JP2012517084A - 色素増感太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
色素増感太陽電池(DSSC)は、1991年にO’ReganおよびGratzelによって開発された(O’Regan B.およびGratzel M.(著)、「Nature」誌353号(1991年)の737〜740頁)。これは低コストの材料で製造され、製造にあたって複雑な設備を必要としない。シリコンが提供する2つの機能は分離される:半導体の大部分は電荷輸送のために用いられ、光電子は別の感光性色素から生じる。本電池は、図1に示すサンドイッチ構造であり、通常、以下の手順で製造される。
(a)透明なプレート(1)(通常はガラス製)を設置する;
(b)当該プレートを、透明な導電性酸化物(TCO)(2)でコーティングする。TCOにはスズ酸化物を添加するのが好ましい;
(c)コーティング後のガラスプレートのTCO側に金属酸化物(3)(通常は二酸化チタン)のペーストを塗布する;
(d)1時間以上にわたって、プレートを約450〜500度の温度に加熱する;
(e)コーティングしたプレートを処理(d)の後、約24時間にわたって色素溶液に浸し、色素を二酸化チタンの表面に共有結合させる(4);
(f)TCOでコーティングされた透明なプレートをもう1枚、さらにプラチナ(5)でコーティングしてから設置する;
(g)2枚のガラスプレートを封止してから、両プレート間に電解質溶液(6)を導入することで、2枚の導電性プレートの間に色素染色した金属酸化物と電解質とを閉じ込め、電解質の漏出を防止する。
また、DSSCの大きな不都合として、二酸化チタンのナノ粒子を色素で染めるのに長時間を要する:太陽電池に使用する場合、二酸化チタンの層を色素染色するには12〜24時間かかる。また、DSSCの別の主要な問題として電解質溶液がある:流動電解質の漏出を防ぐために、電池を念入りに封止しなければならない。
また、本発明は、色素増感太陽電池の製造に要する時間の短縮を目的とする。
さらに、本発明は、太陽電池パネルの製造を目的とする。
さらに加えて、本発明は、複数の色素を用いて金属酸化物の感度を高めることで装置のスペクトル反応を高め、可能な限り広い電磁スペクトルにわたるようにすること、を目的とする。
(a)金属酸化物ナノ粒子の表面に色素を化学吸着させるステップ。
(b)溶液で金属酸化物ナノ粒子の表面に色素を分散させるステップ。
(c)多孔性金属酸化物薄膜に色素を浸透させるステップ。
(a)導電性基材から作られた第1の電極を設置する。
(b)前記基材の導電面上に金属酸化物ナノ粒子のペーストの層を1以上塗布する。
(c)コーティングした基材について、塗布した金属酸化物ペーストの層の各々を対象に熱処置を施す。
(d)第2の電極(対電極)を設置する。当該第2の電極は、透明な基材を透明な導電性酸化物でコーティングした上に、プラチナまたはカーボンでコーティングして作られる。
(e)オプションの処理として、処理(b)において金属酸化物でコーティングされた第1の電極を、1以上の色素を含んだ溶液で予備的に色素染色することで(pre-dying)、金属酸化物の表面に前記色素を共有結合させる。
(f)少なくとも2つの孔を第1および第2の電極の両方または一方に設け、さらに、接着剤または熱可塑性重合体を用いて前記2つの電極を封止して一体化する。
(g)上記の予備的な色素染色と同じ1以上の色素を含んだ1種類以上の溶液を、共吸着剤と共に電極の孔から注入し、前記色素を金属酸化物の表面に共有結合させる。
(h)電極の孔から電解質を注入する。
(i)接着剤または熱可塑性重合体で電極の孔を閉じる。
(j)電子伝達のために2つの電極の間に外部接続を設ける。
なお、オプションとして、1または複数の色素は、真空状態において、封止された電極の間に導入されてもよい。
色素増感太陽電池に当たる光は、金属酸化物の側から当たる場合(通常照明)と、その反対側から当たる場合(逆照明)とがある。通常照明の効率は逆照明の効率の約2倍であるが、それが選択できるのは、第1の電極が透明でガラスまたは透明な重合体から製造されている場合だけである。
本発明による好適な実施の形態では、第1または第2の電極に2つの穿孔が穿たれる。一方は色素、共吸着剤そして電解質を注入するためのものであり、もう一方は、余剰生成物が生じた場合に、これを放出するためのものである。わずかに圧力を加えて液体を注入し、金属酸化物ペーストと第2の電極と間の中空のスペース(図1に(6)で示すもの)を緩やかに満たす。
(I) 酸化還元対と電流キャリアとを含んだ液体ニトリル溶媒
(II) 酸化還元対と電流キャリアとを含んだゲル電解質
(III)固体の導電性電解質
最も一般的な電解質は、ヨウ化物/3ヨウ化物の酸化還元電解質をニトリル系溶媒に入れたものである。ここで使用できる電解質としては、さらに、イミダゾリウム派生物などのイオン性液体、L−バリンなどのゲル電解質、OMeTAD -2,2',7,7'-tetrakis (N,N-di-p-methoxyphenyl-amine) 9,9'-spirobifluorene、Cul、CuSCNなどの固体の電解質が挙げられる。
本発明はまた、本方法によって得られる色素増感太陽電池を提供する。当該太陽電池の特徴は、金属酸化物が、酸素および/または二酸化炭素および/または他の大気ガスによる汚染を受けない、という点である。
本発明はさらに、本発明によって製造される個別の太陽電池を全体的または部分的に含んだ色素増感太陽電池パネルを提供する。
(a)基材から成る可動ロールまたは可動シート(好ましくはロール)の形で第1の電極を設置する。
(b)金属酸化物でコーティングした第1のローラまたは第1のディスペンサを設置し、基材の中央部分に継続的に前記金属酸化物をプリントする。
(c)プリントした金属酸化物を熱処置によって焼結した後、冷却する。
(d)シーラントでコーティングした第2のローラまたは第2のディスペンサを設置し、基材の両面のうち金属酸化物ペーストが存在する側の面において、前記金属酸化物ペーストの両側に前記シーラントを塗布する。第2の電極を、透明な基材から成る可動ローラまたは可動シートの形で設置する。当該第2の電極は設置以前に、透明な導電性酸化物とプラチナまたはカーボンとでコーティングされており、さらに、孔が穿たれて穿孔が形成されている。
(e)オプションとして、色素溶液を塗布することで金属酸化物を予備色素染色し、(d)の処理の第1の電極と(d)の処理の第2の電極とを一体化し、圧力および/または熱を加えて前記2つの電極を封止する。
(f)第2の電極に設けた穿孔の中に色素および共吸着剤を注入する。
(g)第2の電極に設けられた穿孔から電解質を注入する。そのタイミングは、(f)の処理の色素および共吸着剤の注入と同時、あるいは、色素の注入後遅くとも10分以内であるが、色素と同時に注入するのが好ましい。
(h)第2の電極の穿孔を封止する。
(i)前記色素増感太陽電池のロールまたはシートはいったん保存され、その後、取り出され切断されて、切れ目のないロールの状態の色素増感太陽電池から個別の太陽電池とされたうえで保存され、後に取り出される。
色素、共吸着剤そして電解質を孔から注入する際の速度は、第1の電極にコーティングされた金属酸化物に緩やかに吸収されて、15分未満で色素染色が実現されるように、慎重に選定される。温度を上げれば色素染色時間を短縮することができるが、共吸着剤の蒸発を防ぐために、温度は室温から最高でも70℃までの範囲に限定される。
例
以下の例における電流電圧特性は、AM1.5照度(illumination)(100mW cm−2または1 Sun)をシミュレートして測定した。
比較例
サンドイッチ型DSC電池装置は、図1で示す構造で製造される。作用光電極は、フッ素スズ酸化物でコーティングしたガラスの上に、6〜18μmの厚みを有した不透明/透明なチタニアの薄膜を設けて製造したものであって、8〜15Ω/cm2の抵抗を有し、作用面積は0.72〜1.0cm2である。TiO2薄膜の作用電極は、450℃の温度で30分間加熱されて、その後、100℃まで冷却させた上で色素溶液に浸した。
(実施例1)
アセトニトリルとtert-ブタノールとの1:1混合物に0.016mg/lの割合でN719色素を加えたものを2ml、5分間かけて電池に注入した。その結果、チタニア薄膜による色素取り込みは0.105mgとなった。これにより、3.1%の電池効率と0.53の曲線因子とが得られた。本実施例において、電解質の追加は、色素の追加から5分以内に行われた。
(実施例2)
アセトニトリルとtert-ブタノールとの1:1混合物に0.016mg/lの割合でN719色素を加えたものを2ml、10分間かけて電池に注入したが、その際、プロセスの補助の目的で、さらに真空とした。その結果、チタニア薄膜による色素取り込みは0.076mgとなった。これにより、3.7%の電池効率と0.54の曲線因子とが得られた。本実施例において、電解質の添加は、色素の添加から5分以内に行われた。
Claims (14)
- 色素増感太陽電池の製造方法であって、
(a)導電性基材から作られた第1の電極を設置する処理と、
(b)前記基材の導電面上に金属酸化物ナノ粒子のペーストの層を1以上塗布する処理と、
(c)コーティングした基材について、塗布した金属酸化物ペーストの層の各々を対象に熱処置を施す処理と、
(d)透明な基材を透明な導電性酸化物でコーティングした上にプラチナまたはカーボンでコーティングして作られた第2の電極、すなわち対電極を設置する処理と、
(e)オプションとして、処理(b)において金属酸化物でコーティングされた第1の電極を、1以上の色素を含んだ溶液で予備的に色素染色することで、金属酸化物の表面に前記色素を共有結合させる処理と、
(f)少なくとも2つの穿孔を第1および第2の電極の両方または一方に穿ち、さらに、接着剤または熱可塑性重合体を用いて前記2つの電極を封止して一体化する処理と、
(g)上記の予備的な色素染色と同じ1以上の色素を含んだ1種類以上の溶液を、共吸着剤と共に電極の孔から注入し、前記色素を金属酸化物の表面に共有結合させる処理と、
(h)電極の孔から電解質を注入する処理と、
(i)接着剤または熱可塑性重合体で電極の孔を閉じる処理と、
(j)電子伝達のために2つの電極の間に外部接続を設ける処理と、から成り、
色素染色が、封止された電極の間で、10〜70℃の温度において、色素の後10分以内に電解質が加えられるという手順で実行され、前記色素染色は15分以内で完了されること、
を特徴とする製造方法。 - (i)(a)の処理の代わりに、基材の可動ロールまたは可動シートの形で第1の電極を設置する処理を行い、基材は可動ロールの形とするのが好ましいこと、
(ii)(b)の処理の代わりに、金属酸化物でコーティングした第1のローラまたは第1のディスペンサを設置し、基材の中央部分に継続的に前記金属酸化物をプリントする処理を行うこと、
(iii)(c)の処理の代わりに、プリントした金属酸化物を熱処置によって焼結した後、冷却する処理を行うこと、
(iv)(d)、(e)、(f)の処理の代わりに、
予め透明な導電性酸化物とプラチナまたはカーボンとでコーティングされており、さらに、孔が穿たれて穿孔が形成されている透明な基材から成る可動ローラまたは可動シートの形で第2の電極を設置する処理と、(iii)の処理の第1の電極と(iv)の処理の第2の電極とを一体化し、圧力および/または熱を加えて前記2つの電極を封止する処理とを行い、前記可動ローラまたは可動シートはシーラントでコーティングされているか、基材にシーラントを塗布する第2のディスペンサによってシーラントが設けられ、シーラントは、基材の両面のうち金属酸化物ペーストが存在する側の面において、前記金属酸化物ペーストの両側に位置すること、そして、
(v)(g)の処理の代わりに、第2の電極に設けた穿孔から色素および共吸着剤を注入する処理を行うこと、
(vi)(g)の処理の代わりに、(v)の色素および共吸着剤の注入処理と同時、あるいは、色素の後注入処理後の遅くとも10分以内に、第2の電極に設けられた穿孔から電解質を注入する処理を行い、電解質注入のタイミングは色素の注入と同時とするのが好ましいこと、
(vii)(h)の処理の代わりに、第2の電極の穿孔を封止する処理を行うこと、そして、
前記色素増感太陽電池のロールまたはシートはいったん保存され、その後、取り出され切断されて、切れ目のないロールの状態の色素増感太陽電池から個別の太陽電池とされたうえで保存され、後に取り出されること、
を特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 導電性基材は、導電性酸化物でコーティングされたガラスまたは重合体のプレートであって透明であることが好ましく、さらには、フッ素を添加したスズ酸化物でコーティングするのがより好ましいこと、
を特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。 - 導電性基材は金属プレートであり、当該金属は、鋼、アルミニウム、チタン、または、金属酸化物でコーティングされた金属から選択されること、
を特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。 - 熱処置は、300℃から600℃の温度で1時間以上実行されること、
を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の製造方法。 - 前記(b)の処理または前記(ii)の処理における金属酸化物ペーストは、二酸化チタンのナノ粒子から製造されること、
を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の製造方法。 - 第2の電極は、ガラスまたは重合体から製造された透明なプレートであり、透明なフッ素添加スズ酸化物でコーティングされており、さらに加えてプラチナでもコーティングされていること、
を特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の製造方法。 - 電解質は、1または複数の色素と同時に、または、1または複数の色素の後10分以内に、孔から電極の中に注入されるか(inject)、送り込まれる(pump)こと、
を特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の製造方法 - 電解質は、酸化還元対と電流キャリアとを含んだ液体ニトリル溶媒、または、酸化還元対と電流キャリアとを含んだゲル電解質、または、固体の導電性重合体から選択されること、
を特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の製造方法 - 1以上の色素は、可視光を吸収すること、および、前記化合物の1つの励起状態から金属酸化物の伝導帯に電子を注入することが可能であり、さらに、電解質中の酸化還元対によって還元することが可能である、という1以上の化合物から選択され、
ルテニウムビピリジル錯体色素、クマリン色素、フタロシアニン色素、スクアライン(squaraines)色素、インドリン(indolines)色素、またはトリアリールアミン色素から選択されること、
を特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の製造方法 - 共吸着剤として、第3ブチルピリジン、pH緩衝剤、ケノデオキシコール酸のうち1以上が選択されること、
を特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の製造方法 - 色素増感太陽電池の電磁スペクトルにおける光吸収度を高めるために、複数回の色素染色を施すこと、
を特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の製造方法 - 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の製造方法で製造され、金属酸化物が、酸素、二酸化炭素、その他の大気ガスのうちの1以上による汚染を受けないこと、を特徴とする色素増感太陽電池。
- 同一の色または複数の異なる色の、請求項13に記載の色素増感太陽電池を全体的または部分的に含む太陽電池パネル。
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