷体として適応可能であり、また製造コストが小さいという特徴を有する。そのため、透明導電膜付ガラスのような素材に粘性の高い物質を印刷することが可能であるため、色素増感光電変換素子を製造する工程で使用されることが多い(例えば、特許文献1参照)。 In the above photoelectric conversion element, a technique using screen printing is used for forming the porous oxide semiconductor layer. This screen printing is a printing technique that uses a method in which a printing plate called a stencil is penetrated by small holes and the ink is rubbed from a hole in the plate itself. This screen printing has a feature that the printing pressure is low, a delicate material such as glass can be applied as a printing medium, and the manufacturing cost is low. Therefore, since it is possible to print a highly viscous substance on a material such as glass with a transparent conductive film, it is often used in a process for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element (see, for example, Patent Document 1). ).
しかしながら、スクリーン印刷はメッシュからインクの貫通を行うことにより印刷を行っているため、粘度が高い物質をインクとして用いると、メッシュ孔から吐出されたインクで形成された塗膜にはメッシュの形状を反映した凹凸が生じる場合がある。塗布後の表面が平滑になる(レベリングする)ように、一般には様々な添加剤を加えてインクの粘度の調整を行っているが、それだけでは不十分な場合がある。特に酸化チタンのような顔料粒子からなるインクではその傾向が強い。 However, since screen printing is performed by penetrating the ink from the mesh, if a substance having a high viscosity is used as the ink, the shape of the mesh is not formed on the coating film formed from the ink ejected from the mesh holes. Reflected irregularities may occur. In general, various additives are added to adjust the viscosity of the ink so that the surface after application becomes smooth (leveling), but that alone may not be sufficient. This tendency is particularly strong in ink composed of pigment particles such as titanium oxide.
色素増感光電変換素子の電極には、ナノサイズの酸化チタン粒子等からなるインクをスクリーン印刷で導電性ガラス上に塗布、焼成して多孔質酸化物半導体層とした電極を用いる。この電極に増感色素を吸着させたものを光作用極とし、白金等を塗布した対極との間にヨウ素等の酸化還元対を含む電解質溶液を挟み込むことで光電変換素子として機能する。 As the electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element, an electrode made of nano-sized titanium oxide particles or the like is applied onto conductive glass by screen printing and baked to form a porous oxide semiconductor layer. The electrode having a sensitizing dye adsorbed on this electrode serves as a photo-active electrode, and functions as a photoelectric conversion element by sandwiching an electrolyte solution containing an oxidation-reduction pair such as iodine between a counter electrode coated with platinum or the like.
このとき、多孔質酸化物半導体層の塗膜に凹凸があると、2枚の電極間距離は凸部の膜厚で決定され、凹部には過剰な電解質溶液が入り込む。電解質溶液は電池を構成する材料の中で最も電気抵抗値が高い材料であるため、過剰な電解質溶液を用いることは電池の内部抵抗の増大を引き起こしてしまう。
このように、多孔質酸化物半導体層の厚さの不均一性により、多孔質酸化物半導体層表面の凹部に電解液が偏在してしまい、光電変換素子において内部抵抗が増大し、光電変換効率を低下させる原因となっていた。
Thus, due to the non-uniformity of the thickness of the porous oxide semiconductor layer, the electrolyte is unevenly distributed in the recesses on the surface of the porous oxide semiconductor layer, and the internal resistance increases in the photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion efficiency It was a cause of lowering.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、酸化物半導体多孔質層の表面凹凸の不均一性をなくし、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在による内部抵抗の増大を防止した作用極を、簡便な方法で製造することができる作用極の製造方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、酸化物半導体多孔質層の表面凹凸の不均一性をなくし、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在による内部抵抗の増大を防止した作用極を提供することを第二の目的とする。
また、本発明は、作用極において、酸化物半導体多孔質層の表面凹凸の不均一性をなくし、電解液の偏在による内部抵抗の増大を防止した光電変換素子を提供することを第三の目的とする。
The present invention has been devised in view of such conventional circumstances, and eliminates unevenness of the surface unevenness of the oxide semiconductor porous layer, and when used in a photoelectric conversion element, it is due to uneven distribution of the electrolyte. It is a first object of the present invention to provide a working electrode manufacturing method capable of manufacturing a working electrode in which an increase in internal resistance is prevented by a simple method.
In addition, the present invention provides a working electrode that eliminates unevenness of the surface unevenness of the oxide semiconductor porous layer and prevents an increase in internal resistance due to uneven distribution of the electrolyte when used in a photoelectric conversion element. Second purpose.
It is a third object of the present invention to provide a photoelectric conversion element that eliminates unevenness of the surface unevenness of the oxide semiconductor porous layer in the working electrode and prevents an increase in internal resistance due to uneven distribution of the electrolyte. And
本発明の請求項1に記載の作用極の製造方法は、透明導電性基板と、前記透明導電性基板上に配された酸化物半導体多孔質層と、を備え、前記酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされている作用極の製造方法であって、前記透明導電性基板上に前記酸化物半導体多孔質層を孔版印刷法により形成する工程と、離型性を有する平板を、前記透明導電性基板の上方にスペーサーを介して配し、該平板によって前記酸化物半導体多孔質層の上面を押圧することで、該酸化物半導体多孔質層の厚みを一様に、かつ、その上面を平らにする工程と、前記平板によって前記酸化物半導体多孔質層の上面を押圧した状態で前記酸化物半導体多孔質層を乾燥させる工程と、前記酸化物半導体多孔質層の乾燥後に、前記平板を除去し、焼成する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の作用極の製造方法は、請求項1において、前記酸化物半導体多孔質層を、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムのいずれかの材料により形成することを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の作用極は、透明導電性基板と、前記透明導電性基板上に配された酸化物半導体多孔質層と、を備え、前記酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされていることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の光電変換素子は、作用極、対極、及びこれらの間に封入された電解質からなる電解質層、から構成され、前記作用極は、透明導電性基板と、前記透明導電性基板上に配された酸化物半導体多孔質層と、を備え、前記酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされていることを特徴とする。
The manufacturing method of the working electrode of Claim 1 of this invention is equipped with a transparent conductive substrate and the oxide semiconductor porous layer distribute | arranged on the said transparent conductive substrate, The said oxide semiconductor porous layer A method for producing a working electrode having a uniform thickness and a flat upper surface, wherein the oxide semiconductor porous layer is formed on the transparent conductive substrate by a stencil printing method; A flat plate having releasability is disposed above the transparent conductive substrate via a spacer, and the upper surface of the oxide semiconductor porous layer is pressed by the flat plate, whereby the oxide semiconductor porous layer A step of making the thickness uniform and flattening the upper surface, a step of drying the oxide semiconductor porous layer while pressing the upper surface of the porous oxide semiconductor layer with the flat plate, and the oxide After drying the semiconductor porous layer, the flat plate Removed by It, and comprising the a step of firing.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a working electrode according to the first aspect, wherein the oxide semiconductor porous layer is made of titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, tungsten oxide, barium titanate, or strontium titanate. It is formed by any material.
The working electrode according to claim 3 of the present invention includes a transparent conductive substrate and an oxide semiconductor porous layer disposed on the transparent conductive substrate, and the oxide semiconductor porous layer has a thickness of It is uniform and its upper surface is made flat.
The photoelectric conversion element according to claim 4 of the present invention includes a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer made of an electrolyte enclosed between the working electrode, the working electrode, the transparent conductive substrate, and the transparent electrode. An oxide semiconductor porous layer disposed on a conductive substrate, wherein the oxide semiconductor porous layer has a uniform thickness and a flat upper surface.
本発明では、酸化物半導体多孔質層を孔版印刷法により形成した後、離型性を有する平板によって前記酸化物半導体多孔質層の上面を押圧することで、該酸化物半導体多孔質層の厚みを一様に、かつ、その上面を平らにすることができる。これにより、酸化物半導体多孔質層の表面凹凸の不均一性をなくすことができる。その結果、本発明では、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在及びそれに起因する内部抵抗の増大を防止した作用極を、簡便な方法で製造することができる作用極の製造方法を提供することができる。 In the present invention, after the oxide semiconductor porous layer is formed by the stencil printing method, the thickness of the oxide semiconductor porous layer is pressed by pressing the upper surface of the oxide semiconductor porous layer with a release plate. Can be made uniform and the upper surface thereof can be flattened. Thereby, the unevenness | corrugation of the surface asperity of an oxide semiconductor porous layer can be eliminated. As a result, in the present invention, when used in a photoelectric conversion element, there is provided a method for producing a working electrode that can produce a working electrode that prevents uneven distribution of the electrolyte and an increase in internal resistance due to the electrolyte by a simple method. Can be provided.
また、本発明では、酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされているので、酸化物半導体多孔質層の表面凹凸の不均一性がなくなる。その結果、本発明では、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在及びそれに起因する内部抵抗の増大を防止した作用極を提供することができる。 In the present invention, the thickness of the oxide semiconductor porous layer is uniform and the top surface thereof is flattened, so that the unevenness of the surface unevenness of the oxide semiconductor porous layer is eliminated. As a result, in the present invention, when used in a photoelectric conversion element, it is possible to provide a working electrode that prevents uneven distribution of the electrolytic solution and increase in internal resistance resulting therefrom.
また、本発明では、作用極において、酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされているので、酸化物半導体多孔質層の表面凹凸の不均一性がなくなる。その結果、本発明では、電解液の偏在及びそれに起因する内部抵抗の増大を防止した光電変換素子を提供することができる。 In the present invention, the oxide semiconductor porous layer has a uniform thickness and a flat top surface at the working electrode. Disappear. As a result, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion element that prevents uneven distribution of the electrolytic solution and increase in internal resistance resulting therefrom.
以下、本発明に係る作用極及び光電変換素子の一実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of a working electrode and a photoelectric conversion element according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の作用極の一実施形態を模式的に示す断面図である。
この作用極20は、透明導電性基板10と、前記透明導電性基板10上に配された酸化物半導体多孔質層21と、を備える。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of a working electrode of the present invention.
The working
そして本発明の作用極20は、前記酸化物半導体多孔質層21の厚みが一様であり、かつ、その上面21aが平らになされていることを特徴とする。
ここで、本明細書中、酸化物半導体多孔質層21が「厚みが一様であり、かつ、その上面21aが平ら」とは、上面21aの表面をmm単位で観測した際に、局所的な高低差を少なくし、作用極20の下面から上面21aまでの距離を一定にした状態であることを意味する。
The working
Here, in the present specification, the oxide semiconductor
本発明では、酸化物半導体多孔質層21の厚みが一様であり、かつ、その上面21aが平らになされているので、酸化物半導体多孔質層21の表面凹凸の不均一性がなくなる。その結果、本発明の作用極20は、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在及びそれに起因する内部抵抗の増大を防止したものとなる。
In the present invention, since the thickness of the oxide semiconductor
透明導電性基板10は、透明基材11、および、その一方の面11aに形成された透明導電膜12から概略構成されている。
透明基材11としては、光透過性の素材からなる基板が用いられ、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホンなど、通常、光電変換素子の透明基材として用いられるものであればいかなるものでも用いることができる。透明基材11は、これらの中から電解液への耐性などを考慮して適宜選択される。また、透明基材11としては、用途上、できる限り光透過性に優れる基板が好ましく、透過率が90%以上の基板がより好ましい。
The transparent
As the
透明導電膜12は、透明基材11に導電性を付与するために、その一方の面11aに形成された薄膜である。本発明では、透明導電性基板10の透明性を著しく損なわない構造とするために、透明導電膜12は、導電性金属酸化物からなる薄膜であることが好ましい。
透明導電膜12を形成する導電性金属酸化物としては、例えば、スズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2)などが用いられる。
The transparent
Examples of the conductive metal oxide that forms the transparent
これらの中でも、成膜が容易かつ製造コストが安価であるという観点から、ITO、FTOが好ましい。また、透明導電膜12は、ITOのみからなる単層の膜、または、ITOからなる膜にFTOからなる膜が積層されてなる積層膜であることが好ましい。
透明導電膜12を、ITOのみからなる単層の膜、または、ITOからなる膜にFTOからなる膜が積層されてなる積層膜とすることにより、可視域における光の吸収量が少なく、導電率が高い透明導電性基板10を構成することができる。
Among these, ITO and FTO are preferable from the viewpoint of easy film formation and low manufacturing costs. The transparent
By making the transparent conductive film 12 a single layer film made of only ITO or a laminated film made by laminating a film made of FTO on a film made of ITO, the amount of light absorption in the visible region is small, and the conductivity A transparent
酸化物半導体多孔質層21は、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化タングステン(WO3 )、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)などの1種または複数種を複合させた酸化物半導体微粒子からなり、内部に無数の微細な空孔を有し、表面に微細な凹凸を有する多孔質の薄膜である。酸化物半導体微粒子の平均粒径は、1〜1000nmの範囲内が好ましい。また、酸化物半導体多孔膜21の厚さは、0.5〜50μm程度が好ましい。
The oxide semiconductor
また、この酸化物半導体多孔質層21には、光増感色素が坦持されている。この光増感色素には、ビピリジン構造、ターピリジン構造などの配位子を含むルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニンなどの金属錯体、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などが用いられ、用途、金属酸化物半導体の種類等に応じて適宜選択することができる。
The oxide semiconductor
特に、本発明の作用極20では、酸化物半導体多孔質層21の厚みが一様であり、かつ、その上面21aが平らになされているので、酸化物半導体多孔質層21の表面凹凸の不均一性がなくなる。その結果、本発明の作用極20は、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在及びそれに起因する内部抵抗の増大を防止したものとなる。
In particular, in the working
次に、本発明の作用極20の製造方法について説明する。
図2は、本発明の作用極20の製造方法を工程順に示す断面図である。
本発明の作用極20の製造方法は、透明導電性基板10上に酸化物半導体多孔質層21を印刷法により形成する工程と、離型性を有する平板60を、前記透明導電性基板10の上方にスペーサー61を介して配し、該平板60によって前記酸化物半導体多孔質層21の上面21aを押圧することで、該上面21aを一様に平らにする工程と、前記酸化物半導体多孔質層21の上面21aを押圧した状態で前記酸化物半導体多孔質層21を乾燥させる工程と、前記酸化物半導体多孔質層21の乾燥後に、前記平板60を除去し、焼成する工程と、を備えたことを特徴とする。
Next, the manufacturing method of the working
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the working
The method of manufacturing the working
本発明では、酸化物半導体多孔質層21を孔版印刷法により形成した後、離型性を有する平板60によって前記酸化物半導体多孔質層21の上面21aを押圧することで、該酸化物半導体多孔質層21の厚みを一様に、かつ、その上面21aを平らにすることができる。これにより、酸化物半導体多孔質層21の表面凹凸の不均一性をなくすことができる。その結果、本発明の作用極の製造方法では、光電変換素子に用いた場合に、電解液の偏在及びそれに起因する内部抵抗の増大を防止した作用極20を、簡便な方法で製造することができる。
以下、各工程ごとに詳しく説明する。
In the present invention, after the oxide semiconductor
Hereinafter, each step will be described in detail.
(1)まず、図2(a)に示すように、透明導電性基板10上に、酸化物半導体多孔質層21を印刷法により形成する。
まず、ガラス等からなる透明基材11上に、ITO、FTOなどの透明導電膜12を形成する。透明導電膜12を形成する方法としては、透明導電膜12の材料に応じた公知の適切な方法を用いればよいが、例えば、スパッタ法、蒸着法、SPD法(スプレー熱分解法)、CVD法などが挙げられる。
(1) First, as shown in FIG. 2A, an oxide semiconductor
First, a transparent
酸化物半導体多孔質層21を形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、TiO2 等の酸化物半導体微粒子を所望の分散媒に分散させた分散液、あるいは、ゾル−ゲル法により調整できるコロイド溶液を、必要に応じて所望の添加剤を添加した後、印刷法など公知の塗布に より塗布する方法が挙げられる。
The method for forming the oxide semiconductor
(2)次に、図2(b)に示すように、離型性を有する平板60を、前記透明導電性基板10の上方にスペーサー61を介して配し、該平板60によって前記酸化物半導体多孔質層21の上面21aを押圧することで、該該酸化物半導体多孔質層21の厚みを一様に、かつ、その上面21aを平らにすることができる。
(2) Next, as shown in FIG. 2B, a
ここで用いられる「離型性を有する平板60」とは、酸化物半導体多孔質層21の押圧に際し、該透明導電性基板21の上面21aを一様に平らにするに足る平面性と、透明導電性基板21が該平面から容易に剥離できるだけの離型性を有するものであれば特に限定されるものでなく、例えば表面に離型処理が施された各種平板や、テフロン(登録商標)シート、ポリイミドフィルム等を用いることができる。また、その厚みについても、前記目的を達成できるものであれば、特に限定されない。
このとき、透明導電性基板10と前記平板60との間に配されるスペーサー61としては、特に限定されるものではないが、例えばアルミ等の金属からなるものを用いることができる。
As used herein, the “
At this time, the
(3)次に、前記酸化物半導体多孔質層21の上面21aを押圧した状態で酸化物半導体多孔質層21を乾燥させる。
乾燥の条件としては、特に限定されるものではないが、例えば、130〜160℃の温度で、20分〜1時間かけて行う。
(3) Next, the oxide semiconductor
Although it does not specifically limit as drying conditions, For example, it carries out over 20 minutes-1 hour at the temperature of 130-160 degreeC.
(4)次に、図2(c)に示すように、酸化物半導体多孔質層21の乾燥後に、前記平板を除去する。そして、酸化物半導体多孔質層21を焼成する。
焼成の条件としては、特に限定されるものではないが、例えば、480〜520℃の温度で、1〜2時間かけて行う。
(4) Next, as shown in FIG. 2C, the flat plate is removed after the oxide semiconductor
Although it does not specifically limit as conditions for baking, For example, it carries out at the temperature of 480-520 degreeC over 1-2 hours.
(5)最後に、酸化物半導体多孔質層21に対して色素担持を行う。
色素担持用の色素溶液は、例えばアセトニトリルとt−ブタノールを容積比で1:1とした溶媒に対して極微量のN719粉末を加えて調整したものを予め準備しておく。
シャーレ状の容器内に入れた色素溶媒に、別途電気炉にて120〜150℃程度に加熱処理した多孔質酸化物半導体層を浸した状態とし、暗所にて一昼夜(およそ20時間)浸漬する。その後、色素溶液から取り出した酸化物半導体多孔質層21は、アセトニトリルとt−ブタノールからなる混合溶液を用い洗浄する。
以上のようにして、図1に示したような作用極20が得られる。
(5) Finally, dye support is performed on the oxide semiconductor
As the dye solution for supporting the dye, for example, a solution prepared by adding an extremely small amount of N719 powder to a solvent of acetonitrile and t-butanol in a volume ratio of 1: 1 is prepared in advance.
A porous oxide semiconductor layer that has been heat-treated in a separate electric furnace at about 120 to 150 ° C. is immersed in a dye solvent placed in a petri dish-like container, and is immersed for a whole day and night (approximately 20 hours) in a dark place. . Thereafter, the oxide semiconductor
As described above, the working
次に、本発明の光電変換素子50について説明する。
図3は、本発明に係る光電変換素子50の一実施形態を模式的に示す断面図である。
この光電変換素子50は、上述したような本発明の作用極20を用いたものであり、作用極20と、対極30と、これらの間に封入された電解質からなる電解質層40と、から概略構成される。
光電変換素子50において、電解質層40を作用極20と対極30で挟んでなる積層体が、その外周部が封止部材51によって接着、一体化されて色素増感型の光電変換素子として機能する。
Next, the
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the
This
In the
この例での対極30は、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタレートなどのプラスチックフィルム30bの一方の面上に、白金や金などの導電薄膜30aを蒸着、スパッタなどにより形成したものが用いられ、これの導電薄膜が素子の内面側になるように配置されて、この例の光電変換素子50となっている。
また、対極30としては、これ以外に、プラスチックフィルムに代えてTiなどの金属箔体を用い、その一方の面上に、白金や金、炭素などの導電膜を形成したものを用いてもよい。
The
In addition, as the
この対極30と作用極20との間には電解液が充填されて電解質層40となっている。この電解液としては、レドックス対を含む非水系電解液であれば、特に限定されるものではない。溶媒としては、例えばアセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、γ−ブチロラクトン、メトキシプロピオニトリルなどが用いられる。
レドックス対としては、例えばヨウ素/ヨウ素イオン、臭素/臭素イオンなどの組み合わせを選ぶことができ、これを塩として添加する場合の対イオンとしては、上記レドックス対にリチウムイオン、テトラアルキルイオン、イミダゾリウムイオンなどを用いることができる。また、必要に応じてヨウ素などを添加してもよい。また、このような電解液を適当な高分子マトリックスによりゲル化させた固体状のものを用いてもよい。
An electrolyte solution is filled between the
As a redox pair, for example, a combination of iodine / iodine ion, bromine / bromine ion and the like can be selected. As a counter ion when this is added as a salt, lithium ion, tetraalkyl ion, imidazolium is added to the above redox pair. Ions can be used. Moreover, you may add an iodine etc. as needed. Moreover, you may use the solid thing which gelatinized such electrolyte solution with the appropriate polymer matrix.
また、電解質層40に代えて、p型半導体からなるホール輸送層を用いてもよい。このp型半導体には、例えばヨウ化銅、チオシアン銅などの1価銅化合物やポリピロールなどの導電性高分子を用いることができ、なかでもヨウ化銅が好ましい。このp型半導体からなる固体のホール輸送層やゲル化した電解質を用いたものでは、電解液の漏液のおそれがない。
また、p型半導体をホール輸送層とする場合(例えば、ゲル化した電解質を用いる場合)には、p型半導体が固体であるため、ガラス基板の上に直接白金などの導電薄膜を蒸着、スパッタなどにより形成して対極30とすることもできる。
Further, instead of the
When a p-type semiconductor is used as a hole transport layer (for example, when a gelled electrolyte is used), a conductive thin film such as platinum is directly deposited on a glass substrate and sputtered because the p-type semiconductor is solid. For example, the
封止部材51としては、透明導電性基板10および対極30に対する接着性に優れるものであれば特に限定されないが、例えば、分子鎖中にカルボン酸基を有する熱可塑性樹脂からなる接着剤などが望ましく、具体的には、ハイミラン(三井デュポンリケミカル社製)、バイネル(三井デュポンリケミカル社製)などが挙げられる。これら以外に、封止部材51としては、アロンアルファ(東亞合成社製)を用いても構わない。
The sealing
本発明の光電変換素子50では、作用極20において、酸化物半導体多孔質層21の厚みが一様であり、かつ、その上面21aが平らになされているので、酸化物半導体多孔質層21の表面凹凸の不均一性がなくなる。その結果、本発明の光電変換素子50は、電解液の偏在や、それに起因するミクロ的な内部抵抗のバラツキが均一化され、ひいては優れた光電変換効率を有するものとなる。
In the
以上、本発明の作用極の製造方法、作用極及び光電変換素子について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。 As mentioned above, although the manufacturing method of the working electrode of this invention, the working electrode, and the photoelectric conversion element were demonstrated, this invention is not limited to said example, It can change suitably as needed.
以下のようにして作用極及び光電変換素子を作製し、その特性を評価した。
(実施例1)
まず、透明導電性基板としてFTOガラス基板を用意し、該FTOガラス基板上に、酸化チタンナノ粒子のペーストをスクリーン印刷法で塗布して酸化物半導体多孔質層を形成した。
次に、厚さ200μmのアルミ板からなるスペーサーを介して離型性平板を前記酸化物半導体多孔質層の上に配した。離型性平板としては、日本バルカー工業(株)製テフロン(登録商標)シート(厚さ3mm)を用いた。その状態で150℃で乾燥させた。その後、前記平板を除去し、500℃で焼成した。
この多孔質酸化物半導体層にN719色素の担持を行った。これにより図1に示すような、厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされている多孔質酸化物半導体層を有する作用極が得られた。
A working electrode and a photoelectric conversion element were prepared as follows, and their characteristics were evaluated.
Example 1
First, an FTO glass substrate was prepared as a transparent conductive substrate, and a paste of titanium oxide nanoparticles was applied on the FTO glass substrate by a screen printing method to form an oxide semiconductor porous layer.
Next, a releasable flat plate was disposed on the oxide semiconductor porous layer through a spacer made of an aluminum plate having a thickness of 200 μm. As the releasable flat plate, a Teflon (registered trademark) sheet (thickness 3 mm) manufactured by Nippon Valqua Industries, Ltd. was used. It was made to dry at 150 degreeC in the state. Then, the said flat plate was removed and it baked at 500 degreeC.
N719 dye was supported on the porous oxide semiconductor layer. As a result, a working electrode having a porous oxide semiconductor layer having a uniform thickness and a flat upper surface as shown in FIG. 1 was obtained.
また、作用極に用いたものと同様のFTOガラス基板を用い、この透明導電膜(FTO膜)の上に、スパッタリング法により、白金からなる薄膜を成膜して、対極を得た。
次いで、作用極に電解質の付着を行った。
次いで、作用極と対極を貼り合わせた。具体的には、作用極または対極の周縁部に、封止部材として、幅2mm、厚み50μmの熱可塑性樹脂からなるシート(商品名ハイミラン、三井デュポンポリケミカル社製)を口型に融着させて貼り合わせ、プレスして積層体を形成した。
これにより図3に示したような色素増感型光電変換素子を作製した。
Moreover, the same FTO glass substrate as what was used for the working electrode was used, and on this transparent conductive film (FTO film), the thin film which consists of platinum was formed with sputtering method, and the counter electrode was obtained.
Next, an electrolyte was attached to the working electrode.
Next, the working electrode and the counter electrode were bonded together. Specifically, a sheet made of a thermoplastic resin having a width of 2 mm and a thickness of 50 μm as a sealing member (trade name High Milan, manufactured by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd.) is fused to the mouth of the peripheral edge of the working electrode or the counter electrode. Were laminated and pressed to form a laminate.
Thus, a dye-sensitized photoelectric conversion element as shown in FIG. 3 was produced.
(実施例2〜実施例6)
スペーサーの厚み、離型性基板の種類を後掲する表1に示したものとしたこと以外は、実施例1と同様にして作用極及び光電変換素子を作製した。
(Example 2 to Example 6)
A working electrode and a photoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the spacer and the type of the releasable substrate were as shown in Table 1 below.
(比較例1)
まず、透明導電性基板としてFTOガラス基板を用意し、該FTOガラス基板上に、酸化チタンナノ粒子のペーストをスクリーン印刷法で塗布して酸化物半導体多孔質層を形成した。
次に、前記酸化物半導体多孔質層のレベリングを20分間行い、150℃で乾燥させた。その後、500℃で2時間焼成した。これにより作用極を得た。
この作用極を用いて前記実施例1と同様にして色素増感型光電変換素子を作製した。
(Comparative Example 1)
First, an FTO glass substrate was prepared as a transparent conductive substrate, and a paste of titanium oxide nanoparticles was applied on the FTO glass substrate by a screen printing method to form an oxide semiconductor porous layer.
Next, the oxide semiconductor porous layer was leveled for 20 minutes and dried at 150 ° C. Then, it baked at 500 degreeC for 2 hours. As a result, a working electrode was obtained.
Using this working electrode, a dye-sensitized photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.
(比較例2〜比較例4)
レベリング時間を後掲する表1に示したものとしたこと以外は、比較例1と同様にして作用極及び光電変換素子を作製した。
(Comparative Example 2 to Comparative Example 4)
A working electrode and a photoelectric conversion element were produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the leveling time was as shown in Table 1 below.
以下では、上述した各実施例および比較例により作製した光電変換素子に対して、「光電変換効率」と「金属グリッド配線の腐食」とを評価した結果について述べる。
(評価)光電変換効率
各実施例及び比較例の光電変換素子について、エアマスが1.5の擬似太陽光を用いて光電変換効率を測定、評価した。ただし、比較例の光電変換効率を1とした。
評価結果を以下の表1に示す。
Below, the result of having evaluated "photoelectric conversion efficiency" and "corrosion of metal grid wiring" with respect to the photoelectric conversion element produced by each Example and comparative example mentioned above is described.
(Evaluation) Photoelectric conversion efficiency About the photoelectric conversion element of each Example and the comparative example, the photoelectric conversion efficiency was measured and evaluated using the artificial sunlight whose air mass is 1.5. However, the photoelectric conversion efficiency of the comparative example was set to 1.
The evaluation results are shown in Table 1 below.
表1から明らかなように、実施例の素子では、いずれも比較例に比べて高い光電変換効率を有していた。
以上の結果より、本発明の作用極及び光電変換素子では、高い光電変換効率を有することが確認された。作用極において、酸化物半導体多孔質層の厚みを一様にし、かつ、その上面を平らにすることで、電解液の偏在による内部抵抗の増大が防止され、光電変換効率の低下が防止されたためと考えられる。
As can be seen from Table 1, all of the devices of the examples had higher photoelectric conversion efficiency than the comparative example.
From the above results, it was confirmed that the working electrode and the photoelectric conversion element of the present invention have high photoelectric conversion efficiency. By making the thickness of the oxide semiconductor porous layer uniform and flattening its upper surface at the working electrode, the increase in internal resistance due to the uneven distribution of the electrolyte is prevented, and the decrease in photoelectric conversion efficiency is prevented. it is conceivable that.
本発明は、酸化物半導体多孔質層を有する作用極の製造方法、作用極及び光電変換素子について広く適用可能である。 The present invention is widely applicable to a method for producing a working electrode having an oxide semiconductor porous layer, a working electrode, and a photoelectric conversion element.
10 透明導電性基板、11 透明基材、12 透明導電膜、20 作用極、21 酸化物半導体多孔質層、21a 上面、30 対極、40 電解質層、50 光電変換素子、60 平板、61 スペーサー。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記透明導電性基板上に前記酸化物半導体多孔質層を孔版印刷法により形成する工程と、
離型性を有する平板を、前記透明導電性基板の上方にスペーサーを介して配し、該平板によって前記酸化物半導体多孔質層の上面を押圧することで、該酸化物半導体多孔質層の厚みを一様に、かつ、その上面を平らにする工程と、
前記平板によって前記酸化物半導体多孔質層の上面を押圧した状態で前記酸化物半導体多孔質層を乾燥させる工程と、
前記酸化物半導体多孔質層の乾燥後に、前記平板を除去し、焼成する工程と、を備えたことを特徴とする作用極の製造方法。 A transparent conductive substrate; and an oxide semiconductor porous layer disposed on the transparent conductive substrate, wherein the oxide semiconductor porous layer has a uniform thickness and a flat upper surface. A working electrode manufacturing method comprising:
Forming the oxide semiconductor porous layer on the transparent conductive substrate by a stencil printing method;
A thickness of the oxide semiconductor porous layer is obtained by disposing a flat plate having releasability via a spacer above the transparent conductive substrate and pressing the upper surface of the oxide semiconductor porous layer with the flat plate. Uniformly and flattening the upper surface;
Drying the oxide semiconductor porous layer while pressing the upper surface of the oxide semiconductor porous layer with the flat plate;
And a step of removing the flat plate and firing after drying the porous oxide semiconductor layer.
前記透明導電性基板上に配された酸化物半導体多孔質層と、を備え、
前記酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされていることを特徴とする作用極。 A transparent conductive substrate;
An oxide semiconductor porous layer disposed on the transparent conductive substrate,
A working electrode characterized in that the oxide semiconductor porous layer has a uniform thickness and a flat upper surface.
前記作用極は、透明導電性基板と、
前記透明導電性基板上に配された酸化物半導体多孔質層と、を備え、
前記酸化物半導体多孔質層の厚みが一様であり、かつ、その上面が平らになされていることを特徴とする光電変換素子。 It is composed of a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer composed of an electrolyte enclosed between them,
The working electrode includes a transparent conductive substrate,
An oxide semiconductor porous layer disposed on the transparent conductive substrate,
A photoelectric conversion element characterized in that the porous oxide semiconductor layer has a uniform thickness and a flat upper surface.
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