JP2011187183A5

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Publication number: JP2011187183A5
Application number: JP2010048286A
Authority: JP
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2012-11-08

Description

前記目的を果たすため、本発明の色素増感太陽電池の一態様は、第１の電極と、前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記第１の電極上に配された電子捕集−色素層と、前記電子捕集−色素層と前記第２の電極との間に配された電子供給剤と、を備え、前記電子捕集−色素層は、電子捕集剤と色素とを含んで一つの層をなし、前記電子捕集剤は、第１の粒径範囲内の粒径を有する第１の電子捕集粒子と第２の粒径範囲内の粒径を有する第２の電子捕集粒子とが混合されて形成され、前記第２の粒径範囲の最小値は前記第１の粒径範囲の最大値よりも大きい、ことを特徴とする。

［実施形態］
まず、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る色素増感太陽電池は、その構成の概要を図１に示す通り、例えばガラスやフィルム等から成る第１の基板としての透明基板１０上に、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）やフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等から成る第１の電極としての透明導電膜２０が形成されている。透明導電膜２０はパターニングされていても良く、また、透明導電膜２０の上層または下層に銀等の集電パターンを設けても良い。透明導電膜２０上には、電子捕集−色素層３０が形成されている。電子捕集−色素層３０については後に詳述する。

一方、透明基板１０と対向する例えばガラスやフィルム等から成る第２の基板としての対向基板４０上には、第２の電極としての導電膜５０が形成されている。更に、導電膜５０の上には、白金やカーボン等から成る触媒層６０が形成されている。

透明基板１０と対向基板４０とは、透明基板１０の電子捕集−色素層３０が形成されている面と、対向基板４０の触媒層６０が形成されている面と、がそれぞれ対向し、対向する面の間に例えば１０〜５０μｍ程度の間隙を有する様に、対向する面の周縁部でシール材７０によって貼り合わされている。前記間隙には、電解質である電子供給剤８０が封入されている。

ここで、電子捕集−色素層３０について詳述する。電子捕集−色素層３０は、図２に示す様に、例えばアナターゼ型の酸化チタン等より成る、大きな粒径を有する電子伝達用電子捕集粒子（第２の電子捕集粒子）３４及び小さな粒径を有する色素吸着用電子捕集粒子（第１の電子捕集粒子）３６と、ルテニウム色素（Ｎ７１９色素等）等より成る、色素３８と、から成る。ここで、電子伝達用電子捕集粒子３４及び色素吸着用電子捕集粒子３６をあわせて電子捕集剤３２と呼ぶ事にする。

ここで、色素吸着用電子捕集粒子３６の直径は、例えば５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、電子伝達用電子捕集粒子３４の直径は、例えば１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。色素吸着用電子捕集粒子３６と電子伝達用電子捕集粒子３４との割合は、重量割合で色素吸着用電子捕集粒子３６が例えば２０〜２５％等であり、電子伝達用電子捕集粒子３４が例えば７５〜８０％等である。電子伝達用電子捕集粒子３４、色素吸着用電子捕集粒子３６及び色素３８から成る電子捕集−色素層３０の厚さは、例えばおよそ１０μｍ等である。

次に、本実施形態に係る色素増感太陽電池の発電原理を図３を参照して説明する。まず、本色素増感太陽電池に光が入射すると、その光は色素３８に吸収される。色素３８に吸収された光は、色素３８を励起する（図３中の破線矢印）。ここで励起された色素３８の電子は、例えばワイドギャップ半導体である酸化チタン等で構成される電子捕集剤３２に受け渡される。即ち、色素３８は酸化する。電子捕集剤３２が受け取った電子は、透明導電膜２０に移動する。一方、電子を失った色素３８は、触媒層６０を有する導電膜５０と接している電子供給剤８０の例えばＩ⁻から、電子を供給される。即ち、色素３８は電子供給剤８０により還元される。３Ｉ⁻は電子を色素３８に供給するとＩ_３ ⁻となる。従って、電子供給剤８０の例えばＩ_３ ⁻は、導電膜５０から電子を受け取ろうとする。このとき、透明導電膜２０と導電膜５０との間には、電位差が発生する。透明導電膜２０と導電膜５０との間に外部回路が接続されていれば、透明導電膜２０に移動した電子は、外部回路を介して導電膜５０に移動する。そして、この電子は電子供給剤８０の例えばＩ_３ ⁻に移動し、Ｉ_３ ⁻は３Ｉ⁻となる。電子を失った色素３８は、電子供給剤８０の例えばＩ⁻から電子を供給される。この様に、透明導電膜２０と導電膜５０との間に、外部回路を接続することによって、外部回路は光を吸収した本実施形態に係る色素増感太陽電池から、電流を取り出すことができる。即ち、本色素増感太陽電池は電池として機能する。

［実施例］
次に前記実施形態に係る色素増感太陽電池の実施例について説明する。ここでは、電子伝達用電子捕集粒子３４及び色素吸着用電子捕集粒子３６として、直径が異なる２種類の電子捕集剤３２としての酸化チタンを用いた本実施例の色素増感太陽電池と、直径が１種類の電子捕集剤３２としての酸化チタンを用いた従来例の色素増感太陽電池と、の性能を比較した。比較したのは、見かけの最大電力に対する実際の電力の比であるフィルファクター（ＦＦ）の値である。

前記本実施例に係る色素増感太陽電池と、従来例に係る色素増感太陽電池とのＦＦ値をＪＩＳ規格のＪＩＳＣ８９１４「結晶系太陽電池モジュール出力測定方法」に従って計測した。簡単に説明すると、計測では波長４００〜１１００ｎｍ、照度１０００Ｗ／ｍ２の光を照射し、電流Ｉ−電圧Ｖ曲線を取得した。そして、取得したＩ−Ｖ曲線から、最大出力を開放電圧と短絡電流との積で除した値であるＦＦ値を求めた。この値は、大きいほど、当該太陽電池の内部損失が小さく、性能が高いことを示す。

本実施例と従来例とのそれぞれについて３回計測した結果、ＦＦ値は、本実施例に係る色素増感太陽電池では、４４．４±１．３（平均±標準偏差）、従来例に係る色素増感太陽電池では、２５．６±０．３（平均±標準偏差）となった。即ち本実施例のＦＦ値は、従来例に比較して７４％の上昇となった。

この様な違いが現れた理由として以下が考えられる。図４（ａ）に従来例の電子捕集−色素層３０の模式図を示す通り、従来例では、図４（ａ）中白抜き矢尻Ａで指し示す様に、色素３８から放出された電子ｅ⁻は、電子捕集剤３２を構成する直径が小さい粒子を多く伝って、透明導電膜２０に伝達される。従って電子ｅ⁻は、電子捕集剤３２内の粒子の接合部分を多く越える必要がある。このため、電子捕集剤３２中に形成される電気接続路の抵抗が高くなって、電子が伝達されにくい。更に、図４（ａ）中白抜き矢尻Ｂで指し示す様に、色素３８同士が会合し、それが電子捕集剤３２を構成する粒子間に浸入し、電子捕集剤３２を構成する粒子同士が接触しない部分ができることがある。そして、この様に電子捕集剤３２を構成する粒子同士が接触しない部分では、電子ｅ⁻が伝達されないことになる。

これに対して、図４（ｂ）に本実施例の電子捕集−色素層３０の模式図を示す通り、本実施例では、色素３８から放出された電子ｅ⁻は、少数の直径が大きな電子伝達用電子捕集粒子３４を伝って、透明導電膜２０に伝達される。従って、電子ｅ⁻が越える必要のある電子伝達用電子捕集粒子３４の接合部分は少ない。また、電子伝達用電子捕集粒子３４の直径は大きく、１個あたりの表面積が大きいため、電子伝達用電子捕集粒子３４間の接合は良好に成されている。このため、電子捕集剤３２中に形成される電気接続路の抵抗が図４（ｂ）の場合よりも低くなって、電子が伝達されやすい。また、色素吸着用電子捕集粒子３６が多く存在するので、表面積は大きく、ラフネスファクター（ＲＦ＝実際の表面積／投影面積）は、１０００以上と、色素増感太陽電池において必要であるといわれている値以上と成っている。このため、十分な数の色素３８が電子捕集剤３２に吸着されている。

１０…透明基板（第１の基板）、２０…透明導電膜（第１の電極）、３０…電子捕集−色素層、３２…電子捕集剤、３４…電子伝達用電子捕集粒子（第２の電子捕集粒子）、３６…色素吸着用電子捕集粒子（第１の電子捕集粒子）、３８…色素、４０…対向基板（第２の基板）、５０…導電膜（第２の電極）、６０…触媒層、７０…シール材、８０…電子供給剤。

Claims

第１の電極と、
前記第１の電極と対向する第２の電極と、
前記第１の電極上に配された電子捕集−色素層と、
前記電子捕集−色素層と前記第２の電極との間に配された電子供給剤と、
を備え、
前記電子捕集−色素層は、電子捕集剤と色素とを含んで一つの層をなし、
前記電子捕集剤は、第１の粒径範囲内の粒径を有する第１の電子捕集粒子と第２の粒径範囲内の粒径を有する第２の電子捕集粒子とが混合されて形成され、前記第２の粒径範囲の最小値は前記第１の粒径範囲の最大値よりも大きい、
ことを特徴とする色素増感型太陽電池。
前記第１の電子捕集粒子は、前記色素を吸着するように構成されており、
前記第２の電子捕集粒子は、前記色素から放出された電子を前記第１の電極に伝達するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
前記第２の電子捕集粒子の平均的な直径は、前記第１の電子捕集粒子の平均的な直径の１０倍以上である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の色素増感型太陽電池。
前記第１の粒径範囲は５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、
前記第２の粒径範囲は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
前記電子捕集剤は、２０−２５重量％の前記第１の電子捕集粒子を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
前記第１の電子捕集粒子と前記第２の電子捕集粒子とは、酸化チタンを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
前記電子捕集剤は、
酸化チタンからなる前記第１の粒径範囲内の粒径を有する前記第１の電子捕集粒子と前記第２の粒径範囲内の粒径を有する前記第２の電子捕集粒子とを含むペーストが前記第１の電極上に塗布され、
前記塗布の後に前記ペーストが焼成されることにより形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
前記色素は、
励起状態と基底状態とを有しており、
前記励起状態の前記色素は、前記電子捕集剤よりも高いエネルギー準位を有し、
前記基底状態の前記色素は、前記電子供給剤よりも低いエネルギー準位を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
前記第２の電極上に設けられた触媒層を更に備える、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。