JP2011044434A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell of low cost yet having high photoelectric conversion efficiency, and its manufacturing method. <P>SOLUTION: An anode electrode layer sandwiching at least a part of a solar cell functional layer comprising a dye-supporting semiconductor layer and an electrolyte layer with a cathode electrode layer has a plurality of openings, and is embedded in the dye-supporting semiconductor layer separated from an anode substrate, with a width of each opening of 10 μm or less. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は色素によって光エネルギーを電気的エネルギーに変換する色素増感型太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell that converts light energy into electrical energy using a dye.

地球全体に降り注ぐ太陽光エネルギーは、全世界が消費する10万倍とも言われている。このエネルギー資源である太陽光を、人類が利用し易い電気エネルギーに変換するための装置の研究開発には、約50年もの歴史がある。太陽電池に代表される再生可能エネルギーは、環境負荷がほとんどない理想的なエネルギー資源といわれているが、これまでのところ、その普及はあまり進んでいない状況にある。その理由として最も問題視されているのが、高い発電コストである。発電コストを抑制するためには、太陽電池の高度の光電交換効率の取得並びに材料及び製造方法の低コスト化が必要となっている。かかる課題を解決できるものとして色素増感型太陽電池が注目を集めている。   It is said that the solar energy that falls on the entire earth is 100,000 times consumed by the whole world. The research and development of a device for converting sunlight, which is an energy resource, into electrical energy that is easy for human beings to use has a history of about 50 years. Renewable energy typified by solar cells is said to be an ideal energy resource with little environmental impact, but so far its use has not progressed much. The most problematic reason for this is high power generation costs. In order to suppress power generation costs, it is necessary to obtain a high level of photoelectric exchange efficiency of solar cells and to reduce the cost of materials and manufacturing methods. Dye-sensitized solar cells are attracting attention as a solution to such problems.

高度の光電交換効率を取得するために、色素増感型太陽電池における色素担持半導体層を2層以上の積層化によって吸収波長領域を広げる構造が従来から知られている。また、色素担持半導体層を2層以上に積層化するには、色素担持半導体層である酸化チタン(TiO2)等の電極を膜厚化する必要がある。   In order to obtain a high degree of photoelectric exchange efficiency, a structure in which an absorption wavelength region is widened by stacking two or more dye-supporting semiconductor layers in a dye-sensitized solar cell has been conventionally known. Moreover, in order to laminate | stack two or more pigment | dye carrying | support semiconductor layers, it is necessary to thicken electrodes, such as a titanium oxide (TiO2) which is a pigment | dye carrying | support semiconductor layer.

しかしながら、色素担持半導体層の厚みは、電子の拡散長で律速しており、約10um程度である。このため、単純に厚膜化しても内部抵抗起因によるエネルギー損失のため、光電交換効率の向上を図ることが困難であった。   However, the thickness of the dye-carrying semiconductor layer is limited by the electron diffusion length and is about 10 μm. For this reason, even if the film thickness is simply increased, it is difficult to improve the photoelectric exchange efficiency due to energy loss due to internal resistance.

かかる問題点を解決する方法として、特許文献1には透明導電膜上に導電性の突出部を設けた色素増感型太陽電池の構造が開示されている。   As a method for solving such a problem, Patent Document 1 discloses a structure of a dye-sensitized solar cell in which a conductive protrusion is provided on a transparent conductive film.

特開2000−77691号公報JP 2000-77691 A

特許文献1に記載された色素増感型太陽電池は、2枚の透明基板上に形成された透明導電膜によって色素担持半導体層及び電解液層からなる太陽電池機能層が挟まれており、色素担持半導体層に接触している透明導電膜から色素担持半導体層に向けて伸びた導電性の突出部が設けられている。かかる構成によって、色素担持半導体層である酸化チタン等の電極面積を拡大した場合においても、高い光電交換効率を取得することができた。   In the dye-sensitized solar cell described in Patent Document 1, a solar cell functional layer composed of a dye-supporting semiconductor layer and an electrolyte layer is sandwiched between transparent conductive films formed on two transparent substrates. Conductive protrusions extending from the transparent conductive film in contact with the supported semiconductor layer toward the dye-supported semiconductor layer are provided. With this configuration, even when the electrode area of titanium oxide or the like that is the dye-carrying semiconductor layer is expanded, high photoelectric exchange efficiency can be obtained.

しかしながら、特許文献1に開示された色素増感型太陽電池は、透明導電膜に突出部を形成するため、製造工程の増加及びコストの増加という問題点がある。   However, the dye-sensitized solar cell disclosed in Patent Document 1 has a problem of an increase in manufacturing steps and an increase in cost because a protrusion is formed on the transparent conductive film.

また、色素増感型太陽電池の製造コストにおいては、全体のコストに対して透明導電膜の占める割合が高く、透明導電膜を使用する限りは大幅なコスト削減が困難という問題点もある。   Moreover, in the manufacturing cost of a dye-sensitized solar cell, the ratio which a transparent conductive film occupies with respect to the whole cost is high, and as long as a transparent conductive film is used, there also exists a problem that drastic cost reduction is difficult.

本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、高度の光電交換効率を有しつつ、低コストの色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object thereof is to provide a low-cost dye-sensitized solar cell and a method for manufacturing the same while having high photoelectric exchange efficiency.

上述した課題を解決するために、色素担持半導体層及び前記色素担持半導体層に接触している電解液層からなる太陽電池機能層と、互いに間隔をおいて対向し且つ前記太陽電池機能層の少なくとも1部を挟んで各々がこれに接触しているアノード電極層及びカソード電極層と、前記色素担持半導体層を支持するアノード基板と前記カソード電極層を支持するカソード基板と、からなる色素増感型太陽電池であって、前記アノード電極層が複数の開口を有し且つ前記アノード基板から離間して前記色素担持半導体層に包埋され、前記開口の幅が10μm以下であることを特徴とする色素増感型太陽電池が提供される。   In order to solve the above-described problem, a solar cell functional layer including a dye-carrying semiconductor layer and an electrolyte solution layer in contact with the dye-carrying semiconductor layer is opposed to each other at an interval and at least of the solar cell functional layer A dye-sensitized type comprising: an anode electrode layer and a cathode electrode layer that are in contact with each other with a part interposed therebetween; an anode substrate that supports the dye-carrying semiconductor layer; and a cathode substrate that supports the cathode electrode layer It is a solar cell, wherein the anode electrode layer has a plurality of openings and is embedded in the dye-carrying semiconductor layer at a distance from the anode substrate, and the width of the opening is 10 μm or less. A sensitized solar cell is provided.

また、前記アノード電極層と前記電界液層との距離が前記色素担持半導体層の電子拡散長以下であって良い。   In addition, the distance between the anode electrode layer and the electrolytic solution layer may be less than or equal to the electron diffusion length of the dye-carrying semiconductor layer.

また、前記アノード電極層を覆う保護膜層を更に有していても良い。また、前記開口が均一に分布していても良い。更に、前記アノード電極層が、前記電解液層に接触していても良い。   Moreover, you may further have a protective film layer which covers the said anode electrode layer. Further, the openings may be uniformly distributed. Furthermore, the anode electrode layer may be in contact with the electrolytic solution layer.

本発明の色素増感型太陽電池においては、色素担持半導体層及び電解液層からなる太陽電池機能層の少なくとも1部をカソード電極層と挟むアノード電極層が、複数の開口を有し且つ前記アノード基板から離間して前記色素担持半導体層に包埋されていることにより、高度の光電交換効率を有しつつ、低コストの色素増感型太陽電池を提供することができる。   In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the anode electrode layer sandwiching at least a part of the solar cell functional layer composed of the dye-carrying semiconductor layer and the electrolyte solution layer with the cathode electrode layer has a plurality of openings, and the anode By being embedded in the dye-carrying semiconductor layer away from the substrate, a low-cost dye-sensitized solar cell can be provided while having high photoelectric exchange efficiency.

本発明の第1の実施例としての色素増感型太陽電池の断面図である。It is sectional drawing of the dye-sensitized solar cell as 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例としての色素増感型太陽電池のアノード電極基板のX−Y平面図である。It is an XY plan view of the anode electrode substrate of the dye-sensitized solar cell as the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例として色素増感型太陽電池の製造工程毎の断面図である。It is sectional drawing for every manufacturing process of a dye-sensitized solar cell as 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例として色素増感型太陽電池の製造工程毎の断面図である。It is sectional drawing for every manufacturing process of a dye-sensitized solar cell as 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例としての色素増感型太陽電池の断面図である。It is sectional drawing of the dye-sensitized solar cell as 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例として色素増感型太陽電池の製造工程毎の断面図である。It is sectional drawing for every manufacturing process of a dye-sensitized solar cell as 2nd Example of this invention.

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1を参照しつつ、本発明の実施例の色素増感型太陽電池10を説明する。   A dye-sensitized solar cell 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図1に示されているように、色素増感型太陽電池10は、アノード基板である透過性のガラス基板11上に色素吸着された色素担持酸化チタン層12が形成されている。色素担持酸化チタン層12の内部には金属薄膜13及び金属薄膜13の密着層として機能する窒化チタン(TiN)膜14によって構成されたアノード電極層15が、ガラス基板11から離間して包埋されている。ガラス基板11、色素担持酸化チタン層12及びアノード電極層15からアノード電極基板16が構成されている。なお、アノード電極層15は、酸化防止のためのチタン膜等の保護膜(図示せず)によって覆われていても良い。   As shown in FIG. 1, in a dye-sensitized solar cell 10, a dye-supported titanium oxide layer 12 on which a dye is adsorbed is formed on a transparent glass substrate 11 that is an anode substrate. An anode electrode layer 15 composed of a metal thin film 13 and a titanium nitride (TiN) film 14 that functions as an adhesion layer of the metal thin film 13 is embedded in the dye-supported titanium oxide layer 12 at a distance from the glass substrate 11. ing. The glass substrate 11, the dye-supported titanium oxide layer 12 and the anode electrode layer 15 constitute an anode electrode substrate 16. The anode electrode layer 15 may be covered with a protective film (not shown) such as a titanium film for preventing oxidation.

ガラス基板11の上部にはカソード基板である透過性のガラス基板17が配置されており、ガラス基板17の表面(色素担持酸化チタン層12と対向する面内)にフッ素ドープ酸化スズ膜18(以下、FTO膜18と称する)が形成されて、更に、FTO膜18上にはPt膜19が形成されている。FTO膜18とPt膜19によってカソード電極層20が構成されている。また、ガラス基板17及びカソード電極層20によってカソード電極基板21が構成されている。   A transparent glass substrate 17 that is a cathode substrate is disposed on the glass substrate 11, and a fluorine-doped tin oxide film 18 (hereinafter referred to as “the surface opposite to the dye-supported titanium oxide layer 12)” is formed on the surface of the glass substrate 17. , Referred to as an FTO film 18), and a Pt film 19 is formed on the FTO film 18. A cathode electrode layer 20 is constituted by the FTO film 18 and the Pt film 19. Further, the glass substrate 17 and the cathode electrode layer 20 constitute a cathode electrode substrate 21.

アノード電極基板16とカソード電極基板21との間には電解液層22が形成されている。また、アノード電極基板16とカソード電極基板20とは、接着剤23によって対向して張り合わされている。アノード電極基板16、カソード電極基板21及び接着剤23の側面は封止樹脂層24によって覆われている。なお、色素担持酸化チタン層12及び電解液層22によって太陽電池機能層が構成されている。   An electrolyte layer 22 is formed between the anode electrode substrate 16 and the cathode electrode substrate 21. The anode electrode substrate 16 and the cathode electrode substrate 20 are bonded to each other with an adhesive 23. Side surfaces of the anode electrode substrate 16, the cathode electrode substrate 21, and the adhesive 23 are covered with a sealing resin layer 24. The dye-supported titanium oxide layer 12 and the electrolyte layer 22 constitute a solar cell functional layer.

また、アノード電極層15から電解液層22までの距離が色素担持酸化チタン層12における電子の拡散長以下であることが望ましい。例えば、かかる距離は、約10μm以下であっても良い。   Further, it is desirable that the distance from the anode electrode layer 15 to the electrolytic solution layer 22 is equal to or shorter than the electron diffusion length in the dye-supported titanium oxide layer 12. For example, the distance may be about 10 μm or less.

次に、図2を参照しつつ、アノード電極層15のXY平面内における形状について説明する。   Next, the shape of the anode electrode layer 15 in the XY plane will be described with reference to FIG.

図2において破線で示された部分がアノード電極層15であって、アノード電極層15は、X方向に沿って均一に並んだ孔状の開口25及びX方向の両端に位置する切欠形状の開口26が設けられている。アノード電極層15は、開口25によって網目状となっている。ここで、開口25の幅は、色素担持酸化チタン層12における電子拡散長以下であっても良く、例えば、その幅は約10μm以下であっても良い。   A portion indicated by a broken line in FIG. 2 is the anode electrode layer 15, and the anode electrode layer 15 includes hole-shaped openings 25 arranged uniformly along the X direction and notch-shaped openings positioned at both ends in the X direction. 26 is provided. The anode electrode layer 15 has a mesh shape by the openings 25. Here, the width of the opening 25 may be equal to or less than the electron diffusion length in the dye-supported titanium oxide layer 12, and for example, the width may be approximately 10 μm or less.

また、開口26によって、アノード電極層15のX軸方向における両端には、引き出し電極部27が形成されている。引き出し電極部27は、X軸方向の側面が露出しているため、アノード電極層15を色素増感型太陽電池10の外部へ電気的に接続させるための接続部分として機能する。例えば、引き出し電極部27の側面には接着剤23及び封止樹脂層24を形成せず、かかる接着剤23及び封止樹脂層24形成しない部分に電気的コンタクト部(図示せず)を形成し、色素増感型太陽電池10の外部から電気的に接続可能にしても良い。また、接着剤23及び封止樹脂層24を形成した場合であっても、ピンホール等を形成して、外部から引き出し電極部27への電気的コンタクト部(図示せず)を形成しても良い。   In addition, lead electrodes 27 are formed at both ends of the anode electrode layer 15 in the X-axis direction by the openings 26. Since the side surface in the X-axis direction is exposed, the extraction electrode portion 27 functions as a connection portion for electrically connecting the anode electrode layer 15 to the outside of the dye-sensitized solar cell 10. For example, the adhesive 23 and the sealing resin layer 24 are not formed on the side surface of the lead electrode portion 27, and an electrical contact portion (not shown) is formed in a portion where the adhesive 23 and the sealing resin layer 24 are not formed. Alternatively, the dye-sensitized solar cell 10 may be electrically connected from the outside. Even when the adhesive 23 and the sealing resin layer 24 are formed, a pinhole or the like may be formed to form an electrical contact portion (not shown) to the lead electrode portion 27 from the outside. good.

なお、開口25及び開口26の数量は、図2に示された数量に限られることはなく、色素増感型太陽電池10の光電交換効率や引き出し電極の配線形状に応じて適宜変更するものとする。また、開口25を全て切欠形状の開口に変更し、アノード電極層15のXY平面内における形状を櫛歯状、格子上、ハニカム状にしても良い。   The number of openings 25 and 26 is not limited to the number shown in FIG. 2 and may be appropriately changed according to the photoelectric exchange efficiency of the dye-sensitized solar cell 10 and the wiring shape of the extraction electrode. To do. Alternatively, all the openings 25 may be changed to notch-shaped openings, and the shape of the anode electrode layer 15 in the XY plane may be comb-like, lattice-like, or honeycomb-like.

次に、本発明の実施例のとしての色素増感型太陽電池10の製造方法について図3乃至図4を参照しつつ詳細に説明する。   Next, a method for manufacturing the dye-sensitized solar cell 10 as an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

先ず、ガラス基板11上に酸化チタンペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、酸化チタン層31を形成する(図3(a))。例えば、酸化チタン層31の厚みは、焼成後においてその厚みが約10μm(すなわち、色素担持酸化チタン層12における電子の拡散長以下)となるような塗布量を予め算出しておき、算出された塗布量を塗布する。本工程を酸化半導体層形成工程と称する。   First, a titanium oxide paste is applied on the glass substrate 11 by a screen printing method to form a titanium oxide layer 31 (FIG. 3A). For example, the thickness of the titanium oxide layer 31 was calculated in advance by calculating the coating amount so that the thickness after firing was about 10 μm (that is, not more than the electron diffusion length in the dye-supported titanium oxide layer 12). Apply a coating amount. This step is referred to as an oxide semiconductor layer forming step.

次に、酸化チタン層31上に窒化チタンを約100nm成膜し、窒化チタン層32を形成する(図3(b))。例えば、窒化チタンの成膜方法としては、スパッタ又はCVD等の方法がある。窒化チタン層32上に所定の金属を約800nm成膜し、金属薄膜33を形成する(図3(c))。成膜方法は、窒化チタンと同様にスパッタ又はCVDであっても良い。また、所定の金属としては、タングステン、イリジウム、チタン又はニッケル等の金属を使用することが望ましい。本工程を電極膜形成工程と称する。   Next, a titanium nitride layer is formed to a thickness of about 100 nm on the titanium oxide layer 31 (FIG. 3B). For example, as a method for forming titanium nitride, there is a method such as sputtering or CVD. A predetermined metal is deposited to a thickness of about 800 nm on the titanium nitride layer 32 to form a metal thin film 33 (FIG. 3C). The film forming method may be sputtering or CVD like titanium nitride. Further, it is desirable to use a metal such as tungsten, iridium, titanium or nickel as the predetermined metal. This process is referred to as an electrode film forming process.

次に、リソグラフィー技術を用いて所望の配線パターンを転写してレジスト形成を行い、ドライ又はウエットエッチングによって所望の金属配線であるアノード電極層15を形成する(図3(d1)、(d2))。例えば、所望の配線とは、複数の並列する開口25を形成することによって網目状としても良い。また、複数の開口26を形成して引き出し電極部27を形成しても良い。なお、本工程を配線形成工程と称する。その後、必要に応じて、アノード電極層15上に酸化防止のための保護膜(図示せず)を更に形成しても良い。例えば、保護膜は約10nmのチタン膜であっても良い。   Next, a resist pattern is formed by transferring a desired wiring pattern using a lithography technique, and an anode electrode layer 15 which is a desired metal wiring is formed by dry or wet etching (FIGS. 3 (d1) and 3 (d2)). . For example, the desired wiring may have a mesh shape by forming a plurality of parallel openings 25. Further, the extraction electrode portion 27 may be formed by forming a plurality of openings 26. This process is referred to as a wiring formation process. Thereafter, a protective film (not shown) for preventing oxidation may be further formed on the anode electrode layer 15 as necessary. For example, the protective film may be a titanium film of about 10 nm.

次に、酸化チタン層31及びアノード電極層15上に更に追加の酸化チタンペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、追加酸化チタン層34を形成する(図3(e))。本工程によって酸化チタン層31と追加酸化チタン層34との間にアノード電極層15が挟まれることとなる。(すなわち、アノード電極層15がガラス基板11から離間して包埋されることとなる。)ここで、追加の酸化チタンの塗布量は、酸化チタン層31と同様に、焼成後に追加酸化チタン層34の厚みが約10μm(すなわち、色素担持酸化チタン層12における電子の拡散長以下)となるように塗布しても良い。本工程を追加酸化半導体層形成工程と称する。   Next, an additional titanium oxide paste is further applied on the titanium oxide layer 31 and the anode electrode layer 15 by screen printing to form an additional titanium oxide layer 34 (FIG. 3E). By this step, the anode electrode layer 15 is sandwiched between the titanium oxide layer 31 and the additional titanium oxide layer 34. (That is, the anode electrode layer 15 is embedded away from the glass substrate 11.) Here, the amount of additional titanium oxide applied is the same as that of the titanium oxide layer 31 after the firing. You may apply so that the thickness of 34 may be set to about 10 micrometers (namely, below the electron diffusion length in the pigment | dye carrying | support titanium oxide layer 12). This step is referred to as an additional oxide semiconductor layer forming step.

次に、追加酸化チタン層34の形成後のガラス基板11を大気雰囲気中において、約500℃にて約90分間のアニール処理を行い、酸化チタン層32及び追加酸化チタン層34を、厚みが約20μmの多孔質のポーラス状酸化チタン層35に変化させる(図3(f))。アニール後、アセトニトリルとtブチルアルコールとの混合溶液にRu系増感色素であるN719色素を溶かした溶液に、ポーラス状酸化チタン層35を約20時間ディップさせる。かかるディップによってポーラス状酸化チタン層35を色素担持酸化チタン層12に変化させることができる(図3(g))。以上の工程によってアノード電極基板16が形成されることとなる。なお、以上の工程をアノード電極基板形成工程と称する。   Next, the glass substrate 11 after the formation of the additional titanium oxide layer 34 is annealed at about 500 ° C. for about 90 minutes in the air atmosphere, so that the titanium oxide layer 32 and the additional titanium oxide layer 34 have a thickness of about The porous porous titanium oxide layer 35 having a thickness of 20 μm is changed (FIG. 3F). After annealing, the porous titanium oxide layer 35 is dipped for about 20 hours in a solution obtained by dissolving an N-719 dye, which is a Ru-based sensitizing dye, in a mixed solution of acetonitrile and t-butyl alcohol. By such dipping, the porous titanium oxide layer 35 can be changed to the dye-supported titanium oxide layer 12 (FIG. 3G). The anode electrode substrate 16 is formed by the above process. The above process is referred to as an anode electrode substrate forming process.

次に、ガラス基板17の上面にFTO膜18を形成する(図4(h))。その後、FTO膜18上にPtをスパッタし、約100ÅのPt層19を形成する(図4(i))。以上の工程によってカソード電極基板21が形成される。なお、以上の工程をカソード電極基板形成工程と称する。   Next, an FTO film 18 is formed on the upper surface of the glass substrate 17 (FIG. 4H). Thereafter, Pt is sputtered on the FTO film 18 to form a Pt layer 19 of about 100 mm (FIG. 4I). The cathode electrode substrate 21 is formed by the above steps. The above process is referred to as a cathode electrode substrate forming process.

次に、アノード電極基板16とカソード電極基板21とをハイミランフィルム等の接着剤23を用いて熱圧着で張り合わせる(図4(j))。なお、本工程を接続工程と称し、接続工程においては、アノード電極層15とカソード電極層20とが所定の間隔を置いて対向するように張り合わせることとする。   Next, the anode electrode substrate 16 and the cathode electrode substrate 21 are bonded together by thermocompression bonding using an adhesive 23 such as a high Milan film (FIG. 4 (j)). In addition, this process is called a connection process, and in the connection process, the anode electrode layer 15 and the cathode electrode layer 20 are bonded to each other with a predetermined interval.

アノード電極基板16とカソード電極基板21と張り合わせた後、アノード電極基板16、カソード電極基板21及び接着剤23の周りを囲むようにUV硬化タイプの封止樹脂によって封止を行い、封止樹脂層24を形成する(図4(k))。本工程を封止工程と称する。   After the anode electrode substrate 16 and the cathode electrode substrate 21 are bonded to each other, sealing is performed with a UV curable sealing resin so as to surround the anode electrode substrate 16, the cathode electrode substrate 21, and the adhesive 23. 24 is formed (FIG. 4K). This process is called a sealing process.

封止後、例えば、カソード電極基板21にピンホールを形成し、かかるピンホールから真空注入法によって電解液を注入する。電解液注入後、再びかかるピンホールをエポキシ樹脂によって封止することで電解液層21を形成する(図4(l)。例えば、電解液は、ヨウ素、ヨウ化リチウム、アセトニトリル及びトリブチルリン酸エステル(TBP)を混合したものであっても良い。本工程を電解注入工程と称する。   After sealing, for example, a pinhole is formed in the cathode electrode substrate 21, and an electrolytic solution is injected from the pinhole by a vacuum injection method. After injection of the electrolytic solution, the pinhole is again sealed with an epoxy resin to form the electrolytic solution layer 21 (FIG. 4L). For example, the electrolytic solution is iodine, lithium iodide, acetonitrile, and tributyl phosphate. (TBP) may be mixed.This process is called an electrolytic injection process.

なお、接続工程及び封止工程において、アノード電極層15の引き出し電極部27が露出している部分には、接着剤23及び封止樹脂層24を形成することなく、電解注入工程後に金属コンコンタクト等を形成して、アノード電極層15を色素増感型太陽電池10の外部と接続可能としても良い。   In the connection step and the sealing step, the metal contact is not formed on the portion where the extraction electrode portion 27 of the anode electrode layer 15 is exposed, but after the electrolytic injection step without forming the adhesive 23 and the sealing resin layer 24. The anode electrode layer 15 may be connected to the outside of the dye-sensitized solar cell 10.

以上のように、本実施例による色素増感型太陽電池によれば、コストのかかる透明電極膜を設けることがなく、且つ、色素担持酸化チタン層12を厚膜化した場合においても、アノード電極層15を色素担持酸化チタン層12に包埋することにより、電解液層21からの距離が色素担持酸化チタン層12における電子の拡散長よりも短くすることができる故、高度の光電交換効率を有しつつ、低コストの色素増感型太陽電池を提供することができる。   As described above, according to the dye-sensitized solar cell of this example, the anode electrode can be used even when the transparent electrode film which is expensive is not provided and the dye-supported titanium oxide layer 12 is thickened. By embedding the layer 15 in the dye-supported titanium oxide layer 12, the distance from the electrolyte layer 21 can be made shorter than the electron diffusion length in the dye-supported titanium oxide layer 12, so that a high degree of photoelectric exchange efficiency can be achieved. In addition, a low-cost dye-sensitized solar cell can be provided.

第1の実施例における色素増感型太陽電池において、アノード電極層を電解液層に接触するように形成しても良い。かかる色素増感型太陽電池40及びその製造方法を図5乃至図6を参照しつつ詳細に説明する。なお、実施例1と同様の部分については、同一符号を使用してその説明は省略する。   In the dye-sensitized solar cell in the first embodiment, the anode electrode layer may be formed so as to be in contact with the electrolyte layer. The dye-sensitized solar cell 40 and the manufacturing method thereof will be described in detail with reference to FIGS. In addition, about the part similar to Example 1, the description is abbreviate | omitted using the same code | symbol.

図5に示されているように、色素担持酸化チタン層12の内部には金属薄膜41及び金属薄膜41の密着層として機能する窒化チタン(TiN)膜42によって構成されたアノード電極層43が、ガラス基板11から離間し、かつ、電解液層22に接触して包埋されている。なお、アノード電極層43は、酸化防止のためのチタン膜等の保護膜(図示せず)によって覆われていても良い。   As shown in FIG. 5, inside the dye-supported titanium oxide layer 12, an anode electrode layer 43 composed of a metal thin film 41 and a titanium nitride (TiN) film 42 functioning as an adhesion layer of the metal thin film 41, It is separated from the glass substrate 11 and embedded in contact with the electrolyte layer 22. The anode electrode layer 43 may be covered with a protective film (not shown) such as a titanium film for preventing oxidation.

本実施例における色素増感型太陽電池40のアノード電極層43は、第1の実施例と異なり、電解液層22に接触している。かかる構成によって、電解液層22で励起した電子がアノード電極に到達し易くなるため、高度の光電交換効率を得ることができる。また、色素担持酸化チタン層12を厚膜化した場合においても、アノード電極は常に電解液層22に接触する位置に形成されるため、色素担持酸化チタン層12における電子の拡散長に律速することなく、色素担持酸化チタン層12の積層化が可能となる。
なお、アノード電極層43のXY平面における形状は、第1の実施例と同様であるため、かかる説明については省略する。
Unlike the first embodiment, the anode electrode layer 43 of the dye-sensitized solar cell 40 in this embodiment is in contact with the electrolyte solution layer 22. With this configuration, electrons excited by the electrolyte layer 22 can easily reach the anode electrode, so that high photoelectric exchange efficiency can be obtained. Further, even when the dye-supported titanium oxide layer 12 is made thick, the anode electrode is always formed at a position in contact with the electrolytic solution layer 22, so that the rate is determined by the electron diffusion length in the dye-supported titanium oxide layer 12. Therefore, the dye-supported titanium oxide layer 12 can be laminated.
Note that the shape of the anode electrode layer 43 in the XY plane is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

次に、本発明の実施例のとしての色素増感型太陽電池40の製造方法について図6を参照しつつ詳細に説明する。   Next, the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell 40 as an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

先ず、ガラス基板11上に酸化チタンペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、酸化チタン層51を形成する(図6(a))。例えば、酸化チタン層51の厚みは、焼成後においてその厚みが約20μmとなるような塗布量を予め算出しておき、算出された塗布量を塗布する。本工程を酸化半導体層形成工程と称する。   First, a titanium oxide paste is applied on the glass substrate 11 by a screen printing method to form a titanium oxide layer 51 (FIG. 6A). For example, the thickness of the titanium oxide layer 51 is calculated in advance so that the thickness is about 20 μm after firing, and the calculated coating amount is applied. This step is referred to as an oxide semiconductor layer forming step.

その後、ナノインプリント技術により、所定の配線幅及び配線パーンを有したモールドを用いて、酸化チタン層51に表面にプレス加工を施し、酸化チタン層51に複数の溝52を形成する。(図6(b−1)、(b−2))。本工程を溝形工程と称する。なお、本工程中に100℃から200度の範囲においてベーキングを行い、酸化チタンペースト中に含有される溶媒等を揮発させることが望ましい。   Thereafter, the surface of the titanium oxide layer 51 is pressed by a nanoimprint technique using a mold having a predetermined wiring width and wiring pattern, and a plurality of grooves 52 are formed in the titanium oxide layer 51. (FIG. 6 (b-1), (b-2)). This process is referred to as a groove forming process. In addition, it is desirable to perform baking in the range of 100 degreeC to 200 degree | times during this process, and to volatilize the solvent etc. which are contained in a titanium oxide paste.

その後、所望の配線パターンである溝52を酸化チタン層51に形成した後のガラス基板11を大気雰囲気中において、約500℃にて約90分間のアニール処理を行い、酸化チタン層51を厚みが約20μmの多孔質のポーラス状酸化チタン層53に変化させる(図6(c))。   Thereafter, the glass substrate 11 after forming the groove 52 having the desired wiring pattern in the titanium oxide layer 51 is annealed in the atmosphere at about 500 ° C. for about 90 minutes, so that the thickness of the titanium oxide layer 51 is increased. The porous porous titanium oxide layer 53 having a thickness of about 20 μm is changed (FIG. 6C).

次に、溝52上に窒化チタンを10〜100nm成膜し、窒化チタン層42を形成する(図6(d))。例えば、窒化チタンの成膜方法としては、スパッタ又はCVD等の方法がある。窒化チタン層32上に所定の金属を50〜500nm成膜し、金属薄膜41を形成する(図6(e))。成膜方法は、窒化チタンと同様にスパッタ又はCVDであっても良い。また、所定の金属としては、タングステン、イリジウム、チタン又はニッケル等の金属を使用することが望ましい。本工程を電極膜形成工程と称する。なお、金属薄膜41の厚みは、ポーラス状酸化チタン層53の厚みに応じて任意に決定するこができる。例えば、ポーラス状酸化チタン層53の厚みが約20μmであって、ポーラス状酸化チタン層53の色素担持後における電子の拡散長が約10μmのプロセス条件で設計した場合には、金属薄膜41の厚みを約10μmとすることが望ましい。   Next, titanium nitride is deposited to a thickness of 10 to 100 nm on the groove 52 to form a titanium nitride layer 42 (FIG. 6D). For example, as a method for forming titanium nitride, there is a method such as sputtering or CVD. A predetermined metal is deposited to a thickness of 50 to 500 nm on the titanium nitride layer 32 to form a metal thin film 41 (FIG. 6E). The film forming method may be sputtering or CVD like titanium nitride. Further, it is desirable to use a metal such as tungsten, iridium, titanium or nickel as the predetermined metal. This process is referred to as an electrode film forming process. The thickness of the metal thin film 41 can be arbitrarily determined according to the thickness of the porous titanium oxide layer 53. For example, when the porous titanium oxide layer 53 is designed to have a thickness of about 20 μm and the diffusion length of the electrons after supporting the dye in the porous titanium oxide layer 53 is about 10 μm, the thickness of the metal thin film 41 is designed. Is preferably about 10 μm.

アニール後、アセトニトリルとtブチルアルコールとの混合溶液にRu系増感色素であるN719色素を溶かした溶液に、ポーラス状酸化チタン層53を約20時間ディップさせる。かかるディップによってポーラス状酸化チタン層53を色素担持酸化チタン層12に変化させることができる(図6(f))。以上の工程によってアノード電極基板16が形成されることとなる。以上の工程をアノード電極基板形成工程と称する。   After annealing, the porous titanium oxide layer 53 is dipped for about 20 hours in a solution in which N719 dye, which is a Ru-based sensitizing dye, is dissolved in a mixed solution of acetonitrile and t-butyl alcohol. By such dipping, the porous titanium oxide layer 53 can be changed to the dye-supported titanium oxide layer 12 (FIG. 6F). The anode electrode substrate 16 is formed by the above process. The above process is referred to as an anode electrode substrate forming process.

その後、第1の実施例と同様にして、カソード電極基板21の形成、接着、封止及び電解液注入を行う。かかる工程は、第1の実施例と同様であるため、その説明は省略する。
なお、溝51の形成方法は、ナノプリント技術に限られることはない。例えば、光リソグラフィー又はEBリソグラフィーとドライ又はウエットエッチング技術との組合せによって、溝51を形成することとしても良い。
Thereafter, the cathode electrode substrate 21 is formed, adhered, sealed, and injected with an electrolytic solution in the same manner as in the first embodiment. Since this process is the same as that of the first embodiment, its description is omitted.
In addition, the formation method of the groove | channel 51 is not restricted to nanoprint technology. For example, the groove 51 may be formed by a combination of photolithography or EB lithography and a dry or wet etching technique.

以上のように、本実施例による色素増感型太陽電池によれば、コストのかかる透明電極膜を設けることがなく、且つ、色素担持酸化チタン層12を厚膜化した場合においても、アノード電極層15を電解液層21に接触する位置に形成する故、高度の光電交換効率を有しつつ、低コストの色素増感型太陽電池を提供することができる。   As described above, according to the dye-sensitized solar cell of this example, the anode electrode can be used even when the transparent electrode film which is expensive is not provided and the dye-supported titanium oxide layer 12 is thickened. Since the layer 15 is formed at a position in contact with the electrolytic solution layer 21, it is possible to provide a low-cost dye-sensitized solar cell having high photoelectric exchange efficiency.

また、本実施例による色素増感型太陽電池は、第1に実施例よるものと比較して開口率(すなわち、光透過率)を高くすることができる。   In addition, the dye-sensitized solar cell according to this example can have a higher aperture ratio (that is, light transmittance) than the first example.

10 色素増感型太陽電池
11 ガラス基板
12 色素担持酸化チタン層
13 金属薄膜
14 窒化チタン(TiN)膜
15 アノード電極層
17 ガラス基板
18 フッ素ドープ酸化スズ膜(FTO膜)
19 Pt膜
20 カソード電極層
22 電解液層
23 接着剤
24 封止樹脂層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Dye-sensitized solar cell 11 Glass substrate 12 Dye carrying | support titanium oxide layer 13 Metal thin film 14 Titanium nitride (TiN) film | membrane 15 Anode electrode layer 17 Glass substrate 18 Fluorine dope tin oxide film (FTO film | membrane)
19 Pt film 20 Cathode electrode layer 22 Electrolyte layer 23 Adhesive 24 Sealing resin layer

Claims (5)

色素担持半導体層及び前記色素担持半導体層に接触している電解液層からなる太陽電池機能層と、
互いに間隔をおいて対向し且つ前記太陽電池機能層の少なくとも1部を挟んで各々がこれに接触しているアノード電極層及びカソード電極層と、
前記色素担持半導体層を支持するアノード基板と
前記カソード電極層を支持するカソード基板と、からなる色素増感型太陽電池であって、
前記アノード電極層が複数の開口を有し且つ前記アノード基板から離間して前記色素担持半導体層に包埋され、
前記開口の幅が10μm以下であることを特徴とする色素増感型太陽電池。
A solar cell functional layer comprising a dye-carrying semiconductor layer and an electrolyte layer in contact with the dye-carrying semiconductor layer;
An anode electrode layer and a cathode electrode layer that face each other and are in contact with each other with at least one portion of the solar cell functional layer interposed therebetween;
A dye-sensitized solar cell comprising: an anode substrate supporting the dye-carrying semiconductor layer; and a cathode substrate supporting the cathode electrode layer,
The anode electrode layer has a plurality of openings and is embedded in the dye-carrying semiconductor layer apart from the anode substrate;
A dye-sensitized solar cell, wherein the opening has a width of 10 μm or less.
前記アノード電極層と前記電界液層との距離が前記色素担持半導体層の電子拡散長以下であることを特徴とする請求項1記載の色素増感型太陽電池。   2. The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein a distance between the anode electrode layer and the electrolytic solution layer is equal to or shorter than an electron diffusion length of the dye-carrying semiconductor layer. 前記開口が均一に分布していることを特徴とする請求項1又は2記載の色素増感型太陽電池。   The dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2, wherein the openings are uniformly distributed. 前記アノード電極層を覆う保護膜層を更に有することを特徴とする請求項1乃至3記載のいずれか1に記載の色素増感型太陽電池。   The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 3, further comprising a protective film layer covering the anode electrode layer. 前記アノード電極層が、前記電解液層に接触していることを特徴とする請求項1乃至4記載のいずれか1に記載の色素増感型太陽電池。


The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the anode electrode layer is in contact with the electrolytic solution layer.


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