JP2013122874A - Photoelectric conversion element, method for manufacturing the same, electronic device, counter electrode for photoelectric conversion element, and building - Google Patents
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Abstract
Description
この開示は、光電変換素子およびその製造方法ならびに電子機器ならびに光電変換素子用対極ならびに建築物に関し、例えば色素増感太陽電池に用いて好適な光電変換素子およびその製造方法ならびにこの光電変換素子を用いる電子機器ならびに色素増感太陽電池に用いて好適な光電変換素子用対極ならびにこの光電変換素子を用いる建築物に関するものである。 The present disclosure relates to a photoelectric conversion element, a manufacturing method thereof, an electronic device, a counter electrode for the photoelectric conversion element, and a building. For example, a photoelectric conversion element suitable for use in a dye-sensitized solar cell, a manufacturing method thereof, and the photoelectric conversion element are used. The present invention relates to a counter electrode for a photoelectric conversion element suitable for use in an electronic device and a dye-sensitized solar cell, and a building using the photoelectric conversion element.
太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である太陽電池は太陽光をエネルギー源としているため、地球環境に対する影響が極めて少なく、より一層の普及が期待されている。
従来の太陽電池としては、単結晶または多結晶のシリコンを用いた結晶シリコン系太陽電池および非晶質(アモルファス)シリコン系太陽電池が主に用いられている。
Solar cells, which are photoelectric conversion elements that convert sunlight into electrical energy, use sunlight as an energy source, and therefore have very little influence on the global environment, and are expected to become more widespread.
As a conventional solar cell, a crystalline silicon solar cell using single crystal or polycrystalline silicon and an amorphous silicon solar cell are mainly used.
一方、1991年にグレッツェルらが提案した色素増感太陽電池は、高い光電変換効率を得ることができ、しかも従来のシリコン系太陽電池とは異なり製造の際に大掛かりな装置を必要とせず、低コストで製造することができることなどにより注目されている(例えば、非特許文献1参照。)。 On the other hand, the dye-sensitized solar cell proposed by Gretzell et al. In 1991 can obtain high photoelectric conversion efficiency, and unlike a conventional silicon-based solar cell, it does not require a large-scale device for production, and has a low It is attracting attention because it can be manufactured at low cost (for example, see Non-Patent Document 1).
この色素増感太陽電池は、一般的に、光増感色素を結合させた酸化チタン(TiO2 )などからなる多孔質電極と、白金(Pt)などからなる対極とを対向させ、それらの間に電解液からなる電解質層が充填された構造を有する。電解液としては、ヨウ素(I)やヨウ化物イオン(I-)などの酸化・還元種を含む電解質を溶媒に溶解したものが多く用いられる。 This dye-sensitized solar cell generally has a porous electrode made of titanium oxide (TiO 2 ) or the like combined with a photosensitizing dye and a counter electrode made of platinum (Pt) or the like facing each other. In which an electrolyte layer made of an electrolytic solution is filled. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving an electrolyte containing an oxidizing / reducing species such as iodine (I) or iodide ion (I − ) in a solvent is often used.
一般に太陽電池に必要な特性として、長期にわたり安定した光電変換特性を有することが要求される。特に色素増感太陽電池では、その構成要素として液状の電解質成分を含むことが一般的である。このため、長期間にわたり安定した光電変換特性を得るためには、電解質溶液による腐食に起因する特性劣化が重要な課題となる。そこで、従来においては、色素増感太陽電池の対極として、優れた触媒作用と電解質に対する耐腐食性とをあわせもつことなどから、主として白金が用いられてきた。白金は一般的に触媒活性、耐腐食性、導電性などに優れている。しかしながら、材料である白金が資源的に希少で高価であることから、白金層を対極とするのは、材料コストが非常に高いという問題点があった。 In general, the solar cell is required to have stable photoelectric conversion characteristics over a long period of time. In particular, a dye-sensitized solar cell generally contains a liquid electrolyte component as a constituent element. For this reason, in order to obtain stable photoelectric conversion characteristics over a long period of time, characteristic deterioration due to corrosion by the electrolyte solution is an important issue. Therefore, conventionally, platinum has been mainly used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell because it has both excellent catalytic action and corrosion resistance to an electrolyte. Platinum is generally excellent in catalytic activity, corrosion resistance, conductivity and the like. However, since platinum, which is a material, is scarce and expensive in terms of resources, using the platinum layer as a counter electrode has a problem that the material cost is very high.
この問題を解消するために、近年、白金よりも低コストな金属を用いた金属基板で対極を構成することにより、低コストに製造可能で長期安定性に優れた色素増感太陽電池の開発が行われている。 In order to solve this problem, in recent years, the development of dye-sensitized solar cells that can be manufactured at low cost and has excellent long-term stability by forming a counter electrode with a metal substrate using a metal that is lower in cost than platinum. Has been done.
対極を構成する金属基板には、電気伝導性と電解質に対する耐腐食性とに優れた性質を有するチタン系材料が一般的に用いられている。しかしながら、チタン系材料もまた高価であるため、材料コストが高いという問題は依然として残る。この問題を解決するためには、チタン系材料に代わるアルミウム(Al)系、ステンレス鋼(SUS)系などの低価格な汎用金属材料を金属基板に適用することが必要となる。 For the metal substrate constituting the counter electrode, a titanium-based material having properties excellent in electrical conductivity and corrosion resistance against an electrolyte is generally used. However, since titanium-based materials are also expensive, the problem of high material costs still remains. In order to solve this problem, it is necessary to apply a low-priced general-purpose metal material such as an aluminum (Al) system or a stainless steel (SUS) system in place of the titanium-based material to the metal substrate.
しかしながら、アルミウム(Al)系、ステンレス鋼(SUS)系などといった低価格な汎用金属材料は、電気伝導性においては優れた性質を有するものの、電解質に対する耐腐食性は一般的に低く、対極の金属基板として実用に耐えうる性能を有していない。そのため、上記汎用金属材料で金属基板を構成する場合には、電気伝導性を確保しつつも電解質による耐腐食性を向上させる必要がある。そこで、金属基板の電解質が接触する面に何らかの処理をすることで、電気伝導性を確保しつつ電解質に対する金属基板の耐腐食性を向上させるという提案がなされている(例えば、特許文献1および2参照。)。
However, low-priced general-purpose metal materials such as aluminum (Al) and stainless steel (SUS) have excellent properties in terms of electrical conductivity, but generally have low corrosion resistance against electrolytes, and are the opposite metal. It does not have performance that can withstand practical use as a substrate. Therefore, when a metal substrate is constituted by the general-purpose metal material, it is necessary to improve the corrosion resistance by the electrolyte while ensuring the electrical conductivity. Therefore, a proposal has been made to improve the corrosion resistance of the metal substrate against the electrolyte while ensuring electrical conductivity by performing some treatment on the surface of the metal substrate in contact with the electrolyte (for example,
その中でも、対極の触媒層を導電性ダイヤモンドライクカーボン(DLC)で構成すると、色素増感太陽電池の耐食性や耐薬品性が向上するという提案もなされている(例えば、特許文献3。)。 Among them, a proposal has been made that the corrosion resistance and chemical resistance of a dye-sensitized solar cell are improved when the counter electrode catalyst layer is made of conductive diamond-like carbon (DLC) (for example, Patent Document 3).
しかしながら、この文献で提案されている色素増感太陽電池は、対極の電解質に対する耐食性には優れてはいるものの、光電変換性能や経時耐久性能は高いものであるとは言えなかった。
そこで、本開示が解決しようとする課題は、低コストに製造可能で、光電変換性能と経時耐久性能とに優れた性能を有する色素増感光電変換素子用対極を提供することである。
However, although the dye-sensitized solar cell proposed in this document is excellent in the corrosion resistance against the electrolyte of the counter electrode, it cannot be said that the photoelectric conversion performance and the durability with time are high.
Therefore, a problem to be solved by the present disclosure is to provide a counter electrode for a dye-sensitized photoelectric conversion element that can be manufactured at low cost and has excellent photoelectric conversion performance and durability performance over time.
また、本開示が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた光電変換素子用対極を用いた光電変換素子を提供することである。 Moreover, the other subject which this indication tends to solve is providing the photoelectric conversion element using the above counter electrodes for photoelectric conversion elements.
また、本開示が解決しようとするさらに他の課題は、上記のような優れた光電変換素子を用いた高性能の電子機器を提供することである。 Furthermore, still another problem to be solved by the present disclosure is to provide a high-performance electronic device using the excellent photoelectric conversion element as described above.
また、本開示が解決しようとするさらに他の課題は、上記のような優れた光電変換素子を用いた建築物を提供することである。 Moreover, the other subject which this indication tends to solve is providing the building using the above outstanding photoelectric conversion elements.
上記課題を解決するために、本開示は、
多孔質電極と、
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、
上記対極は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である。
In order to solve the above problems, the present disclosure provides:
A porous electrode;
With the counter electrode,
Having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
It is a photoelectric conversion element having a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
また、本開示は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子用対極である。
In addition, this disclosure
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
And a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
また、本開示は、
多孔質電極と、
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有する光電変換素子を製造する場合に、
金属基板上に、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に触媒層を形成することにより上記対極を形成する光電変換素子の製造方法である。
In addition, this disclosure
A porous electrode;
With the counter electrode,
When manufacturing a photoelectric conversion element having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode,
A conductive diamond-like carbon film is formed on a metal substrate,
This is a method for producing a photoelectric conversion element, wherein the counter electrode is formed by forming a catalyst layer on the conductive diamond-like carbon film.
また、本開示は、
少なくとも1つの光電変換素子を有し、
上記光電変換素子が、
多孔質電極と、
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、
上記対極は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である電子機器である。
In addition, this disclosure
Having at least one photoelectric conversion element;
The photoelectric conversion element is
A porous electrode;
With the counter electrode,
Having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
It is an electronic device which is a photoelectric conversion element having a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
また、本開示は、
少なくとも1つの光電変換素子を有し、
上記光電変換素子が、
多孔質電極と、
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、
上記対極は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である建築物である。
In addition, this disclosure
Having at least one photoelectric conversion element;
The photoelectric conversion element is
A porous electrode;
With the counter electrode,
Having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
The building is a photoelectric conversion element having a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
本開示において、多孔質電極は、半導体からなる微粒子により構成される。半導体は、好適には、酸化チタン(TiO2)、取り分けアナターゼ型のTiO2 を含む。 In the present disclosure, the porous electrode is composed of fine particles made of a semiconductor. The semiconductor preferably comprises titanium oxide (TiO 2 ), especially anatase TiO 2 .
多孔質電極としては、いわゆるコア−シェル構造の微粒子により構成されたものを用いてもよい。この多孔質電極としては、好適には、金属からなるコアとこのコアを取り巻く金属酸化物からなるシェルとからなる微粒子により構成されたものが用いられる。このような多孔質電極を用いると、この多孔質電極と対極との間に電解質層を設けた場合、電解質層中の電解質が金属/金属酸化物微粒子の金属からなるコアと接触することがないことから、電解質による多孔質電極の溶解を防止することができる。このため、金属/金属酸化物微粒子のコアを構成する金属として、従来使用が困難であった、表面プラズモン共鳴の効果が大きい金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)などを用いることができ、光電変換において表面プラズモン共鳴の効果を十分に得ることができる。また、電解液の電解質としてヨウ素系の電解質を用いることができる。金属/金属酸化物微粒子のコアを構成する金属としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)などを用いることもできる。金属/金属酸化物微粒子のシェルを構成する金属酸化物としては使用する電解質に溶解しない金属酸化物が用いられ、必要に応じて選ばれる。このような金属酸化物としては、好適には、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)および酸化亜鉛(ZnO)からなる群より選ばれた少なくとも一種の金属酸化物が用いられるが、これらに限定されるものではない。例えば、酸化タングステン(WO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などの金属酸化物を用いることもできる。微粒子の粒径は適宜選択されるが、好適には1nm以上500nm以下である。また、微粒子のコアの粒径も適宜選択されるが、好適には1nm以上200nm以下である。 As the porous electrode, a so-called core-shell structured fine particle may be used. As the porous electrode, preferably used is one constituted by fine particles comprising a core made of metal and a shell made of a metal oxide surrounding the core. When such a porous electrode is used, when an electrolyte layer is provided between the porous electrode and the counter electrode, the electrolyte in the electrolyte layer does not come into contact with the metal / metal oxide fine metal core. Therefore, dissolution of the porous electrode by the electrolyte can be prevented. For this reason, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or the like, which has been difficult to use in the past and has a large surface plasmon resonance effect, is used as the metal constituting the metal / metal oxide fine particle core. Thus, the effect of surface plasmon resonance can be sufficiently obtained in photoelectric conversion. In addition, an iodine-based electrolyte can be used as the electrolyte of the electrolytic solution. Platinum (Pt), palladium (Pd), etc. can also be used as the metal constituting the core of the metal / metal oxide fine particles. As the metal oxide constituting the shell of the metal / metal oxide fine particles, a metal oxide that does not dissolve in the electrolyte to be used is used, and is selected as necessary. Such a metal oxide is preferably at least one selected from the group consisting of titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and zinc oxide (ZnO). However, the present invention is not limited to these. For example, a metal oxide such as tungsten oxide (WO 3 ) or strontium titanate (SrTiO 3 ) can be used. The particle size of the fine particles is appropriately selected, but is preferably 1 nm or more and 500 nm or less. The particle diameter of the core of the fine particles is also appropriately selected, but is preferably 1 nm or more and 200 nm or less.
電解質層を構成するものとしては典型的には電解液が用いられる。電解液としては従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選択される。電解液の揮発を防止する観点から、好適には、低揮発性の電解液、例えばイオン液体を溶媒に用いたイオン液体系電解液が用いられる。イオン液体としては、従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。 An electrolyte solution is typically used as a constituent of the electrolyte layer. A conventionally well-known thing can be used as electrolyte solution, It selects as needed. From the viewpoint of preventing volatilization of the electrolytic solution, a low-volatile electrolytic solution, for example, an ionic liquid electrolytic solution using an ionic liquid as a solvent is preferably used. A conventionally well-known thing can be used as an ionic liquid, and it selects as needed.
また、電解質層は、電解液を含む多孔質膜により構成してもよい。こうすることで、電解質層が固体状となるので、光電変換素子が破損した際に電解液が漏れるのを防止することができる。また、多孔質電極を透過して光電変換素子内部に入った入射光は、電解質層を構成する多孔質膜で散乱されて多孔質電極に再び入射するため、多孔質電極による入射光の捕集率が高くなる。これにより、短絡電流密度および光電変換効率が高い光電変換素子を実現することができる。また、電解液を含む多孔質膜により電解質層を構成することができるため、実質的に電解液を膜として扱うことができ、電解液の扱いが極めて簡単となる。このため、特性が優れた色素増感光電変換素子を容易に実現することができる。 Moreover, you may comprise an electrolyte layer with the porous membrane containing electrolyte solution. By doing so, since the electrolyte layer becomes solid, it is possible to prevent the electrolyte from leaking when the photoelectric conversion element is damaged. In addition, incident light that has passed through the porous electrode and entered the photoelectric conversion element is scattered by the porous film that constitutes the electrolyte layer and is incident on the porous electrode again. Therefore, the incident light is collected by the porous electrode. The rate is high. Thereby, a photoelectric conversion element with high short circuit current density and photoelectric conversion efficiency is realizable. Further, since the electrolyte layer can be constituted by a porous film containing an electrolytic solution, the electrolytic solution can be substantially handled as a membrane, and the handling of the electrolytic solution becomes extremely simple. For this reason, a dye-sensitized photoelectric conversion element having excellent characteristics can be easily realized.
電解質層を構成する多孔質膜としては種々のものを用いることができ、構造や材質などは必要に応じて選ばれる。この多孔質膜としては、絶縁性のものが用いられるが、この絶縁性の多孔質膜は、絶縁材料からなるものであっても、例えば、導電性材料からなる多孔質膜の空隙部の表面を絶縁体化したものであっても、空隙部の表面に絶縁膜をコーティングしたものであってもよい。この多孔質膜は、有機材料からなるものでも、無機材料からなるものでもよい。この多孔質膜としては、好適には各種の不織布が用いられ、その材料としては、例えばポリオレフィン、ポリエステル、セルロースなどの各種の有機高分子化合物を用いることができるが、これに限定されるものではない。この多孔質膜の空隙率は必要に応じて選ばれるが、多孔質電極と対極との間に設けられた状態における空隙率(実空隙率)は、好適には50%以上である。この実空隙率は、高い光電変換効率を得る観点からは、好適には、80%以上100%未満に選ばれる。 Various types of porous membranes can be used as the electrolyte layer, and the structure and material are selected as necessary. As this porous film, an insulating material is used. Even if this insulating porous film is made of an insulating material, for example, the surface of the void portion of the porous film made of a conductive material is used. Even if the insulator is made into an insulator, the surface of the void portion may be coated with an insulating film. This porous film may be made of an organic material or an inorganic material. As this porous film, various non-woven fabrics are preferably used, and as the material, for example, various organic polymer compounds such as polyolefin, polyester, cellulose and the like can be used, but are not limited thereto. Absent. The porosity of the porous film is selected as necessary, but the porosity (actual porosity) in the state provided between the porous electrode and the counter electrode is preferably 50% or more. This actual porosity is preferably selected from 80% to less than 100% from the viewpoint of obtaining high photoelectric conversion efficiency.
電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。この場合、光電変換素子は、例えばこれらの電子機器の電源として用いられる太陽電池である。 Electronic devices may be basically any type, including both portable and stationary types, but specific examples include mobile phones, mobile devices, robots, personal computers. , In-vehicle equipment, various home appliances. In this case, the photoelectric conversion element is a solar cell used as a power source for these electronic devices, for example.
光電変換素子用対極は光電変換素子の正極側に設けられる電極である。 The counter electrode for a photoelectric conversion element is an electrode provided on the positive electrode side of the photoelectric conversion element.
光電変換素子は、最も典型的には、太陽電池として構成される。光電変換素子は、太陽電池以外のもの、例えば光センサーなどであってもよいが、これらに限定されるものではなく、負極と正極とを有し光によって駆動する素子であれば基本的にはどのようなものであってもよい。 The photoelectric conversion element is most typically configured as a solar cell. The photoelectric conversion element may be other than a solar cell, for example, an optical sensor or the like, but is not limited thereto. Basically, the photoelectric conversion element is an element that has a negative electrode and a positive electrode and is driven by light. Any thing is acceptable.
建築物は、典型的にはビルディング、マンションなどの大型建築物であるが、これに限定されず、外壁面を有する建築された構造物であれば、基本的にはどのようなものであってもよい。建築物は、具体的には、例えば、戸建住宅、アパート、駅舎、校舎、庁舎、競技場、球場、病院、教会、工場、倉庫、小屋、車庫、橋などが挙げられ、特に、少なくとも1つの窓部(例えばガラス窓)あるいは採光部を有する建築された構造物であることが好ましいが、建築物は上記に挙げたものに限定されるものではない。 Buildings are typically large buildings such as buildings and condominiums, but are not limited to this. Basically, any building having an outer wall surface may be used. Also good. Specific examples of the building include a detached house, an apartment, a station building, a school building, a government building, a stadium, a stadium, a hospital, a church, a factory, a warehouse, a shed, a garage, and a bridge. The structure is preferably a built structure having two window parts (for example, glass windows) or a daylighting part, but the building is not limited to those mentioned above.
建築物に設けられる光電変換素子および/または複数の光電変換素子が電気的に接続されている光電変換素子モジュールのうち、窓部あるいは採光部などに設けられるものは、2枚の透明板の間に挟持し、必要に応じて固定して構成することが好適であって、典型的には、光電変換素子および/または光電変換素子モジュールを2枚のガラス板の間に組み込み必要に応じて固定することによって構成される。 Among photoelectric conversion elements provided in buildings and / or photoelectric conversion element modules in which a plurality of photoelectric conversion elements are electrically connected, those provided in a window or daylighting section are sandwiched between two transparent plates However, it is preferable to fix and configure as necessary. Typically, the photoelectric conversion element and / or the photoelectric conversion element module is assembled between two glass plates and fixed as necessary. Is done.
本技術によれば、金属基板と触媒層との間に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜を有する新規な対極を光電変換素子に用いることにより、光電変換性能と経時耐久性とに優れた性能を有する光電変換素子を低コストに製造可能とすることができる。また、この光電変換素子を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。 According to the present technology, by using a new counter electrode having a conductive diamond-like carbon film between a metal substrate and a catalyst layer for a photoelectric conversion element, a photoelectric conversion device having excellent photoelectric conversion performance and durability over time. The conversion element can be manufactured at low cost. Further, by using this photoelectric conversion element, a high-performance electronic device or the like can be realized.
本開示者らは、上述の課題を解決すべく鋭意研究を行った。その研究の過程において、色素増感光電変換素子における光電変換効率の経時劣化が、発電開始からある一定時間までの発電初期段階において特に顕著であることを見出した。以下にその概要を説明する。 The present inventors have intensively studied to solve the above-described problems. In the course of the research, it was found that the deterioration with time of photoelectric conversion efficiency in the dye-sensitized photoelectric conversion element is particularly remarkable in the initial stage of power generation from the start of power generation to a certain time. The outline will be described below.
図14は従来の色素増感光電変換素子100を示す要部断面図である。
図14に示すとおり、この色素増感光電変換素子100においては透明基板105の一主面にFTO層である透明電極106が設けられ、この透明電極106上にTiO2 の焼結体で構成された多孔質電極107が設けられている。この多孔質電極107には一種又は複数種の光増感色素(図示せず)が結合している。一方、チタン基板である金属基板102の一主面上に触媒層103が設けられ対極101を構成している。そして、多孔質電極107と対極101との間にレドックス対としてI-/I3 - の酸化還元種を用いた電解液からなる電解質層108が充填され、これらの透明基板105および金属基板102の外周部が封止体109で封止されている。
FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part showing a conventional dye-sensitized
As shown in FIG. 14, in this dye-sensitized
色素増感光電変換素子100は多孔質電極107内に光が入射すると、透明電極106を負極、対極101を正極とする電池として動作する。
When light enters the porous electrode 107, the dye-sensitized
本開示者らは、色素増感光電変換素子100の経時的な発電出力効率の変化を測定するために、信頼性加速試験を行った。信頼性加速試験は、作製直後の色素増感光電変換素子100を60度以上85度以下の恒温槽内へ投入し、色素増感光電変換素子100に一定の強度の擬似太陽光を照射して一定時間保持する方法を採用した。
In order to measure the change in the power generation output efficiency of the dye-sensitized
図15は、信頼性加速試験における恒温槽内への投入直前、即ち、測定開始直前の色素増感光電変換素子100の電流−電圧出力特性(I−V出力特性)と、信頼性加速試験の測定開始から258時間後のI−V出力特性とを比較した略線図である。
図15に示すように、測定開始から258時間後のI−V出力特性は、出力電流の最大値である短絡電流密度の値は上昇するものの、出力電圧の最大値である開放電圧の値は大幅に下降する。このことから、色素増感光電変換素子100の発電出力効率の経時劣化は、出力電圧の値が下降することによることが主な要因であると考え、本開示者らは、色素増感光電変換素子100の発電電圧の最大値である開放電圧の値に特に注目し、さらに研究を行った。
FIG. 15 shows the current-voltage output characteristics (IV output characteristics) of the dye-sensitized
As shown in FIG. 15, the IV output characteristics after 258 hours from the start of measurement increase the value of the short-circuit current density that is the maximum value of the output current, but the value of the open-circuit voltage that is the maximum value of the output voltage is Decrease significantly. From this, it is considered that the deterioration over time of the power generation output efficiency of the dye-sensitized
図16は、信頼性加速試験における経過時間に対する開放電圧の値の測定結果を、測定開始直前の開放電圧の値を100として正規化して示した略線図である。
図16に示すように、測定された開放電圧の値は測定開始から100時間経過までの間に測定当初の90%以下となり急激に落ち込んでしまう。この要因について本開示者らが鋭意研究を進めた結果、次のような複数の要因が浮かび上がった。
FIG. 16 is a schematic diagram showing the measurement result of the open-circuit voltage value with respect to the elapsed time in the reliability acceleration test, normalized with the open-circuit voltage value immediately before the start of measurement being 100.
As shown in FIG. 16, the measured value of the open circuit voltage is 90% or less of the initial measurement during the period from the start of measurement to the lapse of 100 hours, and falls sharply. As a result of the diligent research on this factor, the following multiple factors emerged.
第1の要因として考えられるのは、対極101の触媒性能の低下および表面抵抗値の増大である。これは、対極101を構成する物質が変質することなどによる経時劣化などに起因し、この変質は、電解質層108中の電解液などと反応することによって引き起こされると考えられる。 The first factor is considered to be a decrease in the catalyst performance of the counter electrode 101 and an increase in the surface resistance value. This is attributed to deterioration with the passage of time due to a change in the material constituting the counter electrode 101, and this change is considered to be caused by a reaction with the electrolytic solution in the electrolyte layer 108 or the like.
第2の要因として考えられるのは、陽陰極間の直流抵抗の増加である。これは、透明電極106と多孔質電極107との接触抵抗の増加、金属基板102と触媒層103との接触抵抗の増加、電解質層108中の電解液などが変質することなどによる抵抗の増加などに起因すると考えられる。 A possible second factor is an increase in DC resistance between the positive and negative electrodes. This includes an increase in contact resistance between the transparent electrode 106 and the porous electrode 107, an increase in contact resistance between the metal substrate 102 and the catalyst layer 103, an increase in resistance due to a change in the electrolyte solution in the electrolyte layer 108, and the like. It is thought to be caused by.
上述した接触抵抗の増大は、いずれも電解液によってそれぞれの層における接触界面が変質することによって引き起こされると考えられる。また、電解質層108中の電解液の変質は、対極101を構成する物質が上記の反応などによって電解液などに溶出したり、電解質層108を封止している封止体109の封止能力が低下したりすることによって引き起こされると考えられる。特に、封止体109の封止能力の低下は、電解質層108中への水分などの浸入や、電解質層108からの電解液などの外部へ揮発、漏出などを引き起こすため、上述した電解液などの変質に大きな影響を及ぼす。この封止体109の経時劣化は、主に、封止体109の接着界面において生じると考えられる。特に、封止体109と、対極101を構成する金属基板102とを接着し、電解質層108を封止する場合にあっては、封止体109の封止性能の劣化は時間と共に非常に大きなものとなる。これは、金属基板102と封止体109との結合力がもともと弱い上に、経時変化によってさらに結合力が弱まるからであると考えられる。このような封止体109の経時劣化は、金属基板102の表層と封止体109との結合部において、両者の結合が水分子との結合に置換してしまうために引き起こされると考えられる。このような直流抵抗の増加は、開放電圧の低下だけではなく、フィルファクタ(FF)の減少も引き起こし、これにより光電変換効率は著しく低下する。 It is considered that the increase in contact resistance described above is caused by the alteration of the contact interface in each layer by the electrolytic solution. Further, the alteration of the electrolyte solution in the electrolyte layer 108 is caused by the sealing ability of the sealing body 109 that seals the electrolyte layer 108 or the substance that constitutes the counter electrode 101 elutes into the electrolyte solution due to the above reaction or the like. It is thought that it is caused by lowering. In particular, the decrease in the sealing capability of the sealing body 109 causes intrusion of moisture into the electrolyte layer 108, volatilization or leakage of the electrolyte solution from the electrolyte layer 108, and the like. It has a great influence on the alteration of This deterioration over time of the sealing body 109 is considered to occur mainly at the adhesion interface of the sealing body 109. In particular, when the sealing body 109 and the metal substrate 102 constituting the counter electrode 101 are bonded and the electrolyte layer 108 is sealed, the deterioration of the sealing performance of the sealing body 109 is very large with time. It will be a thing. This is presumably because the bonding force between the metal substrate 102 and the sealing body 109 is originally weak, and the bonding force is further weakened with time. Such deterioration with time of the sealing body 109 is considered to be caused because the bonding between the surface layer of the metal substrate 102 and the sealing body 109 is replaced by a bond with water molecules. Such an increase in direct current resistance causes not only a decrease in open circuit voltage but also a decrease in fill factor (FF), thereby significantly reducing the photoelectric conversion efficiency.
本開示者らは、これらの新たに見出された複数の問題を解決すべく、さらに研究を進めた。その過程において色素増感光電変換素子の対極を、触媒層と金属基板との間に導電性中間層である導電性ダイヤモンドランクカーボン膜を設けて構成すると、上述した問題を解決することができ、色素増感光電変換素子の性能の経時劣化を効果的に抑えることができることを見出し、本技術を案出するに至った。 The present inventors have further researched to solve these newly discovered problems. In the process, when the counter electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element is configured by providing a conductive diamond rank carbon film that is a conductive intermediate layer between the catalyst layer and the metal substrate, the above-described problems can be solved, The present inventors have found that the deterioration of the performance of the dye-sensitized photoelectric conversion element over time can be effectively suppressed, and have come up with the present technology.
以下、発明を実施するための形態(以下「実施の形態」という)について説明する。説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(色素増感光電変換素子用対極およびその製造方法)
2.第2の実施の形態(色素増感光電変換素子およびその製造方法)
3.第3の実施の形態(色素増感光電変換素子用対極およびその製造方法)
4.第4の実施の形態(色素増感光電変換素子およびその製造方法)
5.第5の実施の形態(光電変換素子およびその製造方法)
Hereinafter, modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described. The description will be made in the following order.
1. First Embodiment (Counter Electrode for Dye-sensitized Photoelectric Conversion Element and Method for Producing the Same)
2. Second Embodiment (Dye-sensitized photoelectric conversion element and manufacturing method thereof)
3. Third Embodiment (Counter Electrode for Dye-sensitized Photoelectric Conversion Element and Method for Producing the Same)
4). Fourth Embodiment (Dye-sensitized photoelectric conversion element and method for producing the same)
5. Fifth embodiment (photoelectric conversion element and manufacturing method thereof)
<1.第1の実施の形態>
[色素増感光電変換素子用対極]
まず、第1の実施の形態について説明する。
図1は第1の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1を示す要部断面図である。
図1に示すように、この色素増感光電変換素子用対極1(以下対極1)は、金属基板2の一主面上の全体を覆う形で導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4が積層して設けられ、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の面上の少なくとも一部に触媒層3が設けられている。導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と金属基板2および触媒層3とは密着しており、これらが対極1を構成している。
<1. First Embodiment>
[Counter electrode for dye-sensitized photoelectric conversion element]
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part showing a
As shown in FIG. 1, the
金属基板2を構成する材料は、金属であれば基本的にはどのようなものであってもよいが、導電性に優れ、熱膨張係数が低く、熱伝導性が良い金属であることが好ましい。金属は、具体的には、金属単体、合金、金属化合物などが挙げられ、金属単体であれば、例えば、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、鉄(Fe)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)などが挙げられ、また、合金であれば、上記で挙げた金属材料の二元合金、三元合金などが挙げられ、具体的には、例えば、鋼、ステンレス鋼、銅合金、チタン合金、ニッケル合金など挙げられ、鋼であれば、例えば、炭素鋼、高合金鋼、低合金鋼、ハイテン鋼などが挙げられ、また、ステンレス鋼であれば、例えば、ステンレス一般鋼板、ステンレス特殊鋼板などが挙げられ、ステンレス一般鋼板であれば、具体的には、例えば、SUS201、SUS202、SUS301〜SUS305、SUS309、SUS315、SUS321、SUS329、SUS347,SUS403、SUS405、SUS410、SUS420、SUS429、SUS430、SUS430LX、SUS434、SUS436、SUS440、SUS444、SUS445、SUS630、SUS631、SUS836、SUS890などが挙げられ、ステンレス特殊鋼板であれば、具体的には、例えば、SUS316、SUS316Ti、SUS316LN、SUS316J1、SUS316J1L、SUS317、SUS317L、SUS317LN、SUS317J1、SUS317J2、SUS444、SUS445などが挙げられる。また、銅合金であれば、例えば、黄銅、丹銅、洋銀、青銅、アルミニウム青銅、白銅、赤銅、コンスタンタンなどが挙げられ、また、アルミニウム合金であれば、例えば、1000番台〜7000番台(JIS)のアルミニウム合金などが挙げられ、また、チタン合金であれば、例えば、6−4チタン、αチタン、βチタン、α+βチタンなどが挙げられ、また、ニッケル合金であれば、例えば、ハステロイ(登録商標)、モネル(登録商標)、インコネル(登録商標)、ニクロムなどが挙げられるが、金属基板2を構成する材料はこれらのものに限定されるものではない。
The material constituting the
導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の膜厚は、導電層として見ると薄いことが好ましいが、保護層としてみると厚いことが好ましい。従って、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の膜厚は最適な厚さがあり、その膜厚は、50nm以上1000nm以下であることが好ましく、100nm以上600nm以下であることがより好ましく、200nm以上300nm以下であることが最も好ましい。厚さが100nmよりも薄いと金属基板を覆うカバレッジ性能が悪くなるとともに、耐腐食性能が悪くなり、600nmを超えると透明電極6に亀裂が入りやすく、表面抵抗値および内部抵抗も上昇するためである。
The conductive diamond-
また、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の表面の少なくも一部をポーラス形状とし、少なくとも一部にポーラス形状を有する導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4としてもよい。このとき、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の厚さは500nm以上20000nm以下であることが好ましく、1000nm以上5000nm以下であることがより好ましい。また、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の表層に形成されるポーラス層の厚さは500nm以上4000nm以下であることが好ましく、1000nm以上2000nm以下であることがより好ましいが、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の形状、厚さは上記に挙げたものに限定されるものではない。
Alternatively, at least a part of the surface of the conductive diamond-
触媒層3は還元反応に対する触媒作用を有する構成を有していれば基本的にはどのようなものであってもよく、具体的には、例えば、白金層、導電性カーボン層などが挙げられる。
The
触媒層3を構成する材料は、導電性を有する材料であれば基本的にはどのようなものであってもよいが、電気化学的に安定である材料を用いることが好ましく、具体的には、白金、金、カーボン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、導電性高分子などが挙げられる。上記に挙げた中でもカーボンは、炭素単体からなる物質であれば基本的にはどのようなものであってもよく、好適には、導電性カーボン粒子が挙げられる。導電性カーボン粒子の具体例としては、カーボンブラックが挙げられ、その中でも比表面積の大きなものが好適である。また、カーボンブラックは電気電導率の高いものが好適である。また、カーボンブラックはストラクチャ構造を形成しやすいものが好適である。また、カーボンブラックの一次粒子径の平均粒径は、3nm以上40nm以下であることが好適であって、3nm以上24nm以下であることがより好適であって、3nm以上15nm以下であることが最も好適である。カーボンブラックは、具体的には、例えば、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、チャネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラックなどが挙げられ、この中でも安価で比表面積の大きいケッチェンブラックが好適である。また、カーボンは上記で挙げたものの他に、線状または棒状のカーボン、シート状のカーボン結晶体、グラファイト、グラファイトリボン、黒鉛、アモルファスカーボン(ガラス状カーボン)、ダイヤモンドライクカーボン、カーボン繊維、活性炭、石油コークス、C60 、C70 などのフラーレン類、単層または多重層のカーボンナノチューブなどであってもよいが、カーボンはこれらのものに限定されるものではない。また、導電性高分子であれば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびその誘導体などが挙げられるが、導電性ポリマーはこれらのものに限定されるものではなく、また、触媒層3を構成する材料も上記に挙げたものに限定されるものではなく、上記に挙げた材料を適宜組み合わせて触媒層3を構成することもできる。
The material constituting the
触媒層3は、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に接して設けられる構成を有する限りどのような形状であってもよいが、典型的には導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に積層されて設けられる。触媒層3は複数の触媒層で構成するとすることもでき、同一の構成の触媒層を積層させて構成しても良いし、異なる構成の触媒層を積層させて構成してもよい。触媒層3の厚さは5μm以上200μm以下であることが好適であって、5μm以上100μm以下であることがより好適であって、10μm以上100μm以下であることが最も好適である。これは、触媒層3の厚さが5μm以下であると、電解質層8を構成する電解液中の酸化還元種を還元する能力が低下し、光電変換効率が低下するからである。また、触媒層3の厚さが200μm以上であると、対極1の内部における電位移動が円滑に行えなくなるからである。
The
また、触媒層3は、還元反応に対する触媒作用を向上させるために、触媒層3の表面には微細構造が形成され、実表面積が増大するように形成されていることが好ましい。実表面積は、触媒層3を導電性カーボンで構成する場合においては、カーボン粒子のメソ孔なども含まれる。触媒層3の実表面積は、触媒層3の外側表面の面積(投影面積)に対して10倍以上であることが好適であって、100倍以上であることが特に好適である。
Further, the
[色素増感光電変換素子用対極の製造方法]
次に、第1の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1の製造方法について説明する。
まず、金属基板2である金属板を用意する。
次に、金属基板2の一主面の全面上に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を形成する。この導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の形成方法に特に制限はないが、具体的には、例えば、プラズマCVD法などの化学気相成長法(CVD)、イオンプレーティング法などの物理気相成長法(PVD)、イオン化蒸着法、スパッタリング法などによって形成される。このとき、窒素などのV族元素をドーピングすることによって導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4となる。また、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を製膜する際に、金属基板2の不導体層、例えば、酸化膜などといった抵抗層成分をエッチング処理、不活性ガスなどを用いたプラズマ処理などで充分に除去することが好ましい。また、除去処理から導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の形成処理までの時間は短ければ短いほどよく、形成プロセス中の移動空間も窒素雰囲気、真空雰囲気などの不導体層を作りにくい環境下にあることが望ましい。
[Method for producing counter electrode for dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, the manufacturing method of the
First, a metal plate that is the
Next, a conductive diamond-
次に、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の面上に触媒層3を形成する。触媒層3の形成方法は、特には限定されないが、触媒層3を、例えば、導電性カーボン層とする場合には湿式製膜法などを用いる。また、触媒層3を、例えば、金属層とする場合には、スパッタリング法、化学気相蒸着法、イオン化蒸着法などを用いる。また、触媒層3を、例えば、導電性高分子層とする場合には、湿式製膜法などを用いる。湿式製膜法では、ペースト状の分散液を調製し、この分散液を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の面上の少なくとも一部に塗布または印刷する方法が好ましい。
Next, the
触媒層3を導電性カーボン層とする場合の形成方法は、具体的には、カーボンと、有機バインダと、無機バインダとを溶媒に均一に分散させたペースト状の分散液を調製し印刷用ペーストとする。次に、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の面上に、上記印刷用ペーストを塗料として印刷し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の面上の少なくとも一部に塗膜を形成し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にカーボン塗膜を有する金属基板2が得られた。次に、得られたカーボン塗膜を焼成する。これは、カーボン塗膜を焼成することによって、カーボン同士が電気的に機械的に接続され導電性と機械的強度が向上し、さらに導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4との結着性の高くなることにより高性能の触媒層3が得られるからである。また、焼成によって上記カーボン塗膜中の有機バインダが消失し、得られる触媒層3中には細孔が形成され、触媒層3の実表面積が大きくなる。このようにして、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上に触媒層3が形成され、求める色素増感光電変換素子用対極1が得られる。また、触媒層3を複数の層で構成する場合にあっては、金属基板2上に形成されたカーボン塗膜上にさらにカーボン塗膜を形成し焼成したものを触媒層3としてもよいし、金属基板2上に形成されたカーボン塗膜を焼成し、得られた焼結体上にさらにカーボン塗膜を形成し焼成したものを触媒層3としてもよい。
The formation method when the
また、上記印刷用ペーストに配合するカーボン、無機バインダおよび有機バインダは従来公知の材料を適宜選択することができるが、好適には、カーボンとしてカーボンブラック、無機バインダとして酸化チタン(TiO2)、有機バインダとしてエチルセルロースが選ばれる。 The carbon, inorganic binder, and organic binder blended in the printing paste can be appropriately selected from conventionally known materials. Preferably, carbon black is used as carbon, titanium oxide (TiO 2 ) is used as the inorganic binder, and organic binder is used. Ethyl cellulose is selected as the binder.
<実施例1>
対極1を以下のようにして製造した。
まず、金属基板2として厚さ1mmのSUS430鋼板を用意した。
次に、SUS430鋼板の一主面の全面をエッチングし不導体層を除去する。不導体層を除去後にプラズマCVD法によって、金属基板2であるSUS430鋼板の一主面の全面に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を形成し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を有する金属基板2を得た。得られた導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の厚さは約500nmであった。
<Example 1>
The
First, a SUS430 steel plate having a thickness of 1 mm was prepared as the
Next, the entire surface of one main surface of the SUS430 steel plate is etched to remove the non-conductive layer. After removing the non-conductive layer, the conductive diamond-
次に、カーボンとしてケッチェンブラックおよびグラファイトと、無機バインダとして酸化チタンと、有機バインダとしてエチルセルロースとを溶媒であるテルピネオールに加え、攪拌分散させてペースト状の分散液を調製し印刷用ペーストとした。 Next, ketjen black and graphite as carbon, titanium oxide as an inorganic binder, and ethyl cellulose as an organic binder were added to terpineol as a solvent, and the mixture was stirred and dispersed to prepare a paste-like dispersion to obtain a printing paste.
次に、金属基板2であるSUS430鋼板上に形成された導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上の少なくとも一部に、前工程で調製した印刷用ペーストを塗料として印刷機で印刷し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にカーボン塗膜を得た。その後、得られた塗膜中の溶液を蒸発させる目的で100℃のホットプレートで加熱し乾燥させ、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上に導電性カーボン層を有する金属基板2であるSUS430鋼板を得た。
Next, at least a part of the conductive diamond-
次に、得られた導電性カーボン層の焼成を行った。1時間30分で400℃にまで昇温させ、400℃で30分保持し焼成した。この工程により、完全にエチルセルロースを分解し消失させる。
次に、焼成した導電性カーボン層上に、さらに同様にしてカーボン塗膜を形成し焼成する。この工程を2回行い、3層の焼成カーボン層である触媒層3を得る。こうして、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上に触媒層3を有する金属基板2であるSUS430鋼板が得られた。得られた触媒層3の厚さは約35μmであった。
以上により、目的とする対極1が製造された。
Next, the obtained conductive carbon layer was fired. The temperature was raised to 400 ° C. in 1 hour and 30 minutes, and the mixture was kept at 400 ° C. for 30 minutes and calcined. By this step, ethyl cellulose is completely decomposed and lost.
Next, a carbon coating film is further formed and fired on the fired conductive carbon layer in the same manner. This process is performed twice to obtain a
Thus, the intended
<実施例2>
触媒層3を1層としたこと以外は、実施例1と同様にして対極1を製造した。得られた触媒層3の厚さは約12μmであった。
<Example 2>
A
<実施例3>
触媒層3を2層としたこと以外は、実施例1と同様にして対極1を製造した。得られた触媒層3の厚さは約23μmであった。
<Example 3>
A
<比較例1>
金属基板2として厚さ1mmのチタン板を用意した。
次に、上記チタン板の一主面の全面をエッチングし不導体層を除去する。次に、金属基板2上の少なくとも一部に、印刷用ペーストを塗料として印刷機で印刷し、金属基板2上に塗膜を得た。その後、得られた塗膜中の溶液を蒸発させる目的で約100℃のホットプレートで加熱し乾燥させ、カーボン層を有する金属基板2を得た。その他のことは実施例1と同様にして、目的とする対極1を得た。印刷用ペーストは実施例1と同様なものを用いた。得られた触媒層3の厚さは35μmであった。
<Comparative Example 1>
A titanium plate having a thickness of 1 mm was prepared as the
Next, the entire main surface of the titanium plate is etched to remove the non-conductive layer. Next, a printing paste was printed as a paint on at least a part of the
<比較例2>
導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上に触媒層3を形成しないこと以外は、実施例1と同様にして対極1を製造した。
<Comparative example 2>
A
以上のように、この第1の実施の形態によれば、色素増感光電変換素子用対極1を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4およびカーボン触媒層3とで構成したので、製造に大規模な施設が必要なく、高価な白金材料を使用しないので安価に色素増感光電変換素子用対極1を製造することができる。
As described above, according to the first embodiment, since the
<2.第2の実施の形態>
[色素増感光電変換素子]
次に、第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10について説明する。
この第2の実施の形態においては、色素増感光電変換素子10の対極1に第1の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1を用いる。
<2. Second Embodiment>
[Dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, the dye-sensitized
In the second embodiment, the
図2は第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10の基本構成を示した要部断面図である。
図2に示すように、この色素増感光電変換素子10は、透明基板5の一主面に透明電極6が設けられている。透明電極6上の少なくとも一部には多孔質電極7設けられている。多孔質電極7には一種又は複数種の光増感色素(図示せず)が結合している。対極1としては、第1の実施の形態による対極1が用いられる。そして、透明基板5上の多孔質電極7と、対極1との間に電解液からなる電解質層8が充填されている。触媒層3と多孔質電極7とは電解質層8を介して対向している。透明基板5と金属基板2との間には、封止体9が電解質層8の電解質を漏洩させない形態で、金属基板2上に形成された導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に接して設けられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part showing the basic configuration of the dye-sensitized
As shown in FIG. 2, the dye-sensitized
多孔質電極7としては、典型的には、半導体微粒子を焼結させた多孔質半導体層が用いられる。光増感色素はこの半導体微粒子の表面に吸着している。半導体微粒子の材料としては、シリコンに代表される元素半導体、化合物半導体、ペロブスカイト構造を有する半導体などを用いることができる。これらの半導体は、光励起下で伝導帯電子がキャリアとなり、アノード電流を生じるn型半導体であることが好ましい。具体的には、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化スズ(SnO2)などの半導体が用いられる。これらの半導体の中でも、TiO2、取り分けアナターゼ型のTiO2を用いることが好ましい。ただし、半導体の種類はこれらに限定されるものではなく、必要に応じて二種類以上の半導体を混合または複合化して用いることができる。また、半導体微粒子の形態は粒子状、チューブ状、棒状などのいずれであってもよい。
As the
上記の半導体微粒子の粒径に特に制限はないが、一次粒子径の平均粒径で1nm以上200nm以下が好適であって、5nm以上100nm以下が特に好適である。また、半導体微粒子よりも大きいサイズの粒子を混合し、この粒子で入射光を散乱させ、量子収率を向上させることも可能である。この場合、別途混合する粒子の平均サイズは20nm以上500nm以下であることが好ましいが、別途混合する粒子は、これに限定されるものではない。 The particle size of the semiconductor fine particles is not particularly limited, but the average particle size of the primary particle size is preferably 1 nm to 200 nm, and particularly preferably 5 nm to 100 nm. It is also possible to improve the quantum yield by mixing particles having a size larger than that of the semiconductor fine particles and scattering incident light with these particles. In this case, the average size of the separately mixed particles is preferably 20 nm or more and 500 nm or less, but the separately mixed particles are not limited thereto.
多孔質電極7は、できるだけ多くの光増感色素を結合させることができるように、実表面積の大きいものが好ましい。実表面積は、多孔質電極7を構成する半導体粒子のメソ孔なども含まれる。多孔質電極7を透明電極6の上に形成した状態での実表面積は、多孔質電極7の外側表面の面積(投影面積)に対して10倍以上であることが好適であって、100倍以上であることが特に好適である。この比は特に上限はないが、通常1000倍程度である。
The
多孔質電極7の形状は基本的にはどのようなものであってもよいが、特に、透明基板5と金属基板2との間に封止体9を設ける場合にあっては、封止体9が設けられる透明基板5上の外縁部以外の部分の少なくとも一部に形成される。特に、透明基板5上に集電配線が設けられている構成を有する場合にあっては、集電配線の形状によって多孔質電極7の形状が適宜選択される。
The shape of the
また、多孔質電極7は、その厚さが、0.1μm以上100μm以下であることが好適であって、1μm以上50μm以下であることがより好適であって、3μm以上30μm以下であることが最も好適である。これは、多孔質電極7の厚さが0.1μm以下であると、単位投影面積当たりに含まれる半導体微粒子の数が少ないことから、単位投影面積に保持することができる光増感色素の量が少なく、効率よく光吸収をすることが出来ないからである。また、多孔質電極7の厚さが100μmを超えると、光増感色素から多孔質電極7に移行した電子が透明電極6に達するまでに拡散する距離が増加するため、多孔質電極7内での電荷再結合による電子の損失も大きくなるからである。
The thickness of the
透明基板5は、光が透過しやすい材質と形状のものであれば特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができるが、特に可視光の透過率が高い基板材料を用いることが好適である。また、色素増感光電変換素子10に外部から侵入しようとする水分やガスを阻止する遮断性能が高く、耐溶剤性や耐候性に優れている材料が好適である。透明基板5の材料としては、具体的には、透明無機材料、透明プラスチックなどであって、透明無機材料であれば、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、リン酸ガラス、ソーダガラスなどが挙げられ、透明プラスチックであれば、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリブチレンテレフタラート、アセチルセルロース、テトラアセチルセルロース、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ブロム化フェノキシ、アミド類、ポリエーテルイミドなどのポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリエステルスルホンなどのポリスルホン類、ポリオレフィン類などが挙げられる。また、透明基板5の厚さは特に制限されず、光の透過率や、光電変換素子内外を遮断する性能を勘案して、適宜選択することができる。
The
透明基板5上に設けられる透明電極6は導電性の薄膜であって、シート抵抗が小さいほど好ましい。具体的には1Ω/□以上500Ω/□以下であることが好適であって、1Ω/□以上100Ω/□以下であることがさらに好適である。100Ω/□を超えると透明電極6の内部抵抗が著しく上昇するからである。また薄膜である透明電極6の厚さは100nm以上500nmが好適である。厚さが100nmよりも薄いと表面抵抗値および内部抵抗が上昇し、500nmを超えると透明電極6に亀裂が入りやすくなるためである。また、透明電極6を構成する材料としては公知の材料を用いることができ、必要に応じて選択される。典型的には金属酸化物であって、例えば、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO2(FTO)、酸化スズ(IV)SnO2、酸化亜鉛(II)ZnO、インジウム−亜鉛複合酸化物(IZO)などが挙げられる。ただし、透明電極6を構成する材料はこれらのものに限定されるものではなく、金属、鉱物の薄膜でもよく、金属の薄膜であれば、例えば、白金、金、銀、クロム、銅、タングステン、アルミニウムなどが挙げられる。また、上記で挙げたもの二種類以上を組み合わせて透明電極6とすることもできる。
The
多孔質電極7に結合させる光増感色素は増感作用を示すものであれば特に制限はないが、この多孔質電極7の表面に吸着する酸官能基を有するものが好適である。光増感色素は、一般的には、カルボキシ基、リン酸基などを有するものが好適であって、この中でもカルボキシ基を有するものが特に好適である。光増感色素は、具体例には、キサンテン系色素、シアニン系色素、塩基性染料、ポルフィリン系化合物などが挙げられ、キサンテン系色素であれば、例えば、ローダミンB、ローズベンガル、エオシン、エリスロシンなどが挙げられ、シアニン系色素であれば、例えば、メロシアニン、キノシアニン、クリプトシアニンなどが挙げられ、塩基性染料であれば、例えば、フェノサフラニン、カブリブルー、チオシン、メチレンブルーなどが挙げられ、ポルフィリン系化合物であれば、例えば、クロロフィル、亜鉛ポルフィリン、マグネシウムポルフィリンなどが挙げられる。光増感色素に適用可能なその他のものとしては、例えば、アゾ色素、フタロシアニン化合物、クマリン系化合物、ビピリジン錯化合物、アントラキノン系色素、多環キノン系色素などが挙げられる。これらの中でも量子収率が高い、リガンド(配位子)がピリジン環またはイミダゾリウム環を含み、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、コバルト(Co)、鉄(Fe)および銅(Cu)からなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属の錯体の色素が好適である。さらにこれらの中でも特に吸収波長域が広い、シス−ビス(イソチオシアナート)−N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(II)またはトリス(イソチオシアナート)−ルテニウム(II)−2,2‘ :6’,2“−ターピリジン−4,4‘,4”−トリカルボン酸を基本骨格とする色素分子が好適であるが、光増感色素は、これらに限定されるものではない。また、光増感色素としては、典型的には、これらのうちの一種類のものを用いるが、二種類以上の光増感色素を混合して用いてもよい。二種類以上の光増感色素を混合して用いる場合、光増感色素は、好適には、多孔質電極7に保持された、MLCT(Metal to Ligand Charge Transfer)を引き起こす性質を有する無機錯体色素と、この多孔質電極7に保持された、分子内CT(Charge Transfer)の性質を有する有機分子色素とを有する。この場合、無機錯体色素と有機分子色素とは、多孔質電極7に互いに異なる立体配座で吸着する。無機錯体色素は、好適には、多孔質電極7に結合する官能基としてカルボキシ基またはホスホノ基を有する。また、有機分子色素は、好適には、同一炭素に、多孔質電極7に結合する官能基としてカルボキシ基またはホスホノ基とシアノ基、アミノ基、チオール基またはチオン基とを有する。無機錯体色素は例えばポリピリジン錯体、有機分子色素は例えば、電子供与性の基と電子受容性の基とを併せ持ち、分子内CTの性質を有する芳香族多環共役系分子である。
The photosensitizing dye to be bonded to the
電解質層8を構成する電解液としては、酸化還元系(レドックス対)を含む溶液が挙げられる。酸化還元系としては、具体的には、例えば、ヨウ素(I2)と金属または有機物のヨウ化物塩との組み合わせや、臭素(Br2)と金属または有機物の臭化物塩との組み合わせなどが用いられる。金属塩を構成するカチオンは、例えば、リチウム(Li+)、ナトリウム(Na+)、カリウム(K+)、セシウム(Cs+)、マグネシウム(Mg2+)、カルシウム(Ca2+)などである。また、有機物塩を構成するカチオンとしては、テトラアルキルアンモニウムイオン類、ピリジニウムイオン類、イミダゾリウムイオン類などの第四級アンモニウムイオンが好適なものであり、これらを単独に、あるいは二種類以上を混合して用いることができる。
Examples of the electrolytic solution constituting the
電解質層8を構成する電解液としては、上記のほかに、フェロシアン酸塩とフェリシアン酸塩との組み合わせや、フェロセンとフェリシニウムイオンとの組み合わせなどの金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオールとアルキルジスルフィドとの組み合わせなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノンとキノンとの組み合わせなどを用いることもできる。
In addition to the above, the electrolyte solution constituting the
封止体9は、電解質層8の電解質の外部への漏洩、電解質層8中の電解質の乾燥、電解質層8中への物質混入などを防止をする構成を有していれば基本的にはどのようなものであってもよく、封止体9の材料としては、耐光性、絶縁性、防湿性などを備えた材料を用いることが好ましい。また、封止体9は透明であっても不透明であってもよいが、封止体9は、波長が340nm以上の光を透過可能であることが好ましく、波長が380nm以上900nm以下の光を透過可能であることがより好ましく、波長が400nm以上800nm以下の光を透過可能であることが最も好ましい。封止体9を構成する材料の具体例を挙げると、エポキシ樹脂、熱硬化異性樹脂、紫外線(UV)硬化樹脂、熱溶着性樹脂、アクリル樹脂、ポリイソブチレン樹脂、EVA(エチレンビニルアセテート) 、アイオノマー樹脂、セラミック、各種熱融着フィルムなどであって、上記の材料中にさらに、無機フィラー、金属フィラー、カーボン粒子などを分散させて混合したものであってもよいが、封止体9の材料は上記に挙げたものに限定されるものではなく、封止体9は上記に挙げたものを適宜組み合わせて構成することもできる。また、封止体9は典型的には、透明基板5と金属基板2との間に設けられるが、これに限定されるものではなく、透明基板5および金属基板2の外周部を封止体9で封止してもよい。
If the sealing body 9 has a structure that prevents leakage of the electrolyte of the
[色素増感光電変換素子の動作]
次に、第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10の動作について説明する。
この色素増感光電変換素子10は、光が入射すると、対極1を正極、透明電極6を負極とする電池として動作する。その原理は次の通りである。なお、ここでは、透明電極6の材料としてFTOを用い、多孔質電極7の材料としてTiO2 を用い、レドックス対としてI-/I3 - の酸化還元種を用いることを想定しているが、この構成に限定されるものではない。また、多孔質電極7に、一種類の光増感色素が結合していることを想定する。
[Operation of dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, the operation of the dye-sensitized
When the light is incident, the dye-sensitized
透明基板5および透明電極6を透過し、多孔質電極7に入射した光子を多孔質電極7に結合した光増感色素が吸収すると、この光増感色素中の電子が基底状態(HOMO)から励起状態(LUMO)へ励起される。こうして励起された電子は、光増感色素と多孔質電極7との間に電気的結合を介して、多孔質電極7を構成するTiO2の伝導帯に引き出され、多孔質電極7を通って透明電極6に到達する。
When a photosensitizing dye that has passed through the
一方、電子を失った光増感色素は、電解質層8中の還元剤、例えばIから下記の反応によって電子を受け取り、電解質層8中に酸化剤、例えばI3 -(I2 とI-の結合体)を生成する。
2I- → I2+ 2e-
I2 + I- → I3 -
On the other hand, the photosensitizing dye that has lost the electrons receives electrons from the reducing agent in the
2I − → I 2 + 2e −
I 2 + I - → I 3 -
こうして生成された酸化剤は拡散によって対極1を構成する触媒層3に到達し、上記の反応の逆反応によって触媒層3から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
I3 - → I2 + I-
I2 + 2e- → 2I-
The oxidant thus generated reaches the
I 3 - → I 2 + I -
I 2 + 2e - → 2I -
透明電極6から外部回路に送り出された電子は、外部回路で電気的仕事をした後、対極1を構成する金属基板2および導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を経て触媒層3に戻る。このようにして、光増感色素にも電解質層8にも何の変化も残さず、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
The electrons sent from the
[色素増感光電変換素子の製造方法]
次に、第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10の製造方法について説明する。
まず、透明板を透明基板5として用意する。次に、透明基板5の一主面にスパッタリング法などにより透明導電層を形成して透明電極6を形成する。
[Method for producing dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, a method for manufacturing the dye-sensitized
First, a transparent plate is prepared as the
透明電極6上には、金属を所望のパターンに真空蒸着し集電配線を形成してもよい。使用する金属はアルミニウム(Al)が好ましい。さらに、集電配線の表面を熱処理もしくは電気的処理もしく化学的処理によって酸化させることによって集電配線保護層を形成する。集電配線は、溶接、接着、融着、塗布、めっき、スパッタリング法、各種CVD法などによっても形成することができる。また、集電配線は、導電性粒子と樹脂とを混合させたものをスクリーン印刷で透明電極6上に印刷し、その後焼成することによって形成してもよい。導電性粒子は金属の粒子であることが好ましい。
On the
次に、透明電極6上の面に多孔質電極7を形成する。この多孔質電極7の形成方法に特に制限はないが、物性、利便性、製造コストなどを考慮した場合、湿式製膜法を用いるのが好ましい。湿式製膜法では、半導体微粒子の粉末あるいはゾルを水などの溶媒に均一に分散させたペースト状の分散液を調製し、この分散液を透明基板5の透明電極6上に塗布または印刷する方法が好ましい。分散液の塗布方法または印刷方法に特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法などを用いることができる。また、印刷方法としては、凸版印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、凹版印刷法、ゴム版印刷法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
Next, the
半導体微粒子の材料としてアナターゼ型TiO2 を用いる場合、このアナターゼ型TiO2 は、粉末状、ゾル状、またはスラリー状の市販品を用いてもよいし、酸化チタンアルコキシドを加水分解するなどの公知の方法によって所定の粒径のものを形成してもよい。市販の粉末を使用する際には粒子の二次凝集を解消することが好ましく、ペースト状分散液の調製時に、乳鉢やボールミルなどを使用して粒子の粉砕を行うことが好ましい。このとき、二次凝集が解消された粒子が再度凝集するのを防ぐために、アセチルアセトン、塩酸、硝酸、界面活性剤、キレート剤などをペースト状分散液に添加することができる。また、ペースト状分散液の粘性を増すために、ポリエチレンオキシドやポリビニルアルコールなどの高分子、あるいはセルロース系の増粘剤などの各種増粘剤をペースト状分散液に添加することもできる。 When anatase-type TiO 2 is used as the material for the semiconductor fine particles, this anatase-type TiO 2 may be a commercially available product in the form of powder, sol, or slurry, or is known such as hydrolyzing titanium oxide alkoxide. A material having a predetermined particle diameter may be formed by a method. When using a commercially available powder, it is preferable to eliminate secondary agglomeration of the particles, and it is preferable to pulverize the particles using a mortar, ball mill or the like when preparing the paste-like dispersion. At this time, acetylacetone, hydrochloric acid, nitric acid, a surfactant, a chelating agent, and the like can be added to the paste-like dispersion in order to prevent the particles from which secondary aggregation has been eliminated from aggregating again. In addition, in order to increase the viscosity of the paste-like dispersion, polymers such as polyethylene oxide and polyvinyl alcohol, or various thickeners such as a cellulose-based thickener can be added to the paste-like dispersion.
多孔質電極7は、半導体微粒子を透明電極6上に塗布または印刷した後に、半導体微粒子同士を電気的に接続し、多孔質電極7の機械的強度を向上させ、透明電極6との密着性を向上させるために、焼成させて形成することが好ましい。焼成温度の範囲に特に制限はないが、温度を上げ過ぎると、透明電極6の電気抵抗が高くなり、さらには透明電極6が溶融することもあるため、通常は40℃以上700℃以下が好ましく、40℃以上650℃以下がより好ましい。また、焼成時間にも特に制限はないが、通常は10分以上10時間以下程度である。
The
多孔質電極7を焼成後、半導体微粒子の表面積を増加させたり、半導体微粒子間のネッキングを高めたりする目的で、例えば、四塩化チタン水溶液や直径10nm以下の酸化チタン超微粒子ゾルによるディップ処理を行ってもよい。透明電極6を支持する透明基板5としてプラスチック基板を用いる場合には、結着剤を含むペースト状分散液を用いて透明電極6上に多孔質電極7を製膜し、加熱プレスによって透明電極6に圧着することも可能である。
After the
次に、多孔質電極7が形成された透明基板5を、光増感色素を所定の溶媒に溶解した溶液中に浸漬することにより、多孔質電極7に光増感色素を結合させる。
Next, the photosensitizing dye is bonded to the
光増感色素の多孔質電極7への吸着方法に特に制限はないが、上記の光増感色素を例えばアルコール類、ニトリル類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ジメチルスルホキシド、アミド類、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類、炭酸エステル類、ケトン類、炭化水素、水などの溶媒に溶解させ、これに多孔質電極7を浸漬したり、光増感色素を含む溶液を多孔質電極7上に塗布したりすることができる。また、光増感色素の分子同士の会合を低減する目的でデオキシコール酸などを添加してもよい。また、必要に応じて紫外線吸収剤を併用することもできる。また、多孔質電極7に光増感色素を吸着させた後に、過剰に吸着した光増感色素の除去を促進する目的で、アミン類を用いて多孔質電極7の表面を処理してもよい。アミン類の例としてはピリジン、4−tert−ブチルピリジン、ポリビニルピリジンなどが挙げられ、これらが液体の場合はそのまま用いてもよいし、有機溶媒に溶解して用いてもよい。
The method for adsorbing the photosensitizing dye to the
次に、対極1を実施の形態において示した製造方法によって製造し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している対極1を得た。このとき、触媒層3は導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上の端部には形成されず、対極1の端部は導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4が露出している。
Next, the
次に、透明基板5と金属基板2とを、多孔質電極7と触媒層3とが所定の間隔を有するように配置する。上記間隔は、例えば1μm以上100μm以下であることが好適であって、1μm以上50μm以下であることがより好適である。
Next, the
そして、透明基板5および金属基板2との間に、封止体9を形成して電解質層8が封入される空間を作る。まず、封止体9を透明基板5または透明電極6と対極1の端部に露出した導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とに接して配置し、封止体9を硬化させる。
Then, a sealing body 9 is formed between the
封止体9の硬化方法は基本的にはどのような方法であってもよいが、具体的には、例えば、封止体9が紫外線硬化樹脂であれば、紫外線を照射して硬化させる方法、また、例えば、封止体9が熱硬化樹脂であれば、熱や赤外線を加えて硬化させる方法などが挙げられる。特に、封止体9を紫外線(UV)硬化樹脂と熱硬化樹脂とを組み合わせた樹脂であれば、紫外線を照射したときに封止体9を透過した紫外線が導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に吸収され、熱が発生することにより封止体9が加熱され、接着界面での結着と硬化が促進されることで導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と封止体9との結着性が飛躍的に向上する。使用する紫外線の波長は、360nm以上370nm以下であることが好ましいが、これに限定されるものではない。また、封止体9が熱溶着樹脂である場合にあっては、レーザを照射して封止体9と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とを溶着する方法が挙げられ、レーザ照射時に封止体9を透過したレーザ光が導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に吸収され発熱(200℃以上)することで溶着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と封止体9とが強固に結着される。使用するレーザは、典型的には赤外線レーザであって、その波長は、700nm以上1000nm以下であることが好ましく、800nm以上900nm以下であることがより好ましいが、使用するレーザは、これに限定されるものではなく、可視光レーザ、紫外線レーザなどであってもよい。また、封止体9の硬化方法は、上記に挙げた方法を適宜組み合わせることもできるが、これらの方法に限定されるものではない。
The curing method of the sealing body 9 may be basically any method. Specifically, for example, if the sealing body 9 is an ultraviolet curable resin, a method of curing by irradiating with ultraviolet rays. Moreover, for example, if the sealing body 9 is a thermosetting resin, a method of curing by applying heat or infrared rays may be used. In particular, if the sealing body 9 is a resin in which an ultraviolet (UV) curable resin and a thermosetting resin are combined, the conductive diamond-
次に、透明基板5と金属基板2と封止体9とによって形成された空間に、例えば、透明基板5に予め形成された注液口(図示せず)から電解液を注入し、電解質層8を形成する。その後、この注液口を塞ぐ。
以上により、目的とする色素増感光電変換素子10が製造される。
Next, an electrolyte solution is injected into a space formed by the
Thus, the target dye-sensitized
<実施例4>
色素増感光電変換素子10を以下のようにして製造した。
まず、透明電極6を有する透明基板5として、1.1mm厚の日本板硝子製アモルファス太陽電池用FTO基板(シート抵抗10Ω/□)を用意した。
次に、このFTO基板を0.2mol/lの四塩化チタン溶液に70℃、40分間浸漬した。その後、純水で洗浄しエタノールを用いてリンスを行い十分に乾燥させた。
<Example 4>
The dye-sensitized
First, as the
Next, this FTO substrate was immersed in a 0.2 mol / l titanium tetrachloride solution at 70 ° C. for 40 minutes. Thereafter, it was washed with pure water, rinsed with ethanol and sufficiently dried.
次に、このFTO基板のFTO層上へ直径5mmの円形状のスクリーンマスクを用い、TiO2 ペーストPST−24NRT(触媒化成工業(株))をスクリーン法によって塗布しTiO2 の塗膜を得た。 Next, a TiO 2 paste PST-24NRT (Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.) was applied on the FTO layer of this FTO substrate by a screen method using a circular screen mask having a diameter of 5 mm to obtain a TiO 2 coating film. .
次に、得られたTiO2 の塗膜上にTiO2 ペーストPST−400Cを重ね塗りし、積層TiO2 塗膜を得た。その後、得られた積層TiO2 塗膜を500℃に60分間保持して焼成し、TiO2 微粒子をFTO層上に焼結させることで多孔質電極7となるTiO2 焼結体を得た。得られたTiO2 焼結体は、直径5mmの円形で、厚さ18μmであった。
Then overcoated with TiO 2 paste PST-400C on the resulting TiO 2 coating film to obtain a laminated TiO 2 coating. Thereafter, the obtained laminated TiO 2 coating film was held at 500 ° C. for 60 minutes and fired, and TiO 2 fine particles were sintered on the FTO layer to obtain a TiO 2 sintered body to be the
次に、作製したTiO2 焼結体の不純物を除去し、活性を高める目的で、エキシマランプにより3分間、紫外線露光を行った。 Next, for the purpose of removing impurities from the produced TiO 2 sintered body and enhancing the activity, UV exposure was performed for 3 minutes with an excimer lamp.
次に、光増感色素としてZ991と、共吸着剤としてDPA(1-decylphosphonic acid)とを溶媒であるtert−ブチルアルコール/アセトニトリル混合溶媒(体積比1:1)に溶解させた色素浸漬溶液を調製した。Z991とDPAとの混合比率は、mol比で、Z991:DPA=4:1の割合で行った。次に、調製した色素浸漬溶液に上記のTiO2 焼結体を室温下24時間浸漬させて色素を担持させた。このTiO2 焼結体をアセトニトリルで洗浄し、暗所で溶媒を蒸発させ乾燥させた。こうして光増感色素を担持した多孔質電極7が得られた。
Next, a dye soaking solution prepared by dissolving Z991 as a photosensitizing dye and DPA (1-decylphosphonic acid) as a coadsorbent in a tert-butyl alcohol / acetonitrile mixed solvent (volume ratio 1: 1) as a solvent. Prepared. The mixing ratio of Z991 and DPA was a molar ratio of Z991: DPA = 4: 1. Next, the TiO 2 sintered body was immersed in the prepared dye soaking solution for 24 hours at room temperature to carry the dye. This TiO 2 sintered body was washed with acetonitrile, and the solvent was evaporated and dried in the dark. Thus, a
一方、溶媒である3−メトキシプロピオニトリル(略号MPN)に、1.0mol/lのメトキシプロピオイミダゾリウムヨーダイド、0.05mol/lのヨウ化リチウム(LiI)、0.10mol/lのヨウ素(I2)、そして添加剤として0.25mol/lのN−ブチルベンズミダゾール(NBB)を溶解させ電解液を調製した。 On the other hand, to 3-methoxypropionitrile (abbreviation MPN) as a solvent, 1.0 mol / l methoxypropioimidazolium iodide, 0.05 mol / l lithium iodide (LiI), 0.10 mol / l Iodine (I 2 ) and 0.25 mol / l N-butylbenzmidazole (NBB) as an additive were dissolved to prepare an electrolytic solution.
次に、実施例1の方法で、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の外縁部以外の少なくとも一部に触媒層3を設けて対極1を製造した。導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4が露出した対極1の外縁部には封止体9が接合される。
Next, the
次に、透明基板5と金属基板2とを多孔質電極7と対極1とを所定の間隔をおいて互いに対向するように配置する。そして、透明基板5と金属基板2との間に、紫外線硬化樹脂と熱硬化樹脂とで構成された封止体9を、封止体9の一方を透明基板5の外縁部、他方を対極1の外縁部である導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に接して配置する。次に、紫外線を照射することで封止体9を硬化させる。封止体9が硬化することで、透明基板5と金属基板2とが封止体9を介して強固に結着し、電解質層8が封入される空間が形成される。次に、この空間に例えば透明基板5に予め形成された注液口から送液ポンプを用いて注入し、減圧することで素子内部の気泡を追い出し電解質層8を形成した。その後、この注液口を、封止樹脂を用いてガラス基板で封止した。
以上により、目的とする色素増感光電変換素子10が製造された。
Next, the
Thus, the intended dye-sensitized
<比較例3>
対極1を比較例1の方法で製造したものを用い、封止体9を、対極1を構成するチタン基板である金属基板2に接して設けた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Comparative Example 3>
Except that the
色素増感光電変換素子10の経時的な特性の変化を測定するために、実施例4および比較例3の色素増感光電変換素子10の信頼性加速試験を行い出力特性などの比較をした。信頼加速試験は上述したものと同様な方式とした。
In order to measure the change in the characteristics of the dye-sensitized
図3は、信頼性加速試験における測定開始直前の実施例4および比較例3の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、両者のI−V出力特性の測定結果を示した略線図である。測定に関しては、実施例4の色素増感光電変換素子10について試料Aおよび試料Bの2つの試料を作製し、比較例3の色素増感光電変換素子10についても試料Cおよび試料Cの2つ試料を作製し、試料A〜Dについてそれぞれ初期特性を測定し比較を行った。
FIG. 3 shows a case where the dye-sensitized
図3より、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10におけるI−V出力特性を比較すると、実施例4の色素増感光電変換素子10である試料Aおよび試料Bは、ともに短絡電流密度が若干高い値を示すものの、試料A〜Dともに同様なI−V出力特性を示した。
From FIG. 3, when comparing the IV output characteristics of the dye-sensitized
この結果により、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介してSUS430鋼板と触媒層3とを結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、チタン板に直接触媒層3が結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10と同様な高い光電変換効率を有することが示された。これは、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4がチタン板などの金属基板2と同様な導電性を有し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と、SUS430基板および触媒層3とが良好に結着しているので、電気的な接続性が良好で金属基板2と触媒層3との界面における電気抵抗が少ないからであると考えられる。
As a result, the dye-sensitized
図4は、信頼性加速試験における測定開始から258時間保持後における実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、両者のI−V出力特性の測定結果を示した略線図である。測定に関しては、測定開始直前におけるI−V出力特性の測定と同様に、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10についてそれぞれ行った。また、色素増感光電変換素子10の保存条件は、温度85℃、湿度0%とした。
FIG. 4 shows simulated sunlight (AM1) in the dye-sensitized
図4より、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10におけるI−V出力特性を比較すると、比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10は、測定開始直前のI−V出力特性と比較して、短絡電流密度の値が上昇するものの、開放電圧の値が大幅に下降したのに対し、実施例4(試料A、B)の色素増感光電変換素子10は、測定開始直前のI−V出力特性と比較して殆ど特性変化が無かった。色素増感光電変換素子10のI−V出力特性の形状の変化が少ないということは、フィルファクタの変動が少ないということが言える。光電変換効率の値は、開放電圧と短絡電流密度とフィルファクタとの積で表されるため、フィルファクタの変動が少なければ光電変換効率の変動が少なくなり、安定した発電をすることができる。
From FIG. 4, when the IV output characteristics in the dye-sensitized
この結果により、色素増感光電変換素子10の測定開始から258時間保持後におけるI−V出力特性は、金属基板2であるチタン板に触媒層3が直接決着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、測定開始直前と比較して大幅に変化するのに対して、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2であるSUS鋼板と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、測定開始直前と比較してほとんど変化しないことが示された。これにより、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、直接触媒層3が結着している対極1を用いた色素増感光電変換素子10よりも、フィルファクタの経時的な変動が少ない安定した発電が可能であることが示された。
As a result, the IV output characteristics after 258 hours from the start of measurement of the dye-sensitized
実施例4および比較例3の色素増感光電変換素子10における出力特性の経時変化について更に調べるために、色素増感光電変換素子10の各特性の経時変化に注目した。そこで、上記の信頼性加速試験における測定開始からの経過時間に対する実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10の光電変換効率および開放電圧の値の変化について測定した。信頼性加速試験の保存条件はI−V出力特性の測定時と同様にし、測定条件は、測定開始から258時間まで連続的に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射して測定を行った。
In order to further investigate the change over time in the output characteristics of the dye-sensitized
表1は、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10における測定開始から75時間後および258時間後の光電変換効率の測定結果を、測定開始直前の光電変換効率の測定結果を100(%)としてそれぞれ正規化して示したものである。
Table 1 shows the measurement results of photoelectric conversion efficiency after 75 hours and 258 hours from the start of measurement in the dye-sensitized
図5は、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10における経過時間に対する光電変換効率の測定結果を、測定開始直前の光電変換効率の測定結果を100(%)としてそれぞれ正規化して示した略線図である。
FIG. 5 shows the measurement results of photoelectric conversion efficiency with respect to the elapsed time in the dye-sensitized
表2は、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10における測定開始から75時間後および258時間後における開放電圧の測定結果を、測定開始直前の開放電圧の測定結果を100(%)としてそれぞれ正規化して示したものである。
Table 2 shows the measurement results of the open circuit voltage after 75 hours and 258 hours from the start of measurement in the dye-sensitized
図6は、実施例4(試料A、B)および比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10における経過時間に対する開放電圧の測定結果を、測定開始直前の開放電圧の測定結果を100(%)としてそれぞれ正規化して示した略線図である。
FIG. 6 shows the measurement results of the open-circuit voltage immediately before the start of the measurement with respect to the elapsed time in the dye-sensitized
表1および図5より、比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10における光電変換効率は、測定開始から258時間経過後において、作製当初と比較して低下しているのに対し、実施例4(試料A、B)の色素増感光電変換素子10における光電変換効率は、作製から100時間経過までに緩やかに上昇し、以後緩やかに下降するが、測定開始から258時間経過しても光電変換効率は測定開始直前と同様な値を維持していることが示された。
From Table 1 and FIG. 5, the photoelectric conversion efficiency in the dye-sensitized
表2および図6より、比較例3(試料C、D)の色素増感光電変換素子10における開放電圧は、作製から100時間経過後において、作製当初と比較して大幅に低下するのに対し、実施例4(試料A、B)の色素増感光電変換素子10における開放電圧は大幅な低下は示さず、測定開始から258時間経過するまでにおいて測定開始直前と同様な値を常に維持していることが示された。
From Table 2 and FIG. 6, the open-circuit voltage in the dye-sensitized
これらの結果により、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、金属基板2上に直接触媒層3が結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10と比較して、測定開始から258時間保存後においても高い光電変換効率を有し、開放電圧も経時変化による大きな値の落ち込みなどは見られず、測定開始直前と同様な値を維持することが示された。
Based on these results, the dye-sensitized
この要因としては、触媒層3と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4との結合が、電解液や熱などに安定であり結着界面に電解液が与える影響が少ないことが挙げられる。特に、触媒層3を導電性カーボン層で構成する場合においては、同じ元素である炭素(C)同士の結合となるので結合力が特に高く、両者の密着性が上がり、金属基板2に直接触媒層3を形成したときよりも、結着界面における導通性が向上すると考えられる。また、触媒層3と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4との結着が、電解液や熱などに安定であるので、結着界面に電解液が与える影響が少ない。これは、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4は電解液を透過させない保護層の役割も担っているので、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と金属基板2との結着界面に電解液が影響を及ぼすことがほとんど無いからであると考えられる。
This is because the bond between the
このように、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成とすると、測定初期において開放電圧の落ち込みが生じない。このことから、従来の金属基板2を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10に見られた測定初期における開放電圧の特徴的な落ち込みは、従来の金属基板2を有する対極1に経時変化が起こることによるものであるということが示された。さらに、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とを結着している構成とすると、対極1の経時変化を有効に抑えることができ、駆動初期段階における開放電圧の落ち込みを有効に防止することができることが示された。さらに、光電変換効率の経時的な低下も有効に抑えることができることも示された。これにより、色素増感光電変換素子10の対極1を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を有する上述の構成とするだけで、色素増感光電変換素子10として物理的にかつ化学的にもより安定な構成となり、信頼性の非常に高い色素増感光電変換素子10とすることができることが示された。
As described above, when the
また、金属基板2上を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4で被覆したので、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4が保護層となり金属基板2が電解質層8に接することがない。これにより、金属基板2を構成する材料と電解質層8中の電解液とが反応して電解液中に溶出することが無く、また導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と電解液との反応性は小さいので、電解液中に導電性ダイヤモンドライクカーボンが溶出することが無い。
In addition, since the
さらに、透明基板5と金属基板2との間に設けられる封止体9を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に密着して設けたので、封止体9を金属基板2に接して設けたときと比較して、封止体9と金属基板2との結着性が向上する。特に、封止体9を有機材料とする場合には、有機系材料同士の結合となるので、封止体9と金属基板2との結着性が飛躍的に向上する。この結着性の向上は、外部が湿潤した環境下で色素増感光電変換素子10を動作させる場合において、電解質層8への耐浸水性が飛躍的に向上させることができ、電解質層8中の電解液などの改質を抑制することができる。
Further, since the sealing body 9 provided between the
これらのことから、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、金属基板2から電解質層8中に物質が溶出することが無く、外部からの耐浸水性が高いので、上述したような対極1の経時劣化を抑制すると共に、電解質層8中の電解質の改質による経時劣化をも抑制することができる。
For these reasons, the dye-sensitized
次に、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成とする場合において、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4が対極1の触媒性能に与える影響を調べた。具体的には、色素増感光電変換素子10の対極1において導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上に設けられる触媒層3の厚さを変化させ、それぞれの素子について各種の特性を測定した。
Next, in the case where the
<実施例5>
対極1を実施例2の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 5>
A dye-sensitized
<実施例6>
対極1を実施例3の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 6>
A dye-sensitized
<比較例4>
対極1を比較例2の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Comparative example 4>
A dye-sensitized
表3は、作製直後における実施例4、実施例5、実施例6および比較例4の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、それぞれの開放電圧VOC(V)、短絡電流密度JSC(mA/cm2)、フィルファクタFF(%)、変換効率Eff.(%)、直流抵抗RS(Ω)の測定結果を示したものである。
Table 3 shows the case where the dye-sensitized
図7は、作製直後における実施例4、実施例5、実施例6および比較例4の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、それぞれのI−V出力特性の測定結果を示した略線図である。実施例4の色素増感光電変換素子10は試料A〜Dとは別に新たに作製したものである。
FIG. 7 shows a case in which artificial sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) is irradiated to the dye-sensitized
表3および図7に示すように、触媒層3の厚さが0、即ち、金属基板2上に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4のみが設けられた対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、光電変換による発電が可能であることが示された。これは、導電性ダイヤモンドライクカーボン自身に還元触媒機能が存在していることを示している。
As shown in Table 3 and FIG. 7, the thickness of the
しかしながら、この構成の対極1を用いた比較例4の色素増感光電変換素子10は、開放電圧および短絡電流密度は良好な値を示すものの、フィルファクタの値は著しく低い。そのため、光電変換効率は、他の構成の色素増感光電変換素子10と比較して著しく低い値となった。これは、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4のみでは、還元触媒機能が著しく不十分であるということを示している。この要因の一つとしては、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の電解質層8側の表面が平滑であるため、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の電解質層8中の電解液などとが接する表面積が小さく触媒作用が十分に行われないことが考えられる。
However, in the dye-sensitized
このように、金属基板2上に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4のみが設けられて構成された対極1は、色素増感光電変換素子10に適用しても、還元触媒機能が著しく不十分であることから、多孔質電極7で発生した電子を有効に外部に取り出すことができないことが示された。
Thus, even if the
一方、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、光電変換効率、開放電圧、短絡電流密度およびフィルファクタについて共に良好な値を示した。特に、触媒層3は、従来の色素増感光電変換素子10では3層構造とすることで良好な光電変換効率を得ていたが、対極1を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成とすると、触媒層3を1層構造としても、従来の色素増感光電変換素子10と同等な光電変換効率の値となり、また、触媒層3を2層構造とすると、3層構造である従来の色素増感光電変換素子10の光電変換効率の値よりも大きな値を示すことが明らかとなった。これにより、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、良好な光電変換効率の値が、触媒層3が2層で得られることから、触媒層3を従来よりも薄く形成することができ、色素増感光電変換素子10全体を薄く形成することができる。しかしながら、触媒層3の厚さは、薄すぎても厚すぎても好ましくなく、最適な厚さが存在する。その厚さは10μm以上40μm以下であることが好ましく、15μm以上30μm以下であることがより好ましく、20μm以上25μm以下であることが最も好ましい。
On the other hand, the dye-sensitized
このように、金属基板2上に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4のみを形成して構成した対極1を色素増感光電変換素子10に適用しても良好な光電変換効率は得られないが、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着させて構成した対極1を色素増感光電変換素子10に適用すると、触媒層3を従来よりも薄くしても良好な光電変換効率の値を示すことが明らかとなった。
Thus, even if the
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の触媒作用を向上させるために、対極1を構成する導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の電解質層8側の表面の少なくも一部をポーラス形状としてもよい。これにより、電解質層8中の電解液と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが接触する面積を増加させ触媒作用を向上させることができる。少なくとも一部にポーラス形状を有する導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4は、具体的には、例えば、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の電解質層8側の表面の全面をポーラス形状としたり、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の電解質層8側の表面の電解液と接触する部分にのみポーラス形状としたり、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の電解質層8側の表面の封止体9と接着する部分以外をポーラス形状としたりとすることができる。また、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4は金属基板2の保護層としての役割を有するので、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の表層部のみをポーラス形状とすることが好ましい。このとき、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の厚さは500nm以上20000nm以下であることが好ましく、1000nm以上5000nm以下であることがより好ましい。また、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の表層に形成されるポーラス層の厚さは500nm以上4000nm以下であることが好ましく、1000nm以上2000nm以下であることがより好ましいが、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の形状、厚さは上記に挙げたものに限定されるものではない。
Here, in order to improve the catalytic action of the conductive diamond-
少なくとも一部にポーラス形状を有する導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4は、プラズマCVD法で製膜する場合においてガス圧を調整することで製造することができる。ポーラス層を有する導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4は、表面が平滑な導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4をプラズマCVD法で製膜した後に、ガス圧を調整しポーラス体の導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を製膜する。また、表面が平滑な導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を製膜した後に、化学的、電気的な方法を用いてポーラス体とすることもできる。
The conductive diamond-
以上のように、この第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10によれば、第1の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1と同様な利点に加えて、対極1を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とを結着している構成としたので、対極1の経時変化を長期間抑制することができる。これにより、色素増感光電変換素子10を長時間使用することによる開放電圧の低下および光電変換効率の低下を抑えることができる。また、金属基板2の電解質層8側の電解質に接する面全体を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4で覆うことで、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4が保護層となり金属基板2が電解液に接触しないので、金属基板2に耐電解液性の低い金属を用いることができる。また、透明基板5と金属基板2との間に設けられる封止体9を、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4に接して設けたので、金属基板2に接して設けたときと比較して、封止体9と金属基板2との結着性が飛躍的に向上する。これにより、電解質層8中の電解質の改質が抑制されることによって色素増感光電変換素子10の経時劣化を抑制することができる。このように、この第2の実施の形態によれば、金属基板2に耐電解液性の低い材料を用いることができ、光電変換効率が高く、長時間使用しても性能劣化の少ない高性能な色素増感光電変換素子10を得ることができる。
As described above, according to the dye-sensitized
<3.第3の実施の形態>
[色素増感光電変換素子用対極]
次に、第3の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極について説明する。
図8は第3の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1を示す要部断面図である。
図8に示すように、この色素増感光電変換素子用対極1(以下対極1)は、金属基板2の一主面上の全体を覆う形で導電性膜11が設けられ、導電性膜11の面上全体を覆う形で導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4がさらに設けられ、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の面上の少なくとも一部に触媒層3が設けられている。導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と金属基板2および触媒層3とは密着しており、これらが対極1を構成している。その他のことは第1の実施の形態の色素増感光電変換素子用対極1と同様である。
<3. Third Embodiment>
[Counter electrode for dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, a counter electrode for a dye-sensitized photoelectric conversion element according to a third embodiment will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view of an essential part showing a
As shown in FIG. 8, the
導電性膜11は、金属基板2上に設けられる導電性を有する膜であれば基本的にはどのようなものであっても良いが、導電性膜11の厚さは30nm以上300nm以下が好ましく、50nm以上200nm以下がより好ましく、80nm以上150nm以下であることが最も好ましい。これは厚さが20nmよりも薄いと表面抵抗値および内部抵抗が上昇するためである。また、導電性膜11のシート抵抗は、具体的には、5Ω/□以下であることが好適であって、1Ω/□以下がより好適である。10Ω/□を超えると上記透明導電層の内部抵抗が著しく上昇するからである。
The
導電性膜11を構成する材料としては、金属単体、合金、3元系のアモルファス材料、金属炭化物、金属窒化物、金属シアン化物、導電性ポリマーなどが好ましく、具体的には、金、白金、銀、銅、鉄、スズ、亜鉛、ニッケル、チタン系材料、タンタル(Ta)系材料、クロム(Cr)系材料、タングステン(W)系材料、モリブデン(Mo)系材料、ニオブ(Nb)系材料、アルミニウム(Al)系材料、ハフニウム(Hf)系材料、ジルコニウム(Zr)系材料、ルテニウム(Ru)系材料およびイリジウム(Ir)系材料などが挙げられ、チタン系材料であれば、具体的には、例えば、Ti、TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiAlN、TiSiN、TiAlONなどが挙げられ、また、タンタル系材料であれば、具体的には、例えば、Ta、TaN、TaCN、TaC、TaO、TaON、TaCNO、TaAlN、TaSiNなどが挙げられ、また、クロム系材料であれば、具体的には、例えば、Cr、CrN、CrSiN、CrAlNなどが挙げられ、また、タングステン系材料であれば、具体的には、例えば、W、WN、WCN、WBN、WAlN、WSiN、WTiなどが挙げられ、また、モリブデン系材料であれば、具体的には、例えば、Mo、MoO、MoN、MoSiN、MoAlN、MoHfOなどが挙げられ、また、ニオブ系材料であれば、具体的には、例えば、Nb、NbN、NbC、NbSiN、NbAlNなどが挙げられ、また、アルミニウム系材料であれば、具体的には、例えば、Al、AlNなどが挙げられ、また、ハフニウム系材料であれば、具体的には、例えば、Hf,HfN、HfCなどが挙げられ、また、ジルコニウム系材料であれば、具体的には、例えば、Zr、ZrN、ZrSiN、ZrAlNなどが挙げられ、また、ルテニウム系材料であれば、具体的には、例えば、Ru、RuO、RuAlO、RuAlNなどが挙げられ、また、イリジウム系材料であれば、具体的には、例えば、Ir,IrOなどが挙げられ、また、導電性ポリマーであれば、具体的には、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびその誘導体などが挙げられ、上記以外の材料としては、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO2(FTO)、酸化スズ(IV)SnO2、酸化亜鉛(II)ZnO、インジウム−亜鉛複合酸化物(IZO)などが挙げられるが、導電性膜11を構成する材料は、これらのものに限定されるものではない。また、導電性膜11は、上記で挙げたものから二種類以上を組み合わせて構成したり、二種類以上を積層して構成したりすることもできる。
The material constituting the
金属基板2を構成する材料は、上記に挙げたものから適宜選択して用いることができるが、その中でも、高い電解液腐食耐性を有するステンレス特殊鋼が好ましい。ステンレス特殊鋼は、表面に不動態皮膜を有するステンレス鋼であって、具体的には、例えば、SUS316、SUS316Ti、SUS316LN、SUS316J1、SUS316J1L、SUS317、SUS317L、SUS317LN、SUS317J1、SUS317J2などが挙げられる。
Although the material which comprises the
[色素増感光電変換素子用対極の製造方法]
次に、第3の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1の製造方法について説明する。
まず、金属基板2である金属板を用意する。
次に、金属基板2の一主面の全面上に導電性膜11を形成する。この導電性膜11の形成方法には特に制限は無いが、具体的には、スパッタリング法、化学気相蒸着法、イオン化蒸着法などで形成される。特に、スパッタリング法で導電性膜11を形成する場合においては、導電性膜11を形成する前工程として行う不導体層の除去を、スパッタリング法による成膜の前工程とて行う不活性ガスなどを使用した逆スパッタリングと同時に行うことができることから、工程を簡素化することができる。次に、導電性膜11の全面上に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を形成する。その他のことは、第1の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1の製造方法と同様である。
[Method for producing counter electrode for dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, the manufacturing method of the
First, a metal plate that is the
Next, the
<実施例7>
対極1を以下のようにして製造した。
まず、金属基板2として厚さ1mmのSUS304鋼板を用意した。
次に、SUS304鋼板の一主面の全面を不活性ガスで逆スパッタリングし、不導体層を除去した。不導体層を除去後にスパッタリング法によって、SUS304鋼板の一主面の全面に導電性膜11であるTi膜を形成し、導電性膜11を有する金属基板2を得た。形成されたTi膜の膜厚は60nmであった。次に、形成されたTi膜の全面にプラズマCVD法によって導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を形成し、導電性膜11であるTi膜と、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが順次積層された金属基板2であるSUS304鋼板を得た。得られた導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の厚さは約200nmであった。その他のことは実施例1と同様にして、目的とする対極1が製造された。
<Example 7>
The
First, a SUS304 steel plate having a thickness of 1 mm was prepared as the
Next, the entire main surface of one of the SUS304 steel plates was reverse-sputtered with an inert gas to remove the nonconductive layer. After removing the non-conductive layer, a Ti film as the
<実施例8>
対極1を以下のようにして製造した。
まず、金属基板2として厚さ1mmのSUS316鋼板を用意した。
次に、SUS316鋼板の一主面の全面を不活性ガスで逆スパッタリングし、不導体層を除去した。不導体層を除去後にスパッタリング法によって、SUS316鋼板の一主面の全面に導電性膜11であるTi膜を形成し、導電性膜11を有する金属基板2を得た。形成されたTi膜の膜厚は60nmであった。次に、形成されたTi膜の全面にプラズマCVD法によって導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を形成し、導電性膜11であるTi膜と、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが順次積層された金属基板2であるSUS304鋼板を得た。得られた導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の厚さは約200nmであった。その他のことは実施例1と同様にして、目的とする対極1が製造された。
<Example 8>
The
First, a SUS316 steel plate having a thickness of 1 mm was prepared as the
Next, the entire surface of one main surface of the SUS316 steel plate was reverse-sputtered with an inert gas to remove the nonconductive layer. After removing the non-conductive layer, a Ti film as the
<実施例9>
対極1を以下のようにして製造した。
まず、金属基板2として厚さ1mmのSUS316鋼板を用意した。
次に、SUS316鋼板の一主面の全面を不活性ガスで逆スパッタリングし、不導体層を除去した。不導体層を除去後にスパッタリング法によって、SUS316鋼板の一主面の全面に導電性膜11であるTiN膜を形成し、導電性膜11を有する金属基板2を得た。形成されたTiN膜の膜厚は50nmであった。次に、形成されたTiN膜の全面にプラズマCVD法によって導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を形成し、導電性膜11であるTiN膜と、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが順次積層された金属基板2であるSUS316鋼板を得た。得られた導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の厚さは約500nmであった。その他のことは実施例1と同様にして、目的とする対極1が製造された。
<Example 9>
The
First, a SUS316 steel plate having a thickness of 1 mm was prepared as the
Next, the entire surface of one main surface of the SUS316 steel plate was reverse-sputtered with an inert gas to remove the nonconductive layer. After removing the non-conductive layer, a TiN film as the
<比較例5>
金属基板2をSUS316鋼板としたこと以外は、比較例1と同様にして対極1を製造した。
<Comparative Example 5>
A
<比較例6>
金属基板2をSUS316鋼板としたこと以外は、実施例1と同様にして対極1を製造した。
<Comparative Example 6>
A
この第3の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な利点をもつ色素増感光電変換素子用対極1を得ることができる。
According to the third embodiment, the
<4.第4の実施の形態>
[色素増感光電変換素子]
次に、第4の実施の形態による色素増感光電変換素子10ついて説明する。
図9は第4の実施の形態による色素増感光電変換素子10の基本構成を示した要部断面図である。
図9に示すように、この第4の実施の形態においては、色素増感光電変換素子10の対極1に第3の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1を用いる。その他のことは第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10と同様である。
<4. Fourth Embodiment>
[Dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, the dye-sensitized
FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part showing the basic configuration of the dye-sensitized
As shown in FIG. 9, in the fourth embodiment, the
[色素増感光電変換素子の動作]
次に、第4の実施の形態による色素増感光電変換素子10の動作について説明する。
この色素増感光電変換素子10の動作は第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10の動作と同様である。
[Operation of dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, the operation of the dye-sensitized
The operation of the dye-sensitized
[色素増感光電変換素子の製造方法]
次に、第4の実施の形態による色素増感光電変換素子10の製造方法について説明する。
この色素増感光電変換素子10の製造方法は、色素増感光電変換素子の対極1に第3の実施の形態による色素増感光電変換素子用対極1を用いること以外は、第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10の製造方法と同様である。
[Method for producing dye-sensitized photoelectric conversion element]
Next, a method for manufacturing the dye-sensitized
The manufacturing method of the dye-sensitized
<実施例10>
対極1に実施例7の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 10>
A dye-sensitized
<実施例11>
対極1に実施例8の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 11>
A dye-sensitized
<実施例12>
対極1に実施例9の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 12>
A dye-sensitized
<比較例7>
対極1を比較例5の方法で製造したものを用い、封止体9を、対極1を構成するSUS316基板である金属基板2に接して設けた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Comparative Example 7>
Except for using the
<比較例8>
対極1に比較例6の方法で製造したものを用いた以外は、実施例4と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Comparative Example 8>
A dye-sensitized
表4は、作製直後の実施例10、実施例11および比較例7の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、それぞれの開放電圧VOC(V)、短絡電流密度JSC(mA/cm2)、フィルファクタFF(%)、変換効率Eff.(%)、直流抵抗RS(Ω)の測定結果を示したものである。
Table 4 shows the respective open-circuit voltages when pseudo-sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) was irradiated to the dye-sensitized
図10は、作製直後の実施例10、実施例11および比較例7の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、それぞれのI−V出力特性の測定結果を示した略線図である。
FIG. 10 shows the respective I− when the dye-sensitized
表4および図10に示すように、実施例10および11の色素増感光電変換素子10は、比較例7の色素増感光電変換素子10と比較して直列抵抗が低い値を示すことが明らかとなった。この要因としては、実施例10および11の色素増感光電変換素子10の対極1を金属基板2と触媒層3との間に、導電性膜11と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を順次積層して設ける構成としたので、それぞれの接触界面における電気的な親和性が上昇して接触抵抗が減少したためであると考えられる。直流抵抗の減少は、特に、導電性膜11をチタン系材料、金属基板2をステンレス一般鋼板とした実施例10において顕著となる。これは、ステンレス一般鋼板であるSUS304と、その面上に設けられたチタン系材料膜であるTiとの界面における電気的な親和性が、同様にチタン系材料膜であるTiが設けられたステンレス特殊鋼板であるSUS316の上記界面における電気的な親和性よりもさらに大きいからであると考えられる。
As shown in Table 4 and FIG. 10, it is clear that the dye-sensitized
また、実施例10および11の色素増感光電変換素子10は、比較例7の色素増感光電変換素子10と比較して高い光電変換効率を有することが明らかとなった。この要因としては、上述した直列抵抗値の比較から、比較例7の色素増感光電変換素子10よりも実施例10および11の色素増感光電変換素子10の陰陽極間の導電性が高く、電子を外部に取り出す時におけるエネルギーロスが少ないからであると考えられる。
Further, it was revealed that the dye-sensitized
このように、対極1を、導電性膜11を介して金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが結着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にさらに触媒層3が結着して設けられた構成とすると、対極1の触媒性能を飛躍的に向上させることができる。また、上記の構成の対極1を色素増感光電変換素子10の対極とすることによって、色素増感光電変換素子10における光電変換効率を飛躍的に向上させることができる。
Thus, the
次に、色素増感光電変換素子10の経時的な特性の変化を測定するために、実施例12、比較例3、比較例8の色素増感光電変換素子10について信頼性加速試験を行い出力特性などについて比較をした。信頼加速試験は上述したものと同様な方式とした。
Next, in order to measure a change in characteristics of the dye-sensitized
図11は、測定開始直前における実施例12、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、それぞれのI−V出力特性を示した略線図である。
FIG. 11 shows each I when the dye-sensitized
図11に示すように、それぞれの色素増感光電変換素子10におけるI−V出力特性は、実施例12および比較例8の色素増感光電変換素子10が、ほぼ同様のI−V出力特性を示すのに対し、比較例2の色素増感光電変換素子10におけるI−V出力特性は、他の2例と比較して短絡電流密度が低く開放電圧が若干高い特性を示した。実施例12および比較例8と比較例3とのI−V出力特性に若干の違いが生じたのは、金属基板2を異なる材料からなるものを用いたので、電気特性に違いが生じたからであると考えられる。
As shown in FIG. 11, the IV output characteristics of the dye-sensitized
図12は、測定開始から258時間保存後における実施例12、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射した場合の、それぞれのI−V出力特性を比較した略線図である。色素増感光電変換素子10の保存条件は、温度85℃、湿度0%とした。
FIG. 12 shows the case where the dye-sensitized
図12より、実施例12の色素増感光電変換素子10の測定開始から258時間保存後におけるI−V出力特性は、測定開始直前と比較して殆ど変化が無かったのに対し、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10の258時間保存後におけるI−V出力特性は、測定開始直前と比較して、短絡電流密度の値が上昇するものの、開放電圧の値が大幅に下降する方向に変化した。また、作製から258時間保存後においては、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10のI−V出力特性は、両者とも同様な特性を示した。
From FIG. 12, the IV output characteristics after 258 hours storage from the start of measurement of the dye-sensitized
この結果により、導電性膜11を介して金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが結着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にさらに触媒層3が結着して設けられた構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、特に、金属基板2を構成する材料をステンレス特殊鋼とし、導電性膜11を構成する材料をチタン系材料とすると、作製から258時間経過後においても出力特性が変化しないことが明らかとなった。これにより、導電性膜11を介して金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが結着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にさらに触媒層3が結着して設けられた構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10よりも、特に、金属基板2を構成する材料をステンレス特殊鋼、導電性幕11を構成する材料をチタン系材料とした時に、フィルファクタの経時的な変動が少ない安定した発電が可能であることが示された。
As a result, the
実施例12、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10における出力特性の経時変化について更に調べるために、実施例12、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10の作製からの経過時間に対する光電変換効率の値の変化について測定した。色素増感光電変換素子10の保存条件は、上記のI−V出力特性の測定時と同様にし、測定条件は、測定開始から258時間まで連続的に擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射して測定を行った。
In order to further investigate the change over time in the output characteristics of the dye-sensitized
表5は、実施例12、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10の75時間後および258時間後における光電変換効率の測定結果を、測定開始直前の光電変換効率の値をそれぞれ100として正規化して示したものである。
Table 5 shows the measurement results of the photoelectric conversion efficiency after 75 hours and 258 hours of the dye-sensitized
表5および図13より、比較例3および比較例8の色素増感光電変換素子10における光電変換効率は、作製から258時間経過後において、光電変換効率は作製当初と比較して低下しているのに対し、実施例12の色素増感光電変換素子10における光電変換効率は、作製から100時間経過までに急激に上昇し、以後緩やかに下降するが、測定開始から258時間経過しても光電変換効率は測定開始直前よりも高い値を維持していることが示された。
From Table 5 and FIG. 13, the photoelectric conversion efficiency in the dye-sensitized
この結果により、金属基板2上に直接触媒層3が結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は作製から258時間保存後において、測定開始直前よりも光電変換効率が下降するのに対して、導電性膜11を介して金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが結着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にさらに触媒層3が結着して設けられた構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、作製から258時間保存後において、測定開始直前よりも光電変換効率が高くなることが明らかとなった。
As a result, the dye-sensitized
また、特に、金属基板2をステンレス特殊鋼板とする場合において、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は作製から258時間保存後において、測定開始直前よりも光電変換効率が下降するのに対して、導電性膜11を介して金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが結着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にさらに触媒層3が設けられた構成を有する対極1を用いた色素増感光電変換素子10は、作製から258時間保存後において測定開始直前よりも光電変換効率が高くなることが明らかとなった。
In particular, when the
この要因としては、金属基板2上に低抵抗の導電性膜11を成膜したことにより、金属基板2上の表面が改質されると同時に、導電性膜11を金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4との間に設けることにより、金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4との間の直流抵抗値が低くなることが挙げられる。この直流抵抗値の減少は、対極1の導電性を大幅に向上させ、光電変換効率の改善に繋がったものと考えられる。特に、金属基板2をステンレス特殊鋼板とする場合においては、金属基板2上の表面と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4との電気的、機械的な親和性が低いと考えられるため、導電性膜11であるTiN膜を成膜することにより金属基板2の表面が改質され、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と金属基板2との電気的、機械的な親和性が向上する。その結果、両者の界面における接触抵抗が減少し導電性が向上することで、光電変換効率の向上に繋がったものと考えられる。
This is because the surface of the
以上のように、この第4の実施の形態による色素増感光電変換素子10によれば、第2の実施の形態と同様な利点をもつとともに、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜11を介して金属基板2と導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4とが結着し、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4上にさらに触媒層3が設けられた構成をとしたので、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と親和性が高くない材料で金属基板2を構成しても、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4の成膜面に、導電性膜11を成膜し改質することで、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜4と金属基板2との電気的、機械的な親和性が向上し、光電変換性能が飛躍的に向上する。また、両者の電気的、機械的な親和性も向上することから対極1の経時劣化も有効に抑えることができる。このように、この第2の実施の形態によれば、金属基板2を構成する材料が導電性ダイヤモンドライクカーボンとの親和性の小さい材料であっても、光電変換効率が高く、長時間使用しても性能劣化の少ない高性能な色素増感光電変換素子10を得ることができる。
As described above, the dye-sensitized
以上のように、この第4の実施の形態によれば、第2の実施の形態による色素増感光電変換素子10と同様な利点を持つとともに、金属基板2を導電性ダイヤモンドライクカーボンと親和性が高くない材料で構成しても、高い光電変換効率を得られる高性能な色素増感光電変換素子10を得ることができる。
As described above, according to the fourth embodiment, the same advantage as that of the dye-sensitized
以上、実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本開示の技術思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いても良い。
Although the embodiments and examples have been specifically described above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present disclosure are possible. .
For example, the numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like given in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different numerical values, structures, configurations, shapes, materials, etc. are used as necessary. Also good.
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)多孔質電極と、対極と、上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、上記対極は、金属基板と、上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子。
(2)上記金属基板が、アルミニウム、アルミニウム合金およびステンレス鋼のいずれか1つからなる上記(1)に記載の光電変換素子。
(3)上記触媒層が、導電性カーボン層である上記(1)または上記(2)に記載の光電変換素子。
(4)上記金属基板上に導電性膜が設けられ、上記導電性膜上に導電性ダイヤモンドライクカーボン膜が設けられている上記(1)〜(3)のいずれかに記載の光電変換素子。
(5)上記導電性膜が、チタン系材料からなる上記(1)〜(4)のいずれかに記載の光電変換素子。
(6)上記チタン系材料が、TiNまたはTiCNである上記(1)〜(5)のいずれかに記載の光電変換素子。
(7)電解質層の電解質を封止する封止体をさらに有し、上記封止体が、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と密着している上記(1)〜(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
(8)上記封止体は、UV硬化樹脂と熱硬化性樹脂とを有する上記(7)に記載の光電変換素子。
(9)上記光電変換素子は上記多孔質電極に光増感色素が吸着した色素増感光電変換素子である上記(1)〜(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
(10)多孔質電極と、対極と、上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有する光電変換素子を製造する場合に、金属基板上に、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に触媒層を形成することにより上記対極を形成する光電変換素子の製造方法。
(11)上記金属基板が、アルミニウム、アルミニウム合金およびステンレス鋼のいずれか1つからなる上記(10)に記載の光電変換素子の製造方法。
(12)上記触媒層が、導電性カーボン層である上記(10)または上記(11)に記載の光電変換素子の製造方法。
(13)金属基板上に、導電性膜を形成した後に、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜を形成する上記(10)〜(12)のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
(14)上記導電性膜は、チタン系材料からなる上記(13)に記載の光電変換素子の製造方法。
(15)電解質層の電解質を封止する封止体を更に有する光電変換素子を製造する場合に、上記封止体を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜に接触させ熱硬化することで、上記封止体を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜に密着させる上記(10)〜(14)のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
(16)上記封止体は、UV硬化樹脂と熱硬化樹脂とを有し、UV光を照射することで上記封止体を熱硬化させる上記(15)に記載の光電変換素子の製造方法。
(17)少なくとも一つの光電変換素子を有し、多孔質電極と、対極と、上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、上記対極は、金属基板と、上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である電子機器。
(18)金属基板と、上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子用対極。
(19)少なくとも1つの光電変換素子を有し、上記光電変換素子が、多孔質電極と、対極と、上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、上記対極は、金属基板と、上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である建築物。
(20)上記光電変換素子および/または上記光電変換素子モジュールのうち、少なくとも1つは2枚の透明板の間に挟持されている上記(19)に記載の建築物。
In addition, this technique can also take the following structures.
(1) A porous electrode, a counter electrode, an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode, and the counter electrode is a metal substrate and a conductive diamond-like carbon provided on the metal substrate A photoelectric conversion element comprising a film and a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
(2) The photoelectric conversion element according to (1), wherein the metal substrate is made of any one of aluminum, an aluminum alloy, and stainless steel.
(3) The photoelectric conversion element according to (1) or (2), wherein the catalyst layer is a conductive carbon layer.
(4) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (3), wherein a conductive film is provided on the metal substrate, and a conductive diamond-like carbon film is provided on the conductive film.
(5) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (4), wherein the conductive film is made of a titanium-based material.
(6) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (5), wherein the titanium-based material is TiN or TiCN.
(7) The method according to any one of (1) to (6), further including a sealing body that seals the electrolyte of the electrolyte layer, wherein the sealing body is in close contact with the conductive diamond-like carbon film. Photoelectric conversion element.
(8) The photoelectric conversion element according to (7), wherein the sealing body includes a UV curable resin and a thermosetting resin.
(9) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (8), wherein the photoelectric conversion element is a dye-sensitized photoelectric conversion element in which a photosensitizing dye is adsorbed on the porous electrode.
(10) When producing a photoelectric conversion element having an electrolyte layer between a porous electrode, a counter electrode, and the porous electrode and the counter electrode, a conductive diamond-like carbon film is formed on a metal substrate; A method for producing a photoelectric conversion element, wherein the counter electrode is formed by forming a catalyst layer on the conductive diamond-like carbon film.
(11) The method for producing a photoelectric conversion element according to (10), wherein the metal substrate is made of any one of aluminum, an aluminum alloy, and stainless steel.
(12) The method for producing a photoelectric conversion element according to (10) or (11), wherein the catalyst layer is a conductive carbon layer.
(13) The method for producing a photoelectric conversion element according to any one of (10) to (12), wherein the conductive diamond-like carbon film is formed after forming the conductive film on the metal substrate.
(14) The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to (13), wherein the conductive film is made of a titanium-based material.
(15) When manufacturing a photoelectric conversion element further having a sealing body for sealing the electrolyte of the electrolyte layer, the sealing body is thermally cured by contacting the sealing body with a conductive diamond-like carbon film. The method for producing a photoelectric conversion element according to any one of the above (10) to (14), wherein the is adhered to the conductive diamond-like carbon film.
(16) The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to (15), wherein the sealing body includes a UV curable resin and a thermosetting resin, and the sealing body is thermally cured by irradiation with UV light.
(17) having at least one photoelectric conversion element, having a porous electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode, wherein the counter electrode is formed on a metal substrate and the metal substrate; An electronic device which is a photoelectric conversion element having a conductive diamond-like carbon film and a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
(18) A counter electrode for a photoelectric conversion element, comprising a metal substrate, a conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate, and a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
(19) having at least one photoelectric conversion element, wherein the photoelectric conversion element has a porous electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode, the counter electrode being a metal substrate And a building which is a photoelectric conversion element having a conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate and a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
(20) The building according to (19), wherein at least one of the photoelectric conversion element and / or the photoelectric conversion element module is sandwiched between two transparent plates.
1…対極、2…金属基板、3…触媒層、4…導電性ダイヤモンドライクカーボン膜、5…透明基板、6…透明電極、7…多孔質電極、8…電解質層、9…封止体、10…色素増感光電変換素子、11…導電性膜。
DESCRIPTION OF
Claims (20)
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、
上記対極は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子。 A porous electrode;
With the counter electrode,
Having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
A photoelectric conversion element having a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
上記封止体が、上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と密着している請求項1に記載の光電変換素子。 It further has a sealing body that seals the electrolyte of the electrolyte layer,
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the sealing body is in close contact with the conductive diamond-like carbon film.
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有する光電変換素子を製造する場合に、
金属基板上に、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に触媒層を形成することにより上記対極を形成する光電変換素子の製造方法。 A porous electrode;
With the counter electrode,
When manufacturing a photoelectric conversion element having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode,
A conductive diamond-like carbon film is formed on a metal substrate,
A method for producing a photoelectric conversion element, wherein the counter electrode is formed by forming a catalyst layer on the conductive diamond-like carbon film.
上記封止体を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜に接触させ熱硬化することで、上記封止体を導電性ダイヤモンドライクカーボン膜に密着させる請求項10に記載の光電変換素子の製造方法。 When producing a photoelectric conversion element further having a sealing body for sealing the electrolyte of the electrolyte layer,
The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 10, wherein the sealing body is brought into close contact with the conductive diamond-like carbon film by bringing the sealing body into contact with the conductive diamond-like carbon film and thermosetting.
多孔質電極と、
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、
上記対極は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である電子機器。 Having at least one photoelectric conversion element;
A porous electrode;
With the counter electrode,
Having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
An electronic device which is a photoelectric conversion element having a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子用対極。 A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
A counter electrode for a photoelectric conversion element, comprising: a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
上記光電変換素子が、
多孔質電極と、
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に電解質層を有し、
上記対極は、
金属基板と、
上記金属基板上に設けられた、導電性ダイヤモンドライクカーボン膜と、
上記導電性ダイヤモンドライクカーボン膜上に設けられた触媒層とを有する光電変換素子である建築物。 Having at least one photoelectric conversion element;
The photoelectric conversion element is
A porous electrode;
With the counter electrode,
Having an electrolyte layer between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive diamond-like carbon film provided on the metal substrate;
A building which is a photoelectric conversion element having a catalyst layer provided on the conductive diamond-like carbon film.
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KR101610550B1 (en) | 2014-12-09 | 2016-04-07 | 현대자동차주식회사 | Dye-sensitized solar cell |
CN114583058A (en) * | 2020-11-30 | 2022-06-03 | 株式会社理光 | Photoelectric conversion element, photoelectric conversion module, electronic instrument, and power supply module |
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2011
- 2011-12-12 JP JP2011271222A patent/JP2013122874A/en active Pending
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