JP2011165423A - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透明基板の表面に、透明導電膜と、多孔質半導体に増感色素を吸着させた多孔質半導体層とを順次形成してなる半導体電極と、導電性基板の表面に触媒層を形成してなる対向電極との間に、電解質層を保持して構成される光電変換素子であって、前記電解質層が、酸化還元対としてチオシアン酸誘導体及びヒドロキノン誘導体の両方を、共に濃度5.0mM〜100.0mMで含むことを特徴とする光電変換素子。
【選択図】図1
Description
・高い揮発性を有するため封止が非常に難しい。
・高い腐食性を有するため、電極として用いることのできる材料が限られている。
・ヨウ素系酸化還元対は可視光領域に非常に大きい吸光度係数を示し、色素の光吸収が阻害され、性能低下の原因となっている他、太陽電池の意匠性を強調する場合、ヨウ素の色が妨げとなり色素の鮮やかさを十分に生かすことができない。
半導体電極10は、透明基板11の一方の表面11aに透明導電膜12を成膜し、更に透明導電膜12の表面12aに多孔質半導体層13を形成したものである。
透明基板11は、可視光を透過するものであればよく、透明なガラス板やプラスチック板、プラスチックフィルム等を使用できるが、透明なガラス板が好適である。また、透明導電膜12が成膜される表面11aを加工して入射光を散乱させることにより、高効率で入射光を使用できるようになる。透明基板11の厚さは、光電変換素子1の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、例えばガラスやプラスチックなどを用いた場合では、実使用時の耐久性を考慮して1mm〜1cm程度が好ましく、フレキシブル性が必要とされ、プラスチックフィルムなどを使用した場合は、1μm〜1mm程度が好ましい。
透明導電膜12としては、可視光を透過して、かつ導電性を有するものが使用できる。このような材料としては、例えば金属酸化物が挙げられる。特に限定はされないが、例えばフッ素をドープした酸化スズ(以下、「FTO」と略記する。)や、酸化インジウム、酸化スズと酸化インジウムの混合体(以下、「ITO」と略記する。)、アンチモンをドープした酸化スズ、酸化亜鉛などを好適に用いることができる。
多孔質半導体層13は、多孔質金属酸化物半導体に増感色素を吸着させたものである。多孔質金属酸化物半導体としては、特に限定はされないが、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどが挙げられ、特に二酸化チタン、さらにはアナターゼ型二酸化チタンが好適である。また、電気抵抗値を下げるため、金属酸化物の粒界は少ないことが望ましい。更に、増感色素をより多く担持させるために、多孔質金属酸化物半導体は比表面積の大きなものが望ましく、具体的には10〜200m2/gが望ましい。
対向電極20は、導電性基板21の一方の表面21aに触媒層22を成膜したものである。導電性基板21は、触媒層22の支持体兼集電体として用いられるため、触媒層22が成膜される表面21aが導電性を有していることが好ましく、例えば白金、金、銀、ルテニウム、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金から選ばれる金属、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンから選ばれる炭素材料、例えばFTO、ITO、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化アンチモンから選ばれる金属酸化物の薄膜を成膜することができる。また、表面が導電性を有するように処理すれば、ガラスやプラスチックなどの絶縁体も用いることもできる。
電解質層30は、酸化還元対としてヒドロキノン誘導体とチオシアン酸誘導体とを含有する。
X+(S−C≡N)− ・・・(I)
式中、X+はアルカリ金属イオンまたはアルカリ金属土類イオンから選ばれる無機カチオン、アンモニウム塩(下記A)、スルホニウム塩(下記B)またはグアニジウム塩(下記C)から選ばれる有機カチオンである。また、R1〜R13はそれぞれ水素原子、直鎖型アルキル基、分岐型アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルアリール基またはヘテロアリール基であり、R1〜R4、R5〜R7、R8〜R13は同一でもよく、異なっていても良い。尚、アルカリ金属イオンとしては、Li+、Na+、K+が好ましく、アルカリ土類金属イオンとしては1/2Ca2+が好ましい。
ITO膜付きガラス(スパッタ品;ジオマテック(株)製)を所定のサイズに切り出し、ガラス洗浄剤で洗浄し、洗浄剤を純水で洗い流した後、アセトン、ヘキサン、アセトン、純水、純水の順番で各5分ずつ超音波洗浄を行った。乾燥後、UVオゾン洗浄機を用いて10分間仕上洗浄を行った後、70℃のTiCl4水溶液中に30分間浸漬した。続いて、TiCl4水溶液から取出し、純水で洗浄して乾燥した後、ITO膜表面にTiO2ペースト(SOLARONIX社製「Ti-Nanoxide D」)をKコントロールコーター(松尾製作所製)で50μm程度の厚さに塗布した。そして、30分程静置、乾燥させた後、80℃、30min、450℃、30minの順に大気中で焼成し、厚さ10μm程度の多孔質の酸化チタン膜を成膜した。
光電変換特性を、ソーラーシミュレーターを用いて評価した。擬似太陽光はAM1.5条件下で100mW/cm2の光を用い、特性評価は開放電圧、短絡電流、フィルファクターから変換効率を算出することで行った。結果を表1に示す。
耐久性は、光照射1000時間後に再度変換効率を測定し、組立て直後の変換効率との相対比を求めた。結果を表1に示す。
10 半導体電極
11 透明基板
12 透明導電膜
13 多孔質半導体層
20 対向電極
21 導電性基板
22 触媒層
30 電解質層
Claims (3)
- 透明基板の表面に、透明導電膜と、多孔質半導体に増感色素を吸着させた多孔質半導体層とを順次形成してなる半導体電極と、導電性基板の表面に触媒層を形成してなる対向電極との間に、電解質層を保持して構成される光電変換素子であって、
前記電解質層が、酸化還元対としてチオシアン酸誘導体及びヒドロキノン誘導体の両方を、共に濃度5.0mM〜100.0mMで含むことを特徴とする光電変換素子。 - チオシアン酸誘導体とヒドロキノン誘導体との組成比が、モル比で、ヒドロキノン誘導体/チオシアン酸誘導体=0.1〜10であることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。
- チオシアン酸誘導体が、下記一般式(I)で表される基本骨格を有することを特徴とする請求項1または2記載の光電変換素子。
X+(S−C≡N)− ・・・(I)
(式中、X+はアルカリ金属イオンまたはアルカリ金属土類イオンから選ばれる無機カチオン、アンモニウム塩(下記A)、スルホニウム塩(下記B)またはグアニジウム塩(下記C)から選ばれる有機カチオンである。また、R1〜R13はそれぞれ水素原子、直鎖型アルキル基、分岐型アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルアリール基またはヘテロアリール基であり、R1〜R4、R5〜R7、R8〜R13は同一でもよく、異なっていても良い。)
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