JP2013016369A - Manufacturing method of anode for dye-sensitized solar cell and manufacturing method of dye-sensitized solar cell - Google Patents

Manufacturing method of anode for dye-sensitized solar cell and manufacturing method of dye-sensitized solar cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an anode and a dye-sensitized solar cell using the same, having high conversion efficiency and excellent in practicability when used as the dye-sensitized solar cell as well as capable of easily manufacturing a back contact electrode at a low price.SOLUTION: The anode for the dye-sensitized solar cell is obtained by performing following steps: a porous semiconductor layer is formed on a transparent substrate by using a spray coating method; the back contact electrode is formed on the porous semiconductor layer by using a physical vapor growth method; dye is adsorbed on the porous semiconductor layer. The dye-sensitized solar cell is obtained by laminating cathodes on the anodes and filling electrolyte.

Description

本発明は、製造コストが安価でかつ色素増感太陽電池に用いるときに高い光電変換効率を有する色素増感太陽電池用アノードの製造方法およびこのアノードを備える色素増感太陽電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell having a low photoelectric cost and high photoelectric conversion efficiency when used in a dye-sensitized solar cell, and a method for producing a dye-sensitized solar cell provided with the anode.

色素増感太陽電池は、湿式太陽電池あるいはグレッツェル電池等と呼ばれ、シリコン半導体を用いることなくヨウ素溶液に代表される電気化学的なセル構造を持つ点に特徴がある。具体的には、透明な導電性ガラス板(透明導電膜を積層した透明基板:アノード基板)に二酸化チタン粉末等を焼付け、これに色素を吸着させて形成したチタニア層等の多孔質半導体層(多孔質酸化物半導体層)と導電性ガラス板(導電性基板:カソード基板)からなる対極の間に電解液としてヨウ素溶液等を配置した、簡易な構造を有する。透明な導電性ガラス板の側から色素増感太陽電池セル内に導入される太陽光が色素に吸収されることで電子が発生する。
色素増感太陽電池は、材料が安価であり、作製に大掛かりな設備を必要としないことから、低コストの太陽電池として注目されている。一方、色素増感太陽電池は、シリコン太陽電池等と比べると光電変換効率(以下、単に変換効率ということがある。)が低いという問題を抱えている。
The dye-sensitized solar cell is called a wet solar cell or a Gretzel battery, and is characterized in that it has an electrochemical cell structure typified by an iodine solution without using a silicon semiconductor. Specifically, a porous semiconductor layer (such as a titania layer) formed by baking a titanium dioxide powder or the like on a transparent conductive glass plate (a transparent substrate having a transparent conductive film laminated thereon: an anode substrate) and adsorbing a dye thereto. It has a simple structure in which an iodine solution or the like is disposed as an electrolytic solution between a counter electrode composed of a porous oxide semiconductor layer) and a conductive glass plate (conductive substrate: cathode substrate). Electrons are generated by the absorption of sunlight into the dye-sensitized solar cell from the transparent conductive glass plate side.
Dye-sensitized solar cells are attracting attention as low-cost solar cells because they are inexpensive and do not require large-scale equipment for production. On the other hand, the dye-sensitized solar cell has a problem that the photoelectric conversion efficiency (hereinafter, sometimes simply referred to as conversion efficiency) is lower than that of a silicon solar cell or the like.

色素増感太陽電池のより一層の低コスト化及び変換効率の向上に向けて、種々の観点から検討がなされている。   Studies have been made from various viewpoints toward further cost reduction and improvement in conversion efficiency of dye-sensitized solar cells.

色素増感太陽電池の低コスト化の観点から、高価な透明導電膜を省略することが検討されている。
透明導電膜を省略する方法の一つとして、ガラス表面にある透明導電膜の代わりに導電性金属からなる配線を施すことが挙げられる。しかし、この場合、入射光の一部は金属配線部分に遮られることとなり、効率の低下を伴う。
From the viewpoint of cost reduction of the dye-sensitized solar cell, it has been studied to omit an expensive transparent conductive film.
One method for omitting the transparent conductive film is to provide a wiring made of a conductive metal instead of the transparent conductive film on the glass surface. However, in this case, a part of the incident light is blocked by the metal wiring part, resulting in a decrease in efficiency.

この点を改善するものとして、例えば、光照射側となる透明導電膜を持たない透明基板に色素担持半導体層を形成し、色素担持半導体層のうえに有孔集電電極を配置する変換素子が開示されている(特許文献1参照)。有孔集電電極(バックコンタクト電極ともいう。)は網目状または格子状の構造であり、基板への多孔質半導体の塗布膜上にこの集電電極を載置して500℃で30分焼成するものとされている。この技術によれば、入射光が透明導電膜や上記の金属配線部分等で遮られることがない。   In order to improve this point, for example, there is a conversion element in which a dye-carrying semiconductor layer is formed on a transparent substrate that does not have a transparent conductive film on the light irradiation side, and a perforated current collecting electrode is disposed on the dye-carrying semiconductor layer. It is disclosed (see Patent Document 1). A perforated current collecting electrode (also called a back contact electrode) has a network or lattice structure, and this current collecting electrode is placed on a porous semiconductor coating film on a substrate and baked at 500 ° C. for 30 minutes. It is supposed to be. According to this technique, incident light is not blocked by the transparent conductive film, the metal wiring portion, or the like.

また、例えば、集電電極をライン状、メッシュ状または多孔状とする変換装置が開示されている(特許文献2参照)。なお、特許文献2には、集電電極を多孔状とすることについて、具体的な多孔構造およびその多孔構造の作り方等については記載がない。   Further, for example, a conversion device in which the collecting electrode is formed in a line shape, a mesh shape, or a porous shape is disclosed (see Patent Document 2). In addition, in patent document 2, there is no description about making a current collection electrode porous about the concrete porous structure, the method of making the porous structure, etc.

また、本発明者等は、集電電極を、貫通孔を有する金属多孔体からなり、金属多孔体の多数の孔が等方的に連通している導電性金属層で形成する技術を提案している(特許文献3参照)。多孔質の導電性金属膜は、例えば、市販のTi金属微細分焼結体からなる多孔質Tiシートを好適に用いることができる。この技術によれば、電解質が導電性金属層を介して均一かつ良好に多孔質半導体層に通液され、高い変換効率が得られる。   In addition, the present inventors have proposed a technique in which the current collecting electrode is formed of a conductive metal layer made of a metal porous body having through holes, and a large number of holes of the metal porous body are in isotropic communication. (See Patent Document 3). As the porous conductive metal film, for example, a porous Ti sheet made of a commercially available Ti metal finely divided sintered body can be suitably used. According to this technique, the electrolyte is uniformly and satisfactorily passed through the porous semiconductor layer through the conductive metal layer, and high conversion efficiency is obtained.

また、本発明者等は、加熱等により除去可能な形状異方性を有する微粒子(犠牲粒子)と多孔質半導体粒子の混合層を多孔質半導体層上に形成した後、混合層の表面に導電性金属膜を例えばスパッタ法により形成し、加熱等により微粒子を消失させることで、多孔質の導電性金属膜(集電電極)を得る技術を提案している(特許文献4参照)。この技術によれば、電解質の通液性をより確実に確保することができる多孔質の導電性金属膜を容易に得ることができる。   In addition, the present inventors have formed a mixed layer of fine particles having a shape anisotropy (sacrificial particles) and porous semiconductor particles that can be removed by heating or the like on the porous semiconductor layer, and then conductive on the surface of the mixed layer. For example, a technique has been proposed in which a porous conductive metal film (collecting electrode) is obtained by forming a conductive metal film by, for example, sputtering and eliminating fine particles by heating or the like (see Patent Document 4). According to this technique, it is possible to easily obtain a porous conductive metal film that can ensure the liquid permeability of the electrolyte more reliably.

また、本発明者等は、色素が担持された酸化チタンからなる光起電層(上記の多孔質半導体層に相当)の内部にポーラスチタン層を集電電極として配置する技術を提案している(特許文献5参照)。ポーラスチタン層は、高速フレーム溶射法やコールドスプレー法を用いて形成することで、面積に制約を受けずに容易かつ安価に作製することができる。このとき、ポーラスチタン層は、高速フレーム溶射で形成された酸化チタン層の上に設ける。これにより、容易かつ安価にポーラスチタン層を得ることができ、電池構造がより簡易で製造コストを大幅に削減することができる色素増感太陽電池を得ることができる。   The present inventors have also proposed a technique in which a porous titanium layer is disposed as a collecting electrode inside a photovoltaic layer (corresponding to the porous semiconductor layer) made of titanium oxide carrying a dye. (See Patent Document 5). By forming the porous titanium layer using a high-speed flame spraying method or a cold spray method, the porous titanium layer can be easily and inexpensively manufactured without being restricted by the area. At this time, the porous titanium layer is provided on the titanium oxide layer formed by high-speed flame spraying. Thereby, a porous titanium layer can be obtained easily and inexpensively, and a dye-sensitized solar cell can be obtained in which the battery structure is simpler and the manufacturing cost can be greatly reduced.

なお、色素増感太陽電池の作製に上記の高速フレーム溶射法を用いる技術について、本発明者等は、高速フレーム溶射法を用いて透明導電膜層の上面に引っかき強度が鉛筆硬度3H以上を有する金属酸化物の微粒子群からなる層(上記の多孔質半導体層に相当)を形成する技術を提案している(特許文献6参照)。この技術によれば、金属酸化物の微粒子群からなる層と透明導電膜が設けられた基板の高い密着強度を得ることができ、高い変換効率を有する色素増感太陽電池を得ることができる。
この場合、金属酸化物の微粒子群からなる層の研磨または研磨と積層を繰り返すことにより、変換効率のより優れた色素増感太陽電池用の電極部材を得ることができる。
In addition, about the technique which uses said high-speed flame spraying method for preparation of a dye-sensitized solar cell, the present inventors use the high-speed flame spraying method, and scratch strength has pencil hardness of 3H or more on the upper surface of a transparent conductive film layer. A technique for forming a layer (corresponding to the porous semiconductor layer) composed of a group of metal oxide fine particles is proposed (see Patent Document 6). According to this technique, it is possible to obtain a high adhesion strength between a layer comprising a metal oxide fine particle group and a substrate provided with a transparent conductive film, and to obtain a dye-sensitized solar cell having high conversion efficiency.
In this case, an electrode member for a dye-sensitized solar cell with higher conversion efficiency can be obtained by repeating polishing or polishing and lamination of a layer composed of metal oxide fine particle groups.

特開2001−283941号公報JP 2001-283941 A 特開2007−200559号公報JP 2007-200559 A 国際公開2010/150461パンフレットInternational Publication 2010/150461 Pamphlet 国際公開2010/109785パンフレットInternational Publication 2010/109785 Pamphlet 特開2010−33902号公報JP 2010-33902 A 特開2007−265648号公報JP 2007-265648 A

解決しようとする問題点は、バックコンタクト電極を容易かつ安価に製造することができるとともに、高い変換効率を有する色素増感太陽電池として未だ実用性に優れるものが得られていない点である。   The problem to be solved is that a back contact electrode can be easily and inexpensively manufactured, and a dye-sensitized solar cell having high conversion efficiency has not yet been obtained with excellent practicality.

本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、
溶射法を用いて透明基板上に多孔質半導体層を形成する多孔質半導体層形成工程と、
該多孔質半導体層上に物理的気相成長法を用いてバックコンタクト電極を形成するバックコンタクト電極形成工程と、
該多孔質半導体層に色素を吸着する色素吸着工程と、
を有することを特徴とする。
The method for producing a dye-sensitized solar cell anode according to the present invention includes:
A porous semiconductor layer forming step of forming a porous semiconductor layer on a transparent substrate using a thermal spraying method;
A back contact electrode forming step of forming a back contact electrode on the porous semiconductor layer using physical vapor deposition;
A dye adsorption step for adsorbing the dye to the porous semiconductor layer;
It is characterized by having.

また、本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、好ましくは、前記多孔質半導体層形成工程において、多孔質半導体層の表面粗さを50nm以上に形成することを特徴とする。   Moreover, the method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to the present invention is preferably characterized in that, in the porous semiconductor layer forming step, the surface roughness of the porous semiconductor layer is formed to 50 nm or more.

また、本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、好ましくは、前記多孔質半導体層形成工程において、多孔質半導体層の材料として酸化チタン微粒子を用いることを特徴とする。   In addition, the method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to the present invention is preferably characterized in that titanium oxide fine particles are used as a material for the porous semiconductor layer in the porous semiconductor layer forming step.

また、本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、好ましくは、前記バックコンタクト電極形成工程において、バックコンタクト電極の厚みを0.3−1μmに形成することを特徴とする。   Moreover, the manufacturing method of the anode for dye-sensitized solar cells according to the present invention is preferably characterized in that, in the back contact electrode forming step, the thickness of the back contact electrode is 0.3-1 μm.

また、本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、好ましくは、前記バックコンタクト電極形成工程において、物理的気相成長法としてスパッタを用い、スパッタ粒子としてチタン、タングステンまたはニッケルを用いることを特徴とする。   In the method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to the present invention, preferably, sputtering is used as the physical vapor deposition method and titanium, tungsten, or nickel is used as the sputtered particles in the back contact electrode forming step. It is characterized by that.

また、本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、好ましくは、スパッタ粒子としてチタンを用いることを特徴とする。   The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to the present invention is preferably characterized in that titanium is used as sputtered particles.

また、本発明に係る色素増感太陽電池の製造方法は、上記の色素増感太陽電池用アノードの製造方法により形成されるアノードにカソードを積層し、電解質を充填することを特徴とする。   Moreover, the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention is characterized in that a cathode is laminated on an anode formed by the above-described method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell, and an electrolyte is filled.

本発明に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、溶射法を用いて透明基板上に多孔質半導体層を形成し、多孔質半導体層上に物理的気相成長法を用いてバックコンタクト電極を形成するため、アノードのバックコンタクト電極を容易かつ安価に製造することができ、また、このアノードを用いて、バックコンタクト電極の電解質通液性と導電性に優れることで高い光電変換効率を有する色素増感太陽電池を得ることができる。   The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to the present invention includes forming a porous semiconductor layer on a transparent substrate using a thermal spraying method, and back contact using a physical vapor deposition method on the porous semiconductor layer. Since the electrode is formed, the anode back contact electrode can be manufactured easily and inexpensively, and the use of this anode enables high photoelectric conversion efficiency due to the excellent electrolyte permeability and conductivity of the back contact electrode. A dye-sensitized solar cell can be obtained.

図1は各種の成膜法で形成した多孔質半導体層の表面粗さとこれらの多孔質半導体層を備える電池の変換効率の関係を示す図である。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the surface roughness of a porous semiconductor layer formed by various film forming methods and the conversion efficiency of a battery including these porous semiconductor layers.

本発明の実施の形態(以下、本実施の形態例という。)について、以下に説明する。   An embodiment of the present invention (hereinafter referred to as this embodiment) will be described below.

まず、本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法について説明する。
本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法は、溶射法を用いて透明基板上に多孔質半導体層を形成する多孔質半導体層形成工程と、多孔質半導体層上に物理的気相成長法(Physical Vapor Deposition)を用いてバックコンタクト電極を形成するバックコンタクト電極形成工程と、多孔質半導体層に色素を吸着する色素吸着工程と、を有する。
ここで、バックコンタクト電極は、有孔集電電極と同義であり、多孔質半導体層の透明基板とは反対側、すなわち、アノードを備える電池セルを製作したときの多孔質半導体層のカソード側に設ける電極をいう。
First, the manufacturing method of the anode for dye-sensitized solar cells which concerns on the 1st example of this Embodiment is demonstrated.
A method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to a first example of the present embodiment includes a porous semiconductor layer forming step of forming a porous semiconductor layer on a transparent substrate using a thermal spraying method, and a porous semiconductor A back contact electrode forming step of forming a back contact electrode on the layer using a physical vapor deposition method; and a dye adsorption step of adsorbing the dye to the porous semiconductor layer.
Here, the back contact electrode is synonymous with the perforated current collecting electrode, and is on the opposite side of the porous semiconductor layer from the transparent substrate, that is, on the cathode side of the porous semiconductor layer when the battery cell including the anode is manufactured. An electrode to be provided.

多孔質半導体層形成工程において、用いる透明基板の材料は透明なガラスであると、溶射法を用いて透明基板上に多孔質半導体層を形成する際に透明基板に加わりうる熱に対して高い耐熱性を有するため、好適である。但し、これに限らず、適度の耐熱性を有する透明樹脂であってもよい。透明樹脂を用いる場合、屈曲性を有する樹脂板を用いると、屈曲性を有するアノード、さらには屈曲性を有する色素増感太陽電池を得ることができて、好適である。   In the porous semiconductor layer forming step, if the material of the transparent substrate to be used is transparent glass, it has high heat resistance against the heat that can be applied to the transparent substrate when the porous semiconductor layer is formed on the transparent substrate using a thermal spraying method. Therefore, it is preferable. However, the present invention is not limited to this, and a transparent resin having appropriate heat resistance may be used. In the case of using a transparent resin, it is preferable to use a flexible resin plate because a flexible anode and further a dye-sensitized solar cell having flexibility can be obtained.

多孔質半導体層形成工程において、用いる半導体の材料は、例えば、チタン、スズ、ジルコニウム、亜鉛、インジウム、タングステン、鉄、ニッケルあるいは銀等の金属の酸化物を挙げることができる。このうち、耐久性の観点からは、酸化チタンがより好適である。半導体の材料は、酸化チタン等の純物質に限らず適宜の量の他の金属酸化物を含んでいてもよい。
半導体の材料は、これらの金属酸化物の微粒子を用いる。微粒子は、多孔質半導体層の緻密さと多孔性をバランスよく両立させる観点からは、平均径が例えば10〜50nm程度であることが好適である。
Examples of the semiconductor material used in the porous semiconductor layer forming step include metal oxides such as titanium, tin, zirconium, zinc, indium, tungsten, iron, nickel, and silver. Of these, titanium oxide is more preferable from the viewpoint of durability. The material of the semiconductor is not limited to a pure substance such as titanium oxide, and may include an appropriate amount of another metal oxide.
As the semiconductor material, fine particles of these metal oxides are used. The fine particles preferably have an average diameter of, for example, about 10 to 50 nm from the viewpoint of balancing the denseness and porosity of the porous semiconductor layer in a balanced manner.

多孔質半導体層形成工程において、上記のように、溶射法を用いて透明基板上に多孔質半導体層を形成する。
溶射法は、高速フレーム溶射(HVOF)、コールドスプレー、フレーム溶射、爆発溶射(Dガン)、電気式溶射を用いることができる、その中でも高速フレーム溶射とコールドスプレーが好適であり、さらにまた高速フレーム溶射がより好適である。
透明基板上に、例えば酸化チタンからなる多孔質半導体層を高速フレーム溶射で形成する場合、白灯油等の燃料を、酸素と空気を混合した燃焼支援ガスと共に燃焼室で燃焼して高速フレームを発生させ、燃焼室と直結した噴射ノズル内で霧化した酸化チタン粒子のスラリーと高速フレームを混合し酸化チタン粒子の表層部を部分的に溶融させながら高速フレームの流れで搬送して、高速フレームの流れに対して垂直に配置された透明基板に堆積させる。
高速フレーム溶射法で形成した多孔質半導体層は、例えば400〜600℃程度の温度で加熱、焼成することが、酸化チタン粒子同士の結合を高めて緻密に出来、良好な電子の移動性を得ることができて好適である。
In the porous semiconductor layer forming step, as described above, the porous semiconductor layer is formed on the transparent substrate using the thermal spraying method.
As the thermal spraying method, high-speed flame spraying (HVOF), cold spray, flame spraying, explosive spraying (D gun), and electric spraying can be used. Among them, high-speed flame spraying and cold spraying are preferable, and high-speed flame spraying is also possible. Thermal spraying is more preferred.
When a porous semiconductor layer made of, for example, titanium oxide is formed on a transparent substrate by high-speed flame spraying, a high-speed flame is generated by burning a fuel such as white kerosene in a combustion chamber together with a combustion support gas mixed with oxygen and air. The high-speed flame is mixed with the slurry of the titanium oxide particles atomized in the injection nozzle directly connected to the combustion chamber and the high-speed flame is mixed while partially melting the surface layer of the titanium oxide particles. Deposit on a transparent substrate placed perpendicular to the flow.
The porous semiconductor layer formed by the high-speed flame spraying method can be heated and fired at a temperature of about 400 to 600 ° C., for example, to increase the bonding between the titanium oxide particles and to obtain good electron mobility. This is preferable.

高速フレーム溶射法の場合、噴射ノズルの先端から100mmの距離における高速フレームの温度は1500℃以下、好ましくは1000℃以下とすることが好ましい。また、噴射ノズルから噴射される高速フレームの速度は、噴射ノズルの先端で500m/s以上であることが好適である。これを下回る速度の場合には、堆積した酸化チタン粒子間に十分な密着強度を得ることができず、電池性能を低下させる原因となるおそれがある。噴射ノズルと透明基板との距離は、噴射ノズルの先端から100〜500mmであることが好適であるが、温度条件等によって変動する。また、酸化チタン粒子のスラリーに用いる分散媒は、特に限定されるものではなく、例えば、水あるいは水と有機溶媒との混合液であってもよい。スラリー中の酸化チタンの含有率は特に限定されるものではないが、効率的な堆積速度が実現でき、かつ噴射ノズルに閉塞が生じないようにするためには、5〜50質量%であることが好適である。
溶射条件が、例えば、酸素流量が1900立方フィート、灯油の流量が3ガロン/時、空気の混合比率が50%、噴射ノズルの先端と表側透明基板の距離が170mm、噴射ノズルの移動速度が1000mm/sであると、多孔質半導体層の表面粗さを50nm以上に好適に形成することができる。多孔質半導体層の表面粗さは、多孔質半導体層を原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope 略称AFM)で測定して得る。
AFMは、JEOL社製 製品番号:JSPM-5200を用いる。測定方式はタッピングモード(Tapping Mode Veeco社の登録商標)を用い、振動させた探針が試料表面を跳ねるように上下に動き、上下方向への変位を計測することで表面状態を測定する。探針の走査幅は2.0μm×2.0μmとする。表面粗さは、JIS B0601−2001で規定される算術平均粗さRaである。
酸化チタン(アエロジル社製 品番P25)を材料として多孔質半導体層を高速フレーム溶射法で形成したもの(本実施の形態例 図1中、グループ1)、同じく酸化チタン(アエロジル社製 品番P25)を材料として多孔質半導体層を塗布法で形成したもの(図1中、グループ2)、同じく酸化チタン(アエロジル社製 品番P25)を材料として多孔質半導体層をスプレー法で形成したもの(図1中、グループ3)および酸化チタン(Dペースト ソーラロニクス社製 商品名Ti−Nanoxide D)を材料として多孔質半導体層を塗布法で形成したもの(図1中、グループ4)について、多孔質半導体層の表面粗さ(図1ではrouhnessと表示)と多孔質半導体層を備える電池の変換効率(図1ではEfficiencyと表示)の関係を図1に示し、また、各数値をまとめて表1に示す。表1中、電池の変換効率は各グループのn=2〜3のセル(電池)の平均値を示す。なお、酸化チタンの平均粒径はいずれも約20nmであり、多孔質半導体層の厚みはいずれも約8μmである。電池に用いるアノードは、各成膜法で形成した多孔質半導体層にスパッタでいずれも約0.35μmの厚みのバックコンタクト電極を形成した。
本実施の形態例のもの(グループ1)は、他の例(グループ2〜4)に比べて多孔質半導体層の表面粗さが50nm以上と大きく、これを用いて調製した色素増感太陽電池用アノードを組み込んだ電池(電池セル)の変換効率が5%以上と非常に大きいことが分かる。なお、グループ4の電池で発電できなかった理由は、Dペースト表面の粗さが著しく小さいためにバックコンタクト電極に適切な開口を形成することができず、バックコンタクト電極を介しての電解質の流通が阻害されたことによるものと思われる。
In the case of the high-speed flame spraying method, the temperature of the high-speed flame at a distance of 100 mm from the tip of the injection nozzle is preferably 1500 ° C. or less, preferably 1000 ° C. or less. The speed of the high-speed frame ejected from the ejection nozzle is preferably 500 m / s or more at the tip of the ejection nozzle. When the speed is lower than this, sufficient adhesion strength cannot be obtained between the deposited titanium oxide particles, which may cause a decrease in battery performance. The distance between the spray nozzle and the transparent substrate is preferably 100 to 500 mm from the tip of the spray nozzle, but varies depending on temperature conditions and the like. Moreover, the dispersion medium used for the slurry of titanium oxide particles is not particularly limited, and may be, for example, water or a mixed liquid of water and an organic solvent. The content of titanium oxide in the slurry is not particularly limited, but is 5 to 50% by mass in order to achieve an efficient deposition rate and prevent the injection nozzle from clogging. Is preferred.
The spraying conditions are, for example, an oxygen flow rate of 1900 cubic feet, a kerosene flow rate of 3 gallons / hour, an air mixing ratio of 50%, a distance between the tip of the injection nozzle and the front transparent substrate of 170 mm, and a movement speed of the injection nozzle of 1000 mm When it is / s, the surface roughness of the porous semiconductor layer can be suitably formed to 50 nm or more. The surface roughness of the porous semiconductor layer is obtained by measuring the porous semiconductor layer with an atomic force microscope (abbreviated as AFM).
AFM uses product number: JSPM-5200 manufactured by JEOL. The measurement method uses a tapping mode (registered trademark of Tapping Mode Veeco), and the surface state is measured by measuring the displacement in the vertical direction by moving the oscillated probe up and down so as to jump on the sample surface. The scanning width of the probe is 2.0 μm × 2.0 μm. The surface roughness is an arithmetic average roughness Ra defined by JIS B0601-2001.
A porous semiconductor layer formed by high-speed flame spraying using titanium oxide (product number P25 manufactured by Aerosil Co., Ltd.) as a material (group 1 in FIG. 1 in this embodiment), and titanium oxide (product number P25 manufactured by Aerosil Co., Ltd.) are also used. A porous semiconductor layer formed by a coating method as a material (group 2 in FIG. 1), and a porous semiconductor layer formed by a spray method using titanium oxide (product number P25 manufactured by Aerosil) as a material (in FIG. 1) , Group 3) and titanium oxide (trade name Ti-Nanoxide D, manufactured by D paste Solaronics Co., Ltd.) and a porous semiconductor layer formed by a coating method (Group 4 in FIG. 1) Surface roughness (indicated as “roughness” in FIG. 1) and conversion efficiency of a battery having a porous semiconductor layer (indicated as “Efficiency” in FIG. 1) It shows the relationship in FIG. 1, also shown in Table 1 collectively each number. In Table 1, the conversion efficiency of a battery shows the average value of n = 2 to 3 cells (batteries) in each group. Note that the average particle diameter of titanium oxide is about 20 nm, and the thickness of the porous semiconductor layer is about 8 μm. For the anode used in the battery, a back contact electrode having a thickness of about 0.35 μm was formed on the porous semiconductor layer formed by each film forming method by sputtering.
In the present embodiment example (Group 1), the surface roughness of the porous semiconductor layer is as large as 50 nm or more as compared with the other examples (Groups 2 to 4), and a dye-sensitized solar cell prepared using the same It can be seen that the conversion efficiency of the battery (battery cell) incorporating the anode for the battery is as high as 5% or more. The reason why the batteries of Group 4 could not generate electricity was that the surface of the D paste was remarkably small, so that an appropriate opening could not be formed in the back contact electrode, and the electrolyte flowed through the back contact electrode. This is probably due to the inhibition.

Figure 2013016369
Figure 2013016369

形成する多孔質半導体層の厚みは、特に限定するものではないが、高い変換効率を得る観点からは、例えば10〜40μm程度であることが好適である。バックコンタクト電極を介して多孔質半導体層内を電子が容易に移動し、また、バックコンタクト電極から電解質への電荷移動抵抗が大きく、逆電子移動が起こりにくいため、多孔質半導体層の厚みを通常よりも大きくすることができる。多孔質半導体層の厚みが10μmよりも極端に小さくすると、多孔質半導体層の機能が十分発揮できず、変換効率が低下するおそれがある。一方、多孔質半導体層の厚みを40μmよりも極端に大きくすると、電子拡散長が多孔質半導体層の厚み寸法を超えてしまい、それ以上多孔質半導体層の厚みを厚くしても効果がなく、逆に開放電圧が低下し、変換効率が低下するおそれがある。   Although the thickness of the porous semiconductor layer to form is not specifically limited, From a viewpoint of obtaining high conversion efficiency, it is suitable that it is about 10-40 micrometers, for example. Electrons easily move in the porous semiconductor layer via the back contact electrode, and the charge transfer resistance from the back contact electrode to the electrolyte is large, so that reverse electron transfer is unlikely to occur. Can be larger. If the thickness of the porous semiconductor layer is extremely smaller than 10 μm, the function of the porous semiconductor layer cannot be sufficiently exhibited, and conversion efficiency may be reduced. On the other hand, if the thickness of the porous semiconductor layer is extremely larger than 40 μm, the electron diffusion length exceeds the thickness dimension of the porous semiconductor layer, and there is no effect even if the thickness of the porous semiconductor layer is further increased, On the contrary, the open circuit voltage may be reduced, and the conversion efficiency may be reduced.

バックコンタクト電極成形成工程において、バックコンタクト電極(集電電極)の材料は、適度の導電性を有するものである限り、適宜の金属を選定して用いることができる。ここで、金属とは、金属単体のみでなく、金属酸化物等の金属化合物や合金を含む。バックコンタクト電極は、金属の表面を緻密な酸化物半導体、例えばチタニアにより被覆したものであってもよい。
但し、ヨウ素等の酸化還元体を含む電解質によるバックコンタクト電極の腐食を確実に防ぐ観点からは、耐食性金属を用いることが好適である。
耐食性金属としては、タングステン、チタンもしくはニッケルまたはこれらの混合物、あるいはこれらの金属化合物を好適に用いることができる。このうち、耐食性および変換効率の観点からはチタンがより好適である。
In the back contact electrode formation step, an appropriate metal can be selected and used as a material for the back contact electrode (collecting electrode) as long as it has appropriate conductivity. Here, the metal includes not only a single metal but also a metal compound such as a metal oxide or an alloy. The back contact electrode may have a metal surface covered with a dense oxide semiconductor such as titania.
However, it is preferable to use a corrosion-resistant metal from the viewpoint of reliably preventing the back contact electrode from being corroded by an electrolyte containing a redox material such as iodine.
As the corrosion resistant metal, tungsten, titanium, nickel, a mixture thereof, or a metal compound thereof can be preferably used. Of these, titanium is more preferable from the viewpoint of corrosion resistance and conversion efficiency.

バックコンタクト電極形成工程において、上記のように、多孔質半導体層上に物理的気相成長法を用いてバックコンタクト電極を形成する。
物理的気相成長法は、スパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着としての抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着及び分子線エピタキシーを用いることができる、その中でもスパッタが好適である。
スパッタは、2極・3極・4極・RF・マグネトロン・対向ターゲット・ミラートロン・ECR・PEMS・イオンビーム・デュアルイオンビーム等の適宜の方法を用いることができる。この中でも、RFマグネトロンスパッタが好適である。
In the back contact electrode formation step, as described above, the back contact electrode is formed on the porous semiconductor layer by using physical vapor deposition.
As the physical vapor deposition method, sputtering, ion plating, resistance heating vapor deposition as vacuum vapor deposition, electron beam vapor deposition, and molecular beam epitaxy can be used. Of these, sputtering is preferable.
For sputtering, an appropriate method such as 2-pole, 3-pole, 4-pole, RF, magnetron, counter target, mirrortron, ECR, PEMS, ion beam, dual ion beam, or the like can be used. Among these, RF magnetron sputtering is preferable.

RFマグネトロンスパッタを用いる場合、例えばアルゴン等の不活性ガスを導入し、2×10-2Pa以下程度の圧力下、バックコンタクト電極を形成するスパッタ電力密度を5.97W/cm2±10%で行うことが好適である。 When RF magnetron sputtering is used, for example, an inert gas such as argon is introduced, and the sputtering power density for forming the back contact electrode is set at 5.97 W / cm 2 ± 10% under a pressure of about 2 × 10 −2 Pa or less. Is preferred.

形成したバックコンタクト電極には外部引き出し電極となる導体が接続される。
なお、バックコンタクト電極にグリッド状等の形状の集電体を併設してもよく、これにより、より好適な集電効率を得ることができる。
A conductor serving as an external lead electrode is connected to the formed back contact electrode.
Note that a current collector having a grid shape or the like may be provided along the back contact electrode, whereby more preferable current collecting efficiency can be obtained.

ここで、スパッタによるバックコンタクト電極の形成を、溶射法により形成した多孔質半導体層の上ではなく、通常用いられる塗布法により形成した多孔質半導体層の上に行うと、バックコンタクト電極の多孔性が不十分となり、色素増感電池を作製した際に、バックコンタクト電極を介した電解質の多孔質半導体層への通液性が阻害されることを確認している。
これは、塗布法により形成した多孔質半導体層の表面粗さが小さく、いわば平坦であるために、バックコンタクト電極の材料が多孔質半導体層の表面に均一に堆積してバックコンタクト電極が緻密に形成され、多孔性が損なわれることによるものと考えられる。これに対して、溶射法により形成した多孔質半導体層は多孔質半導体層の表面粗さが大きいため、バックコンタクト電極の材料が多孔質半導体層の表面に不均一に堆積し、良好な多孔質性を有するバックコンタクト電極が得られるものと考えられる。したがって、多孔質半導体層の表面粗さは50nm以上であることが好適である。多孔質半導体層の表面粗さの上限は特にないが、例えば数百nm以上に粗くすることは製法上煩雑であり、また、上記の効果がさらに増すものでもない。
また、バックコンタクト電極をスパッタに代えて溶射法で形成した場合、多孔質半導体層が削れて消失するおそれがある。溶射法の場合、スパッタに比べてバックコンタクト電極の材料の粒子が多孔質半導体層上に堆積する際の衝突エネルギーが著しく大きいため、衝突エネルギーを軽減させるためチタン粉末の粒子径のコントロールが重要なファクターの一つとなってくる。しかし、チタン粉末の凝集や高温フレーム中でのチタン粒子の結合などによりチタン粒子径のコントロールが困難となり適切な条件を外れるおそれがあることが多孔質半導体層が削れて消失する原因と考えられる。また、多孔質半導体層が削れることがない場合であっても、変換効率の安定性あるいは再現性に欠ける。
Here, when the back contact electrode is formed by sputtering on the porous semiconductor layer formed by a commonly used coating method, not on the porous semiconductor layer formed by spraying, the back contact electrode becomes porous. It has been confirmed that when the dye-sensitized battery is manufactured, the liquid permeability of the electrolyte through the back contact electrode to the porous semiconductor layer is inhibited.
This is because the surface roughness of the porous semiconductor layer formed by the coating method is small, that is, flat, so that the back contact electrode material is uniformly deposited on the surface of the porous semiconductor layer and the back contact electrode is dense. It is thought that this is due to the formation and loss of porosity. On the other hand, the porous semiconductor layer formed by the thermal spraying method has a large surface roughness of the porous semiconductor layer, so that the material of the back contact electrode is deposited unevenly on the surface of the porous semiconductor layer, resulting in a good porous It is considered that a back contact electrode having a property can be obtained. Therefore, the surface roughness of the porous semiconductor layer is preferably 50 nm or more. The upper limit of the surface roughness of the porous semiconductor layer is not particularly limited, but for example, roughening to several hundred nm or more is complicated in terms of the production method, and the above effects are not further increased.
Further, when the back contact electrode is formed by a thermal spraying method instead of sputtering, the porous semiconductor layer may be scraped off and lost. In the case of thermal spraying, the collision energy when the back contact electrode material particles are deposited on the porous semiconductor layer is significantly larger than that of sputtering. Therefore, it is important to control the particle size of the titanium powder to reduce the collision energy. It becomes one of the factors. However, it is considered that the control of the titanium particle diameter becomes difficult due to the aggregation of titanium powder or the binding of titanium particles in a high-temperature frame, which may cause the porous semiconductor layer to be scraped and lost. Even if the porous semiconductor layer is not scraped, the conversion efficiency is not stable or reproducible.

形成するバックコンタクト電極の厚みは、特に限定するものではないが、0.3〜1μm程度であることが好適である。バックコンタクト電極の厚みが0.3μmを大きく下回ると、電極の抵抗が過大となるおそれがあり、一方、1μmを大きく上回ると、電子キャリアであるヨウ素イオンの移動抵抗が過大となってFFが低下するおそれがあり、いずれの場合も変換効率の低下をきたすおそれがある。
バックコンタクト電極の厚みは、DEKTAK 6M(ULVAC社製)によって測定して得る。
DEKTAK 6Mは接触針(stylus)を測定対象物表面にスキャンし、接触針の変位を差動トランスを用いて電気信号として得る。具体的には、ガラス基板上の一部にアノードの製造条件と同一の成膜条件でバックコンタクト電極を形成し、ガラス基板表面からバックコンタクト電極表面へ、さらにガラス基板表面へと接触針が移動することでガラス基板表面(基準面 0点)からバックコンタクト電極表面の凹凸曲線の中心線までの距離をバックコンタクト電極の厚みとする。スキャン条件は、1本のスキャン長さ3000μm、スキャン速度15μm/sec及び接触針の応力1mgであり、これをスキャン線間隔0.050μm/sampleで4回繰り返す。
なお、バックコンタクト電極に代えて多孔質半導体層をガラス基板に形成することで、DEKTAK 6Mを用いて多孔質半導体層の厚みを測定することができる。
The thickness of the back contact electrode to be formed is not particularly limited, but is preferably about 0.3 to 1 μm. If the thickness of the back contact electrode is significantly less than 0.3 μm, the resistance of the electrode may be excessive. On the other hand, if the thickness of the back contact electrode is significantly greater than 1 μm, the movement resistance of iodine ions, which are electron carriers, is excessive and the FF decreases. In either case, the conversion efficiency may be reduced.
The thickness of the back contact electrode is obtained by measuring with DEKTAK 6M (manufactured by ULVAC).
DEKTAK 6M scans the surface of the object to be measured (stylus) and obtains the displacement of the contact needle as an electrical signal using a differential transformer. Specifically, a back contact electrode is formed on a part of the glass substrate under the same deposition conditions as the anode manufacturing conditions, and the contact needle moves from the glass substrate surface to the back contact electrode surface and further to the glass substrate surface. Thus, the distance from the glass substrate surface (reference plane 0 point) to the center line of the concave-convex curve on the back contact electrode surface is defined as the thickness of the back contact electrode. The scan conditions are a scan length of 3000 μm, a scan speed of 15 μm / sec, and a contact needle stress of 1 mg, which are repeated four times at a scan line interval of 0.050 μm / sample.
Note that by forming a porous semiconductor layer on a glass substrate instead of the back contact electrode, the thickness of the porous semiconductor layer can be measured using DEKTAK 6M.

色素吸着工程において、多孔質半導体層に色素を吸着する。色素吸着工程は多孔質半導体層形成工程の直後に行ってもよく、また、バックコンタクト電極成形成工程の後に行ってもよい。   In the dye adsorption step, the dye is adsorbed on the porous semiconductor layer. The dye adsorption step may be performed immediately after the porous semiconductor layer formation step, or may be performed after the back contact electrode formation step.

用いる色素は、400nm〜1000nmの波長に吸収を持つものであり、例えば、ルテニウム色素、フタロシアニン色素などの金属錯体、シアニン色素などの有機色素を挙げることができる。通常用いられる含浸法等の適宜の方法で、色素を多孔質半導体層に吸着する。   The dye to be used has absorption at a wavelength of 400 nm to 1000 nm, and examples thereof include metal complexes such as ruthenium dye and phthalocyanine dye, and organic dyes such as cyanine dye. The dye is adsorbed onto the porous semiconductor layer by an appropriate method such as a commonly used impregnation method.

以上説明した本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法により得られる透明基板、色素を吸着した多孔質半導体層およびバックコンタクト電極で構成されるアノードは、簡易な方法で安価に得られ、また色素増感太陽電池のアノードに用いたときに高い変換効率を得ることができる。   The anode composed of the transparent substrate obtained by the method for manufacturing the anode for a dye-sensitized solar cell according to the first example of the embodiment described above, the porous semiconductor layer adsorbing the dye, and the back contact electrode is simple. And can be obtained at a low cost, and high conversion efficiency can be obtained when used in an anode of a dye-sensitized solar cell.

つぎに、本実施の形態の第二の例に係る色素増感太陽電池の製造方法について説明する。
本実施の形態の第二の例に係る色素増感太陽電池の製造方法は、上記の色素増感太陽電池用アノードの製造方法により形成されるアノードにカソードを積層し、電解質を充填することにより色素増感太陽電池を得る。
Below, the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell which concerns on the 2nd example of this Embodiment is demonstrated.
The method for producing a dye-sensitized solar cell according to the second example of the present embodiment includes stacking a cathode on an anode formed by the method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell and filling an electrolyte. A dye-sensitized solar cell is obtained.

カソードは、透明基板と対向して設けられる、導電膜を備えた基板(導電性基板)である。
基板は、透明基板と同様に、ガラス板であってもよく、また、樹脂板であってもよい。導電膜は、例えば、ITO(スズをドープしたインジウム膜)、FTO(フッ素をドープした酸化スズ膜)、SnO膜等にさらに白金膜を設けたものを適宜の成膜法により基板上に形成する。
The cathode is a substrate (conductive substrate) provided with a conductive film provided to face the transparent substrate.
As with the transparent substrate, the substrate may be a glass plate or a resin plate. The conductive film is formed on the substrate by an appropriate film-forming method, for example, ITO (indium film doped with tin), FTO (tin oxide film doped with fluorine), SnO 2 film, etc., further provided with a platinum film. To do.

アノードにカソードを積層し、電解質をアノードとカソードの間に充填した後、封止することで、色素増感太陽電池を得る。
電解質は、ヨウ素、リチウムイオン、イオン液体、t-ブチルピリジン等を含むものであり、例えばヨウ素の場合、ヨウ化物イオンおよびヨウ素の組み合わせからなる酸化還元体を用いることができる。酸化還元体は、これを溶解可能な適宜の溶媒を含む。
A cathode is laminated on the anode, an electrolyte is filled between the anode and the cathode, and then sealed to obtain a dye-sensitized solar cell.
The electrolyte contains iodine, lithium ions, ionic liquid, t-butylpyridine, and the like. For example, in the case of iodine, an oxidation-reduction body composed of a combination of iodide ions and iodine can be used. The redox form contains an appropriate solvent that can dissolve the redox form.

以上説明した本実施の形態の第二の例に係る色素増感太陽電池の製造方法により得られる色素増感太陽電池は、本実施の形態の第一の例に係る色素増感太陽電池用アノードの製造方法により得られるアノードの効果を好適に得ることができる。   The dye-sensitized solar cell obtained by the method for manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the second example of the present embodiment described above is the anode for a dye-sensitized solar cell according to the first example of the present embodiment. The effect of the anode obtained by this manufacturing method can be suitably obtained.

実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。   The present invention will be further described with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to the Example demonstrated below.

(実施例1 n=3)
厚み3mmのガラス基板(ソーダガラス、セントラル硝子株式会社製)に酸化チタン層(多孔質半導体層 以下同じ)を酸化チタンの高速フレーム溶射で形成した。使用した酸化チタンは、アエロジル社製、品番P25であり、アナターゼが約80%、ルチルが約20%の混合結晶構造を有し、純度99.5%、平均粒子径は20nmであり、搬送段階での凝集を抑制し、供給を安定化させるため、水と混合して濃度が10重量%のスラリーとしており、霧化器を介して霧状として溶射装置の噴射ノズルへ送給した。高速フレーム溶射装置は株式会社フジコー自製品を用いた。
溶射条件は、高速フレーム溶射の燃料として用いた白灯油の流量が3ガロン/時、酸素の流量が1900立方フィート/時、空気混合比率が50%である。また、噴射ノズルの先端と表側透明基板との距離は、噴射ノズルの先端から170mmである。また、噴射ノズルの移動速度は1000mm/秒である。溶射フレームの温度は噴射ノズルの先端から100mmの距離で測温し、フレームの速度は、噴出ノズルの先端での速度を、燃焼温度から計算により求めた。その結果、噴射ノズルの先端から100mmにおける溶射フレームの温度は600℃、溶射フレームの速度は600m/秒であった。DEKTAK 6Mで測定した、形成した酸化チタン層の厚みは8.4μmであった。
450℃で30分焼成した酸化チタン層の上に、スパッタによりポーラスチタン層(バックコンタクト電極 以下同じ)を形成した。使用したチタンは高純度化学社製を用いた。スパッタ装置は芝浦メカトロニクス社製RFマグネトロンスパッタ装置(型番CFS-4EP-LL)を用いた。
DEKTAK 6Mで測定した、形成したポーラスチタン層の厚みは0.345μmであった。また、低抵抗率計(三菱化学社製 型番MCP-T610)で測定したポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□、であった。
ついで、0.05 wt %の色素溶液(N719、ソラロニクス社製 0.3mM in t-BuOH/acetonitrile)に上記の酸化チタン層およびポーラスチタン層を形成したガラス基板を浸漬した(約30時間)。
対極(カソード 以下同じ)には白金スパッタ処理を行ったフッ素ドープ酸化錫ガラス(日本板硝子社製)を使った。酸化チタン層に色素を含浸したガラス基板と対極をPTFE(polytetrafluoroethylene) フィルムで絶縁して接合した。得られたセルの中に、ヨウ素 50mM, LiI 500mM, t-Butylpyridine 580mM 1- propyl -3-methylimidazolium dicyanamide 600mMのアセトニトリル溶液からなる電解液(電解質 以下同じ)を注入して、電池(電池セル)を作製した。なお、電池面積は、以下の他の実施例および比較例においても全て面積0.25cmとした。
作製した太陽電池特性を、ソーラーシミュレータを用いAM1.5、100mW/cmの擬似太陽光を色素増感太陽電池に照射し、測定して評価したところ、4.85%の変換効率を得た。
実施例1の変換効率の結果を、FF(フィルファクタ)、Voc(開放電圧)、Jsc(短絡電流密度)とともに表1に示した(表1中、実施例1−1で示す)。なお、IV特性を評価する際の遅延時間は、以下の他の実施例および比較例を含めて全て100msとした。
上記の条件でさらに2回実験を繰り返し、電池(電池セル)を作製した。
2回目に作製した電池(表1中、実施例1−2で示す)の酸化チタン層およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ8.4μmおよび0.346μmであった。また、ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□、変換効率は5.12%であった。
3回目に作製した電池(表1中、実施例1−3で示す)の酸化チタン層およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ8.6μmおよび0.346μmであった。また、ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□、変換効率は5.17%であった。
(Example 1 n = 3)
A titanium oxide layer (porous semiconductor layer, the same applies hereinafter) was formed on a glass substrate having a thickness of 3 mm (soda glass, manufactured by Central Glass Co., Ltd.) by high-speed flame spraying of titanium oxide. The titanium oxide used was manufactured by Aerosil Co., Ltd., product number P25, having a mixed crystal structure of about 80% anatase and about 20% rutile, purity 99.5%, and average particle size 20 nm. In order to suppress agglomeration and stabilize the supply, the slurry was mixed with water to give a slurry having a concentration of 10% by weight, and was fed as a mist to the spray nozzle of the thermal spraying device via an atomizer. Fujiko's own product was used as the high-speed flame spraying device.
The thermal spraying conditions are as follows: white kerosene used as fuel for high-speed flame spraying has a flow rate of 3 gallons / hour, an oxygen flow rate of 1900 cubic feet / hour, and an air mixing ratio of 50%. The distance between the tip of the spray nozzle and the front transparent substrate is 170 mm from the tip of the spray nozzle. The moving speed of the spray nozzle is 1000 mm / second. The temperature of the thermal spray flame was measured at a distance of 100 mm from the tip of the injection nozzle, and the velocity of the flame was calculated by calculating the velocity at the tip of the jet nozzle from the combustion temperature. As a result, the temperature of the thermal spray frame at 100 mm from the tip of the spray nozzle was 600 ° C., and the speed of the thermal spray frame was 600 m / sec. The thickness of the formed titanium oxide layer measured by DEKTAK 6M was 8.4 μm.
A porous titanium layer (back contact electrode) is formed on the titanium oxide layer baked at 450 ° C. for 30 minutes by sputtering. The titanium used was a high purity chemical company. As the sputtering apparatus, an RF magnetron sputtering apparatus (model number CFS-4EP-LL) manufactured by Shibaura Mechatronics was used.
The thickness of the formed porous titanium layer measured by DEKTAK 6M was 0.345 μm. Further, the sheet resistance value of the porous titanium layer measured by a low resistivity meter (model number MCP-T610, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was 3.11Ω / □.
Next, the glass substrate on which the titanium oxide layer and the porous titanium layer were formed was immersed in a 0.05 wt% dye solution (N719, 0.3 mM int-BuOH / acetonitrile manufactured by Solaronics) (about 30 hours).
For the counter electrode (cathode, the same applies hereinafter), fluorine-doped tin oxide glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) subjected to platinum sputtering was used. The glass substrate impregnated with the dye in the titanium oxide layer and the counter electrode were joined with a PTFE (polytetrafluoroethylene) film. Into the obtained cell, an electrolyte solution (electrolyte is the same hereinafter) consisting of an acetonitrile solution of iodine 50 mM, LiI 500 mM, t-Butylpyridine 580 mM 1-propyl-3-methylimidazolium dicyanamide 600 mM, and a battery (battery cell) was prepared. Produced. The battery area was also set to 0.25 cm 2 in all of the following other examples and comparative examples.
The prepared solar cell characteristics, by irradiating the dye-sensitized solar cell artificial sunlight of AM 1.5, 100 mW / cm 2 using a solar simulator was evaluated by measuring to obtain a conversion efficiency of 4.85% .
The conversion efficiency results of Example 1 are shown in Table 1 together with FF (fill factor), Voc (open circuit voltage), and Jsc (short circuit current density) (shown as Example 1-1 in Table 1). The delay time for evaluating the IV characteristics was 100 ms, including the following other examples and comparative examples.
The experiment was further repeated twice under the above conditions to produce a battery (battery cell).
The thicknesses of the titanium oxide layer and the porous titanium layer of the battery fabricated in the second time (shown in Example 1-2 in Table 1) were 8.4 μm and 0.346 μm, respectively. Further, the sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □, and the conversion efficiency was 5.12%.
The thickness of the titanium oxide layer and the porous titanium layer of the battery fabricated in the third time (shown in Example 1-3 in Table 1) was 8.6 μm and 0.346 μm, respectively. The sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □, and the conversion efficiency was 5.17%.

(比較例1 n=3)
実施例1のガラス基板に代えて透明導電膜基板(日本板ガラス社製 lowEガラス)を用い、また、実施例1の酸化チタン層に代えて8.9μmの厚みに塗布したチタニアペースト(自製P25)を用い、また、ポーラスチタン層を省いたほかは、実施例1と同様の方法で電池を作製し、評価した。酸化チタン(チタニアペースト)層の厚みは8.6μmであった。また、変換効率は4.53%であった。結果をまとめて表1に示す(表1中、比較例1−1で示す)。
上記の条件でさらに2回実験を繰り返し、電池(電池セル)を作製した。
2回目に作製した電池(表1中、比較例1−2で示す)の酸化チタン層の厚みは8.8μmであった。また、変換効率は4.59%であった。
3回目に作製した電池(表1中、比較例1−3で示す)の酸化チタン層の厚みは8.9μmであった。また、変換効率は4.73%であった。
(Comparative Example 1 n = 3)
Instead of the glass substrate of Example 1, a transparent conductive film substrate (lowE glass manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) was used, and instead of the titanium oxide layer of Example 1, titania paste (self-made P25) applied to a thickness of 8.9 μm was used. A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the porous titanium layer was omitted. The thickness of the titanium oxide (titania paste) layer was 8.6 μm. The conversion efficiency was 4.53%. The results are collectively shown in Table 1 (shown as Comparative Example 1-1 in Table 1).
The experiment was further repeated twice under the above conditions to produce a battery (battery cell).
The thickness of the titanium oxide layer of the battery fabricated for the second time (shown as Comparative Example 1-2 in Table 1) was 8.8 μm. The conversion efficiency was 4.59%.
The thickness of the titanium oxide layer of the battery manufactured for the third time (shown as Comparative Example 1-3 in Table 1) was 8.9 μm. The conversion efficiency was 4.73%.

(比較例2 n=2)
実施例1の酸化チタン層に代えて比較例1のチタニアペースト塗布層を用いたほかは、実施例1と同様の方法で電池を作製し、評価した。酸化チタン層(チタニアペースト塗布層)およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ9.0μmおよび0.346μmであった。また、ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□であった。変換効率は3.85%であった。結果をまとめて表1に示す(表1中、比較例2−1で示す)。
上記の条件でさらに実験を繰り返し、電池(電池セル)を作製した。
2回目に作製した電池(表1中、比較例2−2で示す)の酸化チタン層およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ9.0μmおよび0.346μmであった。また、ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□であった。変換効率は4.42%であった。
(Comparative Example 2 n = 2)
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the titania paste coating layer in Comparative Example 1 was used instead of the titanium oxide layer in Example 1. The thicknesses of the titanium oxide layer (titania paste coating layer) and the porous titanium layer were 9.0 μm and 0.346 μm, respectively. The sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □. The conversion efficiency was 3.85%. The results are collectively shown in Table 1 (shown as Comparative Example 2-1 in Table 1).
The experiment was further repeated under the above conditions to produce a battery (battery cell).
The thickness of the titanium oxide layer and the porous titanium layer of the battery fabricated in the second time (shown as Comparative Example 2-2 in Table 1) was 9.0 μm and 0.346 μm, respectively. The sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □. The conversion efficiency was 4.42%.

(比較例3 n=3)
実施例1の高速フレーム溶射で形成した酸化チタン層に代えてスプレーで形成した酸化チタン層を用いたほかは、実施例1と同様の方法で電池を作製し、評価した。酸化チタン層およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ8.5μmおよび0.346μmであった。ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□であった。
スプレーは、スプレー塗布装置(ワイディーメカトロソリューションズ社製、型番STS−200)を用い、圧縮ガスとして窒素を用い、15l/minの流量のスプレー条件で行った。
作製した電池の変換効率は3.76%であった。結果をまとめて表1に示す(表1中、比較例3−1で示す)。
上記の条件でさらに2回実験を繰り返し、電池(電池セル)を作製した。
2回目に作製した電池(表1中、比較例3−2で示す)の酸化チタン層およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ8.6μmおよび0.346μmであった。ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□であった。変換効率は3.56%であった。
3回目に作製した電池(表1中、比較例3−3で示す)の酸化チタン層およびポーラスチタン層の厚みは、それぞれ8.0μmおよび0.346μmであった。ポーラスチタン層のシート抵抗値は3.11Ω/□であった。変換効率は3.34%であった。
(Comparative Example 3 n = 3)
A battery was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a titanium oxide layer formed by spraying was used instead of the titanium oxide layer formed by high-speed flame spraying in Example 1. The thicknesses of the titanium oxide layer and the porous titanium layer were 8.5 μm and 0.346 μm, respectively. The sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □.
The spraying was performed using a spray coating apparatus (manufactured by WIDMEC MATTRO SOLUTIONS, model number STS-200), using nitrogen as the compressed gas, and spraying conditions of a flow rate of 15 l / min.
The conversion efficiency of the produced battery was 3.76%. The results are summarized in Table 1 (shown as Comparative Example 3-1 in Table 1).
The experiment was further repeated twice under the above conditions to produce a battery (battery cell).
The thickness of the titanium oxide layer and the porous titanium layer of the battery fabricated in the second time (shown as Comparative Example 3-2 in Table 1) was 8.6 μm and 0.346 μm, respectively. The sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □. The conversion efficiency was 3.56%.
The thickness of the titanium oxide layer and the porous titanium layer of the battery fabricated in the third time (shown as Comparative Example 3-3 in Table 1) was 8.0 μm and 0.346 μm, respectively. The sheet resistance value of the porous titanium layer was 3.11Ω / □. The conversion efficiency was 3.34%.

(比較例4 n=3)
酸化チタン層を実施例1と異なる以下の条件で形成し、ポーラスチタン層を以下の条件で高速フレーム溶射で形成することを試みた。
酸化チタン層は、蒸留水に20wt%の平均粒径0.020μmの二酸化チタン粉末を分散させた酸化チタンを、酸素流量が1800立方フィート、灯油の流量が3ガロン/時、空気の混合比率が50%、噴射ノズルの先端と表側透明基板の距離が170mm、噴射ノズルの移動速度が1000mm/sの条件で溶射した。ポーラスチタン層は平均粒子径22μmのチタン粉体を、酸素流量が1500立方フィート、灯油の流量が3ガロン/時、空気の混合比率が50%、噴射ノズルの先端と表側透明基板の距離が400mm、噴射ノズルの移動速度が1000mm/sの条件で溶射した。このとき、チタンの溶射の際に、酸化チタン層が大きく削れてしまったため、その後の作業を中断し、電池は作製しなかった。結果を表1に示す(表1中、比較例4−1で示す)。
チタンの溶射の際に、酸化チタン層が大きく削れてしまった原因は、粒子径の大きなチタン粉体の酸化チタン層への衝突エネルギーが過大であったためではないかと考えられる。
上記の条件でさらに2回実験を繰り返して電池の作製を試みた。
2回目の実験では、酸化チタン層が削れることなく電池を作製することができた。電池の変換効率は0.25%であった(表1中、比較例4−2で示す)。
3回目の実験では、酸化チタン層が削れることなく電池を作製することができた。なお、電池の変換効率の測定は省略した(表1中、比較例4−3で示す)。
(Comparative Example 4 n = 3)
An attempt was made to form a titanium oxide layer under the following conditions different from Example 1, and to form a porous titanium layer by high-speed flame spraying under the following conditions.
The titanium oxide layer consists of titanium oxide in which 20 wt% titanium dioxide powder with an average particle size of 0.020 μm is dispersed in distilled water, the oxygen flow rate is 1800 cubic feet, the kerosene flow rate is 3 gallons / hour, and the air mixing ratio is Thermal spraying was performed under the conditions of 50%, the distance between the tip of the spray nozzle and the front transparent substrate was 170 mm, and the moving speed of the spray nozzle was 1000 mm / s. The porous titanium layer is made of titanium powder with an average particle size of 22 μm, oxygen flow rate is 1500 cubic feet, kerosene flow rate is 3 gallons / hour, air mixing ratio is 50%, and the distance between the tip of the injection nozzle and the front transparent substrate is 400 mm. The spraying was performed under the condition that the moving speed of the spray nozzle was 1000 mm / s. At this time, since the titanium oxide layer was greatly shaved during the thermal spraying of titanium, the subsequent operation was interrupted and no battery was produced. The results are shown in Table 1 (shown as Comparative Example 4-1 in Table 1).
It is considered that the reason why the titanium oxide layer was greatly shaved during the thermal spraying of titanium was that the collision energy of the titanium powder having a large particle diameter with the titanium oxide layer was excessive.
The experiment was repeated two more times under the above conditions to try to make a battery.
In the second experiment, the battery could be fabricated without scraping the titanium oxide layer. The conversion efficiency of the battery was 0.25% (shown as Comparative Example 4-2 in Table 1).
In the third experiment, the battery could be fabricated without scraping the titanium oxide layer. In addition, the measurement of the conversion efficiency of the battery was omitted (shown as Comparative Example 4-3 in Table 1).

Figure 2013016369
Figure 2013016369

Claims (7)

溶射法を用いて透明基板上に多孔質半導体層を形成する多孔質半導体層形成工程と、
該多孔質半導体層上に物理的気相成長法を用いてバックコンタクト電極を形成するバックコンタクト電極形成工程と、
該多孔質半導体層に色素を吸着する色素吸着工程と、
を有することを特徴とする色素増感太陽電池用アノードの製造方法。
A porous semiconductor layer forming step of forming a porous semiconductor layer on a transparent substrate using a thermal spraying method;
A back contact electrode forming step of forming a back contact electrode on the porous semiconductor layer using physical vapor deposition;
A dye adsorption step for adsorbing the dye to the porous semiconductor layer;
A method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell, comprising:
前記多孔質半導体層形成工程において、多孔質半導体層の表面粗さを50nm以上に形成することを特徴とする請求項1記載の色素増感太陽電池用アノードの製造方法。   The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein in the porous semiconductor layer forming step, the surface roughness of the porous semiconductor layer is formed to be 50 nm or more. 前記多孔質半導体層形成工程において、多孔質半導体層の材料として酸化チタン微粒子を用いることを特徴とする請求項1記載の色素増感太陽電池用アノードの製造方法。   The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein titanium oxide fine particles are used as a material of the porous semiconductor layer in the porous semiconductor layer forming step. 前記バックコンタクト電極形成工程において、バックコンタクト電極の厚みを0.3〜1μmに形成することを特徴とする請求項1記載の色素増感太陽電池用アノードの製造方法。   2. The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein in the back contact electrode forming step, the thickness of the back contact electrode is formed to 0.3 to 1 [mu] m. 前記バックコンタクト電極形成工程において、物理的気相成長法としてスパッタを用い、スパッタ粒子としてチタン、タングステンまたはニッケルを用いることを特徴とする請求項1記載の色素増感太陽電池用アノードの製造方法。   2. The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein in the back contact electrode formation step, sputtering is used as the physical vapor deposition method, and titanium, tungsten, or nickel is used as the sputtered particles. スパッタ粒子としてチタンを用いることを特徴とする請求項5記載の色素増感太陽電池用アノードの製造方法。   6. The method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to claim 5, wherein titanium is used as the sputtered particles. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の色素増感太陽電池用アノードの製造方法により形成されるアノードにカソードを積層し、電解質を充填することを特徴とする色素増感太陽電池の製造方法。   A method for producing a dye-sensitized solar cell, comprising: stacking a cathode on an anode formed by the method for producing an anode for a dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 6; Method.
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