JP2010251310A - Method for preparing carbon paste for screen printing of counter electrode of dye-sensitized solar cell - Google Patents

Method for preparing carbon paste for screen printing of counter electrode of dye-sensitized solar cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for preparing carbon paste for screen printing of an counter electrode of a dye-sensitized solar cell, the carbon paste being capable of preparing a carbon counter electrode on FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) glass by screen printing, forming uniform particles, and reducing the film thickness dependency of the counter electrode. <P>SOLUTION: In preparing screen printing carbon paste for a counter electrode of a dye-sensitized solar cell, terpineol is used as a solvent. A carbon counter electrode can be prepared by screen printing using the carbon paste. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode.

(1.導入)
近年になって、地球温暖化や化石燃料の埋蔵量などからエネルギー資源が見直されるようになり、その一つとして太陽光発電が注目を浴びている。太陽光は無尽蔵で、化石燃料のような枯渇の心配がなく、COを増やす事もない。地球に到達する太陽エネルギーは、地表や海面で熱に変わり、その一部は風や波、海流などを起こすエネルギー源となる。更に言えば、化石燃料も元を質せば太陽エネルギーが地中に蓄積されたものなのである。もし仮に地球全体に降り注ぐ太陽エネルギーを100%変換できる技術があるとすれば、世界の年間消費エネルギーを僅か1時間で賄う事ができる[非特許文献1]。また、二酸化炭素削減の観点からは、1mの太陽電池(変換効率10%と仮定)は54mの植林に相当するとも言われている。これらから、太陽光が一次エネルギーとして有望である事が伺える[非特許文献1]。太陽光発電は電力需要の最も多い昼間に多く発電するため電力負荷平準化に貢献し、また太陽エネルギーは地域分散型のシステムなため、輸送によるエネルギー損失も抑えられるといった利点がある。しかし現在主流であるシリコン系の太陽電池には、製造コストが高い等の課題が依然として多く、より低コスト・高効率の太陽電池が求められている。
(1. Introduction)
In recent years, energy resources have been reviewed due to global warming and fossil fuel reserves, and solar power generation is attracting attention as one of them. Sunlight is inexhaustible, there is no danger of exhaustion like fossil fuels, and there is no increase in CO 2 . The solar energy that reaches the earth changes to heat on the earth's surface and sea surface, and part of it becomes an energy source that generates wind, waves, and ocean currents. Furthermore, if fossil fuels are of the same quality, solar energy is accumulated in the ground. If there is a technology that can convert 100% of the solar energy that falls on the entire earth, the world's annual energy consumption can be covered in just one hour [Non-Patent Document 1]. From the viewpoint of reducing carbon dioxide, it is also said that a 1 m 2 solar cell (assuming a conversion efficiency of 10%) corresponds to a 54 m 2 afforestation. From these, it can be seen that sunlight is promising as primary energy [Non-Patent Document 1]. Solar power generation contributes to power load leveling because it generates a lot of power during the daytime when demand for electricity is the highest, and solar energy is an area-distributed system, so it has the advantage of reducing energy loss due to transportation. However, silicon-based solar cells, which are currently mainstream, still have many problems such as high production costs, and solar cells with lower cost and higher efficiency are required.

そこで、シリコンの利用量を減らした薄膜シリコン太陽電池やCIS(銅−インジウム)系など非シリコン系太陽電池の開発が進められている。その中で“グレッツェル・セル”あるいは“色素増感太陽電池”などと呼ばれる新型の有機系太陽電池はシリコンを使用せず、また他の太陽電池に比べて材料、製造プロセスが安価であり、低コストの太陽電池として注目されている[非特許文献2]。   Therefore, development of non-silicon-based solar cells such as thin-film silicon solar cells and CIS (copper-indium) based on a reduced amount of silicon is underway. Among them, new organic solar cells called “Gretzel cells” or “dye-sensitized solar cells” do not use silicon, and their materials and manufacturing processes are cheaper and less expensive than other solar cells. It is attracting attention as a cost solar cell [Non-patent Document 2].

図1に色素増感太陽電池の構造と動作原理を示す。導電性ガラス基板(FTOがラス)101に酸化チタンペーストを印刷塗布して焼成すると、メソポーラス酸化チタン電極ができる。それを色素溶液に浸漬すると、酸化チタン表面にエステル結合で色素が固定される。これを光電極102として、導電性ガラス基板103にPtを蒸着して作製した対極104との間にスペーサーを挟みこみ、その間にヨウ素レドックス(I/I )を含むニトリル系電解質溶液105を注入する。これで色素増感太陽電池106が出来上がる。酸化チタン表面に固定された色素は、太陽光を吸収して基底状態(HOMO)から励起状態(LUMO)になり、励起状態の電子は酸化チタンの伝導帯に注入され、導電性ガラス基板101にたどり着く。その後、電子は外部結線107を経由して対極104に移動して、対極104のPt表面でI を還元する。生成したIは、電解質溶液105中を光電極102まで移動して、酸化された色素を還元する。これが電子の一巡である。このように大気圧下で比較的簡単に作れ、原料も資源的制約が無いので、安価な製造が可能である[非特許文献3]。 FIG. 1 shows the structure and operating principle of a dye-sensitized solar cell. When a titanium oxide paste is printed on a conductive glass substrate (FTO lath) 101 and baked, a mesoporous titanium oxide electrode is formed. When it is immersed in a dye solution, the dye is fixed to the titanium oxide surface by an ester bond. A nitrile electrolyte solution 105 containing iodine redox (I / I 3 ) interposed between the photoelectrode 102 and a counter electrode 104 produced by vapor deposition of Pt on a conductive glass substrate 103. Inject. Thus, the dye-sensitized solar cell 106 is completed. The dye fixed on the titanium oxide surface absorbs sunlight and changes from a ground state (HOMO) to an excited state (LUMO), and electrons in the excited state are injected into the conduction band of titanium oxide to enter the conductive glass substrate 101. Arrive. Thereafter, the electrons move to the counter electrode 104 via the external connection 107 and reduce I 3 on the Pt surface of the counter electrode 104. The produced I moves through the electrolyte solution 105 to the photoelectrode 102 and reduces the oxidized dye. This is a cycle of electrons. In this way, it can be produced relatively easily under atmospheric pressure, and the raw materials are not subject to resource restrictions, so that inexpensive production is possible [Non-patent Document 3].

それだけではなく、微弱光での良好な発電特性、カラフル性等の独自の特性を色素増感太陽電池は有しており、これらを生かした用途の開発も行われている。例えば、基板を樹脂化する事により軽量化、フレキシブル化を実現し、モバイル電源やスポーツ・アウトドア用品への適応・市場創成を図った開発等が挙げられる。   Not only that, dye-sensitized solar cells have unique characteristics such as good power generation characteristics in low light, colorfulness, etc., and applications that make use of these have been developed. For example, it is possible to reduce the weight and make flexible by converting the substrate into a resin, adapting it to mobile power supplies and sports / outdoor products, and developing the market.

色素増感太陽電池の歴史的背景について説明する。1887年にJames Moserらが光励起された色素から半導体への電荷移動現象を報告し、これが色素増感太陽電池の原理となった。そして1976年に多孔性ZnO電極による色素増感太陽電池が発表され、その後も色素増感太陽電池に関する様々な研究が行われてきた。色素増感太陽電池の効率の発展の基礎となるものは、高い空孔度を持つナノ結晶TiO薄膜と関連付けられてきた。多孔質TiO薄膜の光電効果は、光吸収係数の高い光増感色素と共に高められてきた。そのために、TiO膜の製造技術は高効率の実現のために重要な要素である。現在では、いくつかの研究機関で10%以上の変換効率が報告されている。現在の最高効率は2005年にGratzel教授らが報告した、N719色素による11.2%である。他の色素に関しては、シャープ株式会社がBlack dyeを用いて11.1%を報告している。10%以上の効率を報告している研究機関を表1にまとめた[非特許文献3]。 The historical background of the dye-sensitized solar cell will be described. In 1887, James Moser et al. Reported the charge transfer phenomenon from photoexcited dye to semiconductor, which became the principle of dye-sensitized solar cells. In 1976, a dye-sensitized solar cell using a porous ZnO electrode was announced, and various researches on the dye-sensitized solar cell have been conducted thereafter. The basis for the development of efficiency of the dye-sensitized solar cell has been associated with nanocrystalline TiO 2 thin film having a high porosity. The photoelectric effect of the porous TiO 2 thin film has been enhanced together with a photosensitizing dye having a high light absorption coefficient. Therefore, the manufacturing technology of the TiO 2 film is an important element for realizing high efficiency. Currently, several research institutions have reported conversion efficiencies of more than 10%. The current highest efficiency is 11.2% with N719 dye reported by Prof. Gratzel et al. Regarding other dyes, Sharp Corporation reports 11.1% using Black dye. Research institutions reporting efficiencies of 10% or higher are summarized in Table 1 [Non-Patent Document 3].

以下、表1に、10%以上の変換効率が報告されている色素増感太陽電池の性能と研究機関を示す。   Table 1 below shows the performance and research institutions of dye-sensitized solar cells for which conversion efficiency of 10% or more is reported.

先述の通り色素増感太陽電池の対極には現在Ptが使用されている。しかし、Ptは高価であるために、これを使用しない対極の開発が望まれている。その一つとしてカーボン対極が検討されている。カーボンブラックの活性点は結晶端に位置しており、そして、カーボンナノチューブやグラファイトと比較して、より多くの結晶端を持っている。そのために、カーボンブラックを用いたカーボンペーストの精製に関する研究は、これまでにもいくつか行われてきた。村上氏らの研究では水溶媒を用いたカーボンペーストを精製し、これを対極として使用する事で、Pt対極に近い性能を実現することに成功している[非特許文献4]。また、Easwawamoorthi Ramasamy氏らはビスコース法を用いてカーボンペーストを精製し、これに関してもPt対極に近い性能を実現した[非特許文献5]。   As described above, Pt is currently used for the counter electrode of the dye-sensitized solar cell. However, since Pt is expensive, it is desired to develop a counter electrode without using Pt. As one of them, a carbon counter electrode is being studied. The active point of carbon black is located at the crystal edge, and has more crystal edges than carbon nanotubes and graphite. For this reason, several studies on the purification of carbon paste using carbon black have been conducted. Murakami et al.'S research succeeded in achieving performance close to the Pt counter electrode by refining a carbon paste using an aqueous solvent and using it as a counter electrode [Non-patent Document 4]. In addition, Easawamoothi Ramasamy et al. Refined the carbon paste using the viscose method, and also realized performance close to the Pt counter electrode [Non-patent Document 5].

内田 聡・瀬川 浩司・伊藤 省吾., 化学工学., 71(2007), 429., 色素増感太陽電池実用化に向けてJun Uchida, Koji Segawa, Shogo Ito. Chemical engineering. , 71 (2007), 429. Toward the practical application of dye-sensitized solar cells 齊藤 恭輝., 化学工学., 71(2007), 452., 色素増感太陽電池の電解質・対極材料開発Yuki Saito. Chemical engineering. 71 (2007), 452. Development of electrolyte and counter electrode materials for dye-sensitized solar cells 荒川 裕則., 化学工学., 71(2007), 424., 色素増感太陽電池の研究開発の現状と課題Hironori Arakawa. Chemical engineering. 71 (2007), 424. Current status and issues of research and development of dye-sensitized solar cells T. N. Murakami, S. Ito, Q. Wang, M. K. Nazeeruddin, T. Bessho, I. Cesar, P. Liska, R. H. Baker, P. Comte, P. Pechy, M. Graetzel, J Electrochem Soc., 153 (12), (2006) A2255.TN Murakami, S. Ito, Q. Wang, MK Nazeeruddin, T. Bessho, I. Cesar, P. Liska, RH Baker, P. Comte, P. Pechy, M. Graetzel, J Electrochem Soc., 153 (12) , (2006) A2255. E Ramasamy, W. J. Lee, D. Y. Lee, J. S. Song., APPLIED PHYSICS LETTERS., 90 (2007) 173103.E Ramasamy, W. J. Lee, D. Y. Lee, J. S. Song., APPLIED PHYSICS LETTERS., 90 (2007) 173103. S. Ito, T. N. Murakami, P. Comte, P. Liska, C. Graetzel, M. K. Nazeeruddin, M. Graetzel., Thin Solid Films, 516 (2008), 4613.S. Ito, T. N. Murakami, P. Comte, P. Liska, C. Graetzel, M. K. Nazeeruddin, M. Graetzel., Thin Solid Films, 516 (2008), 4613.

しかし、これらのカーボンペーストはFTOガラスに塗布する際にドクターブレード法を行わなければならず、大量生産という観点からは効率的であるとは言いがたい。スクリーン印刷を用いることが可能となれば大量生産が可能であり、これはスクリーン印刷が不可能なPt対極にはない大きな利点であるとも言える。こうしたスクリーン印刷用のカーボンペーストに関する研究に関しては、その作製方法の詳細な報告例にまで言及されているものはない。   However, when these carbon pastes are applied to FTO glass, a doctor blade method must be performed, which is not efficient from the viewpoint of mass production. If it becomes possible to use screen printing, mass production is possible, which can be said to be a great advantage not found in the Pt counter electrode where screen printing is impossible. Regarding the research on the carbon paste for screen printing, there is no mention of a detailed report example of its production method.

そこで、今回の実験ではスクリーン印刷に使用できるカーボンペーストを作製し、そのペーストを用いたカーボン対極を用いて色素増感太陽電池を組み立て、特性についての測定を行った。   Therefore, in this experiment, a carbon paste that can be used for screen printing was prepared, a dye-sensitized solar cell was assembled using a carbon counter electrode using the paste, and the characteristics were measured.

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、スクリーン印刷によりFTOガラス上にカーボン対極を作製する事ができ、粒子は均一となり、対極の膜厚依存性が小さくなる、色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, and it is possible to produce a carbon counter electrode on FTO glass by screen printing, the particles become uniform, and the film thickness dependence of the counter electrode becomes small. The object is to provide a method for producing a carbon paste for screen printing of a sensitized solar cell counter electrode.

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の第1態様によれば、炭素粉末と金属半導体とを用い、これに高沸点溶媒及び低沸点溶媒を加えて分散液を得、当該分散液を蒸留して低沸点溶媒を除去することにより、カーボンペーストを得るようにしたことを特徴とする色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。   According to the first aspect of the present invention, a carbon powder and a metal semiconductor are used, and a high-boiling solvent and a low-boiling solvent are added thereto to obtain a dispersion, and the dispersion is distilled to remove the low-boiling solvent. Thus, a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode, characterized in that a carbon paste is obtained, is provided.

本発明の第2態様によれば、前記金属半導体が、TiOのコロイドである第1の態様に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to the first aspect, wherein the metal semiconductor is a colloid of TiO 2 .

本発明の第3態様によれば、前記高沸点溶媒が、αテルピネオールである第1又は請求項2の態様に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to the first or second aspect, wherein the high boiling point solvent is α-terpineol.

本発明の第4態様によれば、前記低沸点溶媒が、エタノールである第1〜3のいずれか1つの態様に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to any one of the first to third aspects, wherein the low boiling point solvent is ethanol.

本発明の第5態様によれば、炭素粉末にTiOコロイドを加えて乳鉢ですり潰し、
水にTi(OCH(CHとイソプロパノールを攪拌しながら加え、硝酸を加えた後、加熱しながら攪拌し、白色で透明なTiOのコロイドを得、
乳鉢ですり潰した炭素粉末に、徐々にエタノールを加えつつさらにすり潰し、
次いで、攪拌を数回繰り返し行い、
その後、αテルピネオールを加え、エチルセルロースを加え、それらを加える都度、攪拌を行い、
こうして出来上がった分散液からエタノールを除去し、カーボンペーストを得るようにした第1〜4のいずれか1つの態様に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。
According to the fifth aspect of the present invention, TiO 2 colloid is added to carbon powder and ground in a mortar,
Add Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 and isopropanol to water with stirring, add nitric acid, and then stir while heating to obtain a white and transparent colloid of TiO 2 ,
To the carbon powder ground in the mortar, gradually add ethanol while gradually grinding,
Next, stirring is repeated several times,
Then, add α-terpineol, add ethyl cellulose, and stir every time they are added,
The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to any one of the first to fourth aspects, in which ethanol is removed from the dispersion thus obtained to obtain a carbon paste, is provided.

本発明の第6態様によれば、炭素粉末を6g用意し、これにTiOコロイドを9g加えて乳鉢ですり潰し、
75mLの水を用意し、それに12.5mLのTi(OCH(CHと2mLのイソプロパノールを攪拌しながら加え、65%の硝酸を0.6mL加えた後、80°Cで加熱しながら8時間攪拌し、白色で透明なTiOのコロイドを得、
乳鉢ですり潰した炭素粉末に、総量が150mL程度になるまで徐々にエタノールを加えつつさらにすり潰し、トールビーカーに移し、
次いで、マグネット攪拌子を入れてマグネチックスターラーで1分間攪拌し、
そして、超音波ホモジナイザーで攪拌し、超音波ホモジナイザーについては照射時間を2秒、照射停止時間を2秒とし、1分間行い、
マグネチックスターラーと超音波ホモジナイザーでの攪拌を交互に三回ずつ繰り返し行い、
その後、αテルピネオールを20g加え、エチルセルロースを30g加え、それらを加える都度、マグネチックスターラーと超音波ホモジナイザーで攪拌を行い、
こうして出来上がった分散液をエバポレーターにかけてエタノールを除去し、カーボンペーストを得るようにしたことを特徴とする第5の態様に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。
According to the sixth aspect of the present invention, 6 g of carbon powder is prepared, 9 g of TiO 2 colloid is added thereto and ground in a mortar,
Prepare 75 mL of water, add 12.5 mL Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 and 2 mL isopropanol with stirring, add 0.6 mL of 65% nitric acid, and heat at 80 ° C. While stirring for 8 hours to obtain a white and transparent TiO 2 colloid,
The carbon powder ground in a mortar is further ground with ethanol until the total amount reaches about 150 mL, and then transferred to a tall beaker.
Next, put a magnetic stir bar and stir for 1 minute with a magnetic stirrer.
Then, the mixture is stirred with an ultrasonic homogenizer, and for the ultrasonic homogenizer, the irradiation time is 2 seconds, the irradiation stop time is 2 seconds, and 1 minute is performed.
Stirring with a magnetic stirrer and ultrasonic homogenizer is repeated three times alternately,
Thereafter, 20 g of α-terpineol was added, 30 g of ethyl cellulose was added, and each time they were added, the mixture was stirred with a magnetic stirrer and an ultrasonic homogenizer.
The method for preparing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to the fifth aspect is characterized in that ethanol is removed from the dispersion thus obtained by an evaporator to obtain a carbon paste.

本発明の第7態様によれば、前記炭素粉末が、グラファイトである第1〜6のいずれか1つの態様に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法を提供する。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to any one of the first to sixth aspects, wherein the carbon powder is graphite.

本発明の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法によれば、色素増感太陽電池対極用のスクリーン印刷カーボンペーストの作製にあたり、炭素粉末と金属半導体とを用い、これに高沸点溶媒及び低沸点溶媒を加えて分散液を得、当該分散液を蒸留して低沸点溶媒を除去するようにしている。このようにして作製されたカーボンペーストでは、スクリーン印刷によりFTOガラス上にカーボン対極を作製する事ができ、粒子は均一となり、対極の膜厚依存性が小さくなる。より詳しくは、テルピネオールを溶媒として用いることもできる。   According to the method for producing a screen-printed carbon paste for a dye-sensitized solar cell counter electrode according to the present invention, a carbon-printed carbon paste and a metal semiconductor are used for producing a screen-printed carbon paste for a dye-sensitized solar cell counter electrode. A solvent and a low-boiling solvent are added to obtain a dispersion, and the dispersion is distilled to remove the low-boiling solvent. In the carbon paste thus produced, a carbon counter electrode can be produced on FTO glass by screen printing, the particles are uniform, and the film thickness dependence of the counter electrode is reduced. More specifically, terpineol can be used as a solvent.

本発明の一実施形態にかかる色素増感太陽電池の構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the dye-sensitized solar cell concerning one Embodiment of this invention. 透明電極をカットする工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of cutting a transparent electrode. 超音波洗浄により洗浄する工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process wash | cleaned by ultrasonic cleaning. オーブントースターで表面を加熱処理する工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of heat-processing the surface with an oven toaster. TiCl処理を行う工程を説明する説明図である。It is an explanatory view for explaining a step of performing a TiCl 4 treatment. 水とエタノールで洗浄する工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process wash | cleaned with water and ethanol. スクリーン印刷を行う工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of performing screen printing. 電気炉に入れて焼結させる工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of putting in an electric furnace and sintering. 電気炉に入れて焼結させる工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of putting in an electric furnace and sintering. テルピネオールを用いたカーボンペーストの作製手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the preparation procedures of the carbon paste using terpineol. セルの組み立てを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the assembly of a cell. テルピネオールを用いたカーボンペーストによる対極と、水溶媒を用いたカーボンペーストによる対極の視覚的比較を示す図である。It is a figure which shows the visual comparison of the counter electrode by the carbon paste using terpineol, and the counter electrode by the carbon paste using an aqueous solvent. 倍率150倍のときの、テルピネオールを用いたカーボンペーストで形成されたカーボン電極をSEMで撮影した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which image | photographed with SEM the carbon electrode formed with the carbon paste using the terpineol at the time of magnification 150 times. 倍率150倍のときの、水溶媒を用いたカーボンペーストで形成されたカーボン電極をSEMで撮影した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which image | photographed the carbon electrode formed with the carbon paste using the water solvent at the time of 150 time magnification by SEM. 倍率30000倍のときの、テルピネオールを用いたカーボンペーストで形成されたカーボン電極をSEMで撮影した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which image | photographed the carbon electrode formed with the carbon paste using the terpineol at the time of magnification of 30000 times with SEM. 倍率30000倍のときの、水溶媒を用いたカーボンペーストで形成されたカーボン電極をSEMで撮影した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which image | photographed by SEM the carbon electrode formed with the carbon paste using the water solvent in the case of 30000 times magnification. 各対極でのI−V曲線の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the IV curve in each counter electrode. 各膜厚でのI−V曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the IV curve in each film thickness. 各膜厚でのインピーダンスの曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the curve of the impedance in each film thickness. フィッティングに用いた等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram used for fitting. ペーストのインピーダンスの比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the impedance of a paste.

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面及び実験に基づいて詳細に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail based on the drawings and experiments.

(2.実験)
2.1. 材料および使用器具
valeronitrile(Aldrich)を真空蒸留によって精製した。4−tert−butylpyridine(東京化成工業株式会社),acetonitrile(和光純薬工業株式会社),guanidiniumthiocyanate(キシダ化学株式会社)とHPtCl(東京化成工業株式会社)は、そのまま使用した。HOは蒸留とろ過によって精製した。TiCl(Aldrich)は0°C下で原液を2Mに希薄して使用した。電極の作製にスクリーン印刷用の版(株式会社セリテック)およびスキージ(NEWLONG)を用いる。また光電特性の測定には、ソーラーシュミレーター(YAMASITA DENSO)(AM1.5,100mW cm−2)を使用する。
(2. Experiment)
2.1. Materials and equipment used Valerontrile (Aldrich) was purified by vacuum distillation. 4-tert-butylpyridine (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), acetonitrile (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), guanidiniumthiocyanate (Kishida Chemical Co., Ltd.) and H 2 PtCl 6 (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were used as they were. H 2 O was purified by distillation and filtration. TiCl 4 (Aldrich) was used by diluting the stock solution to 2M at 0 ° C. A plate for screen printing (Seritech Co., Ltd.) and a squeegee (NEWLONG) are used for the production of the electrodes. Moreover, a solar simulator (YAMASITA DENSO) (AM1.5,100mW cm <-2 >) is used for the measurement of a photoelectric characteristic.

2.2. 電極の作製
最初に光電極の導電性ガラスとしてFTOガラス(日本板硝子株式会社、厚さ4mm)を用意し、これを7.5×2.5cm角に切り、合成洗剤を用いて20分間超音波洗浄する。その後、水とエタノール(関東化学株式会社)で洗い流しオーブントースターに入れて250°Cで15分間、表面を加熱処理する。そしてFTOガラス基板を40mMのTiCl水溶液に、70°Cで30分間浸し、取り出してから水とエタノールで洗い流す。スクリーン印刷によって、粒子サイズ20nmのTiOのペースト(18NR,株式会社日揮触媒化成)をFTO基板の上に5×5mm角の面積で塗り、クリーンボックスでラベリングをした後、125°Cで4分間乾燥させる。この作業を、膜厚が12−14μmになるまで繰り返し行う。その後、粒子サイズ400nmのTiOペーストをスクリーン印刷し、光散乱層を形成する。この膜厚は4−5μ程度とする。そして電極を電気炉(AS ONE)に入れ450°Cで15分間乾燥させ焼結させる。電気炉から取り出し、再び40mMのTiCl溶液に70°Cで30分間浸し、取り出して水とエタノールで洗い流して後に、450°Cで30分間乾燥させ焼結させる。これをN719色素溶液に40°Cで3時間浸して、電極を得る[非特許文献6]。一連の工程を図2A〜図2Hに示す。
2.2. Preparation of electrode First, FTO glass (Nippon Sheet Glass Co., Ltd., thickness 4 mm) is prepared as the conductive glass of the photoelectrode, cut into a 7.5 × 2.5 cm square, and ultrasonicated for 20 minutes using a synthetic detergent. Wash. Thereafter, the surface is washed with water and ethanol (Kanto Chemical Co., Inc.), placed in an oven toaster, and the surface is heated at 250 ° C. for 15 minutes. Then, the FTO glass substrate is immersed in a 40 mM TiCl 4 aqueous solution at 70 ° C. for 30 minutes, taken out, and then rinsed with water and ethanol. A screen-printed TiO 2 paste (18NR, JGC Catalysts & Chemicals Co., Ltd.) with a particle size of 20 nm was applied on an FTO substrate in an area of 5 × 5 mm square, labeled with a clean box, and then at 125 ° C. for 4 minutes. dry. This operation is repeated until the film thickness reaches 12-14 μm. Thereafter, a TiO 2 paste having a particle size of 400 nm is screen-printed to form a light scattering layer. This film thickness is about 4-5 μm. Then, the electrode is placed in an electric furnace (AS ONE), dried at 450 ° C. for 15 minutes, and sintered. It is taken out from the electric furnace, soaked again in 40 mM TiCl 4 solution at 70 ° C. for 30 minutes, taken out, rinsed with water and ethanol, dried at 450 ° C. for 30 minutes and sintered. This is immersed in an N719 dye solution at 40 ° C. for 3 hours to obtain an electrode [Non-patent Document 6]. A series of steps is shown in FIGS. 2A to 2H.

図2A〜図2Hには、TiO電極の作製の工程を示す。 2A to 2H show a process for manufacturing a TiO 2 electrode.

図2Aでは、透明電極をカットする。図2Bでは、超音波洗浄により洗浄する。図2Cでは、オーブントースターで表面を加熱処理する。図2Dでは、TiCl処理を行う。図2Eでは、水とエタノールで洗浄する。図2Fでは、スクリーン印刷を行う。図2G及び図2Hでは、電気炉に入れて焼結させる。 In FIG. 2A, the transparent electrode is cut. In FIG. 2B, cleaning is performed by ultrasonic cleaning. In FIG. 2C, the surface is heat-treated with an oven toaster. In FIG. 2D, a TiCl 4 process is performed. In FIG. 2E, wash with water and ethanol. In FIG. 2F, screen printing is performed. In FIGS. 2G and 2H, it is sintered in an electric furnace.

2.3. カーボンペーストの作製
本実施形態にかかる色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法は、炭素粉末と金属半導体とを用い、これらの炭素粉末と金属半導体とに高沸点溶媒及び低沸点溶媒を加えて分散液を得たのち、当該分散液を蒸留して低沸点溶媒を除去することにより、カーボンペーストを得るようにしている。
2.3. Production of Carbon Paste A method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to this embodiment uses carbon powder and a metal semiconductor, and a high-boiling solvent and a low-boiling solvent for these carbon powder and metal semiconductor. Is added to obtain a dispersion, and then the dispersion is distilled to remove the low boiling point solvent, thereby obtaining a carbon paste.

ここで、低沸点溶媒とは、室温で揮発して秒単位の時間で乾く溶媒であり、高沸点溶媒とは、室温では揮発せず、室温よりも高い温度(高温)にしたり、空気を還流させたり、減圧するなどしないと乾かない溶媒を指している。ペーストの状態を形成及び維持するには溶媒が必要であるが、高沸点溶媒を用いないと、揮発によってスクリーン印刷の刷り始めと刷り終わりとでペーストの状態が変化してしまい、均質な印刷ができない。しかし、高沸点溶媒だけであると、カーボンペーストの製造時に炭素粉末の分散性が悪いため、製造時には分散性の良い低沸点溶媒も高沸点溶媒共に用いておき、インキ製造の最終段階で低沸点溶媒を蒸留除去すればよい。つまり、低沸点及び高沸点の基準は、室温で揮発が起こるかどうかである。   Here, a low boiling point solvent is a solvent that volatilizes at room temperature and dries in seconds. A high boiling point solvent does not volatilize at room temperature, and is heated to a temperature higher than room temperature (high temperature) or air is refluxed. It refers to a solvent that does not dry unless it is let down or decompressed. A solvent is required to form and maintain the state of the paste, but if a high boiling point solvent is not used, the state of the paste changes at the beginning and end of screen printing due to volatilization, resulting in uniform printing. Can not. However, if only a high boiling point solvent is used, the dispersibility of the carbon powder is poor at the time of carbon paste production. The solvent may be distilled off. That is, the criterion for low and high boiling points is whether volatilization occurs at room temperature.

前記金属半導体の一例として、TiOのコロイドを使用することができる。前記高沸点溶媒の一例として、αテルピネオールを使用することができる。前記低沸点溶媒の一例として、エタノールを使用することができる。前記炭素粉末の一例として、グラファイトを使用することができる
より具体的には、水にTi(OCH(CHとイソプロパノールを攪拌しながら加え、硝酸を加えた後、加熱しながら攪拌し、白色で透明なTiOのコロイドを得る。
As an example of the metal semiconductor, a TiO 2 colloid can be used. As an example of the high boiling point solvent, α-terpineol can be used. As an example of the low boiling point solvent, ethanol can be used. As an example of the carbon powder, graphite can be used. More specifically, Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 and isopropanol are added to water while stirring, nitric acid is added, and stirring is performed while heating. Thus, a white and transparent TiO 2 colloid is obtained.

次いで、炭素粉末に前記TiOコロイドを加えて乳鉢ですり潰す。 Next, the TiO 2 colloid is added to the carbon powder and ground in a mortar.

次いで、前記乳鉢ですり潰した炭素粉末に、徐々にエタノールを加えつつさらにすり潰す。   Next, the carbon powder ground in the mortar is further ground while gradually adding ethanol.

次いで、攪拌を数回繰り返し行う。   The stirring is then repeated several times.

その後、αテルピネオールを加え、エチルセルロースを加え、それらを加える都度、攪拌を行う。   Thereafter, α-terpineol is added, ethylcellulose is added, and stirring is performed each time they are added.

こうして出来上がった分散液からエタノールを除去し、カーボンペーストを得る。   Ethanol is removed from the dispersion thus obtained to obtain a carbon paste.

さらに、以下に、より詳細に前記スクリーン印刷用カーボンペースト作製方法について説明する。   Furthermore, the carbon paste preparation method for screen printing will be described in more detail below.

図3にテルピネオールを用いたカーボンペーストの作製手順を示す。   FIG. 3 shows a procedure for producing a carbon paste using terpineol.

まず、炭素粉末(Printex L,Degussa)を6g用意し、これにTiOコロイドを9g加えて乳鉢ですり潰す。 First, 6 g of carbon powder (Printex L, Degussa) is prepared, and 9 g of TiO 2 colloid is added thereto and ground in a mortar.

ここで、使用するTiOコロイドの作製方法は以下の通りである。75mLの水を用意し、それに12.5mLのTi(OCH(CHと2mLのイソプロパノールを攪拌しながら加える。そして、65%の硝酸を0.6mL加えた後、80°Cで加熱しながら8時間攪拌し、白色で透明なTiOのコロイドを得る。 Here, the production method of the TiO 2 colloid to be used is as follows. Prepare 75 mL of water and add to it 12.5 mL of Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 and 2 mL of isopropanol with stirring. Then, after adding 0.6 mL of 65% nitric acid, the mixture is stirred for 8 hours while heating at 80 ° C. to obtain a white and transparent TiO 2 colloid.

乳鉢ですり潰した炭素粉末に、総量が150mL程度になるまで徐々にエタノールを加えつつさらにすり潰し、トールビーカーに移す。   The carbon powder ground in the mortar is ground further while gradually adding ethanol until the total amount reaches about 150 mL, and transferred to a tall beaker.

次いで、マグネット攪拌子を入れてマグネチックスターラー(IKA)で1分間攪拌する。   Next, a magnetic stirrer is put and stirred with a magnetic stirrer (IKA) for 1 minute.

そして、超音波ホモジナイザー(Vibra cell 72408,Bioblock scientific)で攪拌する。超音波ホモジナイザーについては照射時間を2秒、照射停止時間を2秒とし、1分間行う。   And it stirs with an ultrasonic homogenizer (Vibra cell 72408, Bioblock scientific). For the ultrasonic homogenizer, the irradiation time is 2 seconds and the irradiation stop time is 2 seconds.

マグネチックスターラーと超音波ホモジナイザーでの攪拌を交互に三回ずつ繰り返し行う。   Agitation with a magnetic stirrer and ultrasonic homogenizer is repeated three times alternately.

その後、αテルピネオール(東京化成工業株式会社)を20g加え、エチルセルロース(東京化成工業株式会社)を30g加える。それらをそれぞれ加える都度、マグネチックスターラーと超音波ホモジナイザーで攪拌を行う。   Thereafter, 20 g of α-terpineol (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is added, and 30 g of ethyl cellulose (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is added. Each time they are added, they are stirred with a magnetic stirrer and an ultrasonic homogenizer.

こうして出来上がった分散液をエバポレーターにかけてエタノールを除去し、カーボンペーストを得る。   The dispersion thus obtained is subjected to an evaporator to remove ethanol to obtain a carbon paste.

また、比較のために水溶媒を用いたカーボンペーストも作製する。1.3gの炭素粉末に2mLのTiOコロイド、4mLの水、2mLの10% Triton X−100水溶液を加えて乳鉢ですり潰すことでカーボン水ペーストを得る[非特許文献4]。 For comparison, a carbon paste using an aqueous solvent is also prepared. A carbon water paste is obtained by adding 2 mL of TiO 2 colloid, 4 mL of water, and 2 mL of 10% Triton X-100 aqueous solution to 1.3 g of carbon powder and grinding in a mortar [Non-Patent Document 4].

2.4. 対極の作製
対極としてFTOガラス(日本板硝子株式会社、厚さ2mm)を用意し、電極作製時と同様に7.5×2.5cm角に切り、ハンドドリル(U−hobby)で直径1mm程度の穴を開ける。合成洗剤を用いてこれを20分間超音波洗浄する。そして40mMのTiCl水溶液に70°Cで30分間浸し、取り出して水とエタノールで洗浄する。これをオーブントースターに入れ、250°Cで15分間表面を加熱処理する。そしてスクリーン印刷によりカーボンペーストをFTOガラス上に5×5mm角の面積で塗り、125°Cで4分間乾燥させる。この際、膜厚を変化させるためにそれぞれ、7.8μm、26.4μm、46.6μm、とペーストを塗る回数を変化させる。その後これを電気炉に入れて450°Cで15分間乾燥させ焼結させてカーボン電極を得る。
2.4. Preparation of counter electrode FTO glass (Nippon Sheet Glass Co., Ltd., thickness 2 mm) is prepared as a counter electrode, cut into a 7.5 × 2.5 cm square in the same manner as the electrode preparation, and a diameter of about 1 mm with a hand drill (U-hoby). Make a hole. This is ultrasonically cleaned with a synthetic detergent for 20 minutes. Then, it is immersed in a 40 mM TiCl 4 aqueous solution at 70 ° C. for 30 minutes, taken out, and washed with water and ethanol. This is put into an oven toaster and the surface is heated at 250 ° C. for 15 minutes. Then, a carbon paste is applied on the FTO glass with an area of 5 × 5 mm square by screen printing and dried at 125 ° C. for 4 minutes. At this time, in order to change the film thickness, the number of times of applying the paste is changed to 7.8 μm, 26.4 μm, and 46.6 μm, respectively. Thereafter, this is put in an electric furnace, dried at 450 ° C. for 15 minutes and sintered to obtain a carbon electrode.

また比較のためにPt電極も作製する。FTOガラスを1.5×1.5cm角に切り、これもハンドドリルで穴を開ける。これを水および0.1MのHCLエタノール溶液で洗い、アセトンで15分間超音波洗浄する。その後15分間450°Cで加熱して残りの有機不純物を取り除き、HPtCl溶液(1mlのエタノール中2mgのPt)を一滴垂らしてコートすることでPt触媒をFTOガラスに堆積させ、再び15分間450°Cで加熱し、Pt電極を得る[非特許文献6]。 For comparison, a Pt electrode is also produced. FTO glass is cut into 1.5 × 1.5 cm squares, which are also drilled with a hand drill. This is washed with water and 0.1 M HCL ethanol solution and ultrasonically washed with acetone for 15 minutes. Thereafter, the remaining organic impurities were removed by heating at 450 ° C. for 15 minutes, and a drop of H 2 PtCl 6 solution (2 mg of Pt in 1 ml of ethanol) was applied to coat the Pt catalyst on the FTO glass. A Pt electrode is obtained by heating at 450 ° C. for [min.

2.5. セルの組み立て
TiO電極を色素溶液から取り上げ、これとカーボン電極とをサンドイッチ状に組み立てて色素増感太陽電池のセルを得る。セルの組み立てを図4に示す。
2.5. Assembling the cell The TiO 2 electrode is taken up from the dye solution, and this and the carbon electrode are assembled in a sandwich to obtain a cell of the dye-sensitized solar cell. The assembly of the cell is shown in FIG.

まず、TiO電極(TiOレイヤー)1とカーボン電極(カーボンレイヤー)2を向かい合わせ、間にホットメルトフィルム(例えば、Surlyn(登録商標)1702、TAMAPOLYなどの市販製品)3を挟み込み、これをホットプレートで加熱してTiO電極1とカーボン電極2を接着する。この時、TiOレイヤー1とカーボンレイヤー2がずれないように接着する必要がある。なお、ここで使用するフィルム3は幅1mm、開口3aがTiOレイヤー1より2mm程大きくなるように、トムソン刃で切り取ったものである。そして、対極の穴4を別のホットメルトフィルム5により封止し、針を用いてフィルム5に穴5aを開ける。ここで用いるホットメルトフィルム5は、5×5mm角で四角に切り取ったものである。この穴5aに電解液を一滴垂らし、逆真空移入によってセルの中に入れ、再び、さらに別のホットメルトフィルム6とカバーガラス7で穴を封止する。最後に電極および対極のFTOガラス8,9の端にはんだを塗り、セルが完成する。Pt電極を対極として用いたセルの作製も同様の手順で行う。 First, a TiO 2 electrode (TiO 2 layer) 1 and a carbon electrode (carbon layer) 2 face each other, and a hot melt film (for example, a commercial product such as Surlyn (registered trademark) 1702, TAMAPOLY) 3 is sandwiched between them. The TiO 2 electrode 1 and the carbon electrode 2 are bonded by heating with a hot plate. At this time, it is necessary to bond the TiO 2 layer 1 and the carbon layer 2 so as not to shift. The film 3 used here is cut with a Thomson blade so that the width is 1 mm and the opening 3 a is about 2 mm larger than the TiO 2 layer 1. And the hole 4 of a counter electrode is sealed with another hot-melt film 5, and the hole 5a is opened in the film 5 using a needle | hook. The hot melt film 5 used here is a 5 × 5 mm square cut into a square. A drop of the electrolyte is dropped into the hole 5a, put into the cell by reverse vacuum transfer, and the hole is sealed again with another hot melt film 6 and a cover glass 7. Finally, solder is applied to the ends of the FTO glasses 8 and 9 of the electrode and the counter electrode, and the cell is completed. A cell using a Pt electrode as a counter electrode is produced in the same procedure.

電解液は、0.6MのBMII溶液、0.03MのI、0.10Mのチオシアン酸グアニジン(guanidinium thiocyanate)および0.5Mの4−tert ブチルピリジン(butylpyridine)をアセトニトリル(acetonitrile)とバレロニトリル(valeronitrile)の混合液(体積比85:15)に溶解させたものである[非特許文献6]。 The electrolyte used was 0.6M BMII solution, 0.03M I 2 , 0.10M guanidinium thiocynate and 0.5M 4-tert butylpyridine with acetonitrile and valeronitrile. (Valerontrile) mixed solution (volume ratio 85:15) [Non-Patent Document 6].

2.6. 光電特性の測定
組み立てたセルにマスクを被せ、ソーラーシミユレーターで光を照射した状態で外部バイアスを印加してI−V曲線およびセルの性能(電流密度JSC、開放電圧VOC、曲線因子FF、効率η)を測定する。またインピーダンス測定器(BioLogic)により、インピーダンスも測定する。マスクは黒いビニールテープに6×6mm角の四角い穴を開け、それをセルに貼り付けて使用する。
2.6. Measurement of photoelectric characteristics An assembled cell is covered with a mask, and an external bias is applied in the state of irradiating light with a solar simulator, and the IV curve and cell performance (current density JSC, open-circuit voltage VOC, fill factor FF, The efficiency η) is measured. Impedance is also measured with an impedance measuring instrument (BioLogic). The mask is used by making a 6 x 6 mm square hole in black vinyl tape and sticking it to the cell.

(3. 結果と考察)
まず、テルピネオールを用いたカーボンペーストによる対極(図5の左側参照)と水溶媒を用いたカーボンペーストによる対極(図5の右側参照)との視覚的な比較を行った。これを図5に示す。
(3. Results and discussion)
First, a visual comparison was made between a counter electrode made of carbon paste using terpineol (see the left side of FIG. 5) and a counter electrode made of carbon paste using an aqueous solvent (see the right side of FIG. 5). This is shown in FIG.

この図5から、テルピネオールを用いたカーボンペーストではスクリーン印刷により、FTOガラス上にカーボンレイヤーを形成する事が可能である(図5の左側参照)が、水溶媒を用いたカーボンペーストでは、カーボンレイヤーの形が崩れてしまい、スクリーン印刷に用いるのに不適である事が見て取れる(図5の右側参照)。一般に、対極の作製にはスクリーン印刷を用いるのが有用であるため、スクリーン印刷にも応用できる。テルピネオールを用いたカーボンペーストは、水溶媒を用いたカーボンペーストに比べて優位性がある。   From FIG. 5, it is possible to form a carbon layer on FTO glass by screen printing with a carbon paste using terpineol (see the left side of FIG. 5), but with a carbon paste using an aqueous solvent, a carbon layer is formed. It can be seen that the shape of this is collapsed and is unsuitable for use in screen printing (see the right side of FIG. 5). In general, it is useful to use screen printing for the production of the counter electrode, so that it can also be applied to screen printing. The carbon paste using terpineol is superior to the carbon paste using an aqueous solvent.

これらのカーボン電極をSEMで撮影した画像を図6A〜図6Dに示す。   Images taken by SEM of these carbon electrodes are shown in FIGS. 6A to 6D.

図6A及び図6Bは倍率150倍、図6C及び図6Dは倍率30000倍である。また、図6A及び図6Cはテルピネオール、図6B及び図6Dは水溶媒を用いたカーボンペーストである。   6A and 6B are 150 times magnification, and FIGS. 6C and 6D are 30000 times magnification. 6A and 6C are terpineols, and FIGS. 6B and 6D are carbon pastes using an aqueous solvent.

図6A及び図6Bは、それぞれ、倍率150倍でテルピネオールを用いたカーボンぺーストの対極と、水溶媒を用いたカーボンペーストの対極を撮影した画像である。テルピネオールを用いたカーボンペーストはFTOガラスに均一に塗られている(図6A参照)が、水溶媒を用いたカーボンペーストは不均一であり、カーボンレイヤーにムラがある事が分かる(図6B参照)。また、図6C及び図6Dは倍率を30000倍として各々のカーボン電極を撮影したものである。テルピネオールを用いたカーボンペーストでは粒子が均一になっている(図6C参照)が、水溶媒を用いたカーボンペーストでは粒子が凝集しており、均一ではない(図6D参照)。   6A and 6B are images obtained by photographing a counter electrode of carbon paste using terpineol and a counter electrode of carbon paste using an aqueous solvent at a magnification of 150 times, respectively. The carbon paste using terpineol is uniformly applied to the FTO glass (see FIG. 6A), but the carbon paste using the aqueous solvent is non-uniform and the carbon layer is uneven (see FIG. 6B). . 6C and 6D are photographs of each carbon electrode with a magnification of 30000 times. In the carbon paste using terpineol, the particles are uniform (see FIG. 6C), but in the carbon paste using a water solvent, the particles are aggregated and are not uniform (see FIG. 6D).

以上の事から、先述した通りテルピネオールを用いたカーボンペーストが有用である事が見て取れる。Pt対極(図7の「Pt」のグラフ参照)、テルピネオールを用いたカーボンペーストによる対極(図7の「Carbon terpineol」のグラフ参照)、水溶媒を用いたカーボンペーストによる対極(図7の「Carbon water」のグラフ参照)についてそれぞれの光電特性を測定した。それらを比較したものを表2に示す。また、そのI−V曲線について図7に示す。   From the above, it can be seen that the carbon paste using terpineol is useful as described above. Pt counter electrode (see graph of “Pt” in FIG. 7), counter electrode by carbon paste using terpineol (see graph of “Carbon terpineol” in FIG. 7), counter electrode by carbon paste using water solvent (“Carbon in FIG. 7) Each photoelectric characteristic was measured about the graph of water. Table 2 shows a comparison between them. Moreover, the IV curve is shown in FIG.

すなわち、表2には、各電極でのセルの性能の比較を示す。   That is, Table 2 shows a comparison of cell performance at each electrode.

図7には、各対極でのI−V曲線の比較を示す。   FIG. 7 shows a comparison of IV curves at each counter electrode.

各々の効率はPt対極のセルについては6.942%、テルピネオールを用いたカーボンペーストによる対極では6.408%、水溶媒を用いたカーボンペーストによる対極では7.123%であった。こられを比較すると、テルピネオールを用いたカーボンペーストでは効率がPt電極に比べて0.5%程度低くなっているが、そこまで大きく効率は落ちておらず、充分にPt電極の代替を果たすことが可能であると考えられる。   The respective efficiencies were 6.942% for the Pt counter cell, 6.408% for the carbon paste counter electrode using terpineol, and 7.123% for the carbon electrode counter electrode using the aqueous solvent. Comparing these, the carbon paste using terpineol is about 0.5% less efficient than the Pt electrode, but the efficiency has not dropped so much, and it can fully substitute for the Pt electrode. Is considered possible.

続いてFTOガラス上にカーボンペーストを塗る際に、その膜厚を変化させた場合の光電特性を測定した。各々の値を表3に示す。すなわち、表3には、各膜厚でのセルの性能を示す。   Subsequently, when the carbon paste was applied on the FTO glass, the photoelectric characteristics when the film thickness was changed were measured. The respective values are shown in Table 3. That is, Table 3 shows the cell performance at each film thickness.

また、これらのセルのI−V曲線を図8に、インピーダンスの曲線を図9に示す。インピーダンスの曲線に関しては比較のためにPt対極によるセルの結果も測定し、図に示した。   Further, FIG. 8 shows an IV curve and FIG. 9 shows an impedance curve of these cells. For the impedance curve, the results of the cell with the Pt counter electrode were also measured for comparison, and are shown in the figure.

図8には、各膜厚でのI−V曲線を示す。   FIG. 8 shows an IV curve at each film thickness.

図9には、各膜厚でのインピーダンスの曲線を示す。   FIG. 9 shows an impedance curve at each film thickness.

表3より、カーボンレイヤーの膜厚を変化させても効率に大きな変化は見られない。色素増感太陽電池の効率ηは以下に示す式1(数1)で表される。   From Table 3, even if the film thickness of the carbon layer is changed, there is no significant change in efficiency. The efficiency η of the dye-sensitized solar cell is expressed by the following formula 1 (Equation 1).

膜厚を大きくすると、開放電圧VOCおよび短絡電流密度JSCは減少しているが、逆に曲線因子FFは増加しているために、結果として効率ηが変化しなかったと考えられる。また図9より、膜厚を大きくしていくと、そのインピーダンスの曲線の形は、Pt対極によるセルのインピーダンスの曲線に近づいている事が見て取れる。これらのインピーダンスの曲線を等価回路によってフィッティングした。このフィッティングに用いた等価回路を図10に示す。また、フィッティングを行って得られたインピーダンスの値を表4に示し、比較のために水溶媒を用いたカーボン対極の値について表5に示す。またこれらの値をグラフとして比較したものを図10に示す。 When the film thickness is increased, the open circuit voltage V OC and the short-circuit current density J SC are decreased, but conversely, since the fill factor FF is increased, it is considered that the efficiency η did not change as a result. From FIG. 9, it can be seen that as the film thickness is increased, the shape of the impedance curve approaches the curve of the cell impedance by the Pt counter electrode. These impedance curves were fitted by an equivalent circuit. An equivalent circuit used for this fitting is shown in FIG. Further, Table 4 shows impedance values obtained by fitting, and Table 5 shows carbon counter electrode values using an aqueous solvent for comparison. FIG. 10 shows a comparison of these values as a graph.

図11には、ペーストのインピーダンスの比較を示す。   FIG. 11 shows a comparison of paste impedances.

表4には、テルピネオールによるカーボンペーストの膜厚に対するインピーダンスRctを示す。 Table 4 shows the impedance Rct with respect to the film thickness of the carbon paste using terpineol.

表5には、水溶媒によるカーボンペーストの膜厚に対するインピーダンスRctを示す[非特許文献4]。 Table 5 shows the impedance Rct with respect to the film thickness of the carbon paste by the water solvent [Non-Patent Document 4].

まず、図10に示した等価回路について簡単に説明する。図中のRおよびRctは抵抗素子である。続いてCPEであるが、CPEとはConstant Phase Elementの略である。この素子のインピーダンスZは以下の式2(数2)で求める事ができる。 First, the equivalent circuit shown in FIG. 10 will be briefly described. R S and R ct in the figure are resistance elements. Next, CPE, which is an abbreviation for Constant Phase Element. The impedance Z of this element can be obtained by the following equation 2 (Equation 2).

式2(数2)中のPおよびTという値はインピーダンスに対して電極の表面の粗さに起因する抵抗および容量を反映する成分である。上記の式2(数2)から分かる通り、もしPの値が1である場合、この素子はコンデンサとして働く。   The values of P and T in Equation 2 (Equation 2) are components reflecting resistance and capacitance due to the roughness of the surface of the electrode with respect to impedance. As can be seen from Equation 2 (Equation 2) above, if the value of P is 1, this element acts as a capacitor.

図11に着目すると、テルピネオールを用いたカーボンペーストによるカーボン対極のインピーダンスは、水溶媒を用いたカーボンペーストのそれと比較して膜厚依存性が小さくなった。この事からも、テルピネオールを用いたカーボンペーストが水溶媒のカーボンペーストよりも有用である事が確認できた。   When attention is paid to FIG. 11, the impedance of the carbon counter electrode by the carbon paste using terpineol is less dependent on the film thickness than that of the carbon paste using the water solvent. From this fact, it was confirmed that the carbon paste using terpineol was more useful than the carbon paste of the water solvent.

(4. 結論)
今回の実験において、色素増感太陽電池対極用のスクリーン印刷カーボンペーストの作製に成功した。このカーボンペーストにはテルピネオールを溶媒として用いた。このカーボンペーストではスクリーン印刷によりカーボン対極を作製する事ができたが、既報の水溶媒を用いたカーボンペーストではスクリーン印刷を行ってもFTOガラス上にカーボンレイヤーを上手く形成できず、粒子の均一性においても、テルピネオールを用いたカーボンペーストの粒子は均一であったのに対して、水溶媒を用いたカーボンペーストでは凝集が見られ粒子は均一ではなかった。またインピーダンスを測定したところ、テルピネオールのカーボンペーストの対極は水溶媒のそれと比較して膜厚依存性が小さい結果となった。以上の事よりテルピネオールを用いたカーボンペーストは、水溶媒を用いたカーボンペーストよりも有用であるという事が確認された。
(4. Conclusion)
In this experiment, we succeeded in producing a screen-printed carbon paste for the dye-sensitized solar cell counter electrode. Terpineol was used as a solvent for this carbon paste. With this carbon paste, the carbon counter electrode could be produced by screen printing, but with the carbon paste using the previously reported aqueous solvent, the carbon layer could not be well formed on the FTO glass even after screen printing, and the particle uniformity Also, the carbon paste particles using terpineol were uniform, whereas the carbon paste using water solvent was aggregated and the particles were not uniform. When impedance was measured, the counter electrode of the carbon paste of terpineol was less dependent on the film thickness than that of the aqueous solvent. From the above, it was confirmed that the carbon paste using terpineol is more useful than the carbon paste using an aqueous solvent.

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.

本発明にかかる色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法は、スクリーン印刷によりFTOガラス上にカーボン対極を作製する事ができ、粒子は均一となり、対極の膜厚依存性が小さくなるといった有用な効果を有し、大量生産可能な色素増感太陽電池の対極等として有用である。   The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to the present invention can produce a carbon counter electrode on FTO glass by screen printing, the particles are uniform, and the film thickness dependence of the counter electrode is reduced. It is useful as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell capable of mass production.

Claims (7)

炭素粉末と金属半導体とを用い、これに高沸点溶媒及び低沸点溶媒を加えて分散液を得、当該分散液を蒸留して低沸点溶媒を除去することにより、カーボンペーストを得るようにしたことを特徴とする色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。   Using carbon powder and a metal semiconductor, a high-boiling solvent and a low-boiling solvent were added thereto to obtain a dispersion, and the dispersion was distilled to remove the low-boiling solvent to obtain a carbon paste. A method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode, characterized by: 前記金属半導体が、TiOのコロイドである請求項1に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。 The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to claim 1, wherein the metal semiconductor is a colloid of TiO 2 . 前記高沸点溶媒が、αテルピネオールである請求項1又は請求項2に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。   The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to claim 1, wherein the high boiling point solvent is α-terpineol. 前記低沸点溶媒が、エタノールである請求項1〜3のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。   The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the low boiling point solvent is ethanol. 水にTi(OCH(CHとイソプロパノールを攪拌しながら加え、硝酸を加えた後、加熱しながら攪拌し、白色で透明なTiOのコロイドを得、
このようにして得られたTiOコロイドを炭素粉末に加えて乳鉢ですり潰し、
前記乳鉢ですり潰した炭素粉末に、徐々にエタノールを加えつつさらにすり潰し、
次いで、攪拌を数回繰り返し行い、
その後、αテルピネオールを加え、エチルセルロースを加え、それらを加える都度、攪拌を行い、
こうして出来上がった分散液からエタノールを除去し、カーボンペーストを得るようにした請求項1〜4のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。
Add Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 and isopropanol to water with stirring, add nitric acid, and then stir while heating to obtain a white and transparent colloid of TiO 2 ,
The TiO 2 colloid thus obtained is added to carbon powder and ground in a mortar.
The carbon powder ground in the mortar is further ground while gradually adding ethanol,
Next, stirring is repeated several times,
Then, add α-terpineol, add ethyl cellulose, and stir every time they are added,
The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein ethanol is removed from the dispersion thus obtained to obtain a carbon paste.
75mLの水を用意し、それに12.5mLのTi(OCH(CHと2mLのイソプロパノールを攪拌しながら加え、65%の硝酸を0.6mL加えた後、80°Cで加熱しながら8時間攪拌し、白色で透明なTiOのコロイドを得、
このようにして得られたTiOコロイドを9g、用意された6gの炭素粉末に加えて乳鉢ですり潰し、
前記乳鉢ですり潰した炭素粉末に、総量が150mL程度になるまで徐々にエタノールを加えつつさらにすり潰し、トールビーカーに移し、
次いで、マグネット攪拌子を入れてマグネチックスターラーで1分間攪拌し、
そして、超音波ホモジナイザーで攪拌し、超音波ホモジナイザーについては照射時間を2秒、照射停止時間を2秒とし、1分間行い、
マグネチックスターラーと超音波ホモジナイザーでの攪拌を交互に三回ずつ繰り返し行い、
その後、αテルピネオールを20g加え、エチルセルロースを30g加え、それらを加える都度、マグネチックスターラーと超音波ホモジナイザーで攪拌を行い、
こうして出来上がった分散液をエバポレーターにかけてエタノールを除去し、カーボンペーストを得るようにしたことを特徴とする請求項5に記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。
Prepare 75 mL of water, add 12.5 mL Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 and 2 mL isopropanol with stirring, add 0.6 mL of 65% nitric acid, and heat at 80 ° C. While stirring for 8 hours to obtain a white and transparent TiO 2 colloid,
9 g of the TiO 2 colloid thus obtained is added to 6 g of the prepared carbon powder and ground in a mortar.
The carbon powder ground in the mortar is further ground while gradually adding ethanol until the total amount is about 150 mL, transferred to a tall beaker,
Next, put a magnetic stir bar and stir for 1 minute with a magnetic stirrer.
Then, the mixture is stirred with an ultrasonic homogenizer, and for the ultrasonic homogenizer, the irradiation time is 2 seconds, the irradiation stop time is 2 seconds, and 1 minute is performed.
Stirring with a magnetic stirrer and ultrasonic homogenizer is repeated three times alternately,
Thereafter, 20 g of α-terpineol was added, 30 g of ethyl cellulose was added, and each time they were added, the mixture was stirred with a magnetic stirrer and an ultrasonic homogenizer.
6. The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to claim 5, wherein the dispersion thus obtained is subjected to an evaporator to remove ethanol to obtain a carbon paste.
前記炭素粉末が、グラファイトである請求項1〜6のいずれか1つに記載の色素増感太陽電池対極のスクリーン印刷用カーボンペースト作製方法。   The method for producing a carbon paste for screen printing of a dye-sensitized solar cell counter electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon powder is graphite.
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