JP2014167888A

JP2014167888A - 色素増感太陽電池

Info

Publication number: JP2014167888A
Application number: JP2013039975A
Authority: JP
Inventors: Shinji Okashiwa; 伸次大栢; Masahiko Furukawa; 雅彦古川
Original assignee: Nissha Printing Co Ltd
Current assignee: Nissha Printing Co Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11
Also published as: WO2014132725A1; TW201442265A

Abstract

【課題】発電効率が高い色素増感太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明の色素増感太陽電池は、光電極１１と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、前記光電極１１は、第１透明導電膜１２と、前記第１透明導電膜１２の中央部に積層される発電層１５と、前記発電層１５の周囲を取り囲むように積層される第１集電層１３とを備える色素増感型太陽電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池に関し、特に発電効率に優れた色素増感太陽電池に関する。

環境問題・資源問題などを背景に、クリーンエネルギーとしての太陽電池が注目を集めている。しかしながら、従来のシリコン系太陽電池は、製造コストが高い、原料供給が不十分などの課題が残されており、大幅普及には至っていない。また、ＣＩＳ系などの化合物系太陽電池は、極めて高い光電変換効率を示すなど優れた特徴を有しているが、コストや環境負荷などの問題がやはり大幅普及への障害となっている。

一方、色素増感太陽電池は、製造コストが安く、環境負荷の問題が少ない太陽電池である。図８に示すように、色素増感太陽電池１００は、複数の電極セル１０１が電気的に接続された構成からなる。電極セル１０１は、電解質層１１０が光電極１２０と対極１３０に挟持された構成からなる。なお、電極セル２の周縁には、電解質層１１０が電極セル１０１から漏れ出ないように封止剤１４０が形成されている。

光電極１２０は、透明導電膜１２２の上に発電層１２３と集電層１２４が積層された構成からなる。なお、透明導電膜１２２は透明基板１２１の上に積層された構成からなり、発電層１２３は、酸化チタン等からなる多孔質の層に色素が担持された構成からなる。集電層１２４は、発電層１２３で発生した電子を効率的に対極１３０側に移動させるために発電層１２３の近傍に配置され、主に銀などの導電率の高い材料からなる。対極１３０は、透明導電膜１３２の上に触媒層１３３が積層された構成からなる。なお、透明導電膜１３２は、透明基板１３１の上に積層されている。

上記のように構成することで、発電層１２３で発生した電子が集電層１２４を介して対極１３０側へ移動し、色素増感太陽電池１００として機能を発揮するようになっている。

しかし、色素増感太陽電池１００には、発電効率が低いという問題がある。そこで、発電層１２３の面積を大きして発電効率の高い色素増感太陽電池１００を得ようとする試みがなされている。しかし、発電層１２３の面積を大きくしても、集電層１２４から離れた箇所で発生した電子（例えば、図４におけるＡ地点で発生した電子）は、集電層１２４に到達するまでに電解質１１０のヨウ素にトラップされ、発電効率の高い色素増感太陽電池１００を得ることはできないという問題がある。

特開２０１０−１１３９０５

従って、本発明の目的は、発電効率の高い色素増感太陽電池を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

以下に、本発明にかかる実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１態様によれば、
光電極と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、
第１透明導電膜と、
前記第１透明導電膜の中央部に積層される発電層と、
前記発電層の周囲を取り囲むように積層される第１集電層と、
を備える色素増感型太陽電池を提供する。

本発明の第２態様によれば、
光電極と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、
前記対極は、
第２透明導電膜と、
前記第２透明導電膜の中央部に形成される触媒層と
前記触媒層の周囲を取り囲むように積層される第２集電層と、
を備える色素増感型太陽電池を提供する。

本発明の第３態様によれば、
光電極と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、
第１透明導電膜と、
前記第１透明導電膜の中央部に積層される発電層と、
前記発電層の周囲を取り囲むように積層される第１集電層と、
を備え、
前記対極は、
第２透明導電膜と、
前記第２透明導電膜の中央部に形成される触媒層と
前記触媒層の周囲を取り囲むように積層される第２集電層と、
を備える色素増感型太陽電池を提供する。

本発明の第４態様によれば、
断面視において、前記第１集電線と前記第２集電線が同一平面上に積層されている請求項３の色素増感型太陽電池を提供する。

本発明の第５態様によれば、
光電極と前記光電極と対向するように配置される対極と前記光電極と前記対極に挟持される電解質層とを備える電極セルが直列的に複数接続された色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、
第１透明導電膜と、
前記第１透明導電膜の中央部に積層される発電層と、
前記発電層の周囲を取り囲むように積層される第１集電層とを備え、
前記対極は、
第２透明導電膜と、
前記第２透明導電膜の中央部に形成される触媒層と
前記触媒層の周囲を取り囲み、断面視において前記第１集電線と同一平面上に積層される第２集電層とを備え、
一の電極セルに配置された前記第１集電層と、前記一の電極セルと隣接する他の電極セルの第２集電層とが電気的に接続される色素増感太陽電池を提供する。

本発明の色素増感太陽電池は、発電効率の高い色素増感太陽電池である。

光電極側の平面図である。図１のＡ−Ａ’断面における断面図である。対極側の平面図である。図３のＢ−Ｂ’断面における断面図である。色素増感太陽電池の断面図である。実験結果を示すグラフである。図６の実験結果を解析した表である。従来の色素増感太陽電池の断面図である。

下記で、本発明に係る実施形態を図面に基づいてさらに詳細に説明する。なお、本発明の実施例に記載した部位や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、光電極板１０の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。図１に示すように、光電極板１０は、レーザーラインによって区画化された複数の光電極１１からなる。光電極１１は、第１透明導電膜１２、第１集電層１３、第１絶縁層１４、発電層１５、および第１接続部１６からなる。図１、図２に示すように、第１透明導電膜１２は、第１透明基板５０の上に積層され、第１集電層１３と発電層１５は、第１透明導電膜１２の周縁部と中央部にそれぞれ積層されている。第１絶縁層１４は、第１集電層１３を覆うように第１透明導電膜１２上に積層されている。

再び図１に示すように、光電極１１は、その一方端に第１接続部１６を備えている。第１接続部１６は、発電層１５で発生し、第１集電層１３に移動してきた電子を対極２１側に移動させるためのものである。なお、第１接続部１６は、第２接続部２６と接続している。

図３は、対極板の平面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ’断面図である。図３に示すように、対極板２０は、レーザーラインによって区画化された複数の対極２１から構成される。図３、図４に示すように、対極２１は、第２透明導電膜２２、第２集電層２３、第２絶縁層２４、触媒層２５および第２接続部２６からなる。なお、対極２１の積層配置は、第１集電層１３が第２集電層２３に、第１絶縁層１４が第２絶縁層２４に、発電層１５が触媒層２５に、第１接続部１６が第２接続部２６に置き換わったことを除いて光電極１１の場合と同様である。

図５は、光電極板１０と対極板２０を組合せた色素増感太陽電池１の断面図である。図５に示すように、色素増感太陽電池１は、電極セルが直列的に接続された構成からなる。なお、太枠で囲まれた１区画が電極セルの一単位である。図５では、色素増感太陽電池１の中に７つの電極セルが配置されている。

電極セル２は、光電極１１、対極２１、電解質層３０、および封止層４０から構成されている。光電極１１、対極２１の構成は、上述の通りである。封止層４０は、第１絶縁層１４と第２絶縁層２４を覆い、かつ第１絶縁層１４と第２絶縁層２４を連結し、電極セル２を封止するように積層されている。上記のように構成されることにより、封止層４０は、第１絶縁層１４と第２絶縁層２４を電解質層から保護するのと同時に、電解質層３０を電極セル２内に保存している。

また、第１集電層１３と第２集電層２３は、断面視において同一平面上に配置されている。さらに、第１集電層１３は、電極セル２と隣接する電極セル２’の第２集電層２３’と電気的に接続されている。第１集電層１３と第２集電層２３’の電気的な接続は、第１接続部１６と第２接続部２６を介してなされている。なお、第２集電層２３は、電極セル２と隣接する電極セル２’’の第１集電層１３’’と電気的に接続されている。第２集電層２３と第１集電層１３’’の接続は、第１接続部１６と第２接続部２６を用いて行われている。

このように、第１集電層１３と第２集電層２３が構成されていると、色素増感太陽電池１の起電力と発電効率が向上する。起電力が向上するのは、第１集電層１３と第２集電層２３’が接続されることにより、電極セル２間での直列的な接続が可能となるからである。また、発電効率が向上するのは、第１集電層１３と第２集電層２３とが断面視において同一平面上に積層されていることにより、断面視において同一平面上に配置される発電層１５と触媒層２５の割合が大きくなる。そのため、効率的な電子のやりとりが可能となるからである。

また、図１、図５に示すように、第１集電層１３は、発電層１５の周囲に沿って第１透明導電膜１２上に積層されている。第１集電層１３が、発電層１５の周囲に沿って積層されていると、従来技術の場合（集電層が発電層の一方側面の近傍に形成される場合）と比較して、第１集電層１３と発電層１６との距離が相対的に近くなる。その結果、電解質層３０によって発電層１５で発生した電子がトラップされる割合が減少するので、色素増感太陽電池１の発電効率は向上する。

さらに、図３、図５に示すように、第２集電層２３は触媒層２５の周囲に沿って第２透明導電膜２２上に積層されている。上記のように構成されると、触媒層２５の一方側面の近傍に第２集電層２３が形成されている場合と比較して、発電効率が増大する。その理由については定かではないが、上記のように構成すると第２接続部２６から触媒層２５への電子移動が促進されるためではないかと思われる。

以下では、上記で示した各部材について説明する。

＜透明基板＞
第１透明基板５０、第２透明基板６０は透明性を有するものであることが好ましい。例えば、透明なガラス板やプラスチック板などである。厚みは０．１〜５ｍｍである。

＜透明導電層＞
第１透明導電膜１２、第２透明導電膜２２は、有機材料や無機材料からなる。有機材料としては、導電性高分子材料を使用できる。上記導電性高分子材料の中でも、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）と３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）を用いて作成される水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を用いることが好ましい。水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）は透明性が高く、導電性も高い。そのため、水分散ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を透明導電層として用いることによって、色素増感太陽電池１内に外部からの光を効率的に取り込むことができる。

無機材料としては、フッ素ドープ錫酸化物、インジウム錫酸化物、ガリウムドープ亜鉛酸化物、アルミドープ亜鉛酸化物、またはニオブドープチタン酸化物などの無機酸化物を使用することができる。

なお、第１透明導電膜１２、第２透明導電膜２２の厚みは、それぞれ０．３〜２μｍ程度が好ましい。０．３μｍ未満では、シート抵抗が高くなり、色素増感太陽電池１の抵抗値が高くなる。なお、透明導電層１１は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スプレー法等によって形成される。

＜集電層＞
第１集電層１３、第２集電層２３は、それぞれ第１透明導電膜１２、第２透明導電膜２２よりも導電性の良い材料から構成することが好ましく、具体的には、金、銀、銅、白金、ニッケル、アルミニウム、鉄等の金属、前記金属を１種以上含む合金、カーボンなどが挙げられる。第１集電層１３、第２集電層２３は、加熱蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、導電性ペーストを用いた印刷法等によって、第１透明導電膜１２、第２透明導電膜２２上に設けられる。導電性ペーストとしては、金、銀、銅、白金、ニッケルなどの電気伝導度の高い金属微粉末を混入させたものが用いられる。

＜発電層＞
発電層１５は、増感色素が担持された金属酸化物の半導体膜からなる。金属酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）が最適であり、他の材料としては、チタン（Ｔｉ），亜鉛（Ｚｎ），錫（Ｓｎ），ニオブ（Ｎｂ），インジウム（Ｉｎ），イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ストロンチウム（Ｓｒ），バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ），バナジウム（Ｖ），タングステン（Ｗ）等の金属元素の少なくとも１種以上の金属酸化物半導体がよく、例えば、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、またはＳｒＴｉＯ３のうち少なくとも１つから成る。また窒素（Ｎ），炭素（Ｃ），フッ素（Ｆ），硫黄（Ｓ），塩素（Ｃｌ），リン（Ｐ）等の非金属元素の１種以上を含有していてもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい２〜５ｅＶの範囲にあり、好ましい。

増感色素としては、有機色素または金属錯体色素を使用することができ、有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン系の色素が挙げられ、金属錯体色素では、ルテニウム系色素が好ましく、特にルテニウム錯体であるルテニウムビピリジン色素およびルテニウムターピリジン色素が好ましい。例えば、酸化物半導体膜だけでは、可視光（４００〜８００ｎｍ程度の波長）を殆ど吸収できないが、ルテニウム錯体を担持させることにより、大幅に可視光まで取り込んで光電変換できるようになる。

＜触媒層＞
触媒層２５は、白金、炭素、ポリチオフェン誘導体などからなる。上記の中でも、白金を用いることが好ましい。白金を用いることによって、変換効率と透明性が向上する。触媒層２５の厚みは０．１〜１００ｎｍであることが好ましい。なお、触媒層２５はドクターブレード、スクリーン印刷、スプレー塗布、インクジェットなどの方法によって、第２透明導電膜２２の上に形成される。

＜電解質層＞
電解質層３０は、液状電解質もしくはゲル状電解質を用いることが好ましい。電荷の輸送特性に優れる液状電解質もしくはゲル状電解質を用いることによって、光電変換効率が向上する。また、電解質層はポリマー電解質等の固体電解質、ポリチオフェン・ポリピロール，ポリフェニレンビニレン等の導電性ポリマー、またはフラーレン誘導体，ペンタセン誘導体，ペリレン誘導体，トリフェニルジアミン誘導体等の有機分子電子輸送剤から成るものであってもよい。なお、電解質層はヨウ素／ヨウ化物塩，臭素／臭化物塩，コバルト錯体およびフェロシアン化カリウム等を含む。電解質層の厚みは１〜５００μｍであることが好ましい。５００μｍを超えると電荷輸送時に抵抗が大きくなり、色素増感太陽電池１の高効率化ができない。

＜封止層＞
封止層４０の材質としては、アクリレート系のＵＶ硬化樹脂、ポリエチレン，ポリプロピレン，エポキシ樹脂，フッ素樹脂またはシリコーン樹脂等の樹脂接着剤、もしくはガラスフリット，セラミックス等の無機接着剤を挙げることができる。封止層４０の厚み（高さ）は、０．５〜５００μｍであることが好ましい。封止層４０はホットプレス、ＵＶ硬化などの方法によって形成される。

《実施例１》
（１）以下の手順により色素増感太陽電池を作製した。

i. 基板（フッ素ドープ酸化スズ膜付ガラス板、３５ｍｍ×３３ｍｍ）上の１辺１ｃｍの正方形面積部分にスクリーン印刷により酸化チタンペーストを膜厚８μｍにスクリーン印刷し、乾燥後、その上にさらに酸化チタンペーストを膜厚４μｍにスクリーン印刷した。これを５００℃で焼成することで、発電層を形成した。

ii. 発電層を形成した電極を色素溶液［色素：［商品名：ＳＫ−１／会社名：神戸天然化学株式会社製］、濃度：０．３Ｍ、溶媒：アセトニトリル／ｔ−ブタノール１／１（ｖ／ｖ）の混合溶媒］に４０℃で２時間、浸漬することで、色素を発電層の酸化チタン上に担持させた。

iii. 上記発電層の周囲に銀ペーストを膜厚４μｍの厚さでスクリーン印刷し、発電層の周囲に第１集電層が積層されたアノード電極を得た。

iv.次に、触媒層として白金が積層された白金被覆チタン板を用意し、上記触媒層の周囲に銀ペーストを膜厚４μｍの厚さでスクリーン印刷することで、触媒層の周囲に第２集電層が積層されたカソード電極を得た。このカソード電極に電解液注入孔を形成したのち、第２集電層の周囲に接着剤を施し、カソード電極とアノード電極とを接着剤により接着した。このとき、両電極が５０μｍ程度の一定間隔を置いて平行に配置されるようにした。

v. 次いで、電解液注入口より電解液を注入した。ここで、用いた電解液は、ヨウ素０．１Ｍ、の３ − メトキシプロピオニトリルを溶媒とする溶液を用いた。

vi. 最後に、接着剤を用いて電解液注入孔を封止し、アノード電極上に端子取り出しのためのハンダを塗布して実験用セルを完成させた。

（２）次いで、上記（１）で得られた実験用セルにつき、１ＳＵＮ（１００ｍＷ／ｃｍ^２）の照射条件下で変換効率（％）などを測定した。その結果を図６、図７に示す。

図６中、Ｐ_maxは最大出力点、Ｉ_pmは最大出力動作電流、Ｖ_pmは最大出力動作電圧、ＦＦは曲線因子、Ｅ_ffは変換効率を示す。ここで、Ｐ_max、Ｉ_pm、Ｖ_pm、ＦＦは、図６に示すグラフから算出した。変換効率（％）については、以下の式により算出した。
式：変換効率（％）＝１００×［（短絡電流密度×開放電圧×曲線因子）／（照射太陽光エネルギー）

《比較例１》
発電層の一方側面のみに銀ペーストをスクリーン印刷し、集電層が発電層の一方側面のみに積層されたアノード電極を用いた。これ以外は、実施例１と同様の方法で実験用セルを完成させた。上記実験用セルについても、実施例１と同様の方法で、変換効率を測定した。その結果を図６、図７に示す。

図７に示すように、実施例１と比較例１の色素増感太陽電池は、Ｐ_max、Ｉ_pm、Ｖ_pmにおいて大差はないが、ＦＦが大きく異なっている。そのため、実施例１は比較例１の色素増感太陽電池と比較し、大きな変換効率（％）を有しているのが分かる。

１：色素増感太陽電池
２：電極セル
１０：光電極板
１１：光電極
１２：第１透明導電膜
１３：第１集電層
１４：第１絶縁層
１５：発電層
１６：第１接続部
２０：対極板
２１：対極
２２：第２透明導電膜
２３：第２集電層
２４：第２絶縁層
２５：触媒層
２６：第２接続部
３０：電解質層
４０：封止層

Claims

光電極と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、
第１透明導電膜と、
前記第１透明導電膜の中央部に積層される発電層と、
前記発電層の周囲を取り囲むように積層される第１集電層と、
を備える色素増感型太陽電池。
光電極と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、
前記対極は、
第２透明導電膜と、
前記第２透明導電膜の中央部に形成される触媒層と
前記触媒層の周囲を取り囲むように積層される第２集電層と、
を備える色素増感型太陽電池。
光電極と対極によって電解質層が挟持された色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、
第１透明導電膜と、
前記第１透明導電膜の中央部に積層される発電層と、
前記発電層の周囲を取り囲むように積層される第１集電層と、
を備え、
前記対極は、
第２透明導電膜と、
前記第２透明導電膜の中央部に形成される触媒層と
前記触媒層の周囲を取り囲むように積層される第２集電層と、
を備える色素増感型太陽電池。
断面視において、前記第１集電線と前記第２集電線が同一平面上に積層されている請求項３の色素増感型太陽電池。
光電極と前記光電極と対向するように配置される対極と前記光電極と前記対極に挟持される電解質層とを備える電極セルが直列的に複数接続された色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、
第１透明導電膜と、
前記第１透明導電膜の中央部に積層される発電層と、
前記発電層の周囲を取り囲むように積層される第１集電層とを備え、
前記対極は、
第２透明導電膜と、
前記第２透明導電膜の中央部に形成される触媒層と
前記触媒層の周囲を取り囲み、断面視において前記第１集電線と同一平面上に積層される第２集電層とを備え、
一の電極セルに配置された前記第１集電層と、前記一の電極セルと隣接する他の電極セルの第２集電層とが電気的に接続される色素増感太陽電池。