JP2010003657A - 色素増感太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の色素増感太陽電池は、酸化チタン及び色素の限界により変換効率が低くく、また色素や電解液の液漏れ等による長寿命化（長期安定性）の確保が困難であったため、それらの改善や解決により高効率で長寿命（長期安定）となる色素増感太陽電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 色素を吸着したゼオライトを多孔質酸化チタンで被覆し高分子吸収体でゲル化したもの、又は色素を吸着した多孔質酸化チタンを同様にゲル化したもの、又はそれらにシリコンや化合物半導体を含めたもの等を、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥凝縮させて後に、細分化等をし又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材（同様に形成した色素、電解液及び電極を含む。）に形成し用いた色素増感太陽電池。
【選択図】図２
【解決手段】 色素を吸着したゼオライトを多孔質酸化チタンで被覆し高分子吸収体でゲル化したもの、又は色素を吸着した多孔質酸化チタンを同様にゲル化したもの、又はそれらにシリコンや化合物半導体を含めたもの等を、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥凝縮させて後に、細分化等をし又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材（同様に形成した色素、電解液及び電極を含む。）に形成し用いた色素増感太陽電池。
【選択図】図２
Description
本発明は、色素を吸着したゼオライト等を多孔質酸化チタンで被覆し高分子吸収体でゲル化したもの、又は色素を吸着した多孔質酸化チタンを同様にゲル化したもの等を、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥させて後に、例えば粒子状にしたり細分化し又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等（薄膜化、均一化を含み以下同。）の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材（同様に成形した色素、電解液及び電極を含む。）に形成して用いた色素増感太陽電池およびその製造方法に関する。
従来の色素増感太陽電池は、一般的には半導体層電極、対電極、及びそれらの電極間に充填された電解質層とから構成される。この際に、半導体層表面には可視光領域に吸収スペクトルを有する光増感色素が吸着されている。
この半導体層電極に光を照射すると、電極側にある色素から電子が発生し、この電子が多孔質酸化チタン膜に移動してインジウムすず酸化物（ＩＴＯ）等の導電層を通り、回路を経て対電極に流れる。
そして対電極に流れた電子は、電解質中のイオンにより運ばれて半導体層電極に戻る。この際の電解液には通常ニトリル系の溶媒を用い、これに溶質としてヨウ素とヨウ素イオンのレドックス系を溶解する。このような繰り返しにより電気エネルギーが取り出せる。
しかし、変換効率が最大１０％程度と低いため特許文献１及び２のように、電解液の液漏れや変質に対して高分子化合物等を用いたゲル状電解質やポリマー電解質といった類のもので解決を試みているが、大きな成果は見受けられない。
一方、特許文献３では、ゼオライト等の担体の表面に酸化チタンを被覆するといった光触媒技術が見受けられる。
従来の色素増感太陽電池は、紫外線域波長にのみ対応する酸化チタン及び色素の光増感に限界があるために変換効率が最大１０％程度と低くく、また色素や電解液の液漏れ等による長寿命化（長期安定性の確保）が困難となっている。
そのため、高増感色素を求めたり液漏れ等を改善するために、酸化チタンの多孔化、色素の改質、固体化及びゲル化等の研究がなされているが、大きな成果は見受けられない。
本発明は、これら課題を改善し解決することで、より高効率で長寿命化を図った色素増感太陽電池およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記目的達成のために、まず色素をゼオライト（活性炭を含み、以下略。）に吸着させて後に多孔質酸化チタンを被覆する。この際に例えば色素を吸着したゼオライトを加圧し凝縮して良く、単位当たりの色素量が増大し発生電子も多く見込める。
又はゼオライトを用いずに色素を直接多孔質酸化チタンに吸着させる。この際もそれを一定程度加圧し凝縮して良い。
又はそれらにシリコンや化合物半導体を、微粒子状にして含める（シリコン等を混合しても良い。）ことで、多孔質酸化チタン及び色素の機能強化及び補強がなされる。
次に、それら（単一又は複数の色素、電解液及び電極を含み、不用とすることも可能。以下同。）を、それぞれ高分子吸収体でゲル状にして乾燥凝縮させるが、その際に粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で最大限の乾燥と凝縮を行うことが必要である。
その粘着性（粘弾性）は、液体的な導電作用によって色素で発生した電子を半導体層に移動させて電極に伝え、電解液のイオンを保持して色素への電子供給機能を担う。また、それは面的な広がりを持つために透明度のある薄膜状の電極が可能となり、従来の電極の代替も可能となる。
そして、それらゲル状のものを、例えば粒子状にしたり小さく裁断する等の細分化を行い又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材を形成させる。
その場合、色素では、可視光域の吸収スペクトルが異なる複数の色素を単一のゴム状ゲル材に形成したり、複数の色素のゴム状ゲル材を組み合わせて（積層を含む。）用いる等で、さらに発生する電子量の増大が期待できる。
また、電解液では、ゴム状ゲル材を形成するだけで十分に液漏れ等の解決は図れるが、粘着性（粘弾性）の働きによって電解液を用いずに直接電極から色素へ電子を供給して液漏れ等を解決することも可能である。
その後に、上記のゴム状ゲル材を積み重ね、それをさらに一体的にするために再び加圧凝縮等の加工、例えば圧延、ロール及びプレス加工等で凝縮化、薄膜化、均一化及び製品化等を行い、プラスチックの基板（ガラス材、天然繊維、合成繊維及び炭素繊維を含む。以下同。）に封止材、電極、反射膜及び反射防止膜等との一部又は全部の組み合わせで本発明の色素増感太陽電池が形成される。
また、上記のゴム状ゲル材を複数組み合わせて（積層を含む。）、上記同様にすることで、より機能向上を図った本発明の色素増感太陽電池が形成される。
本発明は、変換効率の低さ、色素や電解液の液漏れ等を解決して高効率及び長寿命化を図るもので、まず変換効率の低さに対し、色素の高密度化及び吸収スペクトル域の拡大等によって単位当たりの色素量が増大して発生電子も増大する等により高効率となる。
また、シリコンや化合物半導体を用いることで、さらに発生する電子量を増大させるとともに半導体層の充実等になり電極に伝達させる電子量も増大して高効率となる。
次に、色素及び電解液の液漏れ等に対しては、多孔質酸化チタン、色素及び電解液を高分子吸収体を用いてゴム状ゲル材に形成したことで解決される。
即ち、例えば電解液が担っていた色素への電子供給機能が、ゴム状ゲル材の粘着性（粘弾性）が持つ液体的な導電作用によって担保されるので液漏れ等が解決される。
また、粘着性（粘弾性）の液体的な導電作用によって電解液を不用とすることも可能となるので、その場合には液漏れ等の問題は生じない。
以上により、多孔質酸化チタン、色素及び電解液等をゴム状ゲル材とすることで変換効率が向上し、かつ液漏れ等が解消、解決されて強い弾力性が保持されることで、耐久性が増し長寿命化（長期安定性の確保）が図られる。
本発明について、図１から図１２の実施例に基づいて説明する。ただし、本発明はこれらに限るものではなく、また作図は主要な構成物のみとする。
本発明の基本的な形態は、まず色素２をゼオライト３に吸着させて後に多孔質酸化チタン４で被覆し、又は色素２を直接に多孔質酸化チタン４に吸着させ、又はそれらにシリコン（化合物半導体含む。以下同。）４−１を含ませる（シリコン４−１の単独でも良い。）。
次に、それらを高分子吸収体５によってゲル化し、その後粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥させて凝縮させる。その場合、自然乾燥でも人工乾燥でも良い。
そして、ゲル化し乾燥凝縮したそれらを、例えば粒子状に加工したり裁断して細分化したり又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持ったゴム状ゲル材６（説明上、ゼオライト３やシリコン４−１の有無を問わない。以下同。）を形成する。
一方、上記方法により色素２及び電解液７をそれぞれ色素ゴム状ゲル材８、電解液ゴム状ゲル材９に形成する。
それらを、例えばプラスチックの基板（以下「基板」）１０で挟み込み、電極１１、封止材１２、反射膜等１３（等は反射防止膜）と一体的に組み合わせること（積層を含む。）で本発明の色素増感太陽電池が形成されるものである。
図１は基本構成を上から基板１０、電極１１、ゴム状ゲル材６、電解液ゴム状ゲル材９、電極１１、基板１０としたもので、図２は図１の基本構成において、ゴム状ゲル材６と電解液ゴム状ゲル材９の間に色素ゴム状ゲル材８を配置したものである。
そして、太陽光でゴム状ゲル材６の色素２から電子が発生し、また色素ゴム状ゲル材８からも同様に電子が発生し、それら電子が多孔質酸化チタン４を通じて電極１１に流れる。
その後、色素２に対し電解液ゴム状ゲル材９から新たな電子が供給されるが、それら発生電子の移動等に係る機能は、全てそれぞれのゴム状ゲル材（６、８、９）の粘着性（粘弾性）が担うこととなる。
図３は、図２の基本構成において色素ゴム状ゲル材８のほかに吸収スペクトルの異なる色素ゴム状ゲル材８−１を配置して、より色素増感を図ったものである。
図４は、図２の基本構成において電解液ゴム状ゲル材９を除いたものである。
図５は、基本構成を上から基板１０、ゴム状ゲル材６、電極１１、ゴム状ゲル材６、電解液ゴム状ゲル材９、電極１１、基板１０としたもので、図６は図５の基本構成において、色素ゴム状ゲル材８を加えたものである。
図５及び図６は、上部の電極１１をその上下に配置したゴム状ゲル材６で挟み込むようにしたもので、上下に配置したゴム状ゲル材６からより多くの発生電子が伝えられる仕組みである。なお、必要に応じてセパレータ等による電極の保護や制御を行う。
図７は、図６の基本構成において電解液ゴム状ゲル材９を除いたもので、図８は基本構成を上から基板１０、電極１１、ゴム状ゲル材６、電解液ゴム状ゲル材９、電極１１、電解液ゴム状ゲル材９、ゴム状ゲル材６、電極１１、基板１０としたものである。
図９は、図８の基本構成において電解液ゴム状ゲル材９の替わりに色素ゴム状ゲル材８と８−１を加えたものである。
図１０は、基本構成を上から基板１０、ゴム状ゲル材６、電極１１、ゴム状ゲル材６、電解液ゴム状ゲル材９、電極１１、電解液ゴム状ゲル材９、ゴム状ゲル材６、電極１１、ゴム状ゲル材６、基板１０としたものである。
図１１は、図１０の基本構成において電解液ゴム状ゲル材９の替わりに色素ゴム状ゲル材８と８−１を加えたものである。
図１２は、色素ゴム状ゲル材８及び８−１を透明度の高い薄膜状にして電極の代替を担わせたものである。
１ 本発明の実施例（１）
２ 色素
３ ゼオライト
４ 多孔質酸化チタン
４−１ シリコン（化合物半導体含む。）
５ 高分子吸収体
６ ゴム状ゲル材
７ 電解液
８ 色素ゴム状ゲル材
８−１ 色素ゴム状ゲル材（色素ゴム状ゲル材８と異なる吸収スペクトルを持つ。）
９ 電解液ゴム状ゲル材
１０ 基板
１１ 電極
１２ 封止材
１３ 反射膜等
１４ 本発明の実施例（２）
１５ 本発明の実施例（３）
１６ 本発明の実施例（４）
１７ 本発明の実施例（５）
１８ 本発明の実施例（６）
１９ 本発明の実施例（７）
２０ 本発明の実施例（８）
２１ 本発明の実施例（９）
２２ 本発明の実施例（１０）
２３ 本発明の実施例（１１）
２４ 本発明の実施例（１２）
２ 色素
３ ゼオライト
４ 多孔質酸化チタン
４−１ シリコン（化合物半導体含む。）
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８−１ 色素ゴム状ゲル材（色素ゴム状ゲル材８と異なる吸収スペクトルを持つ。）
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２１ 本発明の実施例（９）
２２ 本発明の実施例（１０）
２３ 本発明の実施例（１１）
２４ 本発明の実施例（１２）
Claims (15)
- 色素を吸着したゼオライトや活性炭を多孔質酸化チタンで被覆し高分子吸収体でゲル化したもの、又は色素を吸着した多孔質酸化チタンを高分子吸収体でゲル化したもの、又はそれらにシリコンや化合物半導体を含めたもの、又はシリコンや化合物半導体や多結晶酸化チタンを高分子吸収体でゲル化したものを、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥させて後に、例えば粒子状にしたり細分化し又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等（薄膜化、均一化を含み以下同。）の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材（同様に形成した色素、電解液及び電極を含む。）に形成して用いたことを特徴とする色素増感太陽電池。
- 色素をゼオライトや活性炭に吸着させ、それらを加圧した後に多孔質酸化チタンで被覆したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 色素を吸着したゼオライトや活性炭を多孔質酸化チタンで被覆し高分子吸収体でゲル化したこと、又は色素を吸着した多孔質酸化チタンを高分子吸収体でゲル化したこと、又はそれらにシリコンや化合物半導体を含めたこと、又はシリコンや化合物半導体や多結晶酸化チタン（それらを混合しても良い。）を高分子吸収体でゲル化したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 上記請求項３記載の高分子吸収体でゲル化したものを、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥させて後に、例えば粒子状にしたり細分化して又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 単一又は複数の色素を高分子吸収体でゲル化したものを、上記請求項４記載のゴム状ゲル材と同様のゴム状ゲル材に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 上記請求項５記載の色素のゴム状ゲル材を複数重ね合わせて一体化し又は複数重ねた後にさらに加圧凝縮等の加工をして一体化したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 電解液を上記請求項４及び請求項５記載のゴム状ゲル材と同様のゴム状ゲル材に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 電解液（多孔質酸化チタンを含む。）を不用としたことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 電極を請求項４及び５記載のゴム状ゲル材と同様のゴム状ゲル材に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 上記請求項４、５、６、７及び９記載のゴム状ゲル材を複数組み合わせて（積層を含む。）用いたことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 上記請求項１０において複数組み合わせた（積層含む。）ゴム状ゲル材を、さらに一体的に加圧凝縮等の加工をしてゴム状ゲル材に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 上記請求項４、５、６、７、９、１０及び１１記載のゴム状ゲル材を、さらに薄膜状にして透明度を持たせたゴム状ゲル材としたことを特徴とする請求項１の色素増感太陽電池。
- 上記請求項４、５、６、７、９、１０、１１及び１２記載のゴム状ゲル材を、プラスチックの基板（ガラス材、天然繊維、合成繊維及び炭素繊維材を含む。）に用いたことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 上記請求項４、５、６、７、９、１０、１１及び１２記載のゴム状ゲル材において、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲でゴム状ゲル材に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池。
- 色素を吸着したゼオライトや活性炭を多孔質酸化チタンで被覆し高分子吸収体でゲル化したもの、又は色素を吸着した多孔質酸化チタンを高分子吸収体でゲル化したもの、又はそれらにシリコンや化合物半導体を含めたもの、又はシリコンや化合物半導体や多結晶酸化チタンを高分子吸収体でゲル化したものを、粘着性（粘弾性）を損なわない範囲で乾燥させて後に、例えば粒子状にしたり細分化し又はそのままの状態でさらに一体的に加圧凝縮等の加工をして均一で高密度かつ強い弾力性を持つゴム状ゲル材（同様に形成した色素、電解液及び電極を含む。）に形成したことを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池の製造方法。
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