JP2013191273A - 光電極、その製造方法、およびそれを用いた色素増感太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 透明電極(1)、前記透明電極(1)上に形成した酸化チタンを含有する緻密層(2)、前記緻密層(2)の上に形成した金属酸化物半導体粒子を含有する伝導層(3)、及び前記伝導層(3)の上に形成した、シリカナノ構造体と金属酸化物半導体粒子とを含有する光散乱層(4)の構成を有することを特徴とする光電極、その製造方法、及びこれを用いる色素増感太陽電池。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の色素増感太陽電池の基本構造を示す模式断面図である。本発明の色素増感太陽電池の一態様としては、図1によって示される通り、透明性基板上に透明導電膜を有した透明電極、透明電極に隣接した緻密層、緻密層上に形成された伝導層と光散乱層からなる半導体層、半導体層に吸着した色素、電解質相、対極、封止剤からなる。
透明電極(1)の構成は特に限定されるものではなく、通常の色素増感太陽電池に搭載される透明電極を使用できる。例えば、図1に示す透明電極は、ガラス基板等の透明基板の半導体層側に光を透過させるためのいわゆる透明導電層をコートした構成を有する。この透明導電層としては、ITO、SnO2、ZnO、ATO等が挙げられる。透明導電層は、常法によって形成され、その膜厚は0.1μm〜5μm程度が適当である。また、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板等に設けたものでもよい。
透明電極の表面には酸化チタンを含有する膜を付与する。このことにより、その上に金属酸化物半導体粒子を含有する伝導層を効率的に形成させることができる。当該緻密層(2)に用いる酸化チタンは酸化チタンソースであるアルコキシチタン等から作製する。酸化チタンソースとしては、特に限定されるものではなく、例えば、チタン(IV)エトキシド、チタン(IV)n−プロポキシド、チタン(IV)n−ブトキシド等のアルコキシチタンや、それらが重合したアルコキシチタンポリマー等が挙げられる。緻密層(2)の作製方法としても特に限定されないが、例えばゾルゲル法によりチタンアルコキシドを加水分解しチタニアゾルを作製し、それをスピンコーター法、ディップコート法、スプレー法等で塗布し、乾燥、焼成させる。緻密層の乾燥、焼成の条件は、用いる材料の種類や形態に応じて適宜設定すればよい。例えば大気下または不活性ガス雰囲気下、50〜800℃程度の温度で10秒〜12時間程度で行うことが好ましい。乾燥および焼成は、単一の温度で1回のみまたは温度を変化させて2回以上行ってもよい。緻密層の厚みは10nm〜1μmの間が効率の面から好ましい。
本発明の光電極において、伝導層(3)を構成する金属酸化物半導体粒子は特に限定されるものではなく、種々の酸化物半導体等を使用することができる。酸化物半導体としては、例えば、TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、In2O3、WO3、ZrO2、La2O3、Ta2O5、SrTiO3、BaTiO3等を用いることができる。これらの中でもTiO2を用いることが好ましい。また酸化物半導体粒子の粒子径は実質的に太陽光を散乱しない5nm〜100nmの平均粒子径を有するものが好ましく、さらには8nm〜80nmの範囲であることが好ましく、比表面積と空隙サイズの観点から10nm〜30nmの範囲であることが特に好ましい。
本発明の最大特徴部分は光電極の全体構成における光散乱層である。特に、その光散乱層は、絶縁体であるシリカナノ構造体と金属酸化物半導体粒子とを含有することを特徴とする。
本発明の光電極は、下記の製造工程を経ることにより容易に得ることができる。即ち、
(i)透明電極(1)表面をアルコキシチタンで処理する工程、
(ii)工程(i)で得た基板上に金属酸化物半導体粒子の伝導層薄膜を作製する工程、
(iii)工程(ii)で得た伝導層表面に、シリカナノ構造体と金属酸化物半導体粒子とを含有する複合膜を作製する工程、
(iv)工程(iii)で得た基板を加熱焼結する工程、
(v)工程(iv)で得た基板に色素を吸着する工程、
を有する。
上記で得られた各層を有する光電極には、色素を吸着させる必要がある。吸着される箇所は、半導体粒子表面であることが好ましい。使用する色素は可視光と近赤外光領域のいずれかまたは両方に吸収を有し、光増感作用を有するものであれば特に限定はされない。色素として有機色素、金属錯体色素が挙げられる。有機色素として例えば、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、クマリン系色素、インドリン系色素、キノリン系色素、アントラセン系色素、カルバゾール系色素、シアニン系色素、アゾ系色素、スクアリリウム系色素、ペリレン系色素等が挙げられ、金属錯体色素としてルテニウム錯体色素、オスミウム錯体色素、銅錯体色素が挙げられる。この中で変換効率の観点からルテニウム錯体色素が好ましく、配位子がビピリジンまたはターピジン、クォーターピリジンであるものがより好ましい。また金属酸化物半導体粒子との化学結合が可能なカルボキシル基、スルホ基、リン酸基等の官能基を有している色素が好ましい。
本発明の色素増感太陽電池は、前述の色素を吸着させた光電極を用いるものであれば良く、その他通常使用される電解質相、封止剤、対極等については、何ら限定されるものではない。
電解質相で使用される電解質としては、酸化体と還元体からなる一対の酸化還元系構成物質が溶媒中に含まれていれば特に限定されないが、酸化体と還元体が同一電荷を持つ酸化還元系構成物質であることが好ましい。酸化還元系構成物質とは、酸化還元反応において、可逆的に酸化体及び還元体の形で存在する一対の物質を意味する。このような酸化還元系構成物質自体は種々知られており、それらを好適に用いることができる。
封止材としては、電解質相が流出しないように色素増感太陽電池をシールできるものであればよく、特に制限されないが、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エチレン/メタクリル酸共重合体からなる熱可塑性樹脂等を用いることができる。
対極は、例えば、支持基板とこの上に順次形成された導電層及び触媒層からなる。光が光電極側から入射する場合、対電極は、透光性を有する必要がなく、光が対電極側から入射する場合、対電極は、通常、透光性を有する必要がある。支持基板は、ガラス基板、プラスチック基板などからなり、その厚さは、光電極に適当な強度を付与することができるものであれば特に限定されない。導電層は金、白金、銀、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン等の金属;ITO、SnO2、ZnO、ATO等の透明導電材料からなる膜が挙げられる。これらの導電層は、常法によって形成され、その膜厚は0.1μm〜5μm程度が適当である。
本発明の色素増感太陽電池は、例えば次のようにして組立てることができる。透明電極に緻密層、伝導層、光散乱層と順次積層し半導体層を形成し、半導体層に色素を吸着させた光電極と、表面に触媒層を形成した対極とを、半導体層と触媒層とが対向するようにし、その間を電解質溶液で満たしかつ周囲を封止剤で封止することにより色素増感太陽電池を作製することができる。
特許文献(特開2005−264421号公報、特開2005−336440号公報、特開2006−063097号公報、特開2007−051056号公報、及び特許第4759661号公報)に開示した方法により、形状が異なるシリカナノ構造体の粉体を作製した。
市販のポリエチルオキサゾリン(平均分子量50000,平均重合度約500,Aldrich社製)30gを、5Mの塩酸水溶液150mLに溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加熱し、その温度で10時間攪拌した。反応液にアセトン500mLを加え、ポリマーを完全に沈殿させ、それを濾過し、メタノールで3回洗浄し、白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末を1H−NMR(重水)にて同定したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖エチル基に由来したピーク1.2ppm(CH3)と2.3ppm(CH2)が完全に消失していることが確認できた。即ち、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。
合成例1の直鎖状ポリエチレンイミンの合成の前段と同様にしてポリエチルオキサゾリンの加水分解を行い、直鎖状ポリエチレンイミンの塩酸塩を得た。この塩酸塩5gを90mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に1.4mol/Lのアンモニア水溶液29.5mLを混合した。その混合液を12時間攪拌後、再び1.4mol/Lのアンモニア水溶液12.5mLを10時間おき5回に分けて滴下し、その後1時間攪拌を行うことで、白色の沈殿物を得た。析出した沈殿物を遠心分離にて3回洗浄した。洗浄後、得られた粉末を120mLの蒸留水中に分散した。その分散液中に、15mLのメチルポリシリケート(MS51:コルコート社製)を加え、室温下(20〜25℃)4時間攪拌した。反応液を遠心分離にて処理し、析出した固形物をエタノールで洗浄後、室温にて乾燥することにより、ポリエチレンイミンとシリカとからなる複合体を得た。収量は9.7g。
合成例1で得られたLPEI粉末を1g秤量し、それを49gの蒸留水中に分散させてLPEI分散液を作成した。これら分散液をオイルバスにて、90℃に加熱し、濃度が2%の完全透明な水溶液を得た。激しく攪拌しながらその熱水溶液に50gの小切り氷を一気に加えた。このときの水媒体の温度は4℃であった。これにより、LPEIの透明水溶液は一瞬で濁り、不透明のミルク状コロイド液に変化した(LPEIの濃度は事実上1%になった)。
蒸留水10mlに酸化チタン(P25:日本アエロジル社製)2gとアセチルアセトン0.68ml、ヒドロキシプロピルセルロース(分子量:80000)2g、Zrビーズ(直径0.3mm)25gを加えてペイントコンディショナーで混合し、ペースト1を得た。
ペースト1に合成例2で作製したシリカナノ構造体(A2)を、酸化チタンとシリカナノ構造体粒子のモル比が70/30になるように加え、ペースト3を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト1、ペースト3を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
ペースト1に合成例3で作製したシリカナノ構造体(A3)を、酸化チタンとシリカナノ構造体粒子のモル比が70/30になるように加え、ペースト4を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト1、ペースト4を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
実施例1と同様の方法で、ペースト1を用いて伝導層(厚さ:14μm)だけからなる(光散乱層なし)色素増感太陽電池を作製した。
ペースト1に市販のシリカ球状粒子(日本触媒社製:平均粒子径500nm)を、酸化チタンとシリカ粒子のモル比が70/30になるように加え、ペースト5を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト1、ペースト5を用いて伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
ペースト1に合成例3で作製したシリカナノ構造体(A3)を、シリカナノ構造体と酸化チタンとのモル比が10/90になるように加え、ペースト6を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト1、ペースト6を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
ペースト1に合成例3で作製したシリカナノ構造体(A3)を、酸化チタンとシリカナノ構造体のモル比が50/50になるように加え、ペースト7を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト1、ペースト7を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
ペースト1に合成例3で作製したシリカナノ構造体粒子(A3)を、酸化チタンとシリカナノ構造体粒子のモル比が30/70になるように加え、ペースト8を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト1、ペースト8を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
市販品の酸化チタンペースト(PST−18NR:日揮触媒化成社製)をペースト9とし、ペースト9に合成例3で作製したシリカナノ構造体(A3)を、酸化チタンとシリカナノ構造体粒子のモル比が70/30になるように加え、ペースト10を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト9、ペースト10を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
実施例1と同様の方法で、ペースト9を用いて伝導層(厚さ:14μm)だけからなる(散乱層なし)色素増感太陽電池を作製した。
蒸留水10mlに酸化亜鉛 (シーアイ化成社製)2gとアセチルアセトン0.68ml、ヒドロキシプロピルセルロース(分子量:80000)2g、Zrビーズ(直径0.3mm)25gを加えてペイントコンディショナーで混合し、ペースト11を得た。ペースト11に合成例3で作製したシリカナノ構造体(A3)を、酸化亜鉛とシリカナノ構造体のモル比が70/30になるように加え、ペースト12を作製した。実施例1と同様の方法で、ペースト11、ペースト12を用いて、伝導層(厚さ:7μm)と光散乱層(厚さ:7μm)を有する色素増感太陽電池を作製した。
実施例1と同様の方法で、ペースト11を用いて伝導層(厚さ:14μm)のみを有する色素増感太陽電池を作製した。
Claims (8)
- 透明電極(1)、
前記透明電極(1)上に形成した酸化チタンを含有する緻密層(2)、
前記緻密層(2)の上に形成した金属酸化物半導体粒子を含有する伝導層(3)、
及び前記伝導層(3)の上に形成した、シリカナノ構造体と金属酸化物半導体粒子とを含有する光散乱層(4)
の構成を有することを特徴とする光電極。 - 前記光散乱層(4)中のシリカナノ構造体が、
太さ又は厚みが5〜100nmでアスペクト比が2以上のファイバー状、リボン状又はシート状の構造からなる集合体であって、その集合体の大きさが1μm〜20μmの範囲であるシリカナノ構造体である請求項1記載の光電極。 - 前記光散乱層(4)におけるシリカナノ構造体と金属酸化物半導体粒子との混合割合が、SiO2/金属酸化物のモル比で5/95〜50/50の範囲である請求項1又は2に記載の光電極。
- 前記光散乱層(4)の厚みが3〜50μmの範囲である請求項1〜3の何れか1項記載の光電極。
- 前記光散乱層(4)における金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が150nm以下である請求項1〜4の何れか1項記載の光電極。
- 色素増感太陽電池の光電極の製造方法であって、
(i)透明電極(1)表面をアルコキシチタンで処理する工程、
(ii)工程(i)で得た基板上に金属酸化物半導体粒子の伝導層薄膜を作製する工程、
(iii)工程(ii)で得た伝導層表面に、シリカナノ構造体と金属酸化物半導体粒子とを含有する複合膜を作製する工程、
(iv)工程(iii)で得た基板を加熱焼結する工程、
(v)工程(iv)で得た基板に色素を吸着する工程、
を有することを特徴とする光電極の製造方法。 - 受光面を有する光電極と、該受光面の反対面に設けられた電解質相、これを封止する封止剤、電解質相の下部に設けられた対極とを有する色素増感太陽電池において、当該光電極が請求項1〜5の何れか1項記載の光電極であることを特徴とする色素増感太陽電池。
- 請求項6記載の製造方法で得られた光電極である、請求項7記載の色素増感太陽電池。
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