JP2010277722A - Dye sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに対向するように配置された金属電極基板とガラス製電極基板とを備え、両電極間の間には、電解質層と色素で増感された半導体多孔質層とからなる発電領域が形成されている色素増感太陽電池に関する。 The present invention comprises a metal electrode substrate and a glass electrode substrate arranged to face each other, and a power generation region comprising an electrolyte layer and a semiconductor porous layer sensitized with a dye between the electrodes. Relates to a dye-sensitized solar cell in which is formed.
現在、地球規模の環境問題や化石エネルギー資源枯渇問題などの観点から太陽光発電に対する期待が大きく、単結晶及び多結晶シリコン光電変換素子が太陽電池として実用化されている。しかし、この種の太陽電池は、高価格であること、シリコン原料の供給問題などを有しており、シリコン以外の材料を用いた太陽電池の実用化が望まれている。 Currently, there is great expectation for photovoltaic power generation from the viewpoint of global environmental problems and fossil energy resource depletion problems, and single crystal and polycrystalline silicon photoelectric conversion elements are put into practical use as solar cells. However, this type of solar cell is expensive and has a problem of supply of silicon raw materials, and the practical application of solar cells using materials other than silicon is desired.
上記のような見地から、最近では、シリコン以外の材料を用いた太陽電池として、色素増感太陽電池が注目されている。この色素増感型太陽電池の代表的なものとして、ガラス基板や透明プラスチック基板の表面にITO等の透明導電膜を設けた透明電極基板と、金属電極基板とが、色素増感半導体多孔質層と電解質層とを間に挟んで対峙した構造を有しており、金属電極基板と透明電極基板との周縁部分は、電解質層が漏洩しないように、封止材で封止されている。即ち、色素増感半導体多孔質層と電解質層とを間に挟んで金属電極基板と透明電極基板とが対峙している領域が発電領域となっており、色素増感半導体多孔質層(以下、単に半導体多孔質層と呼ぶことがある)は、一般に透明電極基板上に設けられているが、金属電極基板上に設けることもできる(特許文献1参照)。 From the above viewpoint, recently, dye-sensitized solar cells have attracted attention as solar cells using materials other than silicon. As a representative of this dye-sensitized solar cell, a transparent electrode substrate in which a transparent conductive film such as ITO is provided on the surface of a glass substrate or a transparent plastic substrate, and a metal electrode substrate are a dye-sensitized semiconductor porous layer The peripheral portion of the metal electrode substrate and the transparent electrode substrate is sealed with a sealing material so that the electrolyte layer does not leak. That is, the region where the metal electrode substrate and the transparent electrode substrate are opposed to each other with the dye-sensitized semiconductor porous layer and the electrolyte layer interposed therebetween is a power generation region, and the dye-sensitized semiconductor porous layer (hereinafter, The semiconductor porous layer may be simply provided on the transparent electrode substrate, but may be provided on the metal electrode substrate (see Patent Document 1).
上記のような構造の色素増感型太陽電池では、透明電極基板側から可視光を照射すると、色素増感多孔質層中の色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子は、この半導体多孔質層中の伝導帯へ注入され、この半導体多孔質層が形成されている透明電極基板或いは金属電極基板から外部回路を通って、対極である金属電極基板或いは透明電極基板に移動する。対極の電極基板に移動した電子は、電解質層中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出されるわけである。このような色素増感太陽電池の発電メカニズムは、pn接合型光電変換素子と異なり、光の捕捉と電子伝導が別々の場所で行われ、植物の光電変換プロセスに非常に似たものとなっている。 In the dye-sensitized solar cell having the above-described structure, when visible light is irradiated from the transparent electrode substrate side, the dye in the dye-sensitized porous layer is excited, transitioned from the ground state to the excited state, and excited. The electrons of the dye are injected into the conduction band in the semiconductor porous layer, and pass through an external circuit from the transparent electrode substrate or metal electrode substrate on which the semiconductor porous layer is formed. Move to transparent electrode substrate. The electrons that have moved to the counter electrode substrate are carried by the ions in the electrolyte layer and return to the dye. Electric energy is extracted by repeating such a process. The power generation mechanism of such a dye-sensitized solar cell is different from a pn junction photoelectric conversion element, in which light capture and electronic conduction are performed in different places, and is very similar to a plant photoelectric conversion process. Yes.
ところで、透明電極基板に半導体多孔質層を設けた構造のものは、この半導体多孔質層が抵抗の大きな透明導電膜上に形成されているため、セル(電池として機能する発電最小単位)を大型化すると、内部抵抗(Fill Factor;FF)や変換効率が大きく低下するという問題がある。このため、最近では、金属電極基板上に半導体多孔質層を設けた構造のものが主流になりつつある。即ち、この場合には、半導体多孔質層が、低抵抗の金属電極基板上に直接形成されているため、セルの大型化によるFFや変換効率の低下を有効に回避することができるからである。 By the way, in the structure in which the semiconductor porous layer is provided on the transparent electrode substrate, since the semiconductor porous layer is formed on the transparent conductive film having a large resistance, the cell (minimum unit of power generation functioning as a battery) is large-sized. However, there is a problem that the internal resistance (FF) and conversion efficiency are greatly reduced. For this reason, recently, a structure in which a semiconductor porous layer is provided on a metal electrode substrate is becoming mainstream. That is, in this case, since the semiconductor porous layer is directly formed on the low-resistance metal electrode substrate, it is possible to effectively avoid the FF and the reduction in conversion efficiency due to the enlargement of the cell. .
しかしながら、半導体多孔質層を低抵抗の金属電極基板上に形成した構造の色素増感型太陽電池では、この半導体多孔質層が主にゾルゲル法で作製した緻密な酸化物半導体層であるため、整流障壁が不完全であり、経時と共に変換効率が低下するという問題がある。 However, in a dye-sensitized solar cell having a structure in which a semiconductor porous layer is formed on a low-resistance metal electrode substrate, this semiconductor porous layer is a dense oxide semiconductor layer mainly produced by a sol-gel method. There is a problem that the rectification barrier is incomplete and the conversion efficiency decreases with time.
このため、低抵抗の金属電極基板上に整流障壁層(逆電防止層)を形成し、この整流障壁層上に半導体多孔質層を設けることが提案されている(特許文献2,3参照)。 For this reason, it has been proposed to form a rectifying barrier layer (back-current prevention layer) on a low-resistance metal electrode substrate and to provide a semiconductor porous layer on the rectifying barrier layer (see Patent Documents 2 and 3). .
しかしながら、上記のような整流障壁層を設けたものでは、電解質層を形成している電解液により金属基板にしばしば腐食が発生し、セルの性能低下を生じるという問題があり、その改善が求められている。
また、特許文献2,3で提案されている整流障壁層は、化成処理やメッキにより形成されるものであるため、生産効率が悪いという問題がある。このような問題を解決するために、本出願人は、先に、熱処理によって逆電防止剤となる金属酸化物を形成し得る金属化合物を含むコーティング液を金属電極基板表面に塗布し、次いで熱処理することにより整流障壁層(逆電防止層)を形成することを提案した(特願2008−178341号)。即ち、この方法では、スクリーン印刷などのコーティング法によって整流障壁層が形成されるため、その生産効率が極めて高いという利点がある。しかしながら、このようなコーティング法によって整流障壁層を形成する場合においても、金属基板表面にしばしば腐食が発生し、セルの性能低下を引き起こすという問題は解決されていない。
However, in the case where the rectifying barrier layer as described above is provided, there is a problem that the electrolytic solution forming the electrolyte layer often causes corrosion on the metal substrate, resulting in deterioration of the cell performance, and improvement is required. ing.
Moreover, since the rectification | straightening barrier layer proposed by patent document 2, 3 is formed by chemical conversion treatment or plating, there exists a problem that production efficiency is bad. In order to solve such a problem, the present applicant first applied a coating liquid containing a metal compound capable of forming a metal oxide serving as an anti-electrostatic agent by heat treatment to the surface of the metal electrode substrate, and then heat-treated. By doing so, it was proposed to form a rectifying barrier layer (back-current prevention layer) (Japanese Patent Application No. 2008-178341). That is, this method has an advantage that the production efficiency is extremely high because the rectifying barrier layer is formed by a coating method such as screen printing. However, even when the rectifying barrier layer is formed by such a coating method, the problem that corrosion often occurs on the surface of the metal substrate and causes deterioration of the cell performance has not been solved.
従って、本発明の目的は、金属電極基板表面上に整流障壁層を介して光増感半導体多孔質層が形成された構造を有しており、金属電極基板表面の腐食による性能低下が確実に防止された色素増感型太陽電池を提供することにある。
本発明の他の目的は、特にコーティング法により上記の整流障壁層が形成されており、生産性の高い色素増感型太陽電池を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to have a structure in which a photosensitized semiconductor porous layer is formed on the surface of a metal electrode substrate via a rectifying barrier layer, so that performance degradation due to corrosion of the surface of the metal electrode substrate is ensured. An object is to provide a dye-sensitized solar cell which is prevented.
Another object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell in which the rectifying barrier layer is formed by a coating method and has high productivity.
本発明者等は、金属電極基板表面に整流障壁層を介して色素増感半導体多孔質層を形成したときの金属電極基板の腐食の問題を検討した結果、この整流障壁層が発電領域に選択的に形成されるため、製造時の位置決め誤差などにより、発電領域の周縁部(即ち、封止領域との境界部)に整流障壁層が形成されず、金属電極基板表面の露出を生じることがあり、この結果、多孔質層に浸透した電解液が金属基板表面に接触して腐食を生じるという知見を見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of examining the problem of corrosion of the metal electrode substrate when the dye-sensitized semiconductor porous layer is formed on the surface of the metal electrode substrate via the rectifying barrier layer, the present inventors selected this rectifying barrier layer as the power generation region. Therefore, the rectifying barrier layer is not formed on the peripheral portion of the power generation region (that is, the boundary portion with the sealing region) due to a positioning error at the time of manufacture, and the metal electrode substrate surface may be exposed. As a result, the inventors have found that the electrolyte solution that has penetrated into the porous layer contacts the surface of the metal substrate to cause corrosion, and has completed the present invention.
即ち、本発明によれば、互いに対向するように配置された金属電極基板と透明電極基板とを備え、両電極基板間の間には、電解質層と色素で増感された半導体多孔質層とからなる発電領域と、該発電領域の周囲に位置し且つ両電極基板を結合している封止材からなる封止領域とが形成されている色素増感太陽電池において、
前記金属電極基板の表面に整流障壁層が形成されており、該整流障壁層上に前記半導体多孔質層が形成されていると共に、
前記整流障壁層は、前記発電領域を含み、前記封止領域にまで延びていることを特徴とする色素増感太陽電池が提供される。
That is, according to the present invention, a metal electrode substrate and a transparent electrode substrate disposed so as to face each other are provided, and an electrolyte layer and a semiconductor porous layer sensitized with a dye are interposed between the electrode substrates. In a dye-sensitized solar cell in which a power generation region formed of and a sealing region made of a sealing material that is located around the power generation region and combines both electrode substrates are formed,
A rectifying barrier layer is formed on the surface of the metal electrode substrate, and the semiconductor porous layer is formed on the rectifying barrier layer.
The rectifying barrier layer includes the power generation region and extends to the sealing region. A dye-sensitized solar cell is provided.
本発明の色素増感型太陽電池においては、
(1)前記整流障壁層が、前記金属電極基板の全面に形成されていること、
(2)前記整流障壁層が、コーティング法により形成されたものであること、
(3)前記整流障壁層が、金属酸化物の緻密な層であること、
が好ましい。
In the dye-sensitized solar cell of the present invention,
(1) The rectifying barrier layer is formed on the entire surface of the metal electrode substrate,
(2) The rectifying barrier layer is formed by a coating method,
(3) The rectifying barrier layer is a dense layer of metal oxide,
Is preferred.
本発明の色素増感太陽電池では、整流障壁層が発電領域のみならず発電領域の周縁の封止領域にまで延びている。従って、製造時の位置決め誤差などの影響を全く受けず、金属電極基板表面の発電領域の部分には、必ず整流障壁層が形成されることとなり、発電領域の周縁部、即ち封止領域との境界部分での金属基板表面の露出を確実に防止することができる。この結果、電解層中の電解液の金属電極基板表面への接触が整流障壁層によって確実に防止され、金属電極基板表面の腐食による性能低下を確実に防止することができるのである。 In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the rectifying barrier layer extends not only to the power generation region but also to the sealing region at the periphery of the power generation region. Therefore, a rectification barrier layer is always formed in the power generation region portion on the surface of the metal electrode substrate without being affected by positioning errors at the time of manufacture, and the peripheral portion of the power generation region, that is, the sealing region. Exposure of the metal substrate surface at the boundary portion can be reliably prevented. As a result, the contact of the electrolytic solution in the electrolytic layer with the surface of the metal electrode substrate is reliably prevented by the rectifying barrier layer, and the performance degradation due to the corrosion of the surface of the metal electrode substrate can be reliably prevented.
特にコーティング法によって整流障壁層を形成する場合には、金属電極基板表面の発電領域となる部分に選択的に整流障壁層形成用のコーティング液を塗布して整流障壁層を形成するため、位置決め誤差などにより封止領域との境界部にコーティング液が塗布されず、従って、整流障壁層が形成されずに金属基板表面が露出した部分を生じやすいが、本発明では、封止領域にかかる部分にまで整流障壁層を延長しているため、このような不都合を確実に防止することができる。 In particular, when the rectifying barrier layer is formed by the coating method, the rectifying barrier layer is formed by selectively applying the coating liquid for forming the rectifying barrier layer to the portion of the metal electrode substrate surface that will be the power generation region. As a result, the coating liquid is not applied to the boundary portion with the sealing region, and therefore, the portion where the metal substrate surface is exposed without forming the rectifying barrier layer is likely to be formed. Since the rectifying barrier layer is extended to the above, such inconvenience can be surely prevented.
本発明の色素増感太陽電池は、透明電極基板(正極基板)1と、金属電極基板(負極基板)10とを備えており、この透明電極基板1と金属電極基板とが対峙した構造を有している。 The dye-sensitized solar cell of the present invention includes a transparent electrode substrate (positive electrode substrate) 1 and a metal electrode substrate (negative electrode substrate) 10, and has a structure in which the transparent electrode substrate 1 and the metal electrode substrate face each other. is doing.
透明電極基板1は、透明基板3の表面に、透明導電膜5及び電子還元性導電層7がこの順に形成された構造を有している。一方、金属電極基板10は、金属基板11を有しており、この金属基板11の上に色素増感半導体多孔質層13が形成されているが、この金属基板11と色素増感半導体多孔質層13との間に、整流障壁層15が形成されている。
The transparent electrode substrate 1 has a structure in which a transparent
このような透明電極基板1と金属電極基板10とが、電解質層20を間に挟んで対峙しており、透明電極基板1と金属電極基板10との周縁部分は、電解質層20が漏洩しないように、封止材30で封止されている。即ち、色素増感半導体多孔質層13と電解質層20とを間に挟んで金属電極基板10と透明電極基板1とが対峙している領域が発電領域Xとなっており、封止材30で封止されている領域が封止領域Yとなっている。
The transparent electrode substrate 1 and the
(透明基板3)
上記のような構造において、透明電極基板1(正極基板)の形成に使用されている透明基板3は、高い光透過性を有していればよく、例えば透明ガラスや透明樹脂フィルムなどから形成される。その厚みや大きさは、最終的に形成される色素増感太陽電池の用途に応じて適宜決定される。
(Transparent substrate 3)
In the structure as described above, the transparent substrate 3 used for forming the transparent electrode substrate 1 (positive electrode substrate) only needs to have high light transmittance, and is formed of, for example, transparent glass or a transparent resin film. The The thickness and size are appropriately determined according to the intended use of the dye-sensitized solar cell to be finally formed.
(透明導電膜5)
透明基板3の上に形成される透明導電膜5としては、酸化インジウム−酸化錫合金からなる膜(ITO膜)、酸化錫にフッ素をドープした膜(FTO膜)などが代表的であるが、電子還元性が高く、特にカソードとして望ましい特性を有していることから、ITO膜が好適である。これらは蒸着により上記の透明基板3上に形成され、その厚みは、通常、500nm乃至700nm程度である。
(Transparent conductive film 5)
Typical examples of the transparent
(電子還元層7)
また、上記の透明導電膜5上に形成される電子還元導電層7は、一般に白金の薄層からなり、透明導電膜5に流れ込んだ電子を電解質層20に速やかに移行せしめる機能を有するものである。このような電子還元導電層20は、光透過性が損なわれないように、その平均厚みが0.1乃至1.5nm程度となるように蒸着により薄く形成される。
(Electron reduction layer 7)
The electron reduction conductive layer 7 formed on the transparent
(金属基板11)
一方、金属電極基板10(負極基板)の形成に用いる金属基板11としては、低電気抵抗の金属材料から形成されたものであれば特に制限されないが、一般的には、6×10−6Ω・m以下の比抵抗を有する金属乃至合金、例えばアルミニウム、鉄(スチール)、ステンレススチール、銅、ニッケルなどが使用される。また、金属基板11の厚みは特に制限されず、適度な機械的強度が保持される程度の厚みを有していればよい。また、生産性を考慮しないのであれば、金属基板11は、例えば蒸着等により、樹脂フィルム等に形成されていてもよい。勿論、この樹脂フィルム等の基材は透明である必要はない。
(Metal substrate 11)
On the other hand, the
(色素増感半導体多孔質層13)
一方、金属基板11の表面に整流障壁層15を間に挟んで形成される色素増感半導体多孔質層13は、発電領域Xとなる部分に形成されるものであり、その周囲が発電に関与しない封止領域Yとなる。この色素増感半導体多孔質層13は、色素増感太陽電池において従来から使用されており、酸化物半導体層に色素を吸着担持させたものである。
(Dye-sensitized semiconductor porous layer 13)
On the other hand, the dye-sensitized semiconductor
色素を吸着担持させる酸化物半導体多孔質層は、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステンなどの金属の酸化物、或いはこれら金属を含有する複合酸化物、例えばSrTiO3、CaTiO3などのペロブスカイト型酸化物などにより形成され、その厚みは、通常、3乃至15μm程度である。 The oxide semiconductor porous layer for adsorbing and supporting the dye is, for example, an oxide of a metal such as titanium, zirconium, hafnium, strontium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, or a composite oxide containing these metals, such as SrTiO 3. And a perovskite type oxide such as CaTiO 3 , and the thickness is usually about 3 to 15 μm.
また、かかる酸化物半導体の多孔質層は、色素を担持させるため、多孔質であることが必要であり、例えば、アルキメデス法による相対密度が50乃至90%、特に50乃至70%程度であることが好ましく、これにより、大きな表面積を確保し、有効量の色素を担持させることができる。 Further, the porous layer of the oxide semiconductor needs to be porous in order to carry the dye, and for example, the relative density by the Archimedes method is 50 to 90%, particularly about 50 to 70%. It is preferable that a large surface area can be secured and an effective amount of the dye can be supported.
このような酸化物半導体多孔質層は、例えば上述した酸化物半導体の微粒子を、有機溶媒やキレート反応性を有する有機化合物に分散させて調製したペースト、若しくは、チタンアルコキシド(例えばテトライソプロポキシチタンなど)等のバインダー成分とともに有機溶媒中に分散させたスラリー乃至ペーストを金属基板11上に塗布し、600℃以下の温度で、前述した相対密度となる程度の時間、焼成することにより容易に形成することができる。即ち、焼成により、上記バインダー成分のゲル化(脱水縮合)により形成されたTiO2ゲルが半導体微粒子同士を接合し、多孔質化される。
Such an oxide semiconductor porous layer is, for example, a paste prepared by dispersing fine particles of the above-described oxide semiconductor in an organic solvent or an organic compound having chelate reactivity, or a titanium alkoxide (for example, tetraisopropoxy titanium). It is easily formed by applying a slurry or paste dispersed in an organic solvent together with a binder component such as) on the
尚、上記のようなスラリー乃至ペーストの形成に用いる半導体微粒子は、多孔質化の点で、その粒径が5〜500nm、特に5〜350nmの範囲にあるのがよい。また、キレート反応性の有機化合物としては、β−ジケトン、β−ケトアミン、β−ケトエステルが代表的であり、易揮発性であれば特に制限なく使用することができるが、β−ジケトンであるアセチルアセトンが特に好適であり、半導体微粒子重量に対して5乃至35重量%の量で使用するのがよい。また、バインダー成分のチタンアルコキシドは、二酸化チタン微粒子100重量部当り、10乃至60重量部、特に20乃至50重量部の量で使用するのがよく、有機溶媒としては、易揮発性であれば特に制限なく使用することができるが、一般的には、炭素数が4以下の低級アルコール、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノールなどが好適であり、これらの有機溶媒は、単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせた混合溶媒の形で使用することもできる。有機溶媒量は、スラリー乃至ペーストが適度なコーティング性を示す程度の量で使用すればよく、一般的には、スラリー乃至ペーストの固形分濃度が、5乃至50重量%、特に15乃至40重量%の範囲となる程度の量で使用するのがよい。溶媒量が多すぎると、スラリー乃至ペーストが低粘性となり、垂れ等により安定な厚みのコーティング層を形成することが困難となり、また、溶媒量が少ないと、高粘性となり作業性が低下してしまうからである。 The semiconductor fine particles used for forming the slurry or paste as described above should have a particle size in the range of 5 to 500 nm, particularly 5 to 350 nm from the viewpoint of making them porous. Further, as the chelate-reactive organic compound, β-diketone, β-ketoamine, and β-ketoester are representative and can be used without particular limitation as long as it is easily volatile. However, acetylacetone, which is a β-diketone, can be used. Is particularly suitable, and is preferably used in an amount of 5 to 35% by weight based on the weight of the semiconductor fine particles. Further, the titanium alkoxide as a binder component is preferably used in an amount of 10 to 60 parts by weight, particularly 20 to 50 parts by weight, per 100 parts by weight of titanium dioxide fine particles. In general, lower alcohols having 4 or less carbon atoms such as methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, t-butanol and the like are suitable, and these organic compounds can be used without limitation. A solvent may be used independently and can also be used in the form of the mixed solvent which combined 2 or more types. The amount of the organic solvent may be used in such an amount that the slurry or paste exhibits an appropriate coating property. In general, the solid content concentration of the slurry or paste is 5 to 50% by weight, particularly 15 to 40% by weight. It is better to use it in an amount that is in the range. If the amount of solvent is too large, the slurry or paste becomes low-viscosity and it becomes difficult to form a coating layer with a stable thickness due to dripping, etc., and if the amount of solvent is small, the viscosity becomes high-viscosity and workability decreases. Because.
上記のようにして形成される酸化物半導体多孔質層に吸着させる色素は、この多孔質層に色素溶液を接触させることにより、吸着担持される。色素溶液の接触は、通常は、ディッピングにより行われ、吸着処理時間(浸漬時間)は、通常、30分〜24時間程度であり、吸着後、乾燥して色素溶液の溶媒を除去することにより、表面及び内部に増感色素が吸着担持された色素増感半導体多孔質層13が形成される。
The dye adsorbed on the oxide semiconductor porous layer formed as described above is adsorbed and supported by bringing the dye solution into contact with the porous layer. The contact of the dye solution is usually performed by dipping, and the adsorption treatment time (immersion time) is usually about 30 minutes to 24 hours, and after adsorption, the solvent of the dye solution is removed by drying, The dye-sensitized semiconductor
用いる色素は、増感色素として機能し得るものであり、カルボキシレート基、シアノ基、ホスフェート基、オキシム基、ジオキシム基、ヒドロキシキノリン基、サリチレート基、α−ケト−エノール基などの結合基を有するそれ自体公知のものが使用される。例えばルテニウム錯体、オスミウム錯体、鉄錯体などを何ら制限なく使用することができる。特に幅広い吸収帯を有するなどの点で、ルテニウム−トリス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)、ルテニウム−シス−ジアクア−ビス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)などのルテニウム系錯体が好適である。このような増感色素の色素溶液は、溶媒としてエタノールやブタノールなどのアルコール系有機溶媒を用いて調製され、その色素濃度は、通常、3×10−4乃至5×10−4mol/l程度とするのがよい。 The dye used can function as a sensitizing dye and has a linking group such as a carboxylate group, a cyano group, a phosphate group, an oxime group, a dioxime group, a hydroxyquinoline group, a salicylate group, and an α-keto-enol group. Those known per se are used. For example, a ruthenium complex, an osmium complex, an iron complex, etc. can be used without any limitation. Ruthenium-tris (2,2′-bispyridyl-4,4′-dicarboxylate), ruthenium-cis-diaqua-bis (2,2′-bispyridyl-4,4) in that it has a particularly broad absorption band. Ruthenium-based complexes such as' -dicarboxylate) are preferred. Such a dye solution of a sensitizing dye is prepared using an alcohol-based organic solvent such as ethanol or butanol as a solvent, and the dye concentration is usually about 3 × 10 −4 to 5 × 10 −4 mol / l. It is good to do.
(整流障壁層15)
また、金属基板11上に適宜形成される整流障壁層15は、逆電防止層とも呼ばれ、金属基板11に比して高抵抗の金属乃至金属酸化物からなる層であり、逆電流を阻止し、有効な整流障壁となるばかりか、耐腐食性を有するものであり、後述する電解質層20からの電解液の浸透による金属基板11の腐食を防止する機能も有している。
(Rectifying barrier layer 15)
The rectifying
また、上記のような整流障壁層14は、例えば特開2008−53165号などに開示されているように、化成処理、めっき法、クラッド法などにより形成することも可能であるが、本発明では特にコーティング法により形成することが好ましい。即ち、コーティング法では、上記の方法に比して極めて容易に整流障壁層15を形成することができ、生産性を向上させることができる。
Further, the rectifying barrier layer 14 as described above can be formed by chemical conversion treatment, plating method, cladding method or the like as disclosed in, for example, JP-A-2008-53165, but in the present invention, In particular, it is preferably formed by a coating method. That is, in the coating method, the rectifying
本発明において、コーティング法では、所定の組成のコーティング液を金属基板11の表面に塗布し、次いで熱処理することにより整流障壁層15が形成されるが、このような整流障壁層15は、金属酸化物、特に酸化物半導体からなっており、前述した色素増感多孔質層13に比してかなり緻密な層であり、これにより、高い整流障壁と耐腐食性とを実現することができる。
In the present invention, in the coating method, a
上記のコーティング法で用いるコーティング液は、金属化合物の有機溶媒溶液からなるものであり、この溶液中には溶質安定化剤が添加され、金属化合物の析出が有効に防止され、従って、溶液状態が安定に維持されるようになっており、塗布性を高め、例えばスクリーン印刷により均一な厚みの塗布層を形成し得るように、25℃での粘度が10cP以上、特に50乃至2000cPの範囲に調整されている。 The coating solution used in the above coating method is composed of an organic solvent solution of a metal compound, and a solute stabilizer is added to the solution to effectively prevent precipitation of the metal compound. The viscosity at 25 ° C. is adjusted to 10 cP or more, particularly 50 to 2000 cP, so that the coating property is improved and the coating property is improved and, for example, a coating layer having a uniform thickness can be formed by screen printing. Has been.
このコーティング液中に含まれる金属化合物は、後述する熱処理(焼成)によって、金属酸化物を形成するものであり、このような酸化物を形成し得る限り、金属元素としては、特に制限されず、例えば、Ti、Al、Zn、Ni、Fe、Cu等であってよい。また、化合物の形態は、熱処理により酸化物を形成し且つ有機溶媒に溶解し得るようなものであれば、特に制限されないが、一般的には、容易に入手でき、しかも熱処理によって速やかに酸化物を形成し、且つ有機溶媒に対する溶解度が高いことなどから、アルコキシド或いは水酸化物、塩化物であることが好適である。また、このコーティング液を用いて形成される整流障壁層15上に、形成される半導体多孔質層13が二酸化チタンである場合には、整流障壁層15と半導体多孔質層13との間に高い密着性を確保できることから、チタンアルコキシド、特にチタンイソプロポキシドが好適であり、チタンテトライソプロポキシドが最適である。
The metal compound contained in the coating liquid forms a metal oxide by a heat treatment (firing) described later, and as long as such an oxide can be formed, the metal element is not particularly limited, For example, Ti, Al, Zn, Ni, Fe, Cu or the like may be used. The form of the compound is not particularly limited as long as it can form an oxide by heat treatment and can be dissolved in an organic solvent. In general, it can be easily obtained, and the oxide can be quickly obtained by heat treatment. And is preferably an alkoxide, hydroxide, or chloride because of its high solubility in organic solvents. Further, when the semiconductor
また、上記金属化合物の析出を防止するために使用される溶質安定化剤としては、それ自体有機溶媒に可溶で且つ金属化合物に対して高い親和性を有する化合物が使用され、例えば、グリコールエーテル(セロソルブ)及びβ−ジケトンが好適に使用される。 In addition, as the solute stabilizer used for preventing the precipitation of the metal compound, a compound which is itself soluble in an organic solvent and has a high affinity for the metal compound is used. (Cellosolve) and β-diketone are preferably used.
グリコールエーテルは、下記式:
HOCH2CH2OR
式中、Rは、アルキル基、アリール基またはアラルキル基である、
で表される化合物であり、アルキル基としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基、n−プロピル基、イソブチル基、n−ブチル基、イソアミル基等の炭素数が8以下の低級アルキル基が代表的であり、アリール基としてはフェニル基、アラルキル基としてはベンジル基を例示することができ、これらの中では、Rがアルキル基であるグリコールエーテルが好適であり、特にブチルセロソルブ(R=イソブチル基、n−ブチル基)が好適である。
Glycol ether has the following formula:
HOCH 2 CH 2 OR
In the formula, R is an alkyl group, an aryl group, or an aralkyl group.
The alkyl group is typically a lower alkyl group having 8 or less carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, an n-propyl group, an isobutyl group, an n-butyl group, and an isoamyl group. The aryl group may be exemplified by a phenyl group and the aralkyl group may be exemplified by a benzyl group. Among these, a glycol ether in which R is an alkyl group is preferred, and butyl cellosolve (R = isobutyl group, n-butyl group) is preferred.
また、β−ジケトンとしては、例えば、アセチルアセトン、1,3−シクロヘキサジオン、メチレンビス−1,3ーシクロヘキサジオン、2−ベンジル−1,3−シクロヘキサジオン、アセチルテトラロン、パルミトイルテトラロン、ステアロイルテトラロン、ベンゾイルテトラロン、2−アセチルシクロヘキサノン、2−ベンゾイルシクロヘキサノン、2−アセチル−1,3−シクロヘキサンジオン、ビス(ベンゾイル)メタン、ベンゾイル−p−クロルベンゾイルメタン、ビス(4−メチルベンゾイル)メタン、ビス(2−ヒドロキシベンゾイル)メタン、ベンゾイルアセトン、トリベンゾイルメタン、ジアセチルベンゾイルメタン、ステアロイルベンゾイルメタン、パルミトイルベンゾイルメタン、ラウロイルベンゾイルメタン、ジベンゾイルメタン、ビス(4−クロルベンゾイル)メタン、ビス(メチレン−3,4−ジオキシベンゾイル)メタン、ベンゾイルアセチルフェニルメタン、ステアロイル(4−メトキシベンゾイル)メタン、ブタノイルアセトン、ジステアロイルメタン、ステアロイルアセトン、ビス(シクロヘキサノイル)−メタン及びジピバロイルメタン等を例示することができ、これらの中では、アセチルアセトンが好適である。 Examples of the β-diketone include acetylacetone, 1,3-cyclohexadione, methylenebis-1,3-cyclohexadione, 2-benzyl-1,3-cyclohexadione, acetyltetralone, palmitoyltetralone, Stearoyltetralone, benzoyltetralone, 2-acetylcyclohexanone, 2-benzoylcyclohexanone, 2-acetyl-1,3-cyclohexanedione, bis (benzoyl) methane, benzoyl-p-chlorobenzoylmethane, bis (4-methylbenzoyl) Methane, bis (2-hydroxybenzoyl) methane, benzoylacetone, tribenzoylmethane, diacetylbenzoylmethane, stearoylbenzoylmethane, palmitoylbenzoylmethane, lauroylbenzoylmethane, dibe Zoylmethane, bis (4-chlorobenzoyl) methane, bis (methylene-3,4-dioxybenzoyl) methane, benzoylacetylphenylmethane, stearoyl (4-methoxybenzoyl) methane, butanoylacetone, distearoylmethane, stearoylacetone, Examples thereof include bis (cyclohexanoyl) -methane and dipivaloylmethane, and among these, acetylacetone is preferred.
上述したグリコールエーテルやβ−ジケトンは、有機溶媒に可溶であり、しかも金属元素に対して配位結合を形成し易いため、上記金属化合物の析出を有効に抑制し、溶質安定化剤として優れた特性を示すものと思われる。本発明においては、これらの中でもグリコールエーテルが最も適している。即ち、グリコールエーテルは、β−ジケトンに比して化学的に安定であるため、コーティング液中の金属化合物の析出を防止する溶質安定化剤として特に優れた特性を示す。 The glycol ethers and β-diketones described above are soluble in organic solvents and easily form coordinate bonds with metal elements, effectively suppressing the precipitation of the metal compounds and being excellent as solute stabilizers. It seems to show the characteristic. Of these, glycol ether is most suitable in the present invention. That is, since glycol ether is chemically stable as compared with β-diketone, it exhibits particularly excellent characteristics as a solute stabilizer that prevents precipitation of a metal compound in a coating solution.
また、有機溶媒としては、前述した金属化合物が溶解し得るものであれば特に制限なく使用することができるが、特にスクリーン印刷に適した粘性のコーティング液を形成し、且つ加熱によって、生成する金属酸化物の電気特性(逆電防止特性)に悪影響を与えることなく揮散できるという観点から、テルピネオールを主成分とする混合溶媒、特にテルピネオールとエチルセルロースとの2種を含む混合溶媒が好適に使用される。 The organic solvent can be used without any particular limitation as long as it can dissolve the above-described metal compound. However, it forms a viscous coating solution particularly suitable for screen printing and is produced by heating. From the standpoint that it can be volatilized without adversely affecting the electrical properties (anti-electrostatic properties) of the oxide, a mixed solvent containing terpineol as a main component, particularly a mixed solvent containing two types of terpineol and ethyl cellulose is preferably used. .
この有機溶媒の主成分であるテルピネオール(C10H18O)は、1,8−テルビンから水が1分子脱水して生じる不飽和アルコールであり、α、β及びγの3タイプのものが知られており、何れのタイプも使用できるが、一般には、α−テルピネオール(Bp:219〜221℃)、或いはα−テルピネオールを主成分とし、これにβ−テルピネオールなどの他のタイプものが混合された混合物(一般に、市販されているものは混合物である)が好適である。 Terpineol (C 10 H 18 O), which is the main component of this organic solvent, is an unsaturated alcohol produced by dehydrating one molecule of water from 1,8-terbin, and three types of α, β and γ are known. Any type can be used, but in general, α-terpineol (Bp: 219 to 221 ° C.) or α-terpineol as a main component, and other types such as β-terpineol are mixed. Mixtures (generally those that are commercially available are mixtures) are preferred.
即ち、上記のテルピネオールは、粘稠な液体であり、前述した金属化合物を容易に均一に溶解させることができ、しかも、加熱により、生成する金属酸化物(例えば二酸化チタン)の電気特性に悪影響を与えることなく、容易に揮散させることができる。 That is, the above-mentioned terpineol is a viscous liquid, can easily dissolve the above-mentioned metal compound uniformly, and adversely affects the electrical characteristics of the metal oxide (for example, titanium dioxide) produced by heating. It can be easily volatilized without giving.
また、エチルセルロースは、テルピネオールと同様に、金属化合物から生成する金属酸化物の電気特性に悪影響を与えることなく、熱処理によって容易に分解除去することができるが、特に粘度調整剤としての機能とバインダーとしての機能を有する。即ち、テルピネオールのみを有機溶媒として用い、金属化合物の溶液を調製したときには、コーティング液の粘度(25℃)を10cP以上とすることができるが、スクリーン印刷で塗布を行うには低粘性であるため、印刷時の不均一塗布原因となるなどの不都合を生じてしまう。そこで、コーティングをスクリーン法により行う場合には、エチルセルロースをテルピオネールと混合して使用することが好ましい。この場合には、金属化合物の濃度を希薄とせずに、コーティング液をスクリーン印刷に適した粘度(前述した50乃至2000cP)範囲に調整し、だれなどを生じることなく均一な厚みの塗膜を形成することが可能となるのである。さらに、このエチルセルロースは、バインダーとしての機能をも有しているため、後述する塗膜の熱処理(焼成)に際して、金属化合物がエチルセルロースを介して結着した状態で金属酸化物を生成することとなり、このため、ピンホールのない良好な逆電防止層を形成するという点で、エチルセルロースの使用は極めて有利となる。 Ethylcellulose, like terpineol, can be easily decomposed and removed by heat treatment without adversely affecting the electrical properties of the metal oxide produced from the metal compound. It has the function of. That is, when a solution of a metal compound is prepared using only terpineol as an organic solvent, the viscosity (25 ° C.) of the coating solution can be 10 cP or more, but it is low viscosity for application by screen printing. This causes inconveniences such as non-uniform application during printing. Therefore, when coating is performed by a screen method, it is preferable to use ethyl cellulose mixed with terpione. In this case, the coating liquid is adjusted to a viscosity range suitable for screen printing (the above-mentioned 50 to 2000 cP) range without diluting the concentration of the metal compound, and a coating film having a uniform thickness is formed without causing any dripping. It becomes possible to do. Furthermore, since this ethyl cellulose also has a function as a binder, a metal oxide is produced in a state in which the metal compound is bound via ethyl cellulose at the time of heat treatment (firing) of the coating film described later, For this reason, the use of ethyl cellulose is extremely advantageous in that it forms a good anti-electrostatic layer without pinholes.
尚、エチルセルロースとしては、種々の分子量のものが市販されているが、コーティング液をスクリーン印刷に特に適した粘度に調整するという観点から、トルエンを溶媒とし、固形分エチルセルロース濃度10%溶液の場合の粘度(25℃)が30〜50cpの範囲にあるものが好適である。
In addition, although ethyl cellulose having various molecular weights is commercially available, from the viewpoint of adjusting the coating liquid to a viscosity particularly suitable for screen printing, toluene is used as a solvent, and a
コーティング液における有機溶媒として使用される有機溶媒(混合溶媒)は、上記のような観点から、一般に、エチルセルロース/テルピネオール(重量比)が=0.1/99.9乃至20/80、特に3乃至97の範囲にあるのがよい。 From the above viewpoint, the organic solvent (mixed solvent) used as the organic solvent in the coating liquid generally has an ethylcellulose / terpineol (weight ratio) = 0.1 / 99.9 to 20/80, particularly 3 to It should be in the 97 range.
上述した各成分を含むコーティング液において、各成分の含有量は、特にスクリーン印刷に適した粘度が得られることを条件に、各成分の機能が有効に発揮されるように決定されることが望ましい。 In the coating liquid containing each component described above, the content of each component is desirably determined so that the function of each component is effectively exhibited, provided that a viscosity suitable for screen printing is obtained. .
例えば、このコーティング液中の金属化合物の濃度は、金属元素換算で、0.01乃至20%の濃度、特に0.1乃至5%の濃度であることが好ましい。この濃度が高すぎると、コーティング液の固形分が高くなりすぎて、均一な厚みの塗布層を形成することが困難となるおそれがあり、また、形成する整流障壁層15の厚みが厚くなりすぎて、層へのクラックの発生や絶縁層化し、発電に悪影響を及ぼすおそれがある。また、この濃度が薄すぎると、形成される整流障壁層15の厚みが薄くなり、整流障壁としての機能が損なわれ、変換効率の低下を生じたりしてしまう。
For example, the concentration of the metal compound in the coating solution is preferably 0.01 to 20%, particularly 0.1 to 5% in terms of metal element. If this concentration is too high, the solid content of the coating solution may become too high, and it may be difficult to form a coating layer having a uniform thickness, and the thickness of the
また、前述した溶質安定化剤の濃度は、0.01乃至20重量%、特に1乃至10重量%の濃度であることが好適である。この濃度が過度に希薄であると、金属化合物の析出等が生じ易くなり、また、必要以上に多量に使用しても、それ以上の効果が望めないばかりか、金属化合物の溶解度が低下してしまうおそれも生じるからである。 The concentration of the solute stabilizer described above is preferably 0.01 to 20% by weight, particularly 1 to 10% by weight. If this concentration is excessively dilute, precipitation of the metal compound is likely to occur, and even if it is used in a larger amount than necessary, no further effect can be expected, and the solubility of the metal compound decreases. This is because there is a risk that it may occur.
また、上述した成分を含有するコーティング液においては、前述したスクリーン印刷適正や形成される整流障壁層の特性に悪影響を与えない程度の少量であるならば、レベリング剤や界面活性剤、増粘剤、或いは他の揮発性溶媒などが添加されていてもよい。 In addition, in the coating liquid containing the above-described components, if the amount is small enough not to adversely affect the above-described screen printing suitability and the characteristics of the rectifying barrier layer to be formed, a leveling agent, surfactant, thickener Alternatively, other volatile solvents or the like may be added.
上述したコーティング液は、電極として使用される金属基板11の表面に塗布し、熱処理(焼成)を行い、これにより整流障壁層15が形成される。即ち、この熱処理によって、有機溶媒等が揮散、熱分解等により除去され、且つ金属化合物の酸化物が生成し、生成した金属酸化物の粒子が焼結してピンホールの無い緻密な整流障壁層15が得られる。
The coating liquid described above is applied to the surface of the
コーティング液の塗布は、既に述べたようにスクリーン印刷により行うことができるが、勿論、生産性等を考慮しないのであれば、スプレー噴霧、刷毛塗り、スピンコート、ディピングなど、公知の塗布手段を採用することができるが、効率よく、連続的に塗布を行うという点で、スクリーン印刷が適用される。 As described above, the coating liquid can be applied by screen printing. Of course, if productivity is not taken into consideration, known application means such as spraying, brushing, spin coating, dipping, etc. are used. However, screen printing is applied in terms of efficient and continuous application.
塗布後の熱処理条件は、用いる金属化合物の種類によっても異なるが、一般に、300乃至600℃の高温に、10乃至180分間、塗膜を加熱保持することにより行われる。 The heat treatment conditions after coating vary depending on the type of metal compound used, but are generally performed by heating and holding the coating film at a high temperature of 300 to 600 ° C. for 10 to 180 minutes.
上記のようにして形成される整流障壁層15は、一般に、その厚みが10乃至500nm、特に50乃至200nmの範囲にあるのがよく、このような厚みの整流障壁層15が形成されるように、コーティング液の塗布量が調整されることとなる。即ち、整流障壁層15の厚みが過度に厚いと、絶縁膜化するために金属基板11への電流が阻害され、電池として機能しなくなるおそれがある。さらには、ピンホールなどの欠陥の発生により、耐久性が損なわれてしまい、電池とした時に電解質層20からの電解液により金属基板11が腐食し、経時により変換効率の低下を生じ易くなってしまう。また、その厚みが薄すぎると、整流障壁としての機能が損なわれ、逆電流の発生により、変換効率の低下を生じてしまうおそれが生じる。
The rectifying
本発明において、上記の整流障壁層15は、図1から理解されるように、金属基板11の全面に設けられている。即ち、この整流障壁層15は、発電に際しての整流障壁としての機能を有し且つ電解層20からの電解液が金属基板11と接触しての腐食を防止するために設けられるものであるから、基本的には、発電領域Xにのみ設けられていればよいのであるが、この場合には、例えばスクリーン印刷に際してのスクリーンの位置決め誤差などにより、発電領域Xの周縁部、即ち発電領域Xと封止領域Yとの境界部に整流障壁層15が形成されず、金属基板11の表面が露出した部分が形成されてしまうおそれがある。金属基板11が露出した部分では、この上に色素増感多孔質層13が形成されたとしても、この層13が多孔質であるため、電解層20中の電解液が浸透して金属基板11に接触し、この結果、金属基板11の表面が腐食してしまい、セルの性能低下を生じてしまう。即ち、経時と共に、腐食が進行し、変換効率が低下するなどの不都合を生じてしまうこととなる。しかるに、上記のように整流障壁層15を金属基板11の全面に形成しておけば、発電領域Xと封止領域Yとの境界部での金属基板1の露出を確実に防止することができ、金属基板1表面の腐食による性能低下を有効に防止することが可能となるわけである。
In the present invention, the rectifying
(電解質層20)
電界質層20は、上記のようにして形成され且つ対峙している金属電極基板(負極基板)10と透明電極基板(正極基板)1との間に配置され、この電解質層20と色素増感半導体多孔質層13とによって発電領域Xが形成されることとなる。このような電解質層20は、公知の太陽電池と同様、リチウムイオン等の陽イオンや塩素イオン等の陰イオンを含む種々の電解質溶液により形成される。
(Electrolyte layer 20)
The
この電解質層20中には、酸化型構造及び還元型構造を可逆的にとり得るような酸化還元対を存在させることが好ましく、このような酸化還元対としては、例えばヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物、キノン−ヒドロキノンなどを挙げることができる。かかる電解質層20は、発電領域Xの周縁に位置する封止領域Yに設けられる封止材30により封止され、電極間からの液の漏洩が防止されることとなるわけである。一般に、このような電解質層20の厚みは、最終的に形成される電池の大きさによっても異なるが、通常、10乃至50μm程度である。
In the
(封止材30)
電解質層20の漏洩を防止するために発電領域Xの周囲に配置され、封止領域Yを形成する封止材30としては、ヒートシール可能な各種の熱可塑性樹脂乃至熱可塑性エラストマー、例えば、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ4−メチル−1−ペンテン、或いはエチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィン同士のランダム乃至ブロック共重合体等のポリオレフィン系樹脂;エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体等のエチレン−ビニル化合物共重合体樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、ABS、α−メチルスチレン−スチレン共重合体等のスチレン系樹脂;ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル等のビニル系樹脂;ナイロン6、ナイロン6−6、ナイロン6−10、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミド樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂;ポリカーボネート;ポリフェニレンオキサイド;カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース誘導体;酸化澱粉、エーテル化澱粉、デキストリンなどの澱粉;及びこれらの混合物からなる樹脂;などが使用される。
(Encapsulant 30)
In order to prevent leakage of the
即ち、封止材30は、上記の熱可塑性樹脂等を用いての押出成形、射出成形等によって、例えば、封止領域Yに対応する幅のリング形状に成形するにより得られ、この封止材30を、互いに対抗して配置された負極基板10と透明電極基板1との間に挟んだ状態でヒートシール(加熱圧着)することにより、金属電極基板10と透明電極基板1とが接合され、次いで、この封止材30に注入管を挿入し、該注入管を介して、両電極基板の間の空間内に、電解質層20を形成する電解質溶液を注入することにより、図1に示す構造の色素増感太陽電池を得ることができる。
That is, the sealing
尚、透明基板3として透明樹脂フィルムなどを用いるときには、例えば負極基板10と透明電極基板1との3方を封止剤30でシールし、次いでシールされていない開口部から電解質液を充填し、最後に、開口部を封止剤30で完全に封止することによっても図1に示す構造の色素増感太陽電池を作製することができる。
When a transparent resin film or the like is used as the transparent substrate 3, for example, the
(発電)
このようにして形成される色素増感太陽電池では、先にも述べたが、透明電極基板1側から可視光を照射することにより、色素増感半導体多孔質層13中の色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子が、多孔質層13中の伝導帯へ注入され、金属電極基板10(金属基板11)を介して外部回路(図示せず)を通って透明電極基板1に移動する。透明電極基板1に移動した電子は、電解質層20中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出され、発電が行われることとなる。即ち、かかる太陽電池では、金属基板11の表面(金属基板11と色素増感半導体多孔質層13)との間に整流障壁層15が形成されているため、逆電流が有効に防止され、高い変換効率を得ることができる。また、この整流障壁層15は、ピンホール等の欠陥のない緻密な層であり、金属電極基板10(金属基板11)の全面に形成されているため、電解質層20からの電解質液による金属基板11の腐食を確実に防止することができ、従って、極めて高い耐久性を示し、経時による変換効率の低下も有効に防止することができる。
(Power generation)
In the dye-sensitized solar cell thus formed, as described above, by irradiating visible light from the transparent electrode substrate 1 side, the dye in the dye-sensitized semiconductor
(他の例)
尚、上述した例では、金属基板11(金属電極基板10)の全面に整流障壁層15が形成されているが、電界質層20が存在している発電領域Xの全体にわたって確実に整流障壁層15が形成される限り、金属基板11(金属電極基板10)の全面に整流障壁層15を形成しなくともよい。即ち、図2に示されているように、封止領域Xにまで整流障壁層15が伸びていれば、例えばコーティングにより整流障壁層15を形成する場合においても、位置決め誤差などに影響されず、確実に、発電領域Xの全体にわたって整流障壁層15を形成することができ、電解質層20による金属基板11の腐食を防止することができる。
(Other examples)
In the example described above, the rectifying
本発明を次の実験例により説明する。 The invention is illustrated by the following experimental example.
(実験例1)
金属基板として、市販のアルミニウム板(幅20mm,長さ70mm,厚み0.3mm)を用意し、金属基板を十分に洗浄乾燥した後、基板全面にチタンゾルゲルペーストをスクリーン印刷法により塗布した。その上より、酸化チタンペーストを金属基板中央部に10mm×60mmの面積でスクリーン印刷法により塗布し、420℃で30分において電気炉で熱処理を行い、整流障壁層と酸化チタン多孔質膜を形成した。得られた酸化チタン多孔質膜の厚さは、ほぼ10μmであった。
(Experimental example 1)
A commercially available aluminum plate (
使用したゾルゲルペーストは,チタンテトライソプロポキシドを主剤とし、溶媒として、テルピネオールとエチルセルロースを2/98の重量比の混合溶媒、安定化剤としてブチルセロソルブを3%濃度となるように混合し、チタン濃度が0.5%となるように整流障壁層として機能するチタン層を形成するためのペーストを調製した。 The sol-gel paste used was composed mainly of titanium tetraisopropoxide, mixed with terpineol and ethylcellulose as a solvent at a weight ratio of 2/98, and mixed with butyl cellosolve as a stabilizer at a concentration of 3% to obtain a titanium concentration. The paste for forming the titanium layer which functions as a rectification | straightening barrier layer was prepared so that it might become 0.5%.
また、酸化チタンペーストは、球状の粒径30nmと多面体状(不定形状)の粒径15nmの市販TiO2粒子2種類を主剤とし、溶媒として、テルピネオールを、ペースト中60重量%の量、バインダー剤として、エチルセルロースを、粘度が5〜15cPとなるように調製した。 The titanium oxide paste is mainly composed of two types of commercially available TiO 2 particles having a spherical particle size of 30 nm and a polyhedral (indeterminate) particle size of 15 nm, and terpineol as a solvent in an amount of 60% by weight in the paste. As an example, ethyl cellulose was prepared to have a viscosity of 5 to 15 cP.
上記の酸化物半導体層を有機色素である三菱製紙株式会社製のD149色素を含む溶液中に4時間程度浸して、次いで乾燥することにより、酸化チタン微粒子に色素を修飾して電極とした。
一方、基板上にスパッタ法により製膜した白金を持つFTOを対向電極(正極)として使用し、厚さ50μmの封止材により封止した。
The oxide semiconductor layer was immersed in a solution containing D149 dye manufactured by Mitsubishi Paper Industries, Ltd., which is an organic dye, for about 4 hours, and then dried to modify the dye to titanium oxide fine particles to obtain an electrode.
On the other hand, FTO having platinum formed by sputtering on a substrate was used as a counter electrode (positive electrode) and sealed with a sealing material having a thickness of 50 μm.
この対向電極構造体と上記で作製した負電極構造体との間に電解質液を挟みこんで色素増感型太陽電池を作製した。尚、電解質液としては、LiI/I2(0.5M/0.025M)をメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに4−tert−ブチルピリジンを添加したものを用いた。このセルの中に電解質を注入して、太陽電池とした。 A dye-sensitized solar cell was produced by sandwiching an electrolyte solution between the counter electrode structure and the negative electrode structure produced above. As the electrolyte solution, used was added 4-tert-butylpyridine LiI / I 2 a (0.5M / 0.025 M) to that dissolved in methoxypropionitrile. An electrolyte was injected into the cell to form a solar battery.
得られた電池を50℃の条件において経時試験を実施したところ、500時間を超えてもアルミニウム基板に腐食が発生しなかった。 When the obtained battery was subjected to a aging test at 50 ° C., corrosion did not occur on the aluminum substrate even after 500 hours.
(実験例2)
金属基板として、市販のアルミニウム板(幅20mm,長さ70mm,厚み0.3mm)を用意し、金属性基板を十分に洗浄乾燥した後、ゾル−ゲルペーストを金属基板中央部に10mm×60mmの面積でスクリーン印刷法により塗布した。ゾル−ゲルペーストの塗布面積以外は、実験例1と同様に色素増感太陽電池を製作し、50℃の条件において経時試験を実施したところ、100時間以内においてアルミニウム基板の封止領域との境界部に腐食が発生した。
(Experimental example 2)
As a metal substrate, a commercially available aluminum plate (
1:透明電極基板
3:透明基板
5:透明導電膜
7:電子還元層
10:金属電極基板
11:金属基板
13:色素増感多孔質半導体層
15:整流障壁層
20:電解質層
30:封止材
X:発電領域
Y:封止領域
1: Transparent electrode substrate 3: Transparent substrate 5: Transparent conductive film 7: Electron reduction layer 10: Metal electrode substrate 11: Metal substrate 13: Dye-sensitized porous semiconductor layer 15: Rectification barrier layer 20: Electrolyte layer 30: Sealing Material X: Power generation area Y: Sealing area
Claims (4)
前記金属電極基板の表面に整流障壁層が形成されており、該整流障壁層上に前記半導体多孔質層が形成されていると共に、
前記整流障壁層は、前記発電領域を含み、前記封止領域にまで延びていることを特徴とする色素増感太陽電池。 A power generation region comprising a metal electrode substrate and a transparent electrode substrate disposed so as to oppose each other, and comprising an electrolyte layer and a semiconductor porous layer sensitized with a dye between the electrode substrates, and the power generation In the dye-sensitized solar cell in which a sealing region made of a sealing material that is located around the region and combines both electrode substrates is formed,
A rectifying barrier layer is formed on the surface of the metal electrode substrate, and the semiconductor porous layer is formed on the rectifying barrier layer.
The rectifying barrier layer includes the power generation region and extends to the sealing region.
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