JP2011108463A - Photoelectrode of dye-sensitized solar cell, its manufacturing method, and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素増感型太陽電池の光電極であって、集電部材としてステンレス鋼を用いたもの、およびその製造方法、並びにその光電極を用いた色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a photoelectrode of a dye-sensitized solar cell, which uses stainless steel as a current collecting member, a manufacturing method thereof, and a dye-sensitized solar cell using the photoelectrode.
太陽電池は従来、主としてシリコンを光電変換素子に用いたものが使われているが、より経済的な次世代太陽電池として「色素増感型太陽電池」の実用化が研究されている。 Conventionally, solar cells using mainly silicon as a photoelectric conversion element have been used, but the practical application of “dye-sensitized solar cells” has been studied as a more economical next-generation solar cell.
図1に、一般的な色素増感型太陽電池の構成を模式的に示す。透光性板状体2の表面に透光性導電膜3が設けられ、透光性導電膜3の表面には増感色素を担持した多孔質半導体層4が形成されている。透光性導電膜3と多孔質半導体層4により光電極10が構成されている。透光性導電膜3は、例えばITO(インジウム−錫酸化物)、FTO(フッ素ドープ酸化錫)、TO(酸化錫)、ZnO(酸化亜鉛)等の酸化物導電膜で構成され、透光性板状体2にはガラスやプラスチックフィルムなどが使用される。光電極10と向かい合うように対向電極20が配置されており、光電極10、対向電極20、および両電極間に介在する電解液8によって色素増感型太陽電池1が構成されている。対向電極20は導電材料6とその表面に設けられた触媒層7によって構成される。必要に応じて対向電極20を支持するための基板5が設けられる。
FIG. 1 schematically shows the configuration of a general dye-sensitized solar cell. A translucent
光電極10を構成する多孔質半導体層4は比表面積の大きいTiO2等の半導体粒子を用いた多孔質層であり、半導体粒子の表面にはルテニウム錯体等の増感色素が担持されている。電解液としてはヨウ素(I2)およびヨウ化物イオンを含むものを使用することが一般的である。入射光30が多孔質半導体層4に担持されている増感色素に到達すると、増感色素(例えばルテニウム錯体)は光を吸収して励起され、その電子が半導体粒子(例えばTiO2)へと注入される。励起電子を注入して酸化状態になった増感色素は電解液8のイオン(例えばヨウ化物イオンI-)から電子を受け取り、基底状態に戻る。このとき液中のイオン(例えばI-)は酸化されて価数の異なるイオン(例えばI3 -)となり、対向電極20へ拡散し、対向電極20から電子を受け取って元のイオン(例えばI-)に戻る。これにより、電子は「多孔質半導体層4→透光性導電膜3→負荷40→導電材料6→触媒層7→電解液8→多孔質半導体層4」の経路で移動する。その結果、負荷40を作動させる電流が発生する。
The
光電極10には集電部材として機能する導電材料が必要であるが、その導電材料を図1に示されるように多孔質半導体層4の受光面側(入射光が差し込む側)に配置する場合には、ITO、FTOなど透光性の酸化物導電膜が採用されるのが通常である。しかし、これらの導電膜は金属材料に比べると導電性が低く、発電効率の向上を妨げる一因となっている。そこで、集電部材として金属材料を使用する手法が種々提案されている。この場合、多孔質半導体層4の受光面側に集電部材を配置するためには光の入射をできるだけ妨害しないように、多数の孔を設けた金属膜(特許文献1)、グリッド(特許文献2)、金属線(特許文献3)などを適用する必要がある。そのような構成の光電極を形成することは複雑な工程を必要とし、コスト増を余儀なくされる。
When the
一方、集電部材を多孔質半導体層4の内部または多孔質半導体層4と電解質8の間に配置するためには、集電部材を回避してイオンによる電荷移動が確保される必要があることから、単純に金属シートを適用するわけにはいかない。そこで、ステンレス鋼メッシュを光電極の集電部材として使用する技術が知られている。しかしながら、この場合、光電変換効率を向上させることが難しいという問題がある。これは、ステンレス鋼メッシュの表面にTiO2半導体層を形成させるための焼成工程(加熱温度450〜500℃程度)において、TiO2とステンレス鋼の熱膨張係数差が大きいことに起因して、ステンレス鋼メッシュの表面でTiO2のクラックが生じることが主たる原因であるとされる。メッシュを構成する線材は、板状材料とは異なり平面内での拘束力に乏しいことから、熱膨張による長さ変化を起こしやすいという本質的な問題を抱えていると言える。この問題を解消するために、非特許文献1にはステンレス鋼メッシュの表面に傾斜組成を持つTiOX層を形成させる手法が提案されている。しかし、その手法は、組成を変えながらのプラズマ蒸着など、複雑な処理を必要とし、生産性およびコストの面で工業的な実用化は容易でない。
On the other hand, in order to arrange the current collecting member inside the
本発明は、集電部材として金属材料を適用した色素増感型太陽電池の光電極において、透光性導電膜を併用する必要がなく、低コストであり、且つ高い光電変換効率が得られるものを提供すること、およびそれを用いた色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a photoelectrode for a dye-sensitized solar cell to which a metal material is applied as a current collecting member, which does not require the use of a light-transmitting conductive film, is low in cost, and has high photoelectric conversion efficiency. And a dye-sensitized solar cell using the same.
発明者らは詳細な研究の結果、上記目的は、光電極の集電部材として多数の貫通穴を有するステンレス鋼シートを使用することによって達成できることを見出した。また、そのようなステンレス鋼シートは、塩化第二鉄水溶液中でのエッチングによって効率良く生産できることがわかった。 As a result of detailed studies, the inventors have found that the above object can be achieved by using a stainless steel sheet having a large number of through holes as a current collecting member of a photoelectrode. It was also found that such a stainless steel sheet can be efficiently produced by etching in a ferric chloride aqueous solution.
すなわち本発明では、
貫通穴を有するステンレス鋼シートと、増感色素を担持した多孔質半導体層が一体化した色素増感型太陽電池の光電極であって、
ステンレス鋼シートは、Cr:16質量%以上、Mo:0.3質量%以上を含有し、且つJIS G4305:2005に規定されるフェライト系鋼種に相当する化学組成を有し、ステンレス鋼シートを厚さ方向に見た投影面積に占める貫通部の面積率が5〜80%、且つ貫通部の平均径が5〜500μmである貫通穴を有するものであり、
多孔質半導体層は、前記ステンレス鋼シートの少なくとも片面側に付着している、
色素増感型太陽電池の光電極が提供される。
ステンレス鋼シートの貫通穴は、圧延シートを電解質水溶液中に浸漬して孔食状ピットを成長させることにより形成したものが好ましい。
That is, in the present invention,
A photoelectrode of a dye-sensitized solar cell in which a stainless steel sheet having a through hole and a porous semiconductor layer carrying a sensitizing dye are integrated,
The stainless steel sheet contains Cr: 16% by mass or more, Mo: 0.3% by mass or more, and has a chemical composition corresponding to a ferritic steel type defined in JIS G4305: 2005. The area ratio of the penetrating portion occupying the projected area seen in the vertical direction is 5 to 80%, and the through hole has an average diameter of 5 to 500 μm,
The porous semiconductor layer is attached to at least one side of the stainless steel sheet,
A photoelectrode for a dye-sensitized solar cell is provided.
The through holes of the stainless steel sheet are preferably formed by immersing the rolled sheet in an aqueous electrolyte solution to grow pitting corrosion pits.
ステンレス鋼シートの鋼種として、規格鋼種を挙げると以下のものが好適な対象となる。
(1)Cr:16〜32質量%、Mo:0.3〜3質量%を含有し、且つJIS G4305:2005に規定されるフェライト系鋼種に相当するもの。
(2)Cr:16〜32質量%、Mo:0.3〜7質量%を含有し、且つJIS G4305:2005に規定されるオーステナイト鋼種に相当するもの。
As the steel types of the stainless steel sheet, the following are suitable targets when standard steel types are listed.
(1) Cr: 16 to 32% by mass, Mo: 0.3 to 3% by mass, and corresponding to a ferritic steel type specified in JIS G4305: 2005.
(2) Cr: 16 to 32% by mass, Mo: 0.3 to 7% by mass, and corresponding to the austenitic steel grade specified in JIS G4305: 2005.
具体的に各元素の含有量範囲を示すと、以下のものが好適な対象となる。
(3)質量%でC:0.15%以下、Si:1.2%以下、Mn:1.2%以下、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Ni:0.6%以下、Cr:16〜32%、Mo:0.3〜3%、Cu:0〜1%、Nb:0〜1%、Ti:0〜1%、Al:0〜0.2%、N:0.025%以下、B:0〜0.01%、残部Feおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼。
(4)質量%でC:0.15%以下、Si:4%以下、Mn:2.5%以下、P:0.045%以下、S:0.03%以下、Ni:6〜28%、Cr:16〜32%、Mo:0.3〜7%、Cu:0〜3.5%、Nb:0〜1%、Ti:0〜1%、Al:0〜0.1%、N:0.3%以下、B:0〜0.01%、残部Feおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼。
ここで、含有量の下限を0%とした元素は、任意選択元素である。
When the content range of each element is specifically shown, the following are suitable targets.
(3) By mass% C: 0.15% or less, Si: 1.2% or less, Mn: 1.2% or less, P: 0.04% or less, S: 0.03% or less, Ni: 0.0 6% or less, Cr: 16 to 32%, Mo: 0.3 to 3%, Cu: 0 to 1%, Nb: 0 to 1%, Ti: 0 to 1%, Al: 0 to 0.2%, Ferritic stainless steel consisting of N: 0.025% or less, B: 0-0.01%, balance Fe and inevitable impurities.
(4) By mass% C: 0.15% or less, Si: 4% or less, Mn: 2.5% or less, P: 0.045% or less, S: 0.03% or less, Ni: 6-28% Cr: 16 to 32%, Mo: 0.3 to 7%, Cu: 0 to 3.5%, Nb: 0 to 1%, Ti: 0 to 1%, Al: 0 to 0.1%, N : Austenitic stainless steel consisting of 0.3% or less, B: 0 to 0.01%, balance Fe and inevitable impurities.
Here, the element whose lower limit of content is 0% is an optional element.
また、上記の光電極の製造方法として、
板厚0.005〜0.2mmのステンレス鋼圧延シートを、3価の鉄イオン濃度30〜100g/L、塩酸濃度0〜50g/Lの塩化第二鉄水溶液中に浸漬して、当該液中で孔食状ピットを成長させることにより、当該シートを厚さ方向に見た投影面積に占める貫通部の面積率が5〜80%、且つ貫通部の平均径が5〜500μmである貫通穴を形成させる工程(貫通穴形成工程)、
前記貫通穴を形成したステンレス鋼シートの少なくとも片面に酸化物半導体(例えばTiO2)で構成される多孔質半導体層を形成させる工程(多孔質半導体層形成工程)、
前記多孔質半導体層に増感色素を担持させる工程(色素担持工程)、
を有する色素増感型太陽電池の光電極の製造方法が提供される。
Moreover, as a manufacturing method of said photoelectrode,
A stainless steel rolled sheet having a thickness of 0.005 to 0.2 mm is immersed in an aqueous ferric chloride solution having a trivalent iron ion concentration of 30 to 100 g / L and a hydrochloric acid concentration of 0 to 50 g / L, Through the growth of pitting corrosion-like pits, through holes with an area ratio of the penetrating portion occupying the projected area of the sheet in the thickness direction of 5 to 80% and an average diameter of the penetrating portion of 5 to 500 μm are formed. Forming (through hole forming step),
A step of forming a porous semiconductor layer composed of an oxide semiconductor (for example, TiO 2 ) on at least one surface of the stainless steel sheet in which the through hole is formed (porous semiconductor layer forming step);
A step of supporting a sensitizing dye on the porous semiconductor layer (dye supporting step),
There is provided a method for producing a photoelectrode of a dye-sensitized solar cell comprising:
特に前記「多孔質半導体層形成工程」として、
前記貫通穴を形成したステンレス鋼シートの少なくとも片面に酸化物半導体(例えばTiO2)の粒子を含有するペーストを塗布して、塗膜を形成させる工程(塗膜形成工程)、
前記塗膜を焼成し、酸化物半導体粒子が焼結してなる多孔質半導体層を形成させる工程(焼成工程)、
を有する製造方法が好適な対象となる。
In particular, as the “porous semiconductor layer forming step”,
Applying a paste containing oxide semiconductor (for example, TiO 2 ) particles on at least one surface of the stainless steel sheet having the through holes to form a coating film (coating film forming process);
A step of firing the coating film to form a porous semiconductor layer formed by sintering oxide semiconductor particles (firing step);
The manufacturing method having a suitable target.
また本発明では、上記の光電極を備える色素増感型太陽電池が提供される。 Moreover, in this invention, a dye-sensitized solar cell provided with said photoelectrode is provided.
本発明によれば、以下のようなメリットが得られる。
(1)光電極の集電部材が金属材料であるため、従来の透光性導電膜を使用した光電極と比べ導電性が良好であり、光電変換効率の向上に有利となる。
(2)また、光電極に透光性導電膜を併用する必要がないので低コスト化に有利となる。
(3)集電部材にステンレス鋼メッシュを使用した光電極と比べ、酸化物半導体塗膜の焼成過程で熱膨張差に起因した酸化物半導体のクラックが生じにくいので、導電性の向上ひいては光電変換効率の向上に有利となる。コスト面でも極めて有利である。
(4)また、本発明で使用する穴あきステンレス鋼シートは、レジスト法を適用することなく、ステンレス鋼圧延シートを水溶液中でエッチングすることにより得られるので、生産性が高く、大量生産に適する。この点でも低コスト化に有利である。
According to the present invention, the following advantages can be obtained.
(1) Since the current collecting member of the photoelectrode is a metal material, the electroconductivity is better than that of a conventional photoelectrode using a translucent conductive film, which is advantageous in improving the photoelectric conversion efficiency.
(2) Since it is not necessary to use a light-transmitting conductive film in combination with the photoelectrode, it is advantageous for cost reduction.
(3) Compared with a photoelectrode using a stainless steel mesh as a current collector, oxide semiconductor cracks due to thermal expansion differences are less likely to occur during the firing process of oxide semiconductor coatings, improving conductivity and thus photoelectric conversion. This is advantageous for improving efficiency. It is extremely advantageous in terms of cost.
(4) Moreover, since the perforated stainless steel sheet used in the present invention is obtained by etching a stainless steel rolled sheet in an aqueous solution without applying a resist method, the productivity is high and suitable for mass production. . This is also advantageous for cost reduction.
図2に、本発明の光電極およびそれを用いた色素増感型太陽電池の構成を模式的に例示する。光電極10は、貫通穴50を有するステンレス鋼シート9と、その片面に付着した多孔質半導体層4によって構成されている。この光電極10を用いた色素増感型太陽電池1では、ステンレス鋼シート9に対して、入射光30が入射する側に多孔質半導体層4を配置させることができる。すなわち、従来、金属製の集電材料を透光性板状体2の表面上、あるいは図1示した透光性導電膜3と接触させた状態で配置していたタイプの色素増感型太陽電池(例えば特許文献1〜3)と比較して、本発明の光電極を用いると、金属製の集電材料による遮光や、透光性導電膜による若干の減光を経ずに、直接多孔質半導体層4に入射光30が届くので、光電変換効率の向上に有利となる。また、ステンレス鋼メッシュを用いたタイプの色素増感型太陽電池(非特許文献1参照)と比べ、ステンレス鋼と半導体層との密着性を確保することが容易である。
In FIG. 2, the structure of the photoelectrode of this invention and a dye-sensitized solar cell using the same is illustrated typically. The
本発明の光電極において、ステンレス鋼シート9に形成された貫通穴50は、イオンによる電荷の移動に利用される。図2に示した電池の例では、電子は「多孔質半導体層4→ステンレス鋼シート9→負荷40→導電材料6→触媒層7→電解液8→多孔質半導体層4」の経路で移動する。その結果、負荷40を作動させる電流が発生する。
In the photoelectrode of the present invention, the through
本発明の光電極10を用いた電池において、対向電極20には、図2に示される導電材料6としてFTO等の透光性導電膜を使用することもできるが、対向電極側では必ずしも透光性は要求されないので、導電材料6を導電性に優れた金属材料で構成することができる。例えば特許文献4に開示されるように、ステンレス鋼板を導電材料6として使用した対向電極を採用することができる。この場合、そのステンレス鋼板に基板の機能を持たせることができるので、図2の基板5に相当する材料は省略可能である。
In the battery using the
図3に、そのような色素増感型太陽電池の構成を例示する。対向電極20として、ステンレス鋼板60の表面に触媒層7を形成したものが採用されている。この場合、ステンレス鋼板60の鋼種は、ステンレス鋼シート9と同様、後述するものを適用することができる。また、ステンレス鋼板60の表面は、後述するエッチングによって貫通穴が生じない程度に粗面化したものを適用することができる。それにより表面積が増大し、電池の内部抵抗を低減する上で有利となる。
FIG. 3 illustrates the configuration of such a dye-sensitized solar cell. As the
図4に、本発明の光電極の別の態様およびそれを用いた色素増感型太陽電池の構成を模式的に例示する。この場合、ステンレス鋼シート9の両側に多孔質半導体層4および4’が付着している。貫通穴50を介して両側の多孔質半導体層4、4’が繋がっていても構わないし、分離していても構わない。図3に示される入射光30のように光電極10側のみから受光する場合は、ステンレス鋼シート9の対向電極20側の表面に付着している多孔質半導体層4’では、貫通穴50を通して差し込む入射光30を利用して光電変換が行われる。この場合、貫通穴50はイオンによる電荷移動だけでなく、入射光の透過を担う。一方、対向電極20および基板5がともに透光性材料である場合には、光電極10側のみならず、対向電極20側からも受光することが可能である。そのような場合には、ステンレス鋼シート9の対向電極20側の表面に付着している多孔質半導体層4’が、対向電極20側からの入射光に対して、特に有効に作用する。
FIG. 4 schematically illustrates another embodiment of the photoelectrode of the present invention and the configuration of a dye-sensitized solar cell using the same. In this case,
〔ステンレス鋼シートの鋼種〕
色素増感型太陽電池の電解液には通常、ヨウ素(I2)およびヨウ化物イオン等を含む有機溶媒が使用される。本発明に適用するステンレス鋼シートはこのような電解液中で長期間安定して優れた耐食性を呈する素材で構成する必要がある。発明者らの検討の結果、80℃に加熱した当該電解液中に500時間浸漬したときの腐食減量が1g/m2以下となる性質のステンレス鋼を適用することが極めて有効であることがわかった。いわゆる裸の状態(被覆層を形成していない状態)で上記の厳しい試験環境における腐食減量が1g/m2以下となるステンレス鋼は、パーソナルユースの機器に搭載する普及型の色素増感型太陽電池を構築する上で、通常は十分な耐久性を有する。また、上記液中に1000時間浸漬したときの腐食減量が1g/m2以下となる性質のステンレス鋼は特に信頼性の高い色素増感型太陽電池を構築する上で一層有利である。
[Steel grade of stainless steel sheet]
An organic solvent containing iodine (I 2 ) and iodide ions is usually used for the electrolyte solution of the dye-sensitized solar cell. The stainless steel sheet applied to the present invention needs to be made of a material that exhibits stable and excellent corrosion resistance for a long time in such an electrolytic solution. As a result of investigations by the inventors, it has been found that it is extremely effective to apply stainless steel having a property that the corrosion weight loss when immersed in the electrolyte heated to 80 ° C. for 500 hours is 1 g / m 2 or less. It was. Stainless steel with a corrosion weight loss of 1 g / m 2 or less in the above-mentioned severe test environment in the so-called bare state (in which no coating layer is formed) is a popular dye-sensitized solar mounted on personal use equipment. In constructing a battery, it usually has sufficient durability. In addition, stainless steel having a property that the corrosion weight loss when immersed in the above solution for 1000 hours is 1 g / m 2 or less is further advantageous in constructing a highly reliable dye-sensitized solar cell.
発明者らは詳細な検討の結果、ステンレス鋼において、一定量以上のCrとMoを含有させることによって、有機溶媒を用いたヨウ素(I2)およびヨウ化物イオン含有電解質溶液中での溶解がほとんど進行しない優れた耐食性が付与できることを確認している。具体的には、ステンレス鋼材料においてCr含有量を16質量%以上とし、且つMo含有量を0.3質量%以上としたとき、色素増感型太陽電池に適用されるヨウ素(I2)およびヨウ化物イオン含有電解液中での溶解がほとんど生じない優れた耐食性を呈することを見出した。また、Cr含有量を17質量%以上とし、且つMo含有量を0.8質量%以上としたときには、より信頼性の高い色素増感型太陽電池を構築できる。この傾向はオーステナイト系やフェライト系といった鋼種の影響をあまり受けず、その他の添加元素の影響も少ない。 As a result of detailed studies, the inventors have found that in stainless steel, by containing a certain amount or more of Cr and Mo, dissolution in an electrolyte solution containing iodine (I 2 ) and iodide ions using an organic solvent is almost impossible. It has been confirmed that excellent corrosion resistance that does not progress can be imparted. Specifically, in the stainless steel material, when the Cr content is 16% by mass or more and the Mo content is 0.3% by mass or more, iodine (I 2 ) applied to the dye-sensitized solar cell and It has been found that it exhibits excellent corrosion resistance with little dissolution in an iodide ion-containing electrolyte. When the Cr content is 17% by mass or more and the Mo content is 0.8% by mass or more, a more reliable dye-sensitized solar cell can be constructed. This tendency is not significantly affected by the steel types such as austenite and ferritic, and is less affected by other additive elements.
本発明では、フェライト系鋼種と、オーステナイト系鋼種において、それぞれ以下の組成範囲のステンレス鋼を適用することができる。合金元素の含有量に関する「%」は特に断らない限り「質量%」を意味する。 In the present invention, stainless steels having the following composition ranges can be applied to ferritic steel types and austenitic steel types. Unless otherwise specified, “%” with respect to the alloy element content means “mass%”.
フェライト系鋼種;
「C:0.15%以下、Si:1.2%以下、Mn:1.2%以下、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Ni:0.6%以下、Cr:16〜32%好ましくは17〜32%、Mo:0.3〜3%好ましくは0.8〜3%、Cu:0〜1%、Nb:0〜1%、Ti:0〜1%、Al:0〜0.2%、N:0.025%以下、B:0〜0.01%、残部Feおよび不可避的不純物の組成を有するフェライト系ステンレス鋼」
規格鋼種を利用する場合は例えばJIS G4305:2005に規定されるフェライト系鋼種であってCr:16〜32質量%好ましくは17〜32質量%、Mo:0.3〜3質量%好ましくは0.8〜3質量%を含有するステンレス鋼を適用すればよい。
Ferritic steel grades;
“C: 0.15% or less, Si: 1.2% or less, Mn: 1.2% or less, P: 0.04% or less, S: 0.03% or less, Ni: 0.6% or less, Cr : 16-32%, preferably 17-32%, Mo: 0.3-3%, preferably 0.8-3%, Cu: 0-1%, Nb: 0-1%, Ti: 0-1%, Ferritic stainless steel having a composition of Al: 0 to 0.2%, N: 0.025% or less, B: 0 to 0.01%, balance Fe and inevitable impurities "
When using a standard steel grade, for example, it is a ferritic steel grade specified in JIS G4305: 2005, Cr: 16-32 mass%, preferably 17-32 mass%, Mo: 0.3-3 mass%, preferably 0.3. What is necessary is just to apply the stainless steel containing 8-3 mass%.
オーステナイト系鋼種;
「C:0.15%以下、Si:4%以下、Mn:2.5%以下、P:0.045%以下、S:0.03%以下、Ni:6〜28%、Cr:16〜32%好ましくは17〜32%、Mo:0.3〜7%好ましくは0.8〜7%、Cu:0〜3.5%、Nb:0〜1%、Ti:0〜1%、Al:0〜0.1%、N:0.3%以下、B:0〜0.01%、残部がFeおよび不可避的不純物の組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼」
規格鋼種を利用する場合は例えばJIS G4305:2005に規定されるオーステナイト系鋼種であってCr:16〜32質量%好ましくは17〜32質量%、Mo:0.3〜7質量%好ましくは0.8〜7質量%を含有するステンレス鋼を適用すればよい。
Austenitic grades;
“C: 0.15% or less, Si: 4% or less, Mn: 2.5% or less, P: 0.045% or less, S: 0.03% or less, Ni: 6 to 28%, Cr: 16 to 32%, preferably 17-32%, Mo: 0.3-7%, preferably 0.8-7%, Cu: 0-3.5%, Nb: 0-1%, Ti: 0-1%, Al : 0 to 0.1%, N: 0.3% or less, B: 0 to 0.01%, the balance being Fe and an inevitable impurity composition austenitic stainless steel "
When using a standard steel grade, for example, it is an austenitic steel grade defined in JIS G4305: 2005, Cr: 16-32 mass%, preferably 17-32 mass%, Mo: 0.3-7 mass%, preferably 0.3. What is necessary is just to apply the stainless steel containing 8-7 mass%.
Cr含有量が16%未満またはMo含有量が0.3%未満だと、色素増感型太陽電池に適用されるヨウ素(I2)およびヨウ化物含有電解質溶液中において、当該材料の溶解がほとんど生じないような優れた耐食性を安定して得ることが難しくなる。より信頼性を向上させるには、フェライト系の場合Crを17%以上且つMoを0.8%以上含有させることが好ましく、Crを18%以上且つMoを1%以上含有させることが一層好ましい。オーステナイト系の場合Crを17%以上且つMoを0.8%以上含有させることが好ましく、Crを18%以上且つMoを2%以上含有させることが一層好ましい。ただし、CrやMoの含有量が過剰に多くなると製造性を害する等の弊害が顕著になる。このため、Cr含有量は32%以下とすることが望ましく、30%以下が一層好ましい。またMo含有量は、フェライト系の場合3%以下とすることが望ましく、オーステナイト系の場合7%以下とすることが望ましい。なお、元素含有量の下限「0%」は、当該元素の含有量が通常の製鋼現場での分析手法において測定限界以下であることを意味する。 When the Cr content is less than 16% or the Mo content is less than 0.3%, the material is hardly dissolved in the electrolyte solution containing iodine (I 2 ) and iodide applied to the dye-sensitized solar cell. It becomes difficult to stably obtain excellent corrosion resistance that does not occur. In order to further improve the reliability, in the case of ferrite, it is preferable to contain 17% or more of Cr and 0.8% or more of Mo, and it is more preferable to contain 18% or more of Cr and 1% or more of Mo. In the case of an austenitic system, it is preferable to contain 17% or more of Cr and 0.8% or more of Mo, and more preferably to contain 18% or more of Cr and 2% or more of Mo. However, when the content of Cr or Mo is excessively increased, the adverse effects such as the manufacturability are remarkable. For this reason, the Cr content is desirably 32% or less, and more preferably 30% or less. In addition, the Mo content is preferably 3% or less in the case of ferrite, and is preferably 7% or less in the case of austenite. In addition, the lower limit “0%” of the element content means that the content of the element is equal to or lower than the measurement limit in an analysis method at a normal steelmaking site.
上記以外の元素として、V:0.3%以下、Zr:0.3%以下、Ca、Mg、CoおよびREM(希土類元素):合計0.1%以下といった元素の混入が許容される。これらはスクラップ等の原料から不可避的に混入する場合があるが上記範囲の混入であれば本発明の効果を阻害するものではない。 As elements other than the above, mixing of elements such as V: 0.3% or less, Zr: 0.3% or less, Ca, Mg, Co, and REM (rare earth elements): 0.1% or less in total is allowed. These may be inevitably mixed from raw materials such as scrap, but if mixed within the above range, the effect of the present invention is not hindered.
種々の組成のステンレス鋼について、色素増感型太陽電池の電解液を模擬したヨウ素(I2)およびヨウ化物イオンを含む試験液に対する耐食性を調べた結果を例示する。
表1に示す組成の各種ステンレス鋼を溶製し、一般的なステンレス鋼板製造工程により板厚0.28〜0.81mmの冷延焼鈍鋼板(2D仕上げ材)を製造し、これを供試材とした。表1中、組織の欄は、「α」がフェライト系、「γ」がオーステナイト系を意味する。表中におけるハイフン「−」は、製鋼現場における通常の分析手法にて測定限界以下であることを意味する。
The stainless steel of various compositions, which illustrate the results of examining the corrosion resistance to a test liquid containing a simulated iodine (I 2) and iodide ion electrolyte of the dye-sensitized solar cell.
Various stainless steels having the compositions shown in Table 1 were melted, and cold rolled annealed steel sheets (2D finishing materials) having a thickness of 0.28 to 0.81 mm were manufactured by a general stainless steel sheet manufacturing process. It was. In Table 1, in the structure column, “α” means ferrite and “γ” means austenite. The hyphen “-” in the table means that it is below the measurement limit by a normal analysis method in the steelmaking field.
各供試材から35×35mmの試験片を切り出し、表面(端面を含む)を#600乾式エメリー研磨で仕上げることにより、耐食性試験片とした。
色素増感型太陽電池の電解質溶液を模擬した試験液として、アセトニトリル溶媒中にヨウ素I2:0.05mol/L、およびヨウ化リチウムLiI:0.5mol/Lを溶解させたものを用意した。
A 35 × 35 mm test piece was cut out from each test material, and the surface (including the end face) was finished by # 600 dry emery polishing to obtain a corrosion resistance test piece.
As a test solution simulating an electrolyte solution of a dye-sensitized solar cell, a solution prepared by dissolving iodine I 2 : 0.05 mol / L and lithium iodide LiI: 0.5 mol / L in an acetonitrile solvent was prepared.
テフロン(登録商標)製の容器に前記試験液10mLを入れ、この液中に前記耐食性試験片を浸漬した。容器には蓋をして溶媒の揮発を抑えた。この容器を80℃の恒温槽中に保持し、浸漬開始から500時間経過後に試験片を取り出した。各鋼種ともサンプル数n=3で実施した。 10 mL of the test solution was placed in a Teflon (registered trademark) container, and the corrosion resistance test piece was immersed in the solution. The container was covered to suppress the volatilization of the solvent. This container was held in a constant temperature bath at 80 ° C., and a test piece was taken out after 500 hours from the start of immersion. For each steel type, the number of samples was n = 3.
500時間浸漬後の各試験片について、腐食減量(初期の試験片質量−浸漬後の試験片質量)を測定した。n=3の腐食減量値のうち最も大きい値(すなわち金属の溶出量が最も大きかったもの)をその鋼種の腐食減量の成績として採用した。この500時間浸漬試験における腐食減量が1g/m2以下のものを合格と判定した。また、500時間浸漬試験後の試験片表面を目視観察し、外観を調べた。この場合も、n=3のうち最も腐食の程度が激しかった試験片の外観をその鋼種の成績として採用した。
参考のため、500時間浸漬後の外観において全面腐食または端面の腐食が認められた鋼種を除き、観察後の試験片を再び上記の浸漬試験に供し、トータル1000時間の浸漬試験における腐食減量および外観を調べた。
結果を表2に示す。
About each test piece after 500-hour immersion, corrosion weight loss (initial test piece mass-test piece mass after immersion) was measured. The largest value among the corrosion weight loss values of n = 3 (that is, the one with the largest metal elution amount) was adopted as the result of the corrosion weight loss of the steel type. Those having a weight loss of 1 g / m 2 or less in this 500 hour immersion test were determined to be acceptable. Further, the surface of the test piece after the 500 hour immersion test was visually observed to examine the appearance. Also in this case, the appearance of the test piece having the most severe degree of corrosion among n = 3 was adopted as the grade of the steel type.
For reference, except for steel types that were found to have full-surface corrosion or end-face corrosion in the appearance after 500 hours of immersion, the specimens after observation were again subjected to the above immersion test, and the corrosion weight loss and appearance in the immersion test for a total of 1000 hours I investigated.
The results are shown in Table 2.
表1、表2からわかるように、Cr:16%以上、且つMo:0.3%以上を含有する本発明対象鋼は、裸のままでヨウ化物イオン含有電解液中に80℃×500hという厳しい条件で浸漬した場合の腐食減量が1g/m2以下となり、点錆の発生も少なく、優れた耐食性を示すことが確認された。Cr:17%以上、且つMo:0.8%以上を含有するものは、トータル1000時間の浸漬試験でも腐食減量が1g/m2以下であり、一層耐久性に優れる。 As can be seen from Tables 1 and 2, the steel according to the present invention containing Cr: 16% or more and Mo: 0.3% or more is 80 ° C. × 500 h in the iodide ion-containing electrolyte while being bare. It was confirmed that the corrosion weight loss when immersed under severe conditions was 1 g / m 2 or less, there was little occurrence of spot rust, and excellent corrosion resistance was exhibited. Those containing Cr: 17% or more and Mo: 0.8% or more have a corrosion weight loss of 1 g / m 2 or less even in a total 1000 hour immersion test, and are further excellent in durability.
〔ステンレス鋼シートの形態〕
本発明の光電極10を構成するステンレス鋼シート9は、多孔質半導体層4を保持する機能(半導体層保持機能)、および増感色素から酸化物半導体に移動した電子を受け取る機能(集電機能)を有する他、多孔質半導体層4がステンレス鋼シート9に対して受光面側に配置されるタイプの太陽電池を構築するためには、電池稼働時に貫通穴50をイオンが通過することにより電荷の移動が円滑に行われる機能(イオン通過機能)を果たさなければならない。貫通部の面積率が過小であると光電変換効率の低下を招き好ましくない。ここで、貫通部の面積率は、ステンレス鋼シート9を厚さ方向に見た場合の投影像に占める、貫通部の面積率(以下「貫通率」と呼ぶことがある)によって表すことができる。個々の貫通穴50についての貫通部の面積は、当該貫通穴50をステンレス鋼シート9の厚さ方向見た場合に、穴を通して向こう側が貫通して見えている部分の投影面積である。貫通率は、少なくとも30個の貫通穴50における貫通部が完全に含まれる矩形領域について、個々の貫通部の面積(当該矩形領域から一部がはみ出す貫通部は当該矩形領域内の部分の面積とする)を求め、それらのトータル面積を、当該矩形領域の面積(投影面積)で除することにより算出される。
[Stainless steel sheet form]
The stainless steel sheet 9 constituting the
貫通穴50は後述のように電解質水溶液中でのエッチングによって形成させることができる。その場合、ステンレス鋼シートの両面からそれぞれ孔食状ピットが成長するので、一方の表面から成長したピットが他方の表面に至って貫通穴が形成されることもあれば、双方から成長したピット同士が厚みの途中でぶつかって貫通穴となることもある。発明者らの検討によれば、これらいずれの貫通穴であっても、貫通率が5%を下回ると、光電変換効率が急激に低下するようになることがわかった。このため、本発明に用いる穴あきステンレス鋼シートは、貫通率が5%以上であることが必要である。10%以上であるものが好ましく、20%以上であるものがより好ましい。貫通穴50に入射光の透過を要求する場合には、貫通率は50%以上とすることが好ましく、60%以上が一層好ましい。一方、貫通率が過度に高くなると、半導体層保持機能を果たすための強度が不足するようになる。種々検討の結果、貫通率は80%以下とするのが良いことがわかった。70%以下に管理してもよい。
The through
また、個々の貫通穴50のサイズが過大であると、多孔質半導体層4を形成する際に半導体粒子含有塗料の塗布が困難になることや、多孔質半導体層4からの集電が不均一になり光電極10の内部抵抗が増大する要因となることが考えられる。貫通部の平均径は500μm以下とすることが必要であり、200μm以下、あるいは100μm以下とすることがより好ましい。一方、貫通穴50をあまり細かくしても集電性の向上等、特性改善には繋がらず、また、そのような細かい貫通穴50を多数形成させることは難しいので、通常、貫通部の平均径は5μm以上とすればよい。ここで、貫通部の平均径は、前述の貫通率を求める場合の条件を満たした矩形領域の中に完全に含まれる貫通部(すなわち、貫通部の一部分が当該矩形領域からはみ出しているものを除く)の平均径によって表される。個々の貫通部の径は、円相当径が採用される。円相当径とは、貫通部の面積をS(μm2)、円周率をπとするとき、S=πD2/4によって定まるD(μm)を意味する。
In addition, if the size of each through
ステンレス鋼シート9の厚さは、0.005〜1mm程度の広い範囲で選択可能であるが、このステンレス鋼シート9に色素増感型太陽電池1全体としての強度の大部分を負担させる必要がない限り、一般的には薄い方が好ましい。ただし、半導体保持機能が十分に果たせるように、0.005mm以上の厚さを確保することが望ましい。具体的には、例えば、厚さ0.005〜0.2mmのステンレス鋼圧延シートを素材として用いて、後述の手法で貫通穴50の形成を行うことが好ましい。厚さ0.005〜0.1mmのステンレス鋼圧延シートを使用することが一層好ましい。
Although the thickness of the stainless steel sheet 9 can be selected in a wide range of about 0.005 to 1 mm, it is necessary to make the stainless steel sheet 9 bear most of the strength of the dye-sensitized
〔貫通穴の形成〕
ステンレス鋼シート9に貫通穴50を形成させる手法として、塩化第二鉄水溶液中でのエッチングが極めて効果的である。ステンレス鋼シートの素材を塩化第二鉄水溶液中に単に浸漬する手法や、必要に応じてアノード電解あるいは交番電解を加える手法が利用できる。電解質水溶液に塩化第二鉄水溶液を用いると、ステンレス鋼表面に多数の微細な孔食状ピットを形成させることができる。その孔食状ピットは開口径の割りに深さの深い形態を呈するものとなるので、これを成長させることによりシートの厚さを貫通する穴を開けることが可能となる。具体的には、3価の鉄イオン濃度30〜100g/L、塩酸濃度0〜50g/Lの塩化第二鉄水溶液を使用することができる。温度は例えば20〜80℃範囲とすることが好適である。ステンレス鋼種によって耐食性レベルに差があるので、それぞれの鋼種に応じた電解質水溶液濃度、温度を上記の範囲で設定するとともに、処理時間や、電解を行う場合の電解条件などを最適に設定すればよい。貫通率や貫通部の平均径は、板厚に応じて上記各条件を変化させることによりコントロールすることができる。素材の鋼種および板厚、並びに目標とする貫通率および貫通部の平均径に応じて予備実験により最適条件を定めればよい。
(Formation of through holes)
As a method for forming the through
上記の塩化第二鉄水溶液中でのエッチングによって貫通穴50を形成すると、貫通穴50が生じていない部分の表面にも、孔食状ピットが多数形成される。すなわち、当該エッチングによって貫通穴50を形成したステンレス鋼シート9は、貫通穴50が生じていない部分の表面が孔食状ピットによって粗面化されているものとなる。この粗面化によって表面積が増大するので電池の内部抵抗低減に有効となる。しかも、ステンレス鋼シート9の表面に形成されているピットは、貫通穴50を含め、エッジが鋭く切り立った形態を有するので、多孔質半導体層4に対するアンカー効果が働き、ステンレス鋼シート9と多孔質半導体層4との密着性向上にも有効となる。
When the through
以下に、表1の鋼Hを用いた板厚0.01mmのステンレス鋼圧延シート(焼鈍材)について種々の条件で貫通穴を形成した実験例を開示する。
電解質水溶液として、3価の鉄イオン濃度、および塩酸濃度を種々変えた塩化第二鉄水溶液を用意し、前記ステンレス鋼圧延シートを前記電解質水溶液中に浸漬することにより、貫通穴の形成を試みた。液温、処理時間も種々変化させた。浸漬処理後のステンレス鋼シートを光学顕微鏡(KEYENCE社製;HV−5500)により板厚方向に観察し、前述した貫通部の平均径および貫通部の面積率(貫通率)を求めた。
処理条件および結果を表3に示す。
Below, the experiment example which formed the through-hole on various conditions about the stainless steel rolled sheet (annealed material) with a plate | board thickness of 0.01 mm using the steel H of Table 1 is disclosed.
As an aqueous electrolyte solution, an aqueous ferric chloride solution with various concentrations of trivalent iron ions and hydrochloric acid was prepared, and attempts were made to form through holes by immersing the stainless steel rolled sheet in the aqueous electrolyte solution. . The liquid temperature and treatment time were also varied. The stainless steel sheet after the immersion treatment was observed in the plate thickness direction with an optical microscope (manufactured by KEYENCE Corp .; HV-5500), and the average diameter of the penetration portion and the area ratio (penetration rate) of the penetration portion were obtained.
The processing conditions and results are shown in Table 3.
表3からわかるように、電解質水溶液の濃度、液温、処理時間を変えることによって、貫通部の平均径および貫通部の面積率(貫通率)をコントロールすることができる。No.1、2は3価の鉄イオン濃度が低すぎたのでエッチング力が弱く、貫通穴の生成が不十分であった。No.3は塩酸濃度が高すぎたので全面溶解の傾向が大きくなり、金属の溶出量は多いものの、孔食状の深いピットが成長しにくく、結果的に60secでは十分に貫通穴が得られなかった。なお、本発明対象材はいずれも、貫通穴が生じていない部分の表面が孔食状ピットによって粗面化されていることが確認された。 As can be seen from Table 3, the average diameter of the penetrating part and the area ratio (penetrating ratio) of the penetrating part can be controlled by changing the concentration of the electrolyte aqueous solution, the liquid temperature, and the treatment time. In Nos. 1 and 2, since the trivalent iron ion concentration was too low, the etching force was weak, and the formation of through holes was insufficient. In No. 3, since the hydrochloric acid concentration was too high, the tendency of dissolution of the entire surface increased and the amount of metal elution was large, but pitting corrosion-like deep pits were difficult to grow. As a result, through holes were sufficiently obtained in 60 seconds. There wasn't. In addition, it was confirmed that all the target materials of the present invention were roughened by pitting pits on the surface of the portion where no through hole was generated.
〔酸化物半導体層の形成〕
光電極10を構成する多孔質半導体層4は、一般的な色素増感型太陽電池の光極を構成する酸化物半導体粒子層であればよく、例えば二酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化タングステン(WO3)、酸化亜鉛(ZnO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)の1種または2種以上の酸化物半導体粒子を成分とするものが採用できる。多孔質半導体層4に担持させる増感色素は、例えばルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニン、クマリン、インドリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどが適用できる。
(Formation of oxide semiconductor layer)
The
本発明の光電極10を形成させる手法としては、貫通穴50を有する前述のステンレス鋼シート9の少なくとも片側表面に、酸化物半導体の粒子を含有するペーストをドクターブレード法などにより塗布して塗膜を形成し、これを乾燥させた後、焼成する手法が好適に採用できる。酸化物半導体粒子がTiO2粒子の場合、焼成条件は例えば450〜550℃、0.5〜3h程度とすればよい。これにより酸化物半導体粒子同士が焼結し、多孔質の半導体層となる。なお、ペーストを塗布および乾燥させることにより多孔質半導体層が形成されるタイプのペーストを使用する場合は、塗布後の焼成を省略してもよい。このようにしてステンレス鋼シート9と多孔質半導体層4とが一体化した板状体が得られる。この板状体を、増感色素が懸濁している液に浸漬することにより、多孔質半導体層4に増感色素を担持させることができる。
As a method for forming the
〔対向電極における触媒層の形成〕
本発明の色素増感型太陽電池に適用する対向電極20の表面には触媒層7が形成されている。触媒物質としては、白金、ニッケル、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェン、カーボンなどが適用できる。白金、ニッケルなどの金属膜の場合は、例えばスパッタリング法により形成することができる。ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェンなどの導電性高分子膜は例えばスピンコート法により形成することができる。カーボンの場合は、例えば活性炭分散溶媒を用いてスピンコート法により形成することができる。発明者らの検討によれば、平均膜厚が約1nmと極めて薄い白金膜を形成させた場合でも電池として機能することが確認された。触媒層7の平均膜厚は例えば1〜300nm程度とすればよい。変換効率の安定性と経済性を両立させる上では、10〜200nm、あるいは20〜100nmの範囲にコントロールすることより効果的である。
[Formation of catalyst layer on counter electrode]
A
表3に示したNo.1、2、3、4、6、11、13のステンレス鋼シートを用いて光電極を作製し、それを用いた色素増感型太陽電池を試作した。 Photoelectrodes were produced using the stainless steel sheets of Nos. 1, 2, 3, 4, 6, 11, and 13 shown in Table 3, and dye-sensitized solar cells using the same were fabricated.
〔光電極〕
多孔質半導体層を得るための材料として、TiO2粒子含有ペースト(ペクセルテクノロジーズ社製;PECC−01−06)を用意した。このペーストを上記各ステンレス鋼シートの片側表面にドクターブレード法にて塗布し、常温で放置し乾燥させて乾燥塗膜とした。その後、炉に挿入して450℃で1h焼成することにより、多孔質半導体層を形成させ、ステンレス鋼シートと多孔質半導体層が一体化した板状体を得た。この多孔質半導体層の平均厚さは10μmであった。
増感色素としてルテニウム錯体色素(Solaronix社製)を用意し、これをアセトニトリルとtert−ブタノールの混合溶媒に分散させ、色素溶液とした。
前記板状体を前記色素溶液中に浸漬させることにより、多孔質半導体層に増感色素を担持させ、ステンレス鋼シートと当該多孔質半導体層で構成される光電極を得た。
[Photoelectrode]
As a material for obtaining a porous semiconductor layer, a TiO 2 particle-containing paste (Peccell Technologies, Inc .; PECC-01-06) was prepared. This paste was applied to one surface of each of the above stainless steel sheets by a doctor blade method and allowed to stand at room temperature and dried to form a dry coating film. Then, it inserted in the furnace and baked at 450 degreeC for 1 h, the porous semiconductor layer was formed, and the plate-shaped object which the stainless steel sheet and the porous semiconductor layer integrated was obtained. The average thickness of this porous semiconductor layer was 10 μm.
A ruthenium complex dye (manufactured by Solaronix) was prepared as a sensitizing dye, and this was dispersed in a mixed solvent of acetonitrile and tert-butanol to obtain a dye solution.
By immersing the plate-like body in the dye solution, a sensitizing dye was supported on the porous semiconductor layer to obtain a photoelectrode composed of a stainless steel sheet and the porous semiconductor layer.
〔電解液〕
電解液として、アセトニトリル溶媒中にヨウ素I2:0.05mol/L、およびヨウ化リチウムLiI:0.5mol/Lを溶解させたものを用意した。
[Electrolyte]
As an electrolytic solution, a solution prepared by dissolving iodine I 2 : 0.05 mol / L and lithium iodide LiI: 0.5 mol / L in an acetonitrile solvent was prepared.
〔対向電極〕
対向電極に用いる材料として、PEN(ポリエチレンナフタレート)フィルム基板上にITO膜を形成したもの(ペクセルテクノロジーズ社製;PECF−IP)を用意した。このITOフィルム上に白金スパッタを行って対向電極を得た。この白金膜の厚さは約40nmである。
[Counter electrode]
As a material used for the counter electrode, a PEN (polyethylene naphthalate) film substrate on which an ITO film was formed (Peccell Technologies, Inc .; PECF-IP) was prepared. Platinum sputtering was performed on the ITO film to obtain a counter electrode. The platinum film has a thickness of about 40 nm.
〔電池の作製〕
光電極のステンレス鋼シート側の面と、対向電極の白金膜とが向き合うように、これら両電極を配置した。その際、セルとなる部分の周囲にスペーサーを挿入して両電極の間に電解液の入る隙間を確保した。光電極側の厚さ方向端部にはPENフィルムを配置した。そして、マイクロシリンダを用いて前記隙間に電解液を注入し、両電極の間および多孔質半導体層の空隙を電解液で満たしたのち封止した。このようにして図2に示した構成の色素増感型太陽電池を構築した。
[Production of battery]
These electrodes were arranged so that the surface of the photoelectrode on the stainless steel sheet side and the platinum film of the counter electrode face each other. At that time, a spacer was inserted around the cell portion to ensure a gap for the electrolyte to enter between the electrodes. A PEN film was disposed at the end in the thickness direction on the photoelectrode side. Then, an electrolytic solution was injected into the gap using a micro cylinder, and the space between both electrodes and the gap of the porous semiconductor layer was filled with the electrolytic solution and then sealed. In this way, a dye-sensitized solar cell having the configuration shown in FIG. 2 was constructed.
〔電池特性〕
各色素増感型太陽電池に、ソーラーシミュレータ(山下電装社製;YSS−100)を用いてAM1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を光電極側から照射しながら、KEITHLEY社製「2400型ソースメータ」によりI−V特性を測定して、短絡電流JSC、開放電圧VOC、形状因子FFの値を得た。これらの値から下記(1)式により光電変換効率ηの値を求めた。
光電変換効率η(%)=短絡電流JSC(mA/cm2)×開放電圧VOC(V)×{形状因子FF/入射光100(mW/cm2)}×100 …(1)
結果を表4に示す。
[Battery characteristics]
Each dye-sensitized solar cell is irradiated with pseudo solar light of AM 1.5, 100 mW / cm 2 from the photoelectrode side using a solar simulator (Yamashita Denso Co., Ltd .; YSS-100) “2400” manufactured by KEITHLEY The IV characteristics were measured with a “type source meter” to obtain values of the short circuit current J SC , the open circuit voltage V OC , and the form factor FF. From these values, the value of photoelectric conversion efficiency η was determined by the following formula (1).
Photoelectric conversion efficiency η (%) = short circuit current J SC (mA / cm 2 ) × open circuit voltage V OC (V) × {form factor FF / incident light 100 (mW / cm 2 )} × 100 (1)
The results are shown in Table 4.
表4からわかるように、ステンレス鋼シートに形成された貫通穴の面積率(貫通率)が5%以上である本発明例のものでは、良好な光電変換効率ηが得られた。これに対し、比較例1のものは、ステンレス鋼シートに貫通穴がないためステンレス鋼シートによりヨウ化物イオンの輸送が遮られ、実質的に電池として機能しなかった。比較例2、3はステンレス鋼シートにおける貫通穴の面積率が過小であるためにヨウ化物イオンによる電荷の移動が十分に行われず、光電変換効率ηは低かった。 As can be seen from Table 4, in the example of the present invention in which the area ratio (penetration ratio) of the through holes formed in the stainless steel sheet was 5% or more, a good photoelectric conversion efficiency η was obtained. On the other hand, in Comparative Example 1, since there was no through hole in the stainless steel sheet, the transport of iodide ions was blocked by the stainless steel sheet, and the battery did not substantially function as a battery. In Comparative Examples 2 and 3, since the area ratio of the through holes in the stainless steel sheet was too small, the charge transfer due to iodide ions was not sufficiently performed, and the photoelectric conversion efficiency η was low.
対向電極として、表1の鋼Hからなる板厚0.2mmのステンレス鋼板(No.2D仕上げ材)を使用することにより、試作した色素増感型太陽電池の構成を図3に示したタイプに変更したことを除き、実施例1と同様の条件で実験を行った。この対向電極のステンレス鋼板表面には白金スパッタを行って厚さ約20nmの白金触媒層を形成してある。
実験結果を表5に示す。
By using a stainless steel plate (No. 2D finishing material) made of steel H in Table 1 and having a thickness of 0.2 mm as the counter electrode, the prototype dye-sensitized solar cell has the configuration shown in FIG. The experiment was performed under the same conditions as in Example 1 except that the change was made. A platinum catalyst layer having a thickness of about 20 nm is formed on the stainless steel plate surface of the counter electrode by platinum sputtering.
The experimental results are shown in Table 5.
表5に示されるとおり、実施例1と同様に、ステンレス鋼シートに形成された貫通穴の面積率(貫通率)が5%以上である本発明例のものでは、良好な光電変換効率ηが得られた。また、実施例1より白金触媒層の厚さが薄いにもかかわらず、光電変換効率ηは向上した。 As shown in Table 5, as in Example 1, in the example of the present invention in which the area ratio (penetration ratio) of the through holes formed in the stainless steel sheet is 5% or more, a good photoelectric conversion efficiency η is obtained. Obtained. Moreover, although the platinum catalyst layer was thinner than Example 1, the photoelectric conversion efficiency η was improved.
1 色素増感型太陽電池
2 透光性板状体
3 透光性導電膜
4、4’ 多孔質半導体層
5 基板
6 導電材料
7 触媒層
8 電解液
9 ステンレス鋼シート
10 光電極
20 対向電極
30 入射光
40 負荷
50 貫通穴
60 ステンレス鋼板
DESCRIPTION OF
Claims (9)
ステンレス鋼シートは、Cr:16〜32質量%、Mo:0.3〜3質量%を含有し、且つJIS G4305:2005に規定されるフェライト系鋼種に相当する化学組成を有し、ステンレス鋼シートを厚さ方向に見た投影面積に占める貫通部の面積率が5〜80%、且つ貫通部の平均径が5〜500μmである貫通穴を有するものであり、
多孔質半導体層は、前記ステンレス鋼シートの少なくとも片面側に付着している、
色素増感型太陽電池の光電極。 A photoelectrode of a dye-sensitized solar cell in which a stainless steel sheet having a through hole and a porous semiconductor layer carrying a sensitizing dye are integrated,
The stainless steel sheet contains Cr: 16 to 32% by mass, Mo: 0.3 to 3% by mass, and has a chemical composition corresponding to a ferritic steel type defined in JIS G4305: 2005. Having a through hole with an area ratio of the penetrating portion occupying the projected area as viewed in the thickness direction of 5 to 80% and an average diameter of the penetrating portion of 5 to 500 μm,
The porous semiconductor layer is attached to at least one side of the stainless steel sheet,
Photoelectrode for dye-sensitized solar cell.
前記貫通穴を形成したステンレス鋼シートの少なくとも片面に酸化物半導体で構成される多孔質半導体層を形成させる工程(多孔質半導体層形成工程)、
前記多孔質半導体層に増感色素を担持させる工程(色素担持工程)、
を有する請求項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の光電極の製造方法。 A stainless steel rolled sheet having a thickness of 0.005 to 0.2 mm is immersed in an aqueous ferric chloride solution having a trivalent iron ion concentration of 30 to 100 g / L and a hydrochloric acid concentration of 0 to 50 g / L, Through the growth of pitting corrosion-like pits, through holes with an area ratio of the penetrating portion occupying the projected area of the sheet in the thickness direction of 5 to 80% and an average diameter of the penetrating portion of 5 to 500 μm are formed. Forming (through hole forming step),
Forming a porous semiconductor layer composed of an oxide semiconductor on at least one surface of the stainless steel sheet in which the through hole is formed (porous semiconductor layer forming step);
A step of supporting a sensitizing dye on the porous semiconductor layer (dye supporting step),
The manufacturing method of the photoelectrode of the dye-sensitized solar cell in any one of Claims 1-4 which has these.
前記貫通穴を形成したステンレス鋼シートの少なくとも片面に酸化物半導体粒子を含有するペーストを塗布して、塗膜を形成させる工程(塗膜形成工程)、
前記塗膜を焼成し、酸化物半導体粒子が焼結してなる多孔質半導体層を形成させる工程(焼成工程)、
を有する請求項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の光電極の製造方法。 As the “porous semiconductor layer forming step”,
Applying a paste containing oxide semiconductor particles to at least one surface of the stainless steel sheet in which the through hole is formed, and forming a coating film (coating film forming process);
A step of firing the coating film to form a porous semiconductor layer formed by sintering oxide semiconductor particles (firing step);
The manufacturing method of the photoelectrode of the dye-sensitized solar cell in any one of Claims 1-4 which has these.
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