JP2012252872A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents

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亮人 佐々木
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康博 白川
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell offering high power generation efficiency and capable of storing electricity.SOLUTION: The dye-sensitized solar cell comprises a semiconductor layer containing a tungsten oxide powder having an average particle size of 548 nm or smaller and a dye, and the potential difference (B-A) is equal to or greater than 0.3 (eV), where A (eV) represents the energy potential of the conduction band of the tungsten oxide powder, and B (eV) represents the energy potential of the LUMO of the dye. The tungsten oxide powder is preferably composed of WO.

Description

本発明は、色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.

太陽光を利用した太陽電池はクリーンな電気エネルギーとして注目を集めている。太陽電池としては、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を使ったものが発電効率が優れていることから主に使われている。また、コストダウンのためにシリコン基板を薄膜化した薄膜状アモルファスシリコンを使うことも検討されている。また、これらシリコン系以外の太陽電池としては、ガリウム、砒素、リン、ゲルマニウム、インジウムなどを使った化合物半導体系の太陽電池も知られている。
これまでの太陽電池は、太陽光を受けるシリコン基板の大型化や、化合物の合成プロセスの煩雑さから、コストが高く、思うように普及が進まないといった問題があった。一方、生産コストの低減を目的として、光吸収層(光電変換層)に有機化合物を用いた有機系太陽電池の開発が進められている。有機系太陽電池の中では、色素を使った色素増感太陽電池の開発が期待されている。特開2001−76772号公報(特許文献1)では、TiO、SnO、ZnO、ZrO、Nb、CeO、WO、SiO、Alといった酸化物半導体層を使うことが提案されている。
Solar cells using sunlight are attracting attention as clean electric energy. As solar cells, those using a single crystal silicon substrate or a polycrystalline silicon substrate are mainly used because of their excellent power generation efficiency. In addition, the use of thin-film amorphous silicon obtained by reducing the thickness of a silicon substrate has been studied for cost reduction. In addition, compound semiconductor solar cells using gallium, arsenic, phosphorus, germanium, indium or the like are also known as non-silicon solar cells.
Conventional solar cells have a problem that the cost is high due to the increase in the size of the silicon substrate that receives sunlight and the complexity of the compound synthesis process, and the diffusion of the solar cell does not proceed as expected. On the other hand, for the purpose of reducing production costs, development of organic solar cells using an organic compound in a light absorption layer (photoelectric conversion layer) has been promoted. Among organic solar cells, development of dye-sensitized solar cells using dyes is expected. In Japanese Patent Laid-Open No. 2001-76772 (Patent Document 1), an oxide semiconductor layer such as TiO 2 , SnO 2 , ZnO, ZrO 2 , Nb 2 O 5 , CeO 2 , WO 3 , SiO 2 , and Al 2 O 3 is used. It has been proposed.

特開2001−76772号公報JP 2001-76772 A

特許文献1では様々な酸化物半導体が挙げられているものの、実施例をみるとTiO粉末を使った場合しか検討されていない。TiO粉末のみを使った色素増感太陽電池は発電効率(光電変換効率)に優れることが示されている。
ところで、これまでの太陽電池は、前述のようにシリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、さらにはTiO2半導体のみを使った色素増感太陽電池がある。これら太陽電池は文字通り太陽光をエネルギー源としている。そのため、太陽光がなくなる(光量が低下する)と発電力がゼロになる。特に、発電量が垂直的に一気に低下するため、太陽電池で稼働する電子機器などの電力負荷機器の起動電力として使用していると天候(太陽光の光量)によって、予備電源の稼働のオンオフを行わなければならない。一方、現在の天気予報では数時間単位の予報はできても、その場その場での実際の光量までは予測できない。そのため、太陽電池のみの電力で電力負荷機器の起動をさせていると、光量が低下したときに太陽電池の発電量が垂直的にゼロになってしまうため電力負荷機器に電気が通じない状態が生じてしまう。このため、常に電力会社から供給される商用電源などの予備電源をオン状態にしなければならなかった。
本発明は、このような問題を解決するためのものであり、太陽光の光量が一定量以下になったとしても、しばらく発電能力が維持される蓄電機能を有する色素増感太陽電池を提供するためのものである。
In Patent Document 1, various oxide semiconductors are listed, but in the examples, only the case of using TiO 2 powder has been studied. It has been shown that a dye-sensitized solar cell using only TiO 2 powder is excellent in power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency).
By the way, conventional solar cells include silicon-based solar cells, compound-based solar cells, and dye-sensitized solar cells using only TiO 2 semiconductors as described above. These solar cells literally use sunlight as an energy source. Therefore, when there is no sunlight (the amount of light decreases), the generated power becomes zero. In particular, since the amount of power generation decreases vertically, if it is used as the starting power for power load devices such as electronic devices that run on solar cells, the standby power supply can be turned on and off depending on the weather (light quantity of sunlight). It must be made. On the other hand, even with current weather forecasts that can be forecast in units of several hours, the actual amount of light on the spot cannot be predicted. Therefore, if the power load device is activated with the power of only the solar cell, the power generation amount of the solar cell will be zero vertically when the amount of light is reduced, so there is a state where electricity cannot be passed to the power load device. It will occur. For this reason, it has been necessary to always turn on a standby power source such as a commercial power source supplied from an electric power company.
The present invention is for solving such problems, and provides a dye-sensitized solar cell having a power storage function capable of maintaining power generation capacity for a while even when the amount of sunlight falls below a certain level. Is for.

本発明の色素増感太陽電池は、平均粒径548nm以下の酸化タングステン粉末と色素を具備する半導体層を有する色素増感太陽電池において、酸化タングステン粉末のコンダクションバンドのエネルギー電位をA(eV)、色素のLUMOのエネルギー電位をB(eV)としたとき、電位差(B−A)が0.3(eV)以上であることを特徴とするものである。
また、酸化タングステン粉末は、WO2.0〜3.3の範囲内であることが好ましい。また、酸化タングステン粉末は平均粒径が1〜100nmであることが好ましい。また、半導体層中に平均粒径500nm以下の酸化チタン粉末が含有されていることが好ましい。また、半導体層は平均粒径500nm以下の酸化チタン粉末層との2層構造を有することが好ましい。
The dye-sensitized solar cell of the present invention is a dye-sensitized solar cell having a tungsten oxide powder having an average particle diameter of 548 nm or less and a semiconductor layer having a dye, and the energy potential of the tungsten oxide powder conduction band is A (eV). When the LUMO energy potential of the dye is B (eV), the potential difference (B−A) is 0.3 (eV) or more.
The tungsten oxide powder is preferably within the range of WO 2.0 to 3.3 . The tungsten oxide powder preferably has an average particle size of 1 to 100 nm. Moreover, it is preferable that the titanium oxide powder with an average particle diameter of 500 nm or less is contained in the semiconductor layer. Further, the semiconductor layer preferably has a two-layer structure with a titanium oxide powder layer having an average particle size of 500 nm or less.

本発明の色素増感太陽電池は、コンダクションバンドのエネルギー電位をA(eV)と色素のLUMOのエネルギー電位をB(eV)の電位差(B−A)が0.3(eV)以上としていることから、発電効率に優れ、その上で蓄電機能を有している。そのため、太陽光の光量が低下したとしても、しばらく発電能力を機能させることができる。   In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the energy potential of the conduction band is A (eV) and the LUMO energy potential of the dye is B (eV) and the potential difference (BA) is 0.3 (eV) or more. Therefore, it has excellent power generation efficiency and has a power storage function. Therefore, even if the light quantity of sunlight falls, power generation capability can be functioned for a while.

本発明の色素増感太陽電池の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the dye-sensitized solar cell of this invention. 本実施例にかかる色素増感太陽電池の蓄電効果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electrical storage effect of the dye-sensitized solar cell concerning a present Example.

本発明の色素増感太陽電池は、平均粒径548nm以下の酸化タングステン粉末と色素を具備する半導体層を有する色素増感太陽電池において、酸化タングステン粉末のコンダクションバンドのエネルギー電位をA(eV)、色素のLUMOのエネルギー電位をB(eV)としたとき、電位差(B−A)が0.3(eV)以上であることを特徴とするものである。
半導体電極層に用いる酸化タングステン粉末は平均粒径が548nm以下である。平均粒径が548nmを超えると発電効率が低下し、蓄電効果も低下する。好ましい平均粒径は1〜200nm、さらには1〜50nmである。色素増感太陽電池では、半導体電極層を形成する酸化物半導体粉末に色素を担持させて用いる。発電効率を上げるためには、色素の担持量を増やすことが必要である。色素の担持量を増やすには酸化物半導体粉末の粒径を小さくし、比表面積を大きくすることが有効である。一方、平均粒径が1nm未満になると、製造コストの増加が懸念される。そのため、酸化タングステン粉末の平均粒径は548nm以下、更には1〜200nmが好ましく、より好ましくは1〜50nmである。
また、酸化タングステン粉末は、WO2.0〜3.3の範囲内であることが好ましい。酸化タングステンは、タングステンと酸素の原子比が様々な酸化物が形成される。発電効果と蓄電効果の両立を図るにはタングステンと酸素の原子比がWO2.0〜3.3の範囲内であることが好ましい。この範囲を外れると光によって励起されるエネルギーが安定しない恐れがある。
また、半導体層には平均粒径500nm以下の酸化チタン粉末を具備させてもよい。酸化チタン粉末は、酸化タングステン粉末と混合してもよいし、酸化タングステン粉末層と2層化してもよい。
また、平均粒径100nm以下の第一の酸化チタン粉末および平均粒径200〜500nmの第二の酸化チタン粉末を具備することが好ましい。また、酸化チタン粉末の粒度分布を測定したとき、粒度分布のピークが1〜50nmと200〜500nmの範囲にそれぞれ存在することが好ましい。
色素増感太陽電池は、半導体に色素を担持させることにより、発電効率を向上させることができる。そのため、酸化チタン粉末も平均粒径は500nm以下、さらには50nm以下と小さい方がよい。しかしながら、例えば50nm以下の酸化チタン粉末のみの場合、色素の担持量は増えるものの、光の取り入れ効率が低下し、その結果、光電変換効率の向上に限界が生じる。平均粒径200〜500nmの比較的大きな酸化チタン粉末を入れることにより半導体層における光散乱効果が得られ、光電変換効率の向上が得られる。また、酸化チタン粉末の平均粒径は1nm未満となると製造コストの負担が大きくなる恐れがある。
また、平均粒径1〜50nmの酸化チタン粉末と平均粒径200〜500nmの酸化チタン粉末の混合比率は、両者を合計した値を100質量部としたとき、平均粒径1〜50nmの酸化チタン粉末の含有量が10〜90質量部、残部平均粒径200〜500nmの酸化チタン粉末となる範囲であることが好ましい。第一の酸化チタン粉末または第二の酸化チタン粉末が10質量部未満であると添加する効果が十分得られない。
また、酸化タングステン粉末と酸化チタン粉末の合計を100質量部としたとき、酸化タングステン粉末は10〜90質量部、残部酸化チタン粉末であることが好ましい。また、酸化タングステン粉末または酸化チタン粉末のどちらかが10質量部未満では添加する効果が十分得られない。
また、酸化チタン粉末はアナターゼ型であることが好ましい。酸化チタンにはアナターゼ型やルチル型などの結晶構造があるがアナターゼ型である方が発電効率が向上する。
本発明では、酸化タングステン粉末のコンダクションバンド(CB)のエネルギー電位をA(eV)、色素のLUMO(最低空軌道)のエネルギー電位をB(eV)としたとき、電位差(B−A)が0.3(eV)以上である。
色素増感太陽電池では、光の照射により、色素から酸化タングステンのコンダクションバンドへ電子が注入される。このとき、電解質組成物中に含まれるLiイオンのインターカレーションが起こり、蓄電反応が起きる。光遮断時には酸化タングステンと反応したLiや電子が放出され放電反応が起きる。電位差(B−A)を0.3eV以上とすることにより、放電反応をスムーズに行うことができる。このため、光照射状態から急に光遮断状態になったとしても、一定時間一定量の放電を維持することができる。光照射状態から光遮断状態にしたとしても一定時間放電を維持できることを蓄電効果と呼ぶ。
次に色素増感太陽電池の構造について説明する。
本発明の色素増感太陽電池は、セル構造として、透明基板上に透明電極層、平均粒径548nm以下の酸化タングステンと色素を担持させてなる半導体層と、透明基板上に透明電極層、導電性触媒層を具備する対向電極と、前記半導体層と前記対向電極との間に電解質組成物とを具備することが好ましい。
図1に本発明の色素増感太陽電池の一例を示した。図中、1は色素増感太陽電池、2は透明基板、3は透明電極層、4は半導体層、5は電解質組成物、6は導電性触媒層、7は透明電極層(対向電極)、8は透明基板、9がスペーサである。
The dye-sensitized solar cell of the present invention is a dye-sensitized solar cell having a tungsten oxide powder having an average particle diameter of 548 nm or less and a semiconductor layer having a dye, and the energy potential of the tungsten oxide powder conduction band is A (eV). When the LUMO energy potential of the dye is B (eV), the potential difference (B−A) is 0.3 (eV) or more.
The tungsten oxide powder used for the semiconductor electrode layer has an average particle size of 548 nm or less. When the average particle size exceeds 548 nm, the power generation efficiency is lowered and the power storage effect is also lowered. A preferable average particle diameter is 1 to 200 nm, and further 1 to 50 nm. In a dye-sensitized solar cell, a dye is supported on an oxide semiconductor powder that forms a semiconductor electrode layer. In order to increase the power generation efficiency, it is necessary to increase the amount of dye supported. In order to increase the amount of the dye supported, it is effective to reduce the particle size of the oxide semiconductor powder and increase the specific surface area. On the other hand, if the average particle size is less than 1 nm, there is a concern about an increase in production cost. Therefore, the average particle diameter of the tungsten oxide powder is 548 nm or less, more preferably 1 to 200 nm, and more preferably 1 to 50 nm.
The tungsten oxide powder is preferably within the range of WO 2.0 to 3.3 . Tungsten oxide forms oxides with various atomic ratios of tungsten and oxygen. In order to achieve both the power generation effect and the power storage effect, the atomic ratio of tungsten to oxygen is preferably within the range of WO 2.0 to 3.3 . Outside this range, the energy excited by light may not be stable.
Further, the semiconductor layer may be provided with titanium oxide powder having an average particle size of 500 nm or less. The titanium oxide powder may be mixed with the tungsten oxide powder or may be formed into two layers with the tungsten oxide powder layer.
Moreover, it is preferable to comprise the 1st titanium oxide powder with an average particle diameter of 100 nm or less and the 2nd titanium oxide powder with an average particle diameter of 200-500 nm. Moreover, when the particle size distribution of the titanium oxide powder is measured, it is preferable that peaks of the particle size distribution exist in the ranges of 1 to 50 nm and 200 to 500 nm, respectively.
The dye-sensitized solar cell can improve power generation efficiency by supporting a dye on a semiconductor. For this reason, the titanium oxide powder should preferably have an average particle size as small as 500 nm or less, more preferably 50 nm or less. However, for example, in the case of only titanium oxide powder of 50 nm or less, although the amount of the dye supported increases, the light intake efficiency decreases, and as a result, the improvement of the photoelectric conversion efficiency is limited. By putting a relatively large titanium oxide powder having an average particle size of 200 to 500 nm, a light scattering effect in the semiconductor layer is obtained, and an improvement in photoelectric conversion efficiency is obtained. Moreover, when the average particle diameter of the titanium oxide powder is less than 1 nm, there is a risk that the burden of manufacturing cost increases.
The mixing ratio of the titanium oxide powder having an average particle diameter of 1 to 50 nm and the titanium oxide powder having an average particle diameter of 200 to 500 nm is a titanium oxide having an average particle diameter of 1 to 50 nm when the total value is 100 parts by mass. It is preferable that the content of the powder is within a range of 10 to 90 parts by mass and the balance is a titanium oxide powder having an average particle size of 200 to 500 nm. If the first titanium oxide powder or the second titanium oxide powder is less than 10 parts by mass, the effect of adding cannot be sufficiently obtained.
Further, when the total of the tungsten oxide powder and the titanium oxide powder is 100 parts by mass, the tungsten oxide powder is preferably 10 to 90 parts by mass and the remaining titanium oxide powder. Further, when either the tungsten oxide powder or the titanium oxide powder is less than 10 parts by mass, the effect of adding cannot be sufficiently obtained.
The titanium oxide powder is preferably anatase type. Titanium oxide has a crystal structure such as anatase type or rutile type, but anatase type improves power generation efficiency.
In the present invention, when the energy potential of the conduction band (CB) of the tungsten oxide powder is A (eV) and the energy potential of the LUMO (lowest orbit) of the dye is B (eV), the potential difference (BA) is 0.3 (eV) or more.
In a dye-sensitized solar cell, electrons are injected from a dye into a tungsten oxide conduction band by light irradiation. At this time, intercalation of Li ions contained in the electrolyte composition occurs, and a power storage reaction occurs. When light is blocked, Li and electrons that react with tungsten oxide are released, and a discharge reaction occurs. By setting the potential difference (B−A) to 0.3 eV or more, the discharge reaction can be performed smoothly. For this reason, even if the light irradiation state suddenly changes to the light blocking state, a certain amount of discharge can be maintained for a certain period of time. Even if the light irradiation state is changed to the light blocking state, the fact that the discharge can be maintained for a certain time is referred to as a storage effect.
Next, the structure of the dye-sensitized solar cell will be described.
The dye-sensitized solar cell of the present invention has, as a cell structure, a transparent electrode layer on a transparent substrate, a semiconductor layer in which tungsten oxide having an average particle size of 548 nm or less and a dye are supported, a transparent electrode layer on a transparent substrate, and a conductive layer. It is preferable that the counter electrode provided with a conductive catalyst layer and the electrolyte composition be provided between the semiconductor layer and the counter electrode.
FIG. 1 shows an example of the dye-sensitized solar cell of the present invention. In the figure, 1 is a dye-sensitized solar cell, 2 is a transparent substrate, 3 is a transparent electrode layer, 4 is a semiconductor layer, 5 is an electrolyte composition, 6 is a conductive catalyst layer, 7 is a transparent electrode layer (counter electrode), 8 is a transparent substrate, and 9 is a spacer.

透明基板2および透明基板8は、ガラス基板やプラスチック基板などの光透過性があり、かつ絶縁性を有する基板が挙げられる。プラスチック基板としては、プラスチックフィルムである、ポリメチルメタクリエート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロースなどが挙げられる。また、太陽光に直接触れることを考えれば、環境、寿命の観点から耐光性、耐熱性のある材質であることが好ましい。また、入射光を効率的に利用するためには、半導体層が積層されていない側に反射防止膜などを形成してもよい。また、プラスチック基板を使えば、色素増感太陽電池に柔軟性を持たせることもできる。また、半導体電極層を形成した面(透明基板2側)が太陽光の受光側になる。
透明基板2上には透明電極層3、透明基板8上には透明電極層7が設けられている。透明電極層としては、透明性と導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、ITO(インジウムと錫の複合酸化物)、フッ素あるいはインジウムなどがドープされた酸化スズ膜、ボロンまたはカリウムなどがドープされた酸化亜鉛膜などが好ましい。また、透明電極層7(光の受光側と反対側)は、金、銀、アルミニウム、チタン、インジウムなどの金属膜を用いてもよい。なお、透明基板8上に設けられた透明電極層7は対向電極と呼ぶ。また、半導体層を設ける透明基板2側が太陽光の受光面になる。
Examples of the transparent substrate 2 and the transparent substrate 8 include substrates having optical transparency and insulating properties such as a glass substrate and a plastic substrate. Examples of the plastic substrate include plastic films such as polymethyl methacrylate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene sulfide, polyethersulfone, polyolefin, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, and triacetyl cellulose. In view of direct contact with sunlight, a material having light resistance and heat resistance is preferable from the viewpoint of environment and life. In order to efficiently use incident light, an antireflection film or the like may be formed on the side where the semiconductor layer is not stacked. If a plastic substrate is used, the dye-sensitized solar cell can be made flexible. The surface on which the semiconductor electrode layer is formed (on the transparent substrate 2 side) is the sunlight receiving side.
A transparent electrode layer 3 is provided on the transparent substrate 2, and a transparent electrode layer 7 is provided on the transparent substrate 8. The transparent electrode layer is not particularly limited as long as it is a material having transparency and conductivity. However, ITO (complex oxide of indium and tin), tin oxide film doped with fluorine or indium, boron, etc. Alternatively, a zinc oxide film doped with potassium or the like is preferable. The transparent electrode layer 7 (the side opposite to the light receiving side) may be a metal film such as gold, silver, aluminum, titanium, or indium. The transparent electrode layer 7 provided on the transparent substrate 8 is called a counter electrode. Further, the transparent substrate 2 side on which the semiconductor layer is provided becomes a sunlight receiving surface.

また、半導体層は、所定の酸化タングステン粉末(必要に応じ酸化チタン粉末を添加)を樹脂バインダー、必要に応じて溶媒と混合しスラリー化した後、スクリーン印刷法で透明電極層3上に設け、その後、350〜500℃で加熱して乾燥させることにより形成される。   Moreover, the semiconductor layer is provided on the transparent electrode layer 3 by screen printing after slurrying by mixing a predetermined tungsten oxide powder (adding a titanium oxide powder as necessary) with a resin binder and, if necessary, a solvent, Then, it forms by heating at 350-500 degreeC and making it dry.

また、半導体の厚さは1〜40μmであることが好ましい。半導体層の厚さが1μm未満では半導体層を設ける効果が十分得られず、40μmを超えると厚すぎてこれ以上の効果が得られないと共に光が透過が不十分となり、反って発電効率および蓄電効率が低下する恐れがある。好ましくは5〜15μmである。
また、半導体層は、それぞれ酸化物粉末に色素を担持させ、各粉末間を光が透過する必要があることから、半導体層として気孔率20〜60vol%の範囲であることが好ましい。また、これら半導体層はn型半導体層として機能する。
また、半導体層には、それぞれ色素を担持させる。色素としては、前述の通り、電位差(B−A)が0.3eV以上のものを用いる。このような特性を有する色素としては、例えば、ルテニウム・トリス型の遷移金属錯体、ルテニウム−ビス型の遷移金属錯体、オスミウム−トリス型の遷移金属錯体、オスミウム−ビス型の遷移金属錯体、ルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体、フタロシアニン及びポルフィリンなどを挙げることができる。
次に電解質組成物を設ける。半導体層と導電性触媒層を具備する対向電極の間に電解質組成物を挟持する。注入された電解質組成物は半導体層中の空孔(細孔)に保持されるとともに半導体層と対向電極との間に介在する。色素増感太陽電池において、透明基板側から光が入射されると、まず半導体層の表面に担持されている色素が入射光を吸収して励起され、励起した色素が半導体層極へ電子を渡すとともに、電解質組成物にホールを渡すことによって光電変換が行われる。
Moreover, it is preferable that the thickness of a semiconductor is 1-40 micrometers. If the thickness of the semiconductor layer is less than 1 μm, the effect of providing the semiconductor layer cannot be sufficiently obtained. If the thickness exceeds 40 μm, the effect is not obtained because it is too thick, and the light is not sufficiently transmitted. Efficiency may be reduced. Preferably it is 5-15 micrometers.
Moreover, since it is necessary to carry | support a pigment | dye to each oxide powder and to transmit light between each powder, the semiconductor layer has a porosity of 20 to 60 vol% as a semiconductor layer. These semiconductor layers function as n-type semiconductor layers.
In addition, a dye is supported on each semiconductor layer. As described above, a dye having a potential difference (B-A) of 0.3 eV or more is used. Examples of the dye having such characteristics include a ruthenium-tris transition metal complex, a ruthenium-bis transition metal complex, an osmium-tris transition metal complex, an osmium-bis transition metal complex, and a ruthenium- Examples thereof include cis-diaqua-bipyridyl complexes, phthalocyanines, and porphyrins.
Next, an electrolyte composition is provided. An electrolyte composition is sandwiched between a counter electrode having a semiconductor layer and a conductive catalyst layer. The injected electrolyte composition is held in the pores (pores) in the semiconductor layer and interposed between the semiconductor layer and the counter electrode. In a dye-sensitized solar cell, when light is incident from the transparent substrate side, the dye supported on the surface of the semiconductor layer is first excited by absorbing incident light, and the excited dye passes electrons to the semiconductor layer electrode. At the same time, photoelectric conversion is performed by passing holes to the electrolyte composition.

電解質組成物は、可逆的な酸化還元対を含むことが好ましい。可逆的な酸化還元対は、例えば、ヨウ素(I)とヨウ化物との混合物、ヨウ化物、臭化物、ハイドロキノン、およびTCNQ錯体等から供給することができる。特に、ヨウ素とヨウ化物との混合物から供給されるI−とI3−とからなる酸化還元対が好ましい。
上述したような酸化還元対は、後述する色素の酸化電位よりも0.1〜0.6V小さい酸化還元電位を示すことが望ましい。色素の酸化電位よりも0.1〜0.6V小さい酸化還元電位を示す酸化還元対は、例えば、Iのような還元種が、酸化された色素から正孔を受け取ることができる。こうした酸化還元対が電解質中に含有されることによって、半導体層と導電性触媒膜との間の電荷輸送の速度を速くすることができるとともに、開放端電圧を高くすることができる。
また、酸化タングステン粉末の蓄電効果を向上させるためには、Liを含む電解質組成物であることが好ましい。
電解質組成物中は、さらにヨウ化物が含有される。ヨウ化物としては、例えば、アルカリ金属のヨウ化物、有機化合物のヨウ化物、およびヨウ化物の溶融塩等が挙げられる。ヨウ化物の溶融塩としては、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、第4級アンモニウム塩、ピロリジニウム塩、ピラゾリジウム塩、イソチアゾリジニウム塩、およびイソオキサゾリジニウム塩等の複素環含窒素化合物のヨウ化物を使用することができる。
前記ヨウ化物の溶融塩としては、例えば、1,1−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−へキシルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソヘキシル(分岐)イミダゾリウムアイドダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールアイオダイド、1−エチル−3−イソプロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−プロピル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、およびピロリジニウムアイオダイド等を挙げることができる。
The electrolyte composition preferably includes a reversible redox couple. The reversible redox couple can be supplied from, for example, a mixture of iodine (I 2 ) and iodide, iodide, bromide, hydroquinone, TCNQ complex, and the like. In particular, a redox pair consisting of I- and I3- supplied from a mixture of iodine and iodide is preferable.
The redox couple as described above desirably exhibits a redox potential that is 0.1 to 0.6 V smaller than the oxidation potential of the dye described later. In the redox pair showing a redox potential 0.1 to 0.6 V lower than the oxidation potential of the dye, for example, a reducing species such as I can receive holes from the oxidized dye. By including such a redox pair in the electrolyte, the speed of charge transport between the semiconductor layer and the conductive catalyst film can be increased, and the open-circuit voltage can be increased.
Moreover, in order to improve the electrical storage effect of tungsten oxide powder, an electrolyte composition containing Li is preferable.
The electrolyte composition further contains iodide. Examples of iodides include alkali metal iodides, iodides of organic compounds, and molten salts of iodides. Examples of the molten salt of iodide include iodides of heterocyclic nitrogen-containing compounds such as imidazolium salts, pyridinium salts, quaternary ammonium salts, pyrrolidinium salts, pyrazolidium salts, isothiazolidinium salts, and isoxazolidinium salts. Can be used.
Examples of the molten salt of iodide include 1,1-dimethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-pentylimidazolium iodide, and 1-methyl-3. -Isopentylimidazolium iodide, 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-isohexyl (branched) imidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1, Examples include 2-dimethyl-3-propylimidazole iodide, 1-ethyl-3-isopropylimidazolium iodide, 1-propyl-3-propylimidazolium iodide, and pyrrolidinium iodide.

こうしたヨウ化物の溶融塩は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。また、その含有量は、電解液中0.005mol/L以上7mol/L以下程度であることが好ましい。0.005mol/L未満の場合には、効果を充分に得ることが困難となる。一方、7mol/Lを越えると、粘度が高くイオン伝導性が著しく低下するおそれがある。
さらに、本発明における電解質組成物は、ヨウ素を0.01mol/L以上3mol/L以下の範囲で含有していることが好ましい。ヨウ素は、本発明における電解質組成物中でヨウ化物と混合して可逆的な酸化還元対として作用する。したがって、ヨウ素の含有量が0.01mol/L未満の場合には、酸化還元対の酸化体が不足し電荷を充分に輸送することが困難になる。一方、3mol/Lを越えると、溶液の光吸収が増大し、半導体層に効率よく光を与えることができないおそれがある。なお、ヨウ素の含有量は、0.03mol/L以上1.0mol/L以下であることがより好ましい。
Such a molten salt of iodide can be used alone or in combination of two or more. Moreover, it is preferable that the content is about 0.005 mol / L or more and 7 mol / L or less in electrolyte solution. In the case of less than 0.005 mol / L, it is difficult to obtain sufficient effects. On the other hand, if it exceeds 7 mol / L, the viscosity is high and the ionic conductivity may be significantly reduced.
Furthermore, the electrolyte composition in the present invention preferably contains iodine in a range of 0.01 mol / L to 3 mol / L. Iodine is mixed with iodide in the electrolyte composition of the present invention and acts as a reversible redox pair. Therefore, when the content of iodine is less than 0.01 mol / L, the oxidized form of the redox couple is insufficient and it becomes difficult to sufficiently transport charges. On the other hand, if it exceeds 3 mol / L, the light absorption of the solution increases, and there is a possibility that light cannot be efficiently applied to the semiconductor layer. The iodine content is more preferably 0.03 mol / L or more and 1.0 mol / L or less.

本発明における電解質組成物は、液体状およびゲル状のいずれであってもよく、有機溶媒を含有することができる。有機溶媒を含有することによって、電解質組成物の粘度をよりいっそう低下させることができるため、半導体電極へ浸透されやすくなる。使用することができる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)などの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、およびジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルなどが挙げられる。さらに、テトラヒドロフラン、および2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;ジメトキシエタン、およびジエトキシエタンなどの鎖状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、グルタロニトリル、およびメトキシプロピオニトリルなどの弐トリル系溶剤などが挙げられる。
こうした有機溶媒は、単独であるいは2種以上の混合物として用いることができる。有機溶媒の含有量は、特に限定されないが電解質組成物中80重量%以下にすることが好ましく、0重量%以上30重量%以下にすることがより好ましい。
The electrolyte composition in the present invention may be either liquid or gel and can contain an organic solvent. By containing the organic solvent, the viscosity of the electrolyte composition can be further reduced, so that it can easily penetrate into the semiconductor electrode. Examples of the organic solvent that can be used include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC); chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate; γ-butyrolactone, acetonitrile, Examples include methyl propionate and ethyl propionate. Furthermore, cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; chain ethers such as dimethoxyethane and diethoxyethane; 弐 tolyl solvents such as acetonitrile, propionitrile, glutaronitrile, and methoxypropionitrile Can be mentioned.
These organic solvents can be used alone or as a mixture of two or more. The content of the organic solvent is not particularly limited, but is preferably 80% by weight or less, and more preferably 0% by weight or more and 30% by weight or less in the electrolyte composition.

また、透明基板9には透明電極層7と導電性触媒層6が設けられている。透明電極層7の材質は前述の通りである。また、導電性触媒層6は、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、カーボンなどが挙げられる。電解質組成物に対する耐久性を考慮すると白金が好ましい。
また、色素増感太陽電池1は、透明基板2および透明基板8の間をスペーサ9によって間隔を一定に保持し、電解質組成部が漏れないようにすることができる。スペーサは、樹脂やシリカ等の絶縁性無機物などが挙げられる。また、樹脂スペーサは、電解質組成物への耐久性のある樹脂が好ましく、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好ましい。また、液漏れ(電解質組成物漏れ)防止のために、スペーサとは別に樹脂封止することが好ましい。
The transparent substrate 9 is provided with a transparent electrode layer 7 and a conductive catalyst layer 6. The material of the transparent electrode layer 7 is as described above. Examples of the conductive catalyst layer 6 include platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), and carbon. In view of durability against the electrolyte composition, platinum is preferable.
Further, the dye-sensitized solar cell 1 can maintain a constant distance between the transparent substrate 2 and the transparent substrate 8 by the spacer 9 so that the electrolyte composition portion does not leak. Examples of the spacer include an insulating inorganic material such as resin and silica. The resin spacer is preferably a resin that is durable to the electrolyte composition, and is preferably an epoxy resin, an acrylic resin, or the like. Further, in order to prevent liquid leakage (electrolyte composition leakage), it is preferable to seal the resin separately from the spacer.

以上のような色素増感太陽電池は、発電効率に優れ、その上で蓄電効果を有している。蓄電効果とは、太陽光を感受して太陽光発電していたとき、その後、太陽光を遮断して暗所にしたとしても、しばらく発電が継続される機能を示す。例えば、照度12000Lx(ルクス)の光量を照射したときの発電量を100とし、その後、光を遮断して暗所にしたとしても数秒間〜数分間は30〜70の電力量を維持することができる。太陽光の光を遮断したとしても発電量が垂直的にゼロにはならず、一定期間一定量の発電量が維持されるのである。なお、一般的な太陽光の晴れの照度は10万Lxである。12000Lxで効果が得られるということは、光源として太陽光に限られず、一般電球であっても十分機能することを意味する。そのため、本発明の色素増感太陽電池は屋外および室内のどちらでも使用可能である。図2に蓄電効果の一例を示した。図から分かるように従来の色素増感太陽電池は光照射を止めると点線矢印に示したように垂直的に発電量がゼロになっていた。本発明の色素増感太陽電池は蓄電効果を有しているので、光照射を止めたとしてもしばらくは発電能力が維持され、すぐには発電量がゼロにはならないのである。
また、蓄電機能を利用することにより、太陽光の照度(光量)が瞬間的に低下したとしても発電を維持できる。そのため、天気予報で予測できない、短時間の天候変化が起きたとしても発電力を維持できる。その結果、電力負荷機器への電力供給を安定的に行うことができる。また、仮に曇りの時間が蓄電効果を示す時間よりも長くなる場合は、蓄電効果を示している間に、予め電力会社が供給する商用電源等の予備電源に切り替えることも可能である。このような方式によれば、色素増感太陽電池の発電をできるだけ利用することができ、商用電源等の予備電源の使用をできるだけ低減することができる。そのため、従来の太陽電池と比べて省エネ効果が向上される。
また、予備電源とは、電力会社の商用電力系統、蓄電池からの電力、自家発電装置(コジェネを含む)などの太陽光発電以外の電気系統が挙げられる。また、電力負荷機器は、パソコン、テレビ、録画機、冷蔵庫、洗濯機などの家庭やオフィス用の各種家電機器、CTなどの各種医療機器、電気炉やエレベータなどの各種工業機器などの電気を使用して稼働する設備などを示すものである。
The dye-sensitized solar cell as described above is excellent in power generation efficiency and has a storage effect. The power storage effect indicates a function in which power generation is continued for a while even when the solar power is sensed and solar power is generated, and then the light is cut off and darkened. For example, the amount of power generated when irradiating a light amount of 12000 Lx (lux) is set to 100, and then the power amount of 30 to 70 can be maintained for several seconds to several minutes even if the light is cut off to make it dark. it can. Even if the sunlight is cut off, the power generation amount does not become zero vertically, and a constant amount of power generation is maintained for a certain period. In addition, the normal sunlight illuminance is 100,000 Lx. The fact that the effect can be obtained at 12000 Lx means that the light source is not limited to sunlight, and even a general light bulb functions sufficiently. Therefore, the dye-sensitized solar cell of the present invention can be used both outdoors and indoors. FIG. 2 shows an example of the storage effect. As can be seen from the figure, in the conventional dye-sensitized solar cell, when the light irradiation was stopped, the power generation amount was zero vertically as indicated by the dotted arrow. Since the dye-sensitized solar cell of the present invention has a power storage effect, even if light irradiation is stopped, the power generation capability is maintained for a while, and the power generation amount does not become zero immediately.
Further, by using the power storage function, power generation can be maintained even if the illuminance (light quantity) of sunlight is momentarily reduced. Therefore, even if the weather changes for a short time that cannot be predicted by the weather forecast, the power generation can be maintained. As a result, it is possible to stably supply power to the power load device. In addition, if the cloudy time is longer than the time during which the power storage effect is exhibited, it is possible to switch to a standby power source such as a commercial power source supplied in advance by the electric power company while the power storage effect is exhibited. According to such a system, the power generation of the dye-sensitized solar cell can be utilized as much as possible, and the use of a standby power source such as a commercial power source can be reduced as much as possible. Therefore, the energy saving effect is improved as compared with the conventional solar cell.
In addition, the standby power source includes an electric power system other than solar power generation such as a commercial power system of an electric power company, power from a storage battery, and a private power generation device (including cogeneration). Electricity load equipment uses electricity from home and office appliances such as personal computers, televisions, recorders, refrigerators and washing machines, various medical equipment such as CT, and various industrial equipment such as electric furnaces and elevators. It shows the equipment that operates in the same way.

(実施例)
(実施例1)
酸化タングステン粉末(WO、平均粒径30nm)を水に10wt%分散させたスラリーを作製し、このスラリーを透明電極層(ITO膜)を片面に被覆したガラス基板上(厚み1.1mm、表面抵抗5Ω/□)の導電膜面にスプレー法により塗布し、450℃×30分(昇温速度10℃/min)焼成し、酸化タングステン粉末からなる多孔質半導体層(粉末層の厚み5μm)を形成した。この操作を繰り返し、膜厚15μmの酸化タングステン半導体層を作製した(電極面積14cm)。
作製した半導体層(電極)を色素溶液に室温で24時間浸漬することで光電極を作製した。色素溶液はN719(シグマアルドリッチ製)0.3mMをアセトニトリル、t-ブチルアルコールの混合溶媒(体積比1:1)に溶かしたものを使用した。
ここで、実施例1で使用した酸化タングステン粉末のコンダクションバンドのエネルギー電位Aは4.5(eV)、色素のLUMOのエネルギー電位Bは3.8(eV)であり、電位差(B−A)は0.7eVである。
また、対向電極には透明導電膜付きガラス基板上に白金を80nm厚スパッタしたものを使用した。膜厚60μmのスペーサー樹脂を電解質組成物注入口を4箇所あけるように、光電極の周囲を囲むように配置し、110℃に加熱した対向電極を張り合わせた。電解質組成物注入口から電解液をシリンジで注入し、注入口をUV硬化性の樹脂で封止した。電解質組成物はアセトニトリル溶媒中に、ヨウ化リチウム0.5M、ヨウ素0.05M、t−ブチルピリジン0.58M、EtMeIm(CN) (1−ethyl−3−methylimidazolium dicyanamide)0.6Mを溶解させたものを使用した。これにより実施例1にかかる色素増感太陽電池を作製した。
作製した色素増感太陽電池を750Ωの抵抗と接続し、光照射時と光遮断時における電流の変化を測定した。光源には昼白色相当のLED電球(東芝ライテック製、LEL−AW8N、8.7W)を使用した。暗所で23秒静置後、光照射(照度12000Lx)を27秒行い0.04mA/cmの出力を得た。次に、光を遮断して暗所とした。光遮断後、電流値は徐々に減少し電流値が0mA/cmとなるまでの放電容量を求めたところ7379μC/cmであった。
(実施例2)
酸化タングステン粉末の平均粒径を10nmにした以外は実施例1と同様のものをもちいた。
(比較例1)
半導体層として、平均粒径50nmの酸化チタン粉末を使った厚さ20μmの半導体層一層構造とした以外は実施例1と同様のものを比較例1にかかる色素増感太陽電池とした。
実施例2および比較例1にかかる色素増感太陽電池に関して、実施例1と同様の方法により蓄電効果を調べた。その結果を表1に示す。
(Example)
Example 1
A slurry in which tungsten oxide powder (WO 3 , average particle size 30 nm) is dispersed in water at 10 wt% is prepared, and this slurry is coated on a glass substrate (thickness 1.1 mm, surface) with a transparent electrode layer (ITO film) on one side. A conductive film having a resistance of 5Ω / □ is applied by a spray method and fired at 450 ° C. for 30 minutes (heating rate: 10 ° C./min) to form a porous semiconductor layer (powder layer thickness 5 μm) made of tungsten oxide powder. Formed. This operation was repeated to produce a tungsten oxide semiconductor layer having a thickness of 15 μm (electrode area: 14 cm 2 ).
The produced semiconductor layer (electrode) was immersed in a dye solution at room temperature for 24 hours to produce a photoelectrode. The dye solution used was N719 (Sigma Aldrich) 0.3 mM dissolved in a mixed solvent of acetonitrile and t-butyl alcohol (volume ratio 1: 1).
Here, the energy potential A of the conduction band of the tungsten oxide powder used in Example 1 is 4.5 (eV), the energy potential B of the LUMO of the dye is 3.8 (eV), and the potential difference (B−A ) Is 0.7 eV.
The counter electrode was a glass substrate with a transparent conductive film obtained by sputtering platinum with a thickness of 80 nm. A spacer resin having a film thickness of 60 μm was arranged so as to surround the periphery of the photoelectrode so that four electrolyte composition injection holes were opened, and a counter electrode heated to 110 ° C. was bonded thereto. The electrolyte solution was injected from the electrolyte composition injection port with a syringe, and the injection port was sealed with a UV curable resin. The electrolyte composition was prepared by dissolving 0.5M lithium iodide, 0.05M iodine, 0.58M t-butylpyridine, and 0.6M EtMeIm (CN) 2 (1-ethyl-3-methylimidazolium amide) 0.6M in acetonitrile solvent. Used. Thereby, the dye-sensitized solar cell concerning Example 1 was produced.
The produced dye-sensitized solar cell was connected to a resistor of 750Ω, and the change in current during light irradiation and light interruption was measured. As a light source, an LED bulb equivalent to daylight white (manufactured by Toshiba Lighting & Technology, LEL-AW8N, 8.7 W) was used. After leaving still in the dark for 23 seconds, light irradiation (illuminance 12000 Lx) was performed for 27 seconds to obtain an output of 0.04 mA / cm 2 . Next, the light was blocked to make a dark place. After light interruption, the current value gradually decreased, and the discharge capacity until the current value reached 0 mA / cm 2 was determined to be 7379 μC / cm 2 .
(Example 2)
The same thing as Example 1 was used except having made the average particle diameter of tungsten oxide powder into 10 nm.
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 1 was used as the semiconductor layer except that the semiconductor layer had a single-layer structure of 20 μm thick using titanium oxide powder having an average particle diameter of 50 nm.
Regarding the dye-sensitized solar cells according to Example 2 and Comparative Example 1, the power storage effect was examined by the same method as in Example 1. The results are shown in Table 1.

Figure 2012252872
Figure 2012252872

表から分かる通り、本実施例にかかる色素増感太陽電池は蓄電効果が優れていることが分かった。   As can be seen from the table, the dye-sensitized solar cell according to this example was found to have an excellent power storage effect.

1…色素増感太陽電池
2…透明基板
3…透明電極層
4…半導体層
5…電解質組成物
6…導電性触媒層
7…透明電極層(対向電極)
8…透明基板
9…スペーサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dye-sensitized solar cell 2 ... Transparent substrate 3 ... Transparent electrode layer 4 ... Semiconductor layer 5 ... Electrolyte composition 6 ... Conductive catalyst layer 7 ... Transparent electrode layer (counter electrode)
8 ... Transparent substrate 9 ... Spacer

Claims (5)

平均粒径548nm以下の酸化タングステン粉末と色素を具備する半導体層を有する色素増感太陽電池において、
酸化タングステン粉末のコンダクションバンドのエネルギー電位をA(eV)、色素のLUMOのエネルギー電位をB(eV)としたとき、電位差(B−A)が0.3(eV)以上であることを特徴とする色素増感太陽電池。
In a dye-sensitized solar cell having a semiconductor layer having a tungsten oxide powder having an average particle size of 548 nm or less and a dye,
When the energy potential of the conduction band of tungsten oxide powder is A (eV) and the energy potential of LUMO of the dye is B (eV), the potential difference (BA) is 0.3 (eV) or more. A dye-sensitized solar cell.
酸化タングステン粉末は、WO2.0〜3.3の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感太陽電池用電極。 2. The dye-sensitized solar cell electrode according to claim 1, wherein the tungsten oxide powder is within a range of WO 2.0 to 3.3 . 3. 酸化タングステン粉末は平均粒径が1〜100nmであることを特徴とする請求項1ないし請求項2のいずれか1項に記載の色素増感太陽電池。 The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 2, wherein the tungsten oxide powder has an average particle size of 1 to 100 nm. 半導体層中に平均粒径500nm以下の酸化チタン粉末が含有されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の色素増感太陽電池。 The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor layer contains titanium oxide powder having an average particle diameter of 500 nm or less. 半導体層は平均粒径500nm以下の酸化チタン粉末層との2層構造を有することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の色素増感太陽電池。 The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor layer has a two-layer structure including a titanium oxide powder layer having an average particle size of 500 nm or less.
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