JP2010140909A - 電極基板および光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電極基板1と、電極基板1の表面上に形成された増感色素が担持された酸化物半導体多孔膜2と、電極基板1と対向して設けられた対極4との間に形成された電解質層5を備える色素増感太陽電池であって、対極4は、基板上に、導電性酸化物半導体からなる薄膜または導電性材料の層により形成した電極を形成したものであり、電極基板1は、基材10上に、金属配線層12と、この金属配線層12に電気的に接続された透明導電層11とを有し、金属配線層12が絶縁層14により絶縁被覆されている。
【選択図】図1
Description
また、電解質層5に代えて、p型半導体などからなる固体の電荷移送層6を用いることもある。
この色素増感太陽電池においては、基材10側から太陽光などの光が入射すると、作用極3と対極4との間に起電力が生じるようになっている。
遮蔽層13の形成不良を抑制するため、遮蔽層13の被覆厚を厚くすると、光電子移動の阻害を生じたり、光透過率の低下のため、却って光電変換効率を低下させるおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、金属配線層と透明導電層を有する電極基板において、金属配線層の腐食や金属配線層からの漏れ電流による特性の劣化を抑制することを課題とする。
このような電極基板によれば、金属配線層が電解質溶液などから確実に遮蔽され、その腐食や漏れ電流を効果的に抑制することができる。従って、導電性に優れる電極基板となる。
絶縁層は、ガラス成分を含む材料から形成することが好ましく、特に、ガラスフリットを含むペーストの印刷により形成することが好ましい。これにより、金属配線層を確実に絶縁遮蔽できる絶縁層を容易に形成することができる。
また、金属配線層は、印刷法により形成することが好ましい。これにより、所望のパターンを有する金属配線層を容易に形成することができる。
さらに本発明は、上述の電極基板を有する光電変換素子を提供する。これにより、電極基板の金属配線層の腐食や漏れ電流などによる出力の低下を抑制し、光電変換効率の高い光電変換素子を得ることができる。
図1中、図8で用いた符号と同一の符号は、図1の構成と同様のものであることを意味する。この光電変換素子は、従来のものと同様の作用効果により、基材10側から太陽光などの光が入射すると、作用極3と対極4との間に起電力が生じ、これにより電力が得られる色素増感太陽電池である。
本実施の形態の光電変換素子が従来のものと異なる点は、図1(b)に示すように、電極基板1が、基材10上に、透明導電層11と、この透明導電層11の上に形成された金属配線層12と、この金属配線層12の表面を被覆する絶縁層14とを備えており、この絶縁層14により、金属配線層12の上が被覆されていることである。
透明導電層11を形成する方法としては、透明導電層11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、CVD法などが挙げられる。そして、光透過性と導電性を考慮して、通常0.001μm〜10μm程度の膜厚に形成される。
導電性の観点から、金属配線層12の体積抵抗率は、10-5Ω・cm以下であることが好ましい。金属配線層12の表面は滑らかであることが好ましいが、多少の起伏や凹凸等の存在は差し支えない。
この電解液には、必要に応じてtert−ブチルピリジンなどの添加物を添加することができる。また、適当なゲル化剤によりゲル化させて流動性を抑制したものを用いてもよい。
また、電解質層5に代えて電荷移送層6を用いた場合は、該電荷移送層6上に、対極4の電極となる導電性材料を直接スパッタや塗布などの方法により層形成する方法を用いることもできる。
このような電極基板1によれば、上記第1の実施の形態の電極基板1と同様に、絶縁層14により金属配線層12を絶縁遮蔽することができるので、漏れ電流の発生を抑制し、導電特性に優れる電極基板1とすることができる。また、この電極基板1を用いても、光電変換効率の高い光電変換素子を製造することができる。
第3の実施の形態の電極基板は、図4に示すように、基材10上に透明導電層11が形成されており、この透明導電層11上に、格子状などのパターンとして、金属配線層12が形成されている。そして、透明導電層11の上に、酸化物半導体の薄膜からなる遮蔽層13が設けられ、金属配線層12の上に絶縁層14が形成されている。
また、第4の実施の形態の電極基板は、図5に示すように、基材10上に、格子状などのパターンとして、金属配線層12が形成されており、この金属配線層12の上に、該金属配線層12が形成された領域より広い領域に亘って、透明導電層11が形成されている。そして、透明導電層11の上に、酸化物半導体の薄膜からなる遮蔽層13が設けられている。さらに、絶縁層14が、遮蔽層13の上に、金属配線層12のパターンに重ね合わされて、金属配線層12の上面と側面を被覆するように形成されている。
金属配線層12と比較すれば問題は小さいが、透明導電層11からの逆電子移動も指摘されていることから、図4や図5に示すように、透明導電層11の上に遮蔽層13を設けることにより、より高い遮蔽効果を得ることができる。
遮蔽層13は、透明導電層11への電子移動を妨げない程度に薄く形成されていることが必要であり、10〜3000nm程度の厚さとすることが好ましい。遮蔽層13の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、SPD法、スピンコート法、ディッピング法、ドクターブレード法などが挙げられる。しかし、これらの方法では、遮蔽層13の緻密さや、基材10の表面形状への適応性が必ずしも十分とは言えず、金属配線層12の遮蔽性能を十分に得ることが難しい。このため、遮蔽層13を形成した場合にも、金属配線層12の上に、直接、あるいは、透明導電層11や遮蔽層13等を介して、絶縁層14を形成することが必要であり、これにより、金属配線層12の絶縁遮蔽を十分に行うことができる。
湿式法の場合、目的化合物またはその前駆体を含有する液をスピンコート法、ディッピング法、ブレードコート法などの方法により塗布したのち、加熱処理や化学処理などにより目的の化合物に化学変化させることにより、遮蔽層13を得ることができる。前駆体としては、目的化合物の構成金属元素を有する塩類、錯体などが例示される。緻密な膜を得るためには、分散液より溶液がより好ましい。
遮蔽層13を形成する他の方法として、例えば、スプレー熱分解法(SPD)を用い、透明導電層11を有する基材10を加熱した状態で、この基材10に向けて遮蔽層13の前駆体となる物質を噴霧して熱分解させ、目的とする酸化物半導体に変化させることにより、遮蔽層13を形成する方法を用いることもできる。
このようにして、透明導電層11を遮蔽するための遮蔽層13を設けることにより、透明導電層11からの逆電子移動を抑制することができるので、本実施の形態の電極基板を用いることにより、光電変換効率の高い光電変換素子を作製することができる。
例えば、図6に、本発明の第5の実施の形態の電極基板を示す。この電極基板1においては、遮蔽層13が、透明導電層11の上のみならず、金属配線層12や絶縁層14の上まで跨って形成されている。これにより、遮蔽層13を金属配線層12や絶縁層14の保護層としても用いることができる。
このような電極基板1によれば、絶縁層14により、金属配線層12の絶縁遮蔽を行うとともに、第2の透明導電層11bにより、金属配線層12や絶縁層14を保護することができる。また、第1の透明導電層11aに併せて第2の透明導電層11bを有することにより、集電効率の向上が期待できる。
例えば、本発明の電極基板は、光化学電池や光センサーなど、太陽電池以外の光電変換素子にも応用することができる。この場合にも、電極基板1の金属配線層12が絶縁層14により被覆され、金属配線層12への電解質溶液等の接触が防止されているので、腐食や短絡などの不都合が抑制され、品質の劣化や、光電変換特性、光応答性などの低下を抑制することができる。
<実施例1>
〔電極基板の作製〕
透明導電層11(11a)および基材10として、100mm×100mmのFTO膜付きガラス基板を用い、この表面に、印刷用銀ペースト(焼結後の体積抵抗率が3×10-6Ωのもの)を格子状にスクリーン印刷し、10分間のレベリング後、135℃、20分間熱風循環炉で乾燥し、550℃、15分間かけて焼成して、銀回路からなる金属配線層12を形成した。金属配線層12の回路幅は150μm、膜厚は5μmであった。
CCDカメラを用いて位置合わせを行いながら、スクリーン印刷により、金属配線層12と重ね合わせてガラスペーストを印刷し、10分間のレベリング後、135℃、20分間熱風循環炉で乾燥し、550℃、15分間かけて焼成して、絶縁層14を形成した。得られた絶縁層14の幅は250μm、ガラス基板の表面からの膜厚は10μmであった。このため、金属配線層12上には、約5μmの厚さで絶縁層14が形成されたことになる。
この絶縁層14の表面を走査電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、ガラスフリット粒は溶融して互いに融着しており、絶縁層14の表面は緻密であって、顕著なピンホールなどの欠陥がないことが分かった。
さらに、SPD法により、金属配線層12や絶縁層14の上を跨るようにして、保護層、遮蔽層13を兼ねた第2の透明導電層11bとなるFTO膜を形成し、図6(および図7)に示す構成の電極基板1を作製した。
得られた電極基板1の上に、酸化チタン(平均粒径25nm)の分散水溶液を塗布し、乾燥後、450℃にて1時間加熱処理することにより、厚さ10μmの酸化物半導体多孔膜2を形成した。さらに、ルテニウムビピリジン錯体(N3色素)のエタノール溶液中に8時間浸漬して色素担持させ、作用極3を作製した。
対極4として、白金スパッタFTOガラス電極基板を用い、この対極4と前記作用極3とを、50μm厚の熱可塑性ポリオレフィン樹脂シートをスペーサーとして介在させた状態で対向させ、前記樹脂シートの熱溶融により、両電極3、4を固定した。この際、電解質の注液口とするため、対極4側の一部を空けておいた。この注液口から、0.5Mのヨウ化物塩と0.05Mのヨウ素とを主成分に含むメトキシアセトニトリル溶液を注入して電解質層5を形成したのち、周辺部と注液口とをエポキシ系封止樹脂により本封止し、集電部に銀ペーストを塗布して試験セルとなる光電変換素子を作製した。
この試験セルの光電変換特性を、エアマス(AM)が1.5の擬似太陽光により評価したところ、変換効率は3.0%であった。
〔電極基板の作製〕
基材10として、100mm×100mmの耐熱ガラス基板を用い、この表面に、実施例1と同様の手順により、印刷用銀ペーストを用いて、回路幅50μm、膜厚5μmの金属配線層12を形成したのち、この金属配線層12の上にSPD法により透明導電層11となるFTO膜を形成した。さらに、実施例1と同様の手法を用いて、ガラスペーストの印刷により、金属配線層12のパターンに合わせて絶縁層14を形成して、図3に示す構成の電極基板1を作製した。
〔光電変換素子の作製〕
この電極基板1を用いて、実施例1と同様の手順により、試験セルとなる光電変換素子を作製した。この試験セルの光電変換特性を、エアマス(AM)が1.5の擬似太陽光により評価したところ、変換効率は2.5%であった。
〔電極基板の作製〕
透明導電層11および基材10として、100mm×100mmのFTO膜付きガラス基板を用い、この表面に、アディティブめっき法により、回路幅50μm、膜厚5μmの金回路からなる金属配線層12を形成した。この金属配線層12上に実施例1と同様の手法を用いて、ガラスペーストの印刷により、金属配線層12のパターンに合わせて絶縁層14を形成して、図1(b)に示す構成の電極基板1を作製した。
〔光電変換素子の作製〕
この電極基板1を用いて、実施例1と同様の手順により、試験セルとなる光電変換素子を作製した。この試験セルの光電変換特性を、エアマス(AM)が1.5の擬似太陽光により評価したところ、変換効率は3.3%であった。
〔電極基板の作製〕
基材10として、100mm×100mmの耐熱ガラス基板を用い、この表面に、実施例1と同様の手順により、印刷用銀ペーストを用いて回路幅100μm、膜厚5μmの金属配線層12を形成したのち、この金属配線層12上に実施例2と同様の手順により、透明導電層11および遮蔽層13となるFTO膜を形成して、電極基板1を作製した。
〔光電変換素子の作製〕
この電極基板1を用いて、実施例1と同様の手順により、試験セルとなる光電変換素子を作製した。この試験セルに注液された電解質を観察したところ、注液直後には茶褐色を呈していたものが、数分後には、ほぼ透明に変わっていた。これは、電解質中のI3 -イオンが、銀回路の遮蔽が不十分であるため、露出されている銀と反応してI-に還元されたものと考えられる。また、この試験セルの光電変換特性を、エアマス(AM)が1.5の擬似太陽光により評価したところ、光電変換効率は0.24%であった。
このことから、絶縁層14を設けない場合、銀回路の遮蔽が不十分であり、光電変換素子の光電変換効率が低下しやすいことが分かる。
〔電極基板の作製〕
透明導電層11および基材10として、100mm×100mmのFTO膜付きガラス基板を用い、この表面に、アディティブめっき法により、回路幅50μm、膜厚5μmの金回路からなる金属配線層12を形成した。この金属配線層12上に、実施例2と同様の手法を用いて、透明導電層11および遮蔽層13となる厚さ300nmのFTO膜を形成して、電極基板1を作製した。
このようにして形成された電極基板1の表面をSEM、EDXにより観察したところ、金属配線層12の底部でめっきレジストの裾引きに起因すると思われる潜り込みがあり、この潜り込みの影部分にはFTOの被覆が形成されていなかった。
〔光電変換素子の作製〕
この電極基板1を用いて、実施例1と同様の手順により、試験セルとなる光電変換素子を作製した。この試験セルの光電変換特性を、エアマス(AM)が1.5の擬似太陽光により評価したところ、変換効率は0.30%であった。このことから、導電層の遮蔽のため、絶縁層14を設けず、遮蔽層13のみを設けた場合、金属配線層12が露出されやすくなり、金属配線層12が露出された場合、光電変換素子の光電変換効率が著しく低下することがあり、問題であることが分かる。
〔電極基板の作製〕
透明導電層11および基材10として、100mm×100mmのFTO膜付きガラス基板を用い、この表面に金属配線層12を設けることなく、FTO膜付きガラス基板そのものを電極基板1として用いて、実施例1と同様の手順により、試験セルとなる光電変換素子を作製した。この試験セルの光電変換特性を、エアマス(AM)が1.5の擬似太陽光により評価したところ、変換効率は0.11%であった。このことから、金属配線層12を設けない場合、電極基板1の抵抗が大きいために光電変換素子の光電変換効率が低くなっていることが分かる。
Claims (4)
- 電極基板と、前記電極基板の表面上に形成された増感色素が担持された酸化物半導体多孔膜と、前記電極基板と対向して設けられた対極との間に形成された電解質層を備える色素増感太陽電池であって、
前記対極は、基板上に、導電性酸化物半導体からなる薄膜または導電性材料の層により形成した電極を形成したものであり、
前記電極基板は、基材上に、金属配線層と、この金属配線層に電気的に接続された透明導電層とを有し、前記金属配線層が絶縁層により絶縁被覆されていることを特徴とする色素増感太陽電池。 - 前記絶縁層が、ガラス成分を含む材料から形成されていることを特徴とする請求項1に記載の色素増感太陽電池。
- 前記絶縁層が、ガラスフリットを含むペーストを印刷することにより形成されていることを特徴とする請求項2に記載の色素増感太陽電池。
- 前記金属配線層が、印刷法により形成されたものであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の色素増感太陽電池。
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