JP2013122875A - Photoelectric conversion element, method for manufacturing the same, counter electrode for photoelectric conversion element, electronic device, 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. The present invention relates to an electronic device to be used, a counter electrode for a photoelectric conversion element suitable for use in 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ニウム(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-cost general-purpose metal material such as an aluminum (Al) -based material and a stainless steel (SUS) -based material instead of the titanium-based material to the metal substrate.
しかしながら、アルミニウム系、ステンレス鋼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 and stainless steel have excellent properties in terms of electrical conductivity, but generally have low corrosion resistance to electrolytes, and can withstand practical use as a counter electrode metal substrate. Does not have performance. 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 (see, for example,
しかしながら、これら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 cells proposed in these documents are 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設けられた電解質層とを有し、
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であ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,
An electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
The photoelectric conversion element has a value of linear expansion coefficient of the conductive film of 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less.
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下である光電変換素子である光電変換素子用対極である。
In addition, this disclosure
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
The counter electrode for a photoelectric conversion element, which is a photoelectric conversion element having a linear expansion coefficient of the conductive film of 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less. It is.
また、本開示は、
多孔質電極と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、線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]である材料からなる導電性膜を形成し、上記導電性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
When manufacturing a photoelectric conversion element having an electrolyte layer between a porous electrode and a counter electrode, the value of linear expansion coefficient is 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 on a metal substrate. This is a method for producing a photoelectric conversion element, in which a conductive film made of a material of × 10 −6 [K −1 ] is formed and a catalyst layer is formed on the conductive film to form the counter electrode.
また、本開示は、
少なくとも一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設けられた電解質層とを有し、
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であ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,
An electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
The electronic device is a photoelectric conversion element in which the value of the linear expansion coefficient of the conductive film is 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less.
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設けられた電解質層とを有し、
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であ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,
An electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
It is a building which is a photoelectric conversion element whose linear expansion coefficient value of the conductive film is 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less.
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1[nm]以上500[nm]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1[nm]以上200[nm]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 a 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, but is not limited to these, and is basically an element that has a negative electrode and a positive electrode and is driven by light. May be anything.
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 novel counter electrode having a conductive film between a metal substrate and a catalyst layer for a photoelectric conversion element, a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion performance and durability over time can be obtained. It can be manufactured at low cost. Further, by using this photoelectric conversion element, a high-performance electronic device or the like can be realized.
図8は対極1の基板を金属基板102とした、従来の構成の色素増感光電変換素子100を示す要部断面図である。
図8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. 8 is a cross-sectional view of an essential part showing a dye-sensitized photoelectric conversion element 100 having a conventional configuration in which the substrate of the
As shown in FIG. 8, in the dye-sensitized photoelectric conversion element 100, a transparent electrode 106 that is an FTO layer is provided on one main surface of a transparent substrate 105, and the transparent electrode 106 is composed of a sintered body of TiO 2. A porous electrode 107 is provided. One or more kinds of photosensitizing dyes (not shown) are bonded to the porous electrode 107. On the other hand, a catalyst layer 103 is provided on one main surface of a metal substrate 102 that is a titanium substrate, thereby constituting a counter electrode 101. The porous electrode 107 and the counter electrode 101 are filled with an electrolyte layer 108 made of an electrolytic solution using redox species of I − / I 3 − as a redox pair, and the transparent substrate 105 and the metal substrate 102 The outer periphery is sealed with a sealing body 109.
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 photoelectric conversion element 100 operates as a battery having the transparent electrode 106 as a negative electrode and the counter electrode 101 as a positive electrode.
本開示者は、色素増感光電変換素子100を用いて鋭意研究を行った。その研究の過程において、色素増感光電変換素子100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、さらに、その原因が開放電圧の値が発電初期段階において大きく落ち込むことによるものであることも見出した。 The present disclosure has intensively studied using the dye-sensitized photoelectric conversion element 100. 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 100 was particularly remarkable in the initial stage of power generation from the start of power generation to a certain time. It was also found that the value was due to a large drop in the initial stage of power generation.
本開示者は、さらに研究を進めた結果、研究の過程において上述した開放電圧の値の落ち込みの2つの大きな要因を見出した。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すると考えられ、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。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。 As a result of further research, the present disclosure has found two major factors of the drop in the open-circuit voltage value described above in the course of the research. 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 considered to be caused by deterioration with time due to a change in the substance 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. 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。特に、金属基板102と触媒層103との接触界面は、金属基板102が電解液の影響を受けやすいため、変質が大きいと考えられる。また、電解質層108中の電解液の変質によっても直流抵抗値は増大すると考えられ、その要因は、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することによって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. In particular, the contact interface between the metal substrate 102 and the catalyst layer 103 is considered to be greatly altered because the metal substrate 102 is easily affected by the electrolytic solution. Further, it is considered that the direct-current resistance value is also increased by the alteration of the electrolyte solution in the electrolyte layer 108, and the cause thereof is considered to be caused by the substance constituting the counter electrode 101 being eluted into the electrolyte solution or the like by the above reaction or the like. It is done. Such an increase in direct-current resistance causes not only a decrease in open circuit voltage but also a decrease in fill factor, thereby significantly reducing the photoelectric conversion efficiency.
本開示者は、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 disclosure has further researched to solve these newly discovered problems. In the process, if the counter electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element is configured by providing a conductive film which is a conductive intermediate layer between the catalyst layer and the metal substrate, the above-described problems can be solved, and dye sensitization can be achieved. The present inventors have found that the deterioration with time of the performance of the photoelectric conversion element 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)
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)
<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膜4が積層して設けられ、導電性膜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、導電性に優れた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)、チタニウム(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、アルミニウム合金、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、SUS304L、SUS309、SUS309S、SUS310S、SUS311、SUS314、SUS315、SUS321、SUS329、SUS347,SUS403、SUS405、SUS406、SUS410、SUS414、SUS420、SUS429、SUS430、SUS430F、SUS430LX、SUS434、SUS436、SUS440、SUS440A〜C、SUS442、SUS443、SUS444、SUS445、SUS446、SUS447JI、SUS630、SUS631、SUS836、SUS890、SUS JIS 35、SUS XM 27、SHOMAC30−2、SEA−CURE、HR−8N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、SUS316L、SUS316Ti、SUS316LN、SUS316J1、SUS316J2、SUS316J1L、SUS317、SUS317L、SUS317LN、SUS317J1、SUS317J2、SUS444、SUS445、CARPENTER 20(登録商標)、MONIT(登録商標)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
金属基板2の板厚は、導電層として見ると薄いことが好ましいが、素子の筐体の一部としてみると厚いことが好ましい。従って、金属基板2の板厚は最適な厚さがあり、その板厚は、50[μm]以上2000[μm]以下であることが好ましく、100[μm]以上1000[μm]以下であることがより好ましく、200[μm]以上500[μm]以下であることが最も好ましい。厚さが50[μm]より薄いと金属基板2の強度が損なわれ、また、2000[μm]を超えると素子全体の重量が著しく増加するためである。
The plate thickness of the
導電性膜4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、導電性酸化物などが好ましく、具体的には、金、白金、銀、銅、鉄、スズ、ニッケル、チタン系材料、亜鉛系材料、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、バナジウム(V)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、ランタン(La)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、TiB2、TiAlN、TiSiN、TiAlONなどが挙げられ、また、亜鉛系材料であれば、具体的には、例えば、Zn、ZrN、ZrC、ZnB2などが挙げられ、タンタル系材料であれば、具体的には、例えば、Ta、TaN、TaCN、TaC、TaO、TaB2、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、Cr3C2、CrB2、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、WC、W2B5、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、MO2C、Mo2B5、MoSiN、MoAlN、MoHfOなどが挙げられ、また、バナジウム系材料であれば、具体的には、例えば、VN,VC、VB2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、NbB2、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、ランタン系材料であれば、具体的には、例えば、La、LaB2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、また、導電性酸化物であれば、具体的には、例えば、スズがドープされた酸化インジウム(VI)In2O3(ITO)、フッ素がドープされた酸化インジウム(VI)In2O3(IFO)、酸化インジウム(VI)In2O3、フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO2(FTO)、アンチモンがドープされた酸化スズ(IV)SnO2(ATO)、酸化スズ(IV)SnO2、インジウムがドープされた酸化亜鉛(II)ZnO(IZO)、フッ素がドープされた酸化亜鉛(II)ZnO(FZO)、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛(II)ZnO(AZO)、ガリウムがドープされた酸化亜鉛(II)ZnO(GZO)、酸化亜鉛(II)ZnOなどが挙げられるが、導電性膜4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4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
導電性膜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、導電性膜4の膜厚は最適な厚さがあり、その膜厚は、50[nm]以上400[nm]以下であることが好ましく、100[nm]以上350[nm]以下であることがより好ましく、200[nm]以上300[nm]以下であることが最も好ましい。厚さが50[nm]よりも薄いと導電性膜4にピンホールが生じて膜の均一性が損なわれ、また、400[nm]を超えると直流抵抗値が増大するとともに導電性膜4に亀裂が入りやすくなるためである。
The
触媒層3は還元反応に対する触媒作用を有していれば基本的にはどのような構成であってもよいが、還元作用に対する触媒作用を有する材料のうち少なくとも1つを少なくとも一部に含む構成とすることが好ましく、また、導電性膜4との物理的、電気的な親和性が高い構成が好ましい。
The
触媒層3を構成する材料は、還元反応に対する触媒作用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ましい。また、カーボンブラックは電気電導率の高いものが好ましい。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ましい。また、カーボンブラックの一次粒子径の平均粒径は、3[nm]以上40[nm]以下であることが好ましく、3[nm]以上24[nm]以下であることがより好ましく、3[nm]以上15[nm]以下であることが最も好ましい。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よいし、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5[μm]以上200[μm]以下であることが好適であって、5[μm]以上100[μm]以下であることがより好適であって、10[μm]以上100[μm]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5[μm]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200[μm]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膜4を形成する。この導電性膜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。また、導電性膜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, the
次に、導電性膜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、導電性膜4の面上の少なくとも一部に塗膜を形成し、導電性膜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、さらに導電性膜4との結着性が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1000[μm]のSUS304鋼板を用意した。
次に、SUS304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、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4であるTiN膜を形成し、導電性膜4を有する金属基板2を得た。得られたTiN膜の膜厚は300[nm]であった。
<Example 1>
The
First, a SUS304 steel plate having a thickness of 1000 [μm] was prepared as the
Next, the entire surface of one main surface of the SUS304 steel plate is etched to remove the nonconductive layer. After removing the nonconductive layer, a TiN film as the
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、SUS304鋼板上に形成されたTiN膜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、TiN膜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、導電性膜4上に導電性カーボン層を有する金属基板2を得た。
Next, at least a part of the TiN film formed on the SUS304 steel sheet was printed with the printing paste prepared in the previous step as a paint with a printing machine to obtain a carbon coating film on the TiN film. Then, in order to evaporate the solution in the obtained coating film, it heated and dried with a 100 degreeC hotplate, and the
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。子の工程を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、導電性膜4上に触媒層3を有する金属基板2が得られた。得られた触媒層3の厚さは約35[μm]であった。
以上により、目的とする色素増感光電変換素子用対極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. The child process is performed twice to obtain the
Thus, the intended
<実施例2>
SUS304鋼板の一主面の全面に導電性膜4として、TiN膜に変えてTiCN膜を形成した以外は実施例1と同様にして色素増感光電変換素子用対極1を製造した。得られたTiCN膜の膜厚は300[nm]であった。
<Example 2>
A
<実施例3>
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ATO膜を形成し、形成されたATO膜上の少なくとも一部にITO膜をさらに、スパッタリング法によって形成して積層酸化導電膜であるATO/ITO積層膜とし、これを導電性膜4とした以外は、実施例1と同様にして色素増感光電変換素子用対極1を製造した。得られたATO/ITO積層膜の膜厚は200[nm]であった。
その他のことは実施例1と同様にして色素増感光電変換素子用対極1を製造した。
<Example 3>
After removing the non-conductive layer, an ATO film is formed on the entire main surface of the SUS304 steel plate by sputtering, and an ITO film is further formed on at least a part of the formed ATO film by sputtering. A
Otherwise, the
<実施例4>
金属基板2をSUS316とした以外は、実施例1と同様にして色素増感光電変換素子用対極1を製造した。
<Example 4>
A
<実施例5> <Example 5>
金属基板2をSUS316とした以外は、実施例2と同様にして色素増感光電変換素子用対極1を製造した。
<実施例6>
金属基板2をSUS316とした以外は、実施例3と同様にして色素増感光電変換素子用対極1を製造した。
A
<Example 6>
A
<実施例7>
SUS304鋼板の一主面の全面に導電性膜4であるCrN膜を形成した以外は実施例1と同様にして対極1を製造した。
<Example 7>
A
<実施例8>
SUS304鋼板の一主面の全面に導電性膜4であるCr3C2膜を形成した以外は実施例1と同様にして対極1を製造した。
<Example 8>
A
<比較例1>
SUS304鋼板上に導電性膜4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 1>
A
<比較例2>
金属基板2として厚さ1000[μm]のチタニウム(Ti)板を用意した。
<Comparative example 2>
A titanium (Ti) plate having a thickness of 1000 [μm] was prepared as the
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35[μm]であった。
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
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を導電性膜4を有する金属基板2上に触媒層3が積層されている構成としたので、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可能となり低コストに製造することが可能となる。また、特に触媒層3をカーボン触媒層とする場合にあっては、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, 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 porous electrode 7, a porous semiconductor layer in which semiconductor fine particles are sintered is typically used. The photosensitizing dye is adsorbed on the surface of the semiconductor fine particles. As a material for the semiconductor fine particles, an elemental semiconductor typified by silicon, a compound semiconductor, a semiconductor having a perovskite structure, or the like can be used. These semiconductors are preferably n-type semiconductors in which conduction band electrons become carriers under photoexcitation and generate an anode current. Specifically, for example, titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), tin oxide (SnO 2 ). Such semiconductors are used. Among these semiconductors, it is preferable to use TiO 2 , especially anatase TiO 2 . However, the types of semiconductors are not limited to these, and two or more types of semiconductors can be mixed or combined as necessary. Further, the shape of the semiconductor fine particles may be any of a particulate shape, a tube shape, a rod shape, and the like.
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1[nm]以上200[nm]以下が好適であって、5[nm]以上100[nm]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20[nm]以上500[nm]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 diameter of the semiconductor fine particles is not particularly limited, but the average primary particle diameter is preferably 1 [nm] or more and 200 [nm] or less, particularly 5 [nm] or more and 100 [nm] or less. Is preferred. 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 porous electrode 7 preferably has a large actual surface area so that as many photosensitizing dyes as possible can be bonded. The actual surface area includes mesopores of semiconductor particles constituting the porous electrode 7. The actual surface area in a state where the porous electrode 7 is formed on the transparent electrode 6 is preferably 10 times or more with respect to the area (projected area) of the outer surface of the porous electrode 7, and 100 times The above is particularly preferable. This ratio has no particular upper limit, but is usually about 1000 times.
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 porous electrode 7 may be basically any shape. In particular, when the sealing body 9 is provided between the transparent substrate 5 and the
また、多孔質電極7は、その厚さが、0.1[μm]以上100[μm]以下であることが好適であって、1[μm]以上50[μm]以下であることがより好適であって、3[μm]以上30[μm]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0.1[μm]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100[μm]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 porous electrode 7 is preferably 0.1 [μm] or more and 100 [μm] or less, and more preferably 1 [μm] or more and 50 [μm] or less. And it is most preferable that it is 3 [μm] or more and 30 [μm] or less. This is because when the thickness of the porous electrode 7 is 0.1 [μm] or less, the number of semiconductor fine particles contained per unit projected area is small, so that photosensitization that can be maintained in the unit projected area is possible. This is because the amount of the dye is small and light cannot be absorbed efficiently. Further, when the thickness of the porous electrode 7 exceeds 100 [μm], the distance by which electrons transferred from the photosensitizing dye to the porous electrode 7 diffuse until reaching the transparent electrode 6 increases. This is because the loss of electrons due to charge recombination within 7 also increases.
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 transparent substrate 5 is not particularly limited as long as it has a material and shape that easily transmit light, and various materials can be used, and in particular, a substrate material having a high visible light transmittance is used. Is preferred. In addition, a material having a high blocking performance for blocking moisture and gas from entering the dye-sensitized
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1[Ω/□]以上500[Ω/□]以下であることが好適であって、1[Ω/□]以上100[Ω/□]以下であることがさらに好適である。100[Ω/□]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100[nm]以上500[nm]が好適である。厚さが100[nm]よりも薄いと表面抵抗値および内部抵抗が上昇し、500[nm]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 transparent electrode 6 provided on the transparent substrate 5 is a conductive thin film, and the smaller the sheet resistance, the better. Specifically, it is preferably 1 [Ω / □] or more and 500 [Ω / □] or less, and more preferably 1 [Ω / □] or more and 100 [Ω / □] or less. This is because if it exceeds 100 [Ω / □], the internal resistance of the transparent electrode 6 remarkably increases. Further, the thickness of the transparent electrode 6 which is a thin film is preferably 100 [nm] or more and 500 [nm]. This is because when the thickness is less than 100 [nm], the surface resistance value and the internal resistance increase, and when it exceeds 500 [nm], the transparent electrode 6 is easily cracked. Moreover, a well-known material can be used as a material which comprises the transparent electrode 6, and it selects as needed. Typically, a metal oxide, for example, indium-tin composite oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (IV) SnO2 (FTO), tin oxide (IV) SnO2, zinc oxide (II) Examples thereof include ZnO and indium-zinc composite oxide (IZO). However, the material constituting the transparent electrode 6 is not limited to these, and may be a thin film of metal or mineral. For example, platinum, gold, silver, chromium, copper, tungsten, Aluminum etc. are mentioned. Moreover, it can also be set as the transparent electrode 6 combining two or more types mentioned above.
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 porous electrode 7 is not particularly limited as long as it exhibits a sensitizing action, but those having an acid functional group adsorbed on the surface of the porous electrode 7 are preferable. In general, the photosensitizing dye preferably has a carboxy group, a phosphoric acid group, and the like, and among them, those having a carboxy group are particularly preferable. Specific examples of the photosensitizing dye include xanthene dyes, cyanine dyes, basic dyes, porphyrin compounds, and the like. Examples of xanthene dyes include rhodamine B, rose bengal, eosin, and erythrosine. Examples of cyanine dyes include merocyanine, quinocyanine, and cryptocyanine. Examples of basic dyes include phenosafranine, fog blue, thiocin, and methylene blue, and porphyrin compounds. Then, for example, chlorophyll, zinc porphyrin, magnesium porphyrin and the like can be mentioned. Others applicable to the photosensitizing dye include, for example, azo dyes, phthalocyanine compounds, coumarin compounds, bipyridine complex compounds, anthraquinone dyes, polycyclic quinone dyes, and the like. Among these, the quantum yield is high, the ligand (ligand) includes a pyridine ring or an imidazolium ring, ruthenium (Ru), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), cobalt (Co), A pigment of at least one metal complex selected from the group consisting of iron (Fe) and copper (Cu) is preferred. Further, among these, cis-bis (isothiocyanate) -N, N-bis (2,2′-dipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) -ruthenium (II) or tris (isothione) has a particularly wide absorption wavelength range. Oxanato) -ruthenium (II) -2,2 '.: 6', 2 "-terpyridine-4,4 ', 4" -tricarboxylic acid is preferred as a dye molecule. Is not limited to these. Moreover, as a photosensitizing dye, typically one of these is used, but two or more kinds of photosensitizing dyes may be mixed and used. When two or more kinds of photosensitizing dyes are used in combination, the photosensitizing dye is preferably an inorganic complex dye having a property of causing MLCT (Metal to Ligand Charge Transfer) held in the porous electrode 7. And an organic molecular dye having the property of intramolecular CT (Charge Transfer) held in the porous electrode 7. In this case, the inorganic complex dye and the organic molecular dye are adsorbed on the porous electrode 7 in different conformations. The inorganic complex dye preferably has a carboxy group or a phosphono group as a functional group bonded to the porous electrode 7. The organic molecular dye preferably has a carboxy group or a phosphono group and a cyano group, an amino group, a thiol group, or a thione group as functional groups bonded to the porous electrode 7 on the same carbon. The inorganic complex dye is, for example, a polypyridine complex, and the organic molecular dye is, for example, an aromatic polycyclic conjugated molecule having an electron donating group and an electron accepting group and having intramolecular CT properties.
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340[nm]以上の光を透過可能であることが好ましく、波長が380[nm]以上900[nm]以下の光を透過可能であることがより好ましく、波長が400[nm]以上800[nm]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 transparent substrate 5 and the transparent electrode 6 and has entered the porous electrode 7 and has been bonded to the porous electrode 7 is absorbed, electrons in the photosensitizing dye are released from the ground state (HOMO). Excited to an excited state (LUMO). The electrons thus excited are drawn out to the conduction band of TiO 2 constituting the porous electrode 7 through electrical coupling between the photosensitizing dye and the porous electrode 7, and pass through the porous electrode 7. It reaches the transparent electrode 6.
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 transparent electrode 6 to the external circuit perform electrical work in the external circuit, and then return to 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 transparent substrate 5. Next, the transparent electrode 6 is formed by forming a transparent conductive layer on one main surface of the transparent substrate 5 by sputtering or the like.
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 transparent electrode 6, a current collecting wiring may be formed by vacuum-depositing metal in a desired pattern. The metal used is preferably aluminum (Al). Further, the current collector wiring protective layer is formed by oxidizing the surface of the current collector wiring by heat treatment, electrical treatment or chemical treatment. The current collector wiring can also be formed by welding, adhesion, fusion, coating, plating, sputtering, various CVD methods, and the like. Further, the current collecting wiring may be formed by printing a mixture of conductive particles and resin on the transparent electrode 6 by screen printing and then firing. The conductive particles are preferably metal particles.
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 porous electrode 7 is formed on the surface on the transparent electrode 6. The method for forming the porous electrode 7 is not particularly limited, but in consideration of physical properties, convenience, manufacturing cost, etc., it is preferable to use a wet film forming method. In the wet film forming method, a paste-like dispersion liquid in which a powder or sol of semiconductor fine particles is uniformly dispersed in a solvent such as water is prepared, and this dispersion liquid is applied or printed on the transparent electrode 6 of the transparent substrate 5. Is preferred. There is no restriction | limiting in particular in the application method or printing method of a dispersion liquid, A well-known method can be used. Specifically, as a coating method, for example, a dipping method, a spray method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, a gravure coating method, or the like can be used. Moreover, as a printing method, a relief printing method, an offset printing method, a gravure printing method, an intaglio printing method, a rubber plate printing method, a screen printing method, etc. can be used.
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 porous electrode 7 is formed by coating or printing semiconductor fine particles on the transparent electrode 6, and then electrically connecting the semiconductor fine particles to improve the mechanical strength of the porous electrode 7, thereby improving adhesion with the transparent electrode 6. In order to improve, it is preferable to form by baking. There is no particular limitation on the range of the firing temperature, but if the temperature is raised too much, the electrical resistance of the transparent electrode 6 increases, and the transparent electrode 6 may melt. 40 ° C. or higher and 650 ° C. or lower is more preferable. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular in baking time, Usually, it is about 10 minutes or more and 10 hours or less.
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10[nm]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 porous electrode 7 is baked, for example, a dip with a titanium tetrachloride aqueous solution or a titanium oxide ultrafine particle sol having a diameter of 10 nm or less in order to increase the surface area of the semiconductor fine particles or increase the necking between the semiconductor fine particles. Processing may be performed. When a plastic substrate is used as the transparent substrate 5 that supports the transparent electrode 6, the porous electrode 7 is formed on the transparent electrode 6 using a paste-like dispersion containing a binder, and the transparent electrode 6 is heated by pressing. It is also possible to pressure-bond to.
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 porous electrode 7 by immersing the transparent substrate 5 on which the porous electrode 7 is formed in a solution in which the photosensitizing dye is dissolved in a predetermined solvent.
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 porous electrode 7 is not particularly limited. For example, the photosensitizing dye may be an alcohol, nitrile, nitromethane, halogenated hydrocarbon, ether, dimethyl sulfoxide, amide, It is dissolved in a solvent such as N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, esters, carbonates, ketones, hydrocarbons, water, and the porous electrode 7 is immersed in the solution. A solution containing a photosensitizing dye can be applied on the porous electrode 7. Further, deoxycholic acid or the like may be added for the purpose of reducing association between molecules of the photosensitizing dye. Moreover, a ultraviolet absorber can also be used together as needed. Further, after the photosensitizing dye is adsorbed on the porous electrode 7, the surface of the porous electrode 7 may be treated with amines for the purpose of promoting the removal of the excessively adsorbed photosensitizing dye. . Examples of amines include pyridine, 4-tert-butylpyridine, polyvinylpyridine, and the like. When these are liquid, they may be used as they are, or may be used after being dissolved in an organic solvent.
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は導電性膜4上の端部には形成されず、対極1の端部は導電性膜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1[μm]以上100[μm]以下であることが好適であって、1[μm]以上50[μm]以下であることがより好適である。
Next, the transparent substrate 5 and the
そして、透明基板5および金属基板2の外周部に封止体9を形成して電解質層8が封入される空間を作り、この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。
And the sealing body 9 is formed in the outer peripheral part of the transparent substrate 5 and the
Thus, the target dye-sensitized
また、対極1の端部は導電性膜4を露出させ、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膜4とに接して配置し、封止体9を硬化させても良い。
Further, 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、導電性膜4との接着界面での結着と硬化が促進されることで封止体9との結着性が飛躍的に向上し、封止性能も飛躍的に向上する。使用する紫外線の波長は、360[nm]以上370[nm]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膜4に吸収され発熱(200℃以上)することで溶着し、導電性膜4と封止体9との結着性が飛躍的に向上し、封止性能も飛躍的に向上する。。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、700[nm]以上1000[nm]以下であることが好ましく、800[nm]以上900[nm]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 ultraviolet rays that have passed through the sealing body 9 when irradiated with ultraviolet rays are absorbed by the
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 transparent substrate 5, the
Thus, the target dye-sensitized
<実施例9>
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、1.1[mm]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10[Ω/□])を用意した。
次に、このFTO基板を0.2[mol/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 9>
The dye-sensitized
First, as the transparent substrate 5 having the transparent electrode 6, a 1.1 [mm] thick Japanese plate glass FTO substrate for amorphous solar cells (sheet resistance 10 [Ω / □]) was prepared.
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5[mm]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 Chemical Industry Co., Ltd.) was applied onto the FTO layer of this FTO substrate by a screen method using a circular screen mask having a diameter of 5 mm, and a TiO 2 coating film. Got.
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5[mm]の円形で、厚さ18[μm]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 porous electrode 7. The obtained TiO 2 sintered body was a circle having a diameter of 5 [mm] and a thickness of 18 [μm].
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 porous electrode 7 carrying a photosensitizing dye was obtained.
一方、溶媒である3−メトキシプロピオニトリル(略号MPN)に、1.0[mol/l]のメトキシプロピオイミダゾリウムヨーダイド、0.05[mol/l]のヨウ化リチウム(LiI)、0.10[mol/l]のヨウ素(I2)、そして添加剤として0.25[mol/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), An electrolyte solution was prepared by dissolving 0.10 [mol / l] iodine (I 2 ) and 0.25 [mol / l] N-butylbenzmidazole (NBB) as an additive.
次に、実施例1の方法で、導電性膜4上に触媒層3を設けて対極1を製造した。
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および金属基板2の外周部に封止体(図示せず)を形成して電解質層8が封入される空間を作り、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 transparent substrate 5 and the
Thus, the intended dye-sensitized
<実施例10>
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9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9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を実施例4の方法で製造したものを用いた以外は、実施例9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
<実施例13>
対極1を実施例5の方法で製造したものを用いた以外は、実施例9と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 13>
A dye-sensitized
<実施例14>
対極1を実施例6の方法で製造したものを用いた以外は、実施例9と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 14>
A dye-sensitized
<実施例15>
対極1を実施例7の方法で製造したものを用いた以外は、実施例9と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 15>
A dye-sensitized
<実施例16>
対極1を実施例8の方法で製造したものを用いた以外は、実施例9と同様にして色素増感光電変換素子10を製造した。
<Example 16>
A 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た以外は、実施例9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>
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9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1は、作製直後における実施例9〜16および比較例3〜4の色素増感光電変換素子10に擬似太陽光(AM1.5、100[mW/cm2])を照射した時の光電変換効率Eff.[%]、直流抵抗RS[Ω]の測定結果を示す。
Table 1 shows photoelectric conversion when the dye-sensitized
表1に示すように、作製直後における光電変換効率Eff.は、実施例9〜14および比較例4の色素増感光電変換素子10に対して、実施例15、16および比較例3の色素増感光電変換素子10は著しく低い値を示した。
As shown in Table 1, the photoelectric conversion efficiency Eff. Compared to the dye-sensitized
この結果より、色素増感光電変換素子10の対極1を、金属基板2上に触媒層3が直接形成されている構成とすると、金属基板2をTi基板とする場合には光電変換効率Eff.は良好な値を示すが、金属基板2をSUS基板とすると、光電変換効率Eff.は著しく低い値しか示さないことが明らかとなった。一方で、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜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、導電性膜4をTiN膜、TiCN膜、ATO/ITO積層膜のいずれか1つとすると、金属基板2にSUS基板を用いても光電変換効率Eff.は良好な値を示すことが明らかとなった。
From this result, assuming that the
各実施例、比較例の色素増感光電変換素子10において光電変換効率Eff.の値に大きな差が生じた要因としては、色素増感光電変換素子10の内部抵抗の1つである直流抵抗RSの値が大きく関係していると考えられる。直流抵抗RSは、色素増感光電変換素子10の正極負極間における電流の流れにくさを示すものであり、この値が低ければ低いほど、色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.は良好な値を示すと考えられるからである。
In the dye-sensitized
実施例9〜14および比較例4の色素増感光電変換素子10と、実施例15、16および比較例3の色素増感光電変換素子10とにおける直流抵抗RSの値を比較すると、実施例9〜14および比較例4の色素増感光電変換素子10は、35[Ω]以上41[Ω]以下と低い値を示したのに対し、実施例15、16および比較例3の色素増感光電変換素子10は65[Ω]以上156[Ω]以下と非常に高い値を示した。この結果により、色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値と直流抵抗RSの値との間には密接な相関があると考えられる。このことにより、色素増感光電変換素子10の直流抵抗値RSは、60[Ω]以下であることが好ましく、50[Ω]以下であることがより好ましく、42[Ω]以下であることが最も好ましいが、この範囲に限定されるものではない。
When the value of the direct current resistance R S in the dye-sensitized
表2は、実施例9〜16の色素増感光電変換素子10において導電性膜4を構成する材料の体積抵抗率および熱膨張率(20℃における線膨張率)を示す。
Table 2 shows the volume resistivity and thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient at 20 ° C.) of the material constituting the
表2に示すように、実施例9〜14における導電性膜4を構成する材料であるTiN、TiCNおよびATO/ITO積層体の体積抵抗率は、それぞれ25[μΩ・cm]、52[μΩ・cm]および44[μΩ・cm]であった。一方で、実施例15、16における導電性膜4を構成する材料であるCrNおよびCr3C2の体積抵抗率はそれぞれ640[μΩ・cm]および98[μΩ・cm]であった。この結果から、導電性膜4を構成する材料の体積抵抗率と色素増感光電変換素子10の直流抵抗とは密接な関係が存在すると考えられる。各実施例における色素増感光電変換素子10は、対極1以外は同一の構成であるからである。このことにより、導電性膜4は、体積抵抗率が60[μΩ・cm]以下であることが好ましく、57[μΩ・cm]以下であることがより好ましく、52[μΩ・cm]以下であることが最も好ましいが、これらの範囲に限定されるものではない。
As shown in Table 2, the volume resistivity of TiN, TiCN and ATO / ITO laminates that are the materials constituting the
また、表1において、実施例15(CrN膜)と実施例16(Cr3C2膜)との直流抵抗RSの値を比較すると、その値は、実施例15の色素増感光電変換素子10よりも、実施例16の色素増感光電変換素子10の方が大きい。一方で、CrNとCr3C2との体積抵抗率を比較すると、CrNの体積抵抗率の値がCr3C2に対して著しく大きい。実施例15と実施例16とは、導電性膜4以外の構成は同一であって、導電性膜4の膜厚も同一である。そうすると、この結果からは、色素増感光電変換素子10の直流抵抗RSの値は、導電性膜4を構成する材料の体積抵抗率が大きければ、それに比例して大きくなるだけではなく、直流抵抗RSを増加させるさらに別の要因が存在すると考えられる。
Further, in Table 1, when the values of DC resistance R S of Example 15 (CrN film) and Example 16 (Cr 3 C 2 film) are compared, the value is the dye-sensitized photoelectric conversion element of Example 15. The dye-sensitized
この別の要因として考えられるのは、熱膨張による接触界面などにおける物理的、電気的結着性などの低下である。特に、対極1を作製するプロセスに焼成などの高温工程を有する場合における場合に、この問題は顕著に起きると考えられる。具体的な例を挙げると、対極1の高温状態が続くと、導電性膜4と金属基板2との間に膨張の差が生じる。このことによって、導電性膜4と金属基板2との接触界面において歪みが生じ、これが、接触界面における物理的、電気的結着性などの低下に繋がる。これにより、金属基板2と導電性膜4との間などの接触界面において界面抵抗値が増加し、このことによって直流抵抗RSの値が増加すると考えられる。
Another possible factor is a decrease in physical and electrical binding properties at the contact interface due to thermal expansion. In particular, this problem is considered to occur remarkably when the process for producing the
ここで、CrNとCr3C2の熱膨張率を、20℃における線膨張率について比較すると、CrNの線膨張率は2.3×10-6[K-1]と小さな値を示すのに対し、Cr3C2の線膨張率は11.7×10-6[K-1]と大きな値を示した。また、TiNの線膨張率は9.4(10-6/K)、TiCNの線膨張率は7.6×10-6[K-1]およびATO/ITO積層体の線膨張率は8.4×10-6[K-1]であることから、Cr3C2の線膨張率はこれらの材料に対して大きい。実施例15と実施例16との色素増感光電変換素子10は、対極1以外は同一の構成であるので、このような結果となったのは、対極1の構成の相違によるものであると考えられる。すなわち、対極1の導電性膜4を線膨張率の値が大きいCr3C2膜としたので、熱処理をした際にSUS基板とCr3C2膜との接触界面に大きな歪が生じて電気的結着性が低下し、それに伴って界面抵抗が著しく高くなったからであると考えられる。
Here, when the thermal expansion coefficients of CrN and Cr 3 C 2 are compared with respect to the linear expansion coefficient at 20 ° C., the linear expansion coefficient of CrN is as small as 2.3 × 10 −6 [K −1 ]. On the other hand, the linear expansion coefficient of Cr 3 C 2 showed a large value of 11.7 × 10 −6 [K −1 ]. The linear expansion coefficient of TiN is 9.4 (10 −6 / K), the linear expansion coefficient of TiCN is 7.6 × 10 −6 [K −1 ], and the linear expansion coefficient of the ATO / ITO laminate is 8. Since it is 4 × 10 −6 [K −1 ], the coefficient of linear expansion of Cr 3 C 2 is large with respect to these materials. Since the dye-sensitized
この結果により、導電性膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着している色素増感光電変換素子10は、導電性膜4の線膨張率によっては直流抵抗RSの値が大幅に増加して光電変換効率Eff.の値が低下することが示された。このことにより、導電性膜4の線膨張率はある一定の範囲内にあることが好ましく、導電性膜4の20℃における線膨張率が、7.6×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であることが好ましく、7.6×10-6[K-1]以上9.4以下であることがより好ましい。また、導電性膜4と金属基板2との接触界面の電気的結着性が熱膨張によって低下すると考えられることから、導電性膜4と金属基板2との間の線膨張率差に一定の関係が必要であるとも考えられる。この関係は、SUS304の20℃における線膨張率が16×10-6[K-1]、SUS316の20℃における線膨張率が17.3×10-6[K-1]であることを考えると、導電性膜4と金属基板2との線膨張率差は、5.0×10-6[K-1]以上10.0×10-6[K-1]以下であることが好ましく、5.0×10-6[K-1]以上9.0×10-6[K-1]以下であることがより好ましく、5.5×10-6[K-1]以上8.4×10-6[K-1]以下であることが最も好ましい。また、導電性膜4と金属基板2とが、上述した線膨張率差を有する場合において、線膨張率の値は、どちらが大きくても小さくても良いが、金属基板2の線膨張率の値が、導電性膜4の線膨張率の値よりも大きいことが好ましい。また、上述した体積抵抗率RSの条件と熱膨張率の条件とを併せて導電性膜4の材料を上記にお挙げた材料などから選択すること好ましい。また、さらに、上記の条件に加えて、耐電解液性、特に、耐ヨウ素電解液性の高い材料を選択することが好ましい。
As a result, the dye-sensitized
表3は、上記に列挙した導電性膜4に用いる材料のうち、体積抵抗率が90[μΩ・cm]以下であって20℃における線膨張率が7.6×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であるものを示す。
Table 3 shows that among the materials used for the
導電性膜4を構成する材料は、例えば、金属基板2をSUS基板とする場合にあっては、表3に示すように、Ti、V、TiN、TiCN、TiB2、TiC、VB2、NbN、NbB2、Mo2B5、Mo2C、W2B5、ATO/ITO積層体、IZOなどが好ましく、これらの材料の中でも、耐電解液性の高い材料がより好ましく、具体的には、例えば、TiN、TiCN、TiB2、TiC、VB2、NbN、NbB2、Mo2B5、Mo2C、W2B5、ATO/ITO積層体、IZOなどが挙げられ、その中でも、特に、耐ヨウ素電解液性の高い、TiN、TiCN、ATO/ITO積層体、IZOなどが最も好ましいが、導電性膜4に用いる材料はこれらのものに限定されるものではなく、導電性膜4は上記に挙げた材料を適宜組み合わせて構成してもよい。
For example, when the
次に、色素増感光電変換素子10の使用に対する経時的な特性の変化を測定するために、実施例9〜14および比較例4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。信頼性加速試験は、作製直後の色素増感光電変換素子10を60℃以上85℃以下の恒温槽内へ入れ、色素増感光電変換素子10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。色素増感光電変換素子10の性能評価は、実施例9〜14の色素増感光電変換素子10について行った。
Next, in order to measure a change in characteristics over time with use of the dye-sensitized
作製した色素増感光電変換素子10の性能評価として、第一に、対極1がTiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着している構成を有する色素増感光電変換素子10について行った。具体的には、対極1がTiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着している構成を有する実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10と、対極1がTi基板に触媒層が結着している構成を有する比較例4の色素増感光電変換素子10とについて素子の作製直後において性能の比較を行った。さらに、同一の条件で信頼性加速試験を行い両素子の性能の比較を行った。ここで、比較の対象として対極1の金属基板2にSUS基板を用いた比較例4の色素増感光電変換素子10ではなく、金属基板2にTi基板を用いた比較例4の色素増感光電変換素子10を用いた理由としては、比較例3の色素増感光電変換素子10の光電変換性能は作製直後において2.39[%]と著しく低く、また、経時耐久性能も測定開始から20時間程度で対極1が電解液などによる腐食によって破壊され測定不能となる。このため、比較例3の色素増感光電変換素子10を性能評価の比較対象として採用するには不適当であると判断したためである。また、以下の色素増感光電変換素子10の性能評価においても同様の理由で比較の対象に比較例4の色素増感光電変換素子10を用いている。
As a performance evaluation of the produced dye-sensitized
図3は、素子の作製直後である試験開始直前における実施例9、実施例12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、100[mW/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. 3 shows simulated sunlight (AM1.5, 100 [mW / cm 2 ]) in the dye-sensitized
表4は、試験開始直前の実施例9、実施例12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、100[mW/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[%]、光電変換効率Eff.[%]および直流抵抗RS[Ω]の測定結果を示したものである。
Table 4 shows a case where the dye-sensitized
図3および表4に示すように、作製直後における光電変換効率Eff.は、比較例4の色素増感光電変換素子10に対して、実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10が高い値を示した。具体的に、比較例4の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.を100[%]として比較すると、実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10の相対的な光電変換効率は、それぞれ、103[%]、111[%]であった。
As shown in FIG. 3 and Table 4, the photoelectric conversion efficiency Eff. The dye-sensitized
光電変換効率Eff.の値が、比較例4よりも実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10の方が高かった要因としては、短絡電流密度JSCの値が、比較例4よりも実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10の方が高く、直列抵抗RSの値が、比較例4よりも実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10の方が低かったことが挙げられる。特に、金属基板2をSUS316、導電性膜4をTiNとして対極1を構成した実施例12の色素増感光電変換素子10は、直列抵抗RSの値が非常に低く、比較例4の色素増感光電変換素子10と比較して、短絡電流密度JSCおよび光電変換効率Eff.が10[%]以上高い値を示した。この要因としては、Ti基板に触媒層3が結着している対極1よりも、TiN膜を介してSUS基板と触媒層3が結着している対極1の方が、電気伝導性が高いからであると考えられる。これは、実施例12の色素増感光電変換素子10と比較例4の色素増感光電変換素子10とは対極1の構成しか違いがないからである。
Photoelectric conversion efficiency Eff. The reason why the value of the dye-sensitized
これらの結果から、色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値は、直列抵抗RSの値と密接に関係があると考えられ、直列抵抗RSの値は対極の構成と密接な関係があると考えられる。特に、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜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し、導電性膜をTiN膜、金属基板をSUS基板とすると、素子の作製直後おいて高い光電変換効率Eff.の値を得ることができることが示された。
From these results, the photoelectric conversion efficiency Eff. Values are considered closely related to the value of the series resistor R S, value of the series resistor R S is considered as the configuration of the counter electrode and closely related. In particular, the
次に、色素増感光電変換素子10の使用時間に対する経時性能の変化を評価するために、試験開始から500時間後に試料を取り出し、試験開始から500時間後における色素増感光電変換素子10の各出力特性と、素子の作製直後の各出力特性に対する各出力特性の変化について、実施例9、実施例12および比較例4の色素増感光電変換素子10の間で比較を行った。
Next, in order to evaluate the change in performance over time of the dye-sensitized
表5は、実施例9、実施例12および比較例4の試験開始から500時間後における光電変換効率Eff.の測定結果と、試験開始直前の光電変換効率Eff.の値を100[%]としたときの試験開始から500時間後とにおける光電変換効率Eff.の相対率を示したものである。 Table 5 shows the photoelectric conversion efficiency Eff. 500 after 500 hours from the start of the tests of Example 9, Example 12, and Comparative Example 4. Measurement results and photoelectric conversion efficiency Eff. Photoelectric conversion efficiency Eff. At 500 hours after the start of the test when the value of 100% is taken as 100%. It shows the relative rate of.
表5に示すように、試験開始から500時間経過後に計測した光電変換効率Eff.の値は、ともに試験開始直前に計測された値より低下することが示された。特に、比較例4の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値は、試験直前に計測した値の95%となり低下する値が大きい。一方、実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値は、それぞれ試験開始直前に計測した値の99[%]、97[%]の値となり、試験直前における光電変換効率Eff.の値を維持している。ここで、比較例4の色素増感光電変換素子10の、試験開始500時間経過後における光電変換効率Eff.の値を100[%]として比較すると、実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10の相対的な光電変換効率の値は、それぞれ、108[%]および113[%]であった。
As shown in Table 5, the photoelectric conversion efficiency Eff. Measured after 500 hours from the start of the test. Both values were shown to be lower than those measured immediately before the start of the test. In particular, the photoelectric conversion efficiency Eff. Of the dye-sensitized
このように、対極1の構成の違いのみによって、色素増感光電変換素子10の光電変換効率の経時劣化に違いが生じる。この要因についてさらに調べるために、試験開始から500時間経過後における色素増感光電変換素子10の開放電圧VOC、短絡電流密度JSC、フィルファクタFFおよび直流抵抗RSを計測し、試験開始直前の各値と比較した。
As described above, only the difference in the configuration of the
表6は、実施例9、実施例12および比較例4の色素増感光電変換素子10の試験開始から500時間後における、開放電圧VOC、短絡電流密度JSC、フィルファクタFFおよび直流抵抗RSの試験開始直前に計測された各値を100[%]としたときの相対率を示したものである。
Table 6 shows the open-circuit voltage V OC , short-circuit current density J SC , fill factor FF, and DC resistance R after 500 hours from the start of the test of the dye-sensitized
表6に示すように、試験開始から500時間経過後において計測された開放電圧VOCの値と試験開始直前に計測された値に対する開放電圧VOCの値との相対率は、実施例9および実施例12の色素増感光電変換素子10において、それぞれ、96[%]、95[%]となった。一方で、比較例4の色素増感光電変換素子10は、試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値の85[%]となった。
As shown in Table 6, the relative ratio of the value of the open circuit voltage V OC for the values and the values measured in the test immediately before the open circuit voltage V OC was measured after 500 hours after the start of testing, the Example 9 and In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、Ti基板上に触媒層3が結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過においては開放電圧VOCの値が大幅に落ち込む。それに対し、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過において試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測された短絡電流密度JSCの値と試験開始直前に計測された値に対する短絡電流密度JSCの値との相対率は、実施例9、実施例12および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ107[%]、101[%]、114[%]となった。
Further, the relative ratio of the value of short-circuit current density J SC for the values and the measured values for the test immediately before the measured short-circuit current density J SC after 500 hours, Example 9, Example 12 and Comparative Example In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における短絡電流密度JSCの値は素子の作製直後の値を維持していることが示された。また、対極1を、Ti基板上に触媒層3が結着して設けられている構成とすると、試験開始から500時間経過後において短絡電流密度JSCの値は、試験開始直前と比較して大幅に上昇しているものの、短絡電流密度JSCの値自体は、対極1を、TiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とした色素増感光電変換素子10の短絡電流密度JSCの値よりも低い結果となった。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測されたフィルファクタFFの値と試験開始直前に計測された値に対するフィルファクタFFの値との相対率は、実施例9、実施例12および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ97[%]、101[%]、98[%]となった。
In addition, the relative ratio between the fill factor FF value measured after 500 hours and the fill factor FF value with respect to the value measured immediately before the start of the test is the same as that of Example 9, Example 12, and Comparative Example 4. In the
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過におけるフィルファクタFFの値は素子の作製直後の値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測された直流抵抗RSの値と試験開始直前に計測された値に対する直流抵抗RSの値との相対率は、実施例9、実施例12および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ95[%]、98[%]、109[%]となった。
The relative ratio of the value of the DC resistance R S for the values and the values measured in the test immediately before the DC resistance R S, which is measured after lapse of 500 hours, of Example 9, Example 12 and Comparative Example 4 In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における直流抵抗RSの値は素子の作製直後の値よりも減少し、一方で、対極1を、Ti基板上に触媒層3が結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における直流抵抗RSの値は上昇することが示された。
From this result, when the
これらの結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、金属基板2であるTi基板上に触媒層3が結着して設けられている構成とすると、使用から500時間後においては開放電圧VOCの値が大きく落ち込み、さらに直流抵抗RSも大幅に増加し、それに伴って光電変換効率Eff.の値も大きく落ち込むことが明らかとなった。この要因としては、対極1が経時的に変化することによって、触媒層3との物理的、電気的な結着性が損なわれ、金属基板2と触媒層3との接触界面における電気的な抵抗が増加することが考えられる。また、別の要因としては、金属基板2を構成するTiが電解質層8を構成する電解液中に溶出し、電解液の組成が変化することで陽陰極間の電子の受け渡しが阻害され、電気的な抵抗が増加するからであると考えられる。
From these results, when the
一方で、対極1を、導電性膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、上述した開放電圧VOCの値の大きな落ち込みが生じない。その中でも、特に金属基板2をSUS基板、導電性膜4をTiN膜、触媒層3を導電性カーボン層とすると、開放電圧VOCの値、光電変換効率Eff.の値がともに作製直後の値をほぼ維持し、さらに直流抵抗RSが低下することが示された。この要因としては、導電性膜4であるTiN膜と金属基板2であるSUS基板とが強固に結着しているので、両者の接触界面における電気的な抵抗を低くすることができるからであると考えられる。さらに、このTiN膜とSUS基板との強固な結着性は、色素増感光電変換素子10の使用から500時間経過後にあっても維持されると考えられる。これらの結着性が維持されることで、各界面における電気的な抵抗の増加を大幅に小さくすることができ、これにより直流抵抗の増加も大幅に小さくすることができ、ひいては、開放電圧、光電変換効率の値の落ち込みを抑制することができると考えられる。
On the other hand, when the
次に、第二の性能評価として、対極1がTiCN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着している構成を有する色素増感光電変換素子10について、第一の性能評価と同様に行った。具体的には、対極1が上記の構成を有する実施例10および実施例13の色素増感光電変換素子10と、対極1がTi基板に触媒層が結着している構成を有する色素増感光電変換素子10である比較例4とについて素子の作製直後において性能の比較を行った。さらに、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10を、同一の条件で信頼性加速試験を行い性能の比較を行った。
Next, as the second performance evaluation, the
図4は、試験開始直前の実施例10、実施例13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、100[mW/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. 4 shows a case where pseudo-sunlight (AM1.5, 100 [mW / cm 2 ]) is irradiated to the dye-sensitized
表7は、試験開始直前の実施例10、実施例13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、100[mW/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 7 shows the results when the dye-sensitized
図4および表7に示すように、試験開始直前における光電変換効率Eff.の値は、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10ともに同様な値を示した。具体的に、比較例4の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値を100[%]として比較すると、実施例10および実施例13の色素増感光電変換素子10の相対的な光電変換効率は、ともに98[%]であった。
As shown in FIG. 4 and Table 7, the photoelectric conversion efficiency Eff. The values of the dye sensitized
第一の性能評価と同様に、実施例10、実施例13、比較例4の色素増感光電変換素子10の直列抵抗RSの値を比較すると、いずれの色素増感光電変換素子の直列抵抗RSの値も同様なものであった。このように、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜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し、導電性膜をTiCN膜、金属基板をSUS基板とすると、対極1が、Ti基板に触媒層が結着している構成を有する色素増感光電変換素子10と、素子の作製直後おいて同等の高い光電変換効率Eff.の値を得ることができることが示された。
Similar to the first performance evaluation, when the values of the series resistance R S of the dye-sensitized
次に、使用時間に対する色素増感光電変換素子10の経時劣化性能を評価するために、試験開始から500時間後に試料を取り出し、試験開始から500時間後における色素増感光電変換素子10の各出力特性と、素子の作製直後の各出力特性に対する各出力特性の変化について、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10において比較を行った。
Next, in order to evaluate the temporal deterioration performance of the dye-sensitized
表8は、実施例10、実施例13および比較例4の試験開始から500時間後における光電変換効率Eff.の測定結果と、試験開始直前の光電変換効率Eff.の値を100[%]としたときの試験開始から500時間後とにおける光電変換効率Eff.の相対率を示したものである。 Table 8 shows the photoelectric conversion efficiency Eff. 500 after 500 hours from the start of the tests of Example 10, Example 13, and Comparative Example 4. Measurement results and photoelectric conversion efficiency Eff. Photoelectric conversion efficiency Eff. At 500 hours after the start of the test when the value of 100% is taken as 100%. It shows the relative rate of.
表8に示すように、試験開始から500時間経過後に計測された各素子の光電変換効率Eff.の値は、実施例13の色素増感光電変換素子10が、作製直後である試験開始直前に計測された値に対して低下したが、それでも試験開始直前に計測された値の98[%]の値を維持しており、比較例4の色素増感光電変換素子10よりも光電変換効率Eff.の値の低下が格段に少なかった。一方で、実施例10の色素増感光電変換素子10においては試験開始直前に計測された値の101[%]となり、光電変換効率Eff.の値が上昇することが示された。
As shown in Table 8, the photoelectric conversion efficiency Eff. Of each element measured 500 hours after the start of the test. Although the value of the dye-sensitized
色素増感光電変換素子10の対極1の構成と、光電変換効率の経時劣化との関係について、さらに調べるために、第一の性能評価と同様に、試験開始から500時間経過後における色素増感光電変換素子10の開放電圧VOC、短絡電流密度JSCおよびフィルファクタFFを計測し、試験開始直前の値と比較した。
In order to further investigate the relationship between the structure of the
表9は、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10の試験開始から500時間後における、開放電圧VOC、短絡電流密度JSC、フィルファクタFFおよび直流抵抗RSの試験開始直前に計測された各値を100[%]としたときの相対率を示したものである。
Table 9 shows the open-circuit voltage V OC , short-circuit current density J SC , fill factor FF, and DC resistance R after 500 hours from the start of the test of the dye-sensitized
表9に示すように、試験開始から500時間経過後において計測された開放電圧VOCの値と試験開始直前に計測された値に対する開放電圧VOCの値との相対率は、実施例10および実施例13の色素増感光電変換素子10において、それぞれ、100[%]、102[%]となった。一方で、比較例4の色素増感光電変換素子10は、試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値の85[%]となった。
As shown in Table 9, the relative ratio of the value of the open circuit voltage V OC for the values and the values measured in the test immediately before the open circuit voltage V OC was measured after 500 hours from the start of the test, Examples 10 and In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiCN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過において試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値が上昇もしくは維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測された短絡電流密度JSCの値と試験開始直前に計測された値に対する短絡電流密度JSCの値との相対率は、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ105[%]、100[%]、114[%]となった。
Further, the relative ratio of the value of short-circuit current density J SC for the values and the measured values for the test immediately before the measured short-circuit current density J SC after 500 hours, Example 10, Example 13 and Comparative Example In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiCN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における短絡電流密度JSCの値は素子の作製直後の値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測されたフィルファクタFFの値と試験開始直前に計測された値に対するフィルファクタFFの値との相対率は、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ97[%]、94[%]、98[%]となった。
In addition, the relative ratio between the value of fill factor FF measured after 500 hours and the value of fill factor FF with respect to the value measured immediately before the start of the test is the dye increase in Examples 10, 13 and Comparative Example 4. In the
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiCN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過におけるフィルファクタFFの値は素子の作製直後の値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測された直流抵抗RSの値と試験開始直前に計測された値に対する直流抵抗RSの値との相対率は、実施例10、実施例13および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ106[%]、105[%]、109[%]となった。
The relative ratio of the value of the DC resistance R S for the values and the values measured in the test immediately before the DC resistance R S, which is measured after lapse of 500 hours, of Example 10, Example 13 and Comparative Example 4 In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、TiCN膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における直流抵抗RSの値は素子の作製直後の値よりも上昇するものの、対極1を、Ti基板上に触媒層3が結着して設けられている構成とした色素増感光電変換素子10の直流抵抗RSの上昇率よりも低いことが示された。
From this result, when the
これらの結果より、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、上述したような開放電圧VOCの値の大きな落ち込みが生じない。その中でも、特に金属基板2をSUS基板、導電性膜4をTiCN膜、触媒層3を導電性カーボン層とすると、開放電圧VOC、光電変換効率Eff.ともに作製直後の値をほぼ維持していることが示された。この要因は、導電性膜をTiN膜とした場合と同様であると考えられ、直流抵抗の増加を大幅に小さくすることで、開放電圧VOC、光電変換効率Eff.の値の落ち込みを抑制することができると考えられる。
From these results, when the
次に、第三の性能評価として、対極1がATO膜とITO膜との積層膜(以下ATO/ITO積層膜)を介してSUS基板と触媒層3とが結着している構成を有する色素増感光電変換素子10について、第一の性能評価と同様に性能の比較を行った。具体的には、対極1がATO/ITO積層膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着している構成を有する実施例11よび実施例14の色素増感光電変換素子10と、対極1がTi基板に触媒層が結着している構成を有する比較例4の色素増感光電変換素子10とについて素子の作製直後において性能の比較を行った。さらに、実施例11、実施例14および比較例4の色素増感光電変換素子10を、同一の条件で信頼性加速試験を行い性能の比較を行った。ここで、ATO/ITO積層膜はATO膜がSUS基板側、ITO膜が触媒層側の積層膜である。
Next, as a third performance evaluation, the
図5は、試験開始直前の実施例11、実施例14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、100[mW/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. 5 shows a case where pseudo-sunlight (AM1.5, 100 [mW / cm 2 ]) is irradiated to the dye-sensitized
表10は、試験開始直前の実施例11、実施例14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、100[mW/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 10 shows a case where the dye-sensitized
図5および表10に示すように、試験開始直前における光電変換効率Eff.の値は、比較例4の色素増感光電変換素子10に対して、実施例11および実施例14の色素増感光電変換素子10がともに高い値を示した。具体的に、比較例4の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値を100[%]として比較すると、実施例11および実施例14の色素増感光電変換素子10の相対的な光電変換効率は、それぞれ、103[%]、101[%]であった。
As shown in FIG. 5 and Table 10, the photoelectric conversion efficiency Eff. The values of the dye-sensitized
第一の性能評価と同様に、実施例11、実施例14、比較例4の色素増感光電変換素子10の直列抵抗RSの値を比較すると、光電変換効率Eff.の値が一番高かった実施例14の色素増感光電変換素子10が特に低い直列抵抗RSの値を示した。この結果から、色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値は、直列抵抗RSの値と密接に関係があることが示され、さらに、直列抵抗RSの値は対極1の構成と密接な関係があることが示された。特に、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜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し、導電性膜4をATO/ITO積層膜、金属基板2をSUS基板とすると、素子の作製直後おいて、対極1が、Ti基板に触媒層3が結着している構成を有する比較例4の色素増感光電変換素子10よりも高い光電変換効率Eff.の値を得ることができることが示された。
Similar to the first performance evaluation, when the values of the series resistance R S of the dye-sensitized
次に、使用時間に対する色素増感光電変換素子10の経時劣化性能を評価するために、試験開始から500時間後に試料を取り出し、試験開始から500時間後における色素増感光電変換素子10の各出力特性と、素子の作製直後の各出力特性に対する各出力特性の変化について、実施例11、実施例14および比較例4の色素増感光電変換素子10において比較を行った。
Next, in order to evaluate the temporal deterioration performance of the dye-sensitized
表11は、実施例11、実施例14および比較例4の試験開始から500時間後における光電変換効率Eff.の測定結果と、試験開始直前の光電変換効率Eff.の値を100[%]としたときの試験開始から500時間後とにおける光電変換効率Eff.の相対率を示したものである。 Table 11 shows the photoelectric conversion efficiency Eff. 500 after 500 hours from the start of the tests of Example 11, Example 14, and Comparative Example 4. Measurement results and photoelectric conversion efficiency Eff. Photoelectric conversion efficiency Eff. At 500 hours after the start of the test when the value of 100% is taken as 100%. It shows the relative rate of.
表11に示すように、試験開始から500時間経過後の光電変換効率Eff.の値は、比較例4の色素増感光電変換素子10が大きく低下したのに対し、実施例11、実施例14の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値は全く低下しなかった。特に、導電性膜4をATO/ITO膜、金属基板2をSUS304基板とした実施例11の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値は、試験直前に計測した値の102[%]となり、試験開始から500時間経過後においては上昇した。試験開始500時間経過後における色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.の値を比較例4の色素増感光電変換素子10の光電変換効率Eff.を100[%]として比較すると、実施例11および実施例14の色素増感光電変換素子10の相対的な光電変換効率は、ともに108[%]であった。
As shown in Table 11, the photoelectric conversion efficiency Eff. After 500 hours from the start of the test. Of the dye-sensitized
色素増感光電変換素子10の対極1の構成と、光電変換効率の経時劣化との関係について、さらに調べるために、第一の性能評価と同様に、試験開始から500時間経過後における色素増感光電変換素子10の開放電圧VOC、短絡電流密度JSCおよびフィルファクタFFを計測し、試験開始直前の値と比較した。
In order to further investigate the relationship between the structure of the
また、試験開始直前に計測された開放電圧VOCとの相対率は、実施例11および実施例14の色素増感光電変換素子10において、それぞれ、100[%]、98[%]となった。一方で、比較例4の色素増感光電変換素子10は、試験開始直後に計測された値の85[%]となった。このことから、色素増感光電変換素子10の対極1を導電性膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着して設けられている構成とし、特に、導電性膜4をATO/ITO積層膜、金属基板2をSUS基板とすると、使用開始から500時間経過において試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値を維持していることが示された。
The relative ratios with the open circuit voltage V OC measured immediately before the start of the test were 100 [%] and 98 [%] in the dye-sensitized
表12は、実施例11、実施例14および比較例4の色素増感光電変換素子10の試験開始から500時間後における、開放電圧VOC、短絡電流密度JSC、フィルファクタFFおよび直流抵抗RSの試験開始直前に計測された各値を100[%]としたときの相対率を示したものである。
Table 12 shows the open-circuit voltage V OC , short-circuit current density J SC , fill factor FF, and DC resistance R after 500 hours from the start of the test of the dye-sensitized
表12に示すように、試験開始から500時間経過後において計測された開放電圧VOCの値と試験開始直前に計測された値に対する開放電圧VOCの値との相対率は、実施例11および実施例14の色素増感光電変換素子10において、それぞれ、100[%]、98[%]となった。一方で、比較例4の色素増感光電変換素子10は、試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値の85[%]となった。
As shown in Table 12, the relative ratio of the value of the open circuit voltage V OC for the values and the values measured in the test immediately before the open circuit voltage V OC was measured after 500 hours from the start of the test, Examples 11 and In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、ATO/ITO積層膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過において試験開始直後に計測された開放電圧VOCの値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測された短絡電流密度JSCの値と試験開始直前に計測された値に対する短絡電流密度JSCの値との相対率は、実施例11、実施例14および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ104[%]、99[%]、114[%]となった。
Further, the relative ratio of the value of short-circuit current density J SC for the values and the measured values for the test immediately before the measured short-circuit current density J SC after 500 hours, Example 11, Example 14 and Comparative Example In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、ATO/ITO積層膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における短絡電流密度JSCの値は素子の作製直後の値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測されたフィルファクタFFの値と試験開始直前に計測された値に対するフィルファクタFFの値との相対率は、実施例11、実施例14および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ95[%]、97[%]、98[%]となった。
The relative ratio between the fill factor FF value measured after 500 hours and the fill factor FF value with respect to the value measured immediately before the start of the test is the dye increase in Examples 11, 14 and Comparative Example 4. In the
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、ATO/ITO積層膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過におけるフィルファクタFFの値は素子の作製直後の値を維持していることが示された。
From this result, when the
また、500時間経過後において計測された直流抵抗RSの値と試験開始直前に計測された値に対する直流抵抗RSの値との相対率は、実施例11、実施例14および比較例4の色素増感光電変換素子10において、それぞれ108[%]、110[%]、109[%]となった。
The relative ratio of the value of the DC resistance R S for values to the value measured for the test immediately before the DC resistance R S measured after lapse of 500 hours, of Example 11, Example 14 and Comparative Example 4 In the dye-sensitized
この結果から、色素増感光電変換素子10の対極1を、ATO/ITO積層膜を介してSUS基板と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、使用開始から500時間経過における直流抵抗RSの値は素子の作製直後の値よりも上昇することが示された。
From this result, when the
これらの結果より、色素増感光電変換素子10の対極1を、導電性膜4を介して金属基板2と触媒層3とが結着して設けられている構成とすると、上述したような開放電圧VOCの値の大きな落ち込みが生じない。その中でも、特に金属基板2をSUS基板、導電性膜4をATO/ITO積層膜、触媒層3を導電性カーボン層とすると、開放電圧VOC、光電変換効率Eff.ともに作製直後の値をほぼ維持していることが示された。この要因は、導電性膜をTiN膜とした場合と同様であると考えられ、直流抵抗の増加を大幅に小さくすることで、開放電圧VOC、光電変換効率Eff.の値の落ち込みを抑制することができると考えられる。
From these results, when the
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側の電解液などに接する面全体を導電性膜4で覆うことで、導電性膜が保護層となり、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。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安価な材料を用いることができるので、低コストで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6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6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、導電性膜4を介して金属基板2と触媒層3とが設けられている対極1の、金属基板2と導電性膜4との間に、さらに導電性バッファ膜11を設けたものである。金属基板2と導電性膜4とは導電性バッファ膜11を介して結着している。具体的には、金属基板2上に導電性バッファ膜11が設けられ、上記導電性バッファ膜11上に上記導電性膜4が設けられ、導電性膜4上の少なくとも一部に触媒層3が設けられ、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. 6 is a cross-sectional view of an essential part showing a
As shown in FIG. 6, the
導電性バッファ膜11の膜厚は、導電性の観点から薄いことが好ましいが、10[nm]以上70[nm]以下であることが好ましく、20[nm]以上60[nm]以下であることがより好ましく、30[nm]以上50[nm]以下であることが最も好ましい。これは厚さが10[nm]よりも薄いと、金属基板2と導電性膜4との歪を吸収できないばかりか、内部抵抗が上昇するためである。また、導電性バッファ膜11は、体積抵抗率が60[μΩ・cm]以下であることが好ましく、57[μΩ・cm]以下であることがより好ましく、52[μΩ・cm]以下であることが最も好ましい。この理由は、上述した導電性膜4における理由と同様である。
The thickness of the
導電性バッファ膜11は、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、導電性バッファ膜11を構成する材料としては、導電性膜4として上記で挙げたものを適宜用いることができる。導電性バッファ膜11は、電気伝導率が高い方が好ましいので、導電性バッファ膜を構成する材料は、体積抵抗率が90[μΩ・cm]以下であることが好ましく、70[μΩ・cm]以下であることがより好ましく、60[μΩ・cm]以下であることが最も好ましい。
The
また、導電性バッファ膜11は、金属基板2と導電性膜4との膨張による歪を吸収するために設けられるものであるので、金属基板2と導電性バッファ膜11との線膨張率に注目すると、金属基板2と導電性バッファ膜11との線膨張率差は、5.0×10-6[K-1]以上10.0×10-6[K-1]以下であることが好ましく、5.0×10-6[K-1]以上9.0×10-6[K-1]以下であることがより好ましく、5.5×10-6[K-1]以上8.4×10-6[K-1]以下であることが最も好ましい。また、導電性膜11と導電性バッファ膜の線膨張率差は、5.0×10-6[K-1]以上10.0×10-6[K-1]以下であることが好ましく、5.0×10-6[K-1]以上9.0×10-6[K-1]以下であることがより好ましく、5.5×10-6[K-1]以上8.4×10-6[K-1]以下であることが最も好ましい。また、導電性バッファ膜11と金属基板2および導電性バッファ膜11と導電性膜4とは、上述した線膨張率差を有する場合において、線膨張率の値は、どちらが大きくても小さくても良いが、金属基板2の線膨張率の値が、導電性膜4の線膨張率の値よりも大きいことが好ましく、導電性バッファ膜11の線膨張率の値が、導電性膜4の線膨張率の値よりも大きいことが好ましく、導電性バッファ膜11の線膨張が、金属基板2の線膨張率よりも小さく、導電性膜4の線膨張率よりも大きいことが最も好ましいが、これらのことに限定されるものではない。
In addition, since 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バッファ膜11を形成する。この導電性バッファ膜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4を形成する場合においては、導電性膜4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4の全面上に導電性膜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
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に加えて、金属基板と導電性膜との間に導電性バッファ膜を設けたので、金属基板と導電性膜との膨張による歪を導電性バッファ膜が有効に吸収することによって、良好な結着性と高い導電性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, in addition to the same advantages as the first embodiment, the conductive buffer film is provided between the metal substrate and the conductive film. As the conductive buffer film effectively absorbs the strain due to the expansion, a
<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7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7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. 7 is a cross-sectional view of the main part showing the basic configuration of the dye-sensitized
As shown in FIG. 7, 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
This manufacturing method of the dye-sensitized
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4を介して金属基板2と触媒層3とを設け、金属基板2と導電性膜4との間に、さらに導電性バッファ膜11を設けた構成としたので、導電性膜4と金属基板2との膨張による歪を導電性バッファ膜11が有効に吸収する。これにより、導電性膜4と金属基板2との膨張率が一定の要件を満たしていなくても、界面電気抵抗の少ない、電気伝導性の高い対極1を得ることが出来る。このように、この第4の実施の形態によれば、導電性膜4と金属基板2との膨張率が一定の要件を満たしていなくても、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。
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と導電性膜4との間に導電性バッファ膜11を設けたので、金属基板2と導電性膜4との膨張率差が大きくても、導電性バッファ膜が接触界面に生じる歪を有効に吸収するので、歪に起因して発生する電気的な接触抵抗の上昇を抑えることができる。このことから、高い光電変換効率を得られ、経時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 fourth embodiment, there are advantages similar to those 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設けられた電解質層とを有し、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膜と、上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、上記導電性膜の線膨張率の値が7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下である光電変換素子。
(2)上記導電性膜の体積抵抗率の値が60[μΩ・cm]以下である上記(1)に記載の光電変換素子。
(3)上記導電性膜の膜厚が、50[nm]以上400[nm]以下である上記(1)または上記(2)に記載の光電変換素子。
(4)上記導電性膜と上記金属基板との線膨張率差が、5.0×10-6[K-1]以上10.0×10-6[K-1]以下である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の光電変換素子。
(5)上記金属基板の線膨張率が、上記導電性膜の線膨張率よりも大きい上記(1)〜(4)のいずれかに記載の光電変換素子。
(6)上記導電性膜は金属窒化物または導電性酸化物からなる上記(1)〜(5)のいずれかに記載の光電変換素子。
(7)上記導電性膜は耐ヨウ素電解液性を有する材料からなる上記(1)〜(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
(8)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(1)〜(7)のいずれかに記載の光電変換素子。
(9)上記触媒層が、導電性カーボン層である上記(1)〜(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
(10)上記導電性膜が、TiN、TiCN、ITO、ATOおよびIZOからなる群より選ばれる少なくとも1層からなる上記(1)〜(9)のいずれかに記載の光電変換素子。
(11)上記金属基板と上記導電膜との間に導電性バッファ膜がさらに設けられている上記(1)〜(10)のいずれかに記載の光電変換素子。
(12)上記導電性膜の膜厚が、50[nm]以上400[nm]以下である上記上記(11)に記載の光電変換素子。
(13)上記導電性バッファ膜の体積抵抗率の値が60[μΩ・cm]以下である上記(11)または(12)に記載の光電変換素子。
(14)上記導電性バッファ膜の膜厚が、10[nm]以上70[nm]以下である上記(11)〜(13)のいずれかに記載の光電変換素子。
(15)上記導電性バッファ膜と上記金属基板との線膨張率差が、5.0×10-6[K-1]以上10.0×10-6[K-1]以下および上記導電性バッファ膜と上記導電性膜との熱膨張率差が5.0×10-6[K-1]以上10.0×10-6[K-1]以下である上記(11)〜(14)のいずれかに記載の光電変換素子。
(16) 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)〜(15)のいずれかに記載の光電変換素子。
(17)少なくとも一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設けられた電解質層とを有し、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膜と、上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であ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膜と、上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下である光電変換素子であ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設けられた電解質層とを有し、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膜と、上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であ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) It has a porous electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode, and the counter electrode has a metal substrate and a conductive material provided on the metal substrate. And a catalyst layer provided on the conductive film, and the linear expansion coefficient of the conductive film is 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6. [K −1 ] A photoelectric conversion element which is equal to or less than
(2) The photoelectric conversion element according to (1), wherein the volume resistivity value of the conductive film is 60 [μΩ · cm] or less.
(3) The photoelectric conversion element according to (1) or (2), wherein the conductive film has a thickness of 50 [nm] to 400 [nm].
(4) The difference in linear expansion coefficient between the conductive film and the metal substrate is 5.0 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.0 × 10 −6 [K −1 ] or less (1 )-(3) The photoelectric conversion element in any one of.
(5) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (4), wherein a linear expansion coefficient of the metal substrate is larger than a linear expansion coefficient of the conductive film.
(6) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (5), wherein the conductive film is made of a metal nitride or a conductive oxide.
(7) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (6), wherein the conductive film is made of a material having resistance to iodine electrolyte.
(8) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (7), wherein the metal substrate is made of any one of aluminum, an aluminum alloy, and stainless steel.
(9) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (8), wherein the catalyst layer is a conductive carbon layer.
(10) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (9), wherein the conductive film includes at least one layer selected from the group consisting of TiN, TiCN, ITO, ATO, and IZO.
(11) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (10), wherein a conductive buffer film is further provided between the metal substrate and the conductive film.
(12) The photoelectric conversion element according to (11), wherein the conductive film has a thickness of 50 [nm] to 400 [nm].
(13) The photoelectric conversion element according to the above (11) or (12), wherein the volume resistivity of the conductive buffer film is 60 [μΩ · cm] or less.
(14) The photoelectric conversion element according to any one of (11) to (13), wherein the conductive buffer film has a thickness of 10 nm to 70 nm.
(15) The linear expansion coefficient difference between the conductive buffer film and the metal substrate is 5.0 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.0 × 10 −6 [K −1 ] or less, and the conductivity is (11) to (14), wherein the difference in thermal expansion coefficient between the buffer film and the conductive film is 5.0 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.0 × 10 −6 [K −1 ] or less. The photoelectric conversion element in any one of.
(16) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (15), wherein the photoelectric conversion element is a dye-sensitized photoelectric conversion element in which a photosensitizing dye is adsorbed to the porous electrode.
(17) It has at least one photoelectric conversion element, the photoelectric conversion element has a porous electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode, and the counter electrode Has a metal substrate, a conductive film provided on the metal substrate, and a catalyst layer provided on the conductive film, and the value of linear expansion coefficient of the conductive film is 7.3. An electronic device that is a photoelectric conversion element that is 10 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less.
(18) It has a metal substrate, a conductive film provided on the metal substrate, and a catalyst layer provided on the conductive film, and the value of linear expansion coefficient of the conductive film is 7. The counter electrode for photoelectric conversion elements which is a photoelectric conversion element which is 3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less.
(19) It has at least one photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion element has a porous electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode, and the counter electrode Has a metal substrate, a conductive film provided on the metal substrate, and a catalyst layer provided on the conductive film, and the value of linear expansion coefficient of the conductive film is 7.3. × 10 -6 [K -1] or 10.5 × 10 -6 [K -1] Architecture is a photoelectric conversion element or less.
(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…導電性バッファ膜。
DESCRIPTION OF
Claims (20)
対極と、
上記多孔質電極と上記対極との間に設けられた電解質層とを有し、
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下である光電変換素子。 A porous electrode;
With the counter electrode,
An electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
The photoelectric conversion element whose linear expansion coefficient value of the said electroconductive film is 7.3 * 10 < -6 > [K < -1 >] or more and 10.5 * 10 < -6 > [K < -1 >] or less.
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設けられた電解質層とを有し、
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下である光電変換素子である電子機器。 Having at least one photoelectric conversion element;
The photoelectric conversion element is
A porous electrode;
With the counter electrode,
An electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
An electronic device that is a photoelectric conversion element in which the value of the linear expansion coefficient of the conductive film is 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less.
上記金属基板上に設けられた導電性膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下である光電変換素子である光電変換素子用対極。 A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
The counter electrode for a photoelectric conversion element, which is a photoelectric conversion element having a linear expansion coefficient of the conductive film of 7.3 × 10 −6 [K −1 ] or more and 10.5 × 10 −6 [K −1 ] or less. .
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設けられた電解質層とを有し、
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膜と、
上記導電性膜上に設けられた触媒層とを有し、
上記導電性膜の線膨張率の値が、7.3×10-6[K-1]以上10.5×10-6[K-1]以下であ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,
An electrolyte layer provided between the porous electrode and the counter electrode;
The counter electrode is
A metal substrate;
A conductive film provided on the metal substrate;
A catalyst layer provided on the conductive film,
The building which is a photoelectric conversion element whose linear expansion coefficient value of the said electroconductive film is 7.3 * 10 < -6 > [K < -1 >] or more and 10.5 * 10 < -6 > [K < -1 >] or less.
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CN108658052A (en) * | 2018-05-28 | 2018-10-16 | 西安理工大学 | A kind of preparation method of sheet nitride porous carbon |
CN108855190A (en) * | 2018-07-05 | 2018-11-23 | 河南师范大学 | The Ag-g-C that a kind of copper chlorophyll trisodium and eosin are sensitized altogether3N4The preparation method and applications of catalysis material |
CN110459273A (en) * | 2019-05-20 | 2019-11-15 | 上海大学 | A kind of total incident photon-to-electron conversion efficiency method of Fast Prediction dye-sensitized solar cells based on first principle |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108658052A (en) * | 2018-05-28 | 2018-10-16 | 西安理工大学 | A kind of preparation method of sheet nitride porous carbon |
CN108658052B (en) * | 2018-05-28 | 2021-11-16 | 西安理工大学 | Preparation method of lamellar porous carbon nitride |
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