JP2014175245A - Semiconductor electrode, and photoelectric conversion element and photochemical reaction element using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、半導体電極、それを用いた光電変換素子および光化学反応素子に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor electrode, a photoelectric conversion element using the semiconductor electrode, and a photochemical reaction element.
n型半導体微粒子の集合体からなる多孔質半導体電極は、色素増感太陽電池や光蓄電池などの光電変換素子に使用されている。こうした多孔質半導体電極は、近年では、太陽光による水素発生やCO2還元を行う光化学エネルギー変換素子にも用いられている。多孔質半導体電極を用いた素子においては、基本的には、多孔質半導体電極は、酸化還元対(例えばI-およびI3 -)を含む電解液中に配置されており、光照射によって電子と正孔といった電荷が半導体電極内で生じる。 A porous semiconductor electrode made of an aggregate of n-type semiconductor fine particles is used in a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell or a photovoltaic battery. In recent years, such porous semiconductor electrodes are also used in photochemical energy conversion elements that generate hydrogen by sunlight or reduce CO 2 . In an element using a porous semiconductor electrode, the porous semiconductor electrode is basically disposed in an electrolytic solution containing a redox pair (for example, I − and I 3 − ). Charges such as holes are generated in the semiconductor electrode.
n型半導体電極内で発生した電荷のうち、正孔のみが電解液中に移動して反応が進行することが望まれるものの、対極に移動するべき電子も電解液中へと移動して、キャリア(I3 -)の還元を引き起こすことがある。逆電子反応と呼ばれるこの反応は内部短絡となって、発電効率の低下を招く。逆電子反応を抑制した発電効率を高めるためには、電解液中への電子の移動を抑える必要がある。 Of the charges generated in the n-type semiconductor electrode, it is desired that only the holes move into the electrolytic solution and the reaction proceeds, but the electrons that should move to the counter electrode also move into the electrolytic solution and become carriers. May cause reduction of (I 3 − ). This reaction, called the reverse electron reaction, becomes an internal short circuit and causes a decrease in power generation efficiency. In order to increase the power generation efficiency while suppressing the reverse electron reaction, it is necessary to suppress the movement of electrons into the electrolyte.
例えば、多孔質半導体電極の表面に、絶縁体または半導体の薄い被膜を設けることによって、逆電子反応を抑制することが提案されている。電極の表面が電子伝導性の低い材料で被覆されることになるので、被膜は十分に薄い(<1nm)ことが要求される。しかしながら、膜厚が1nm未満の被膜を、多孔質半導体電極の表面に均一に形成することは困難である。形成できたところで、実際には電極表面が露出する部分も存在するため、逆電子反応を十分に抑制することができなかった。 For example, it has been proposed to suppress a reverse electron reaction by providing a thin film of an insulator or a semiconductor on the surface of a porous semiconductor electrode. Since the surface of the electrode will be coated with a material with low electron conductivity, the coating is required to be sufficiently thin (<1 nm). However, it is difficult to uniformly form a film having a thickness of less than 1 nm on the surface of the porous semiconductor electrode. When it was formed, there was actually a portion where the electrode surface was exposed, and therefore the reverse electron reaction could not be sufficiently suppressed.
本発明が解決しようとする課題は、電解液中での逆電子反応を抑制できる半導体電極を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor electrode capable of suppressing a reverse electron reaction in an electrolytic solution.
実施形態の半導体電極は、多孔質性の金属酸化物n型半導体を含む。前記半導体電極は、第1のn型半導体を含む基部と、前記基部の表面の少なくとも一部に設けられ、酸素欠損を有する第2のn型半導体を含む表面部とを有することを特徴とする。 The semiconductor electrode of the embodiment includes a porous metal oxide n-type semiconductor. The semiconductor electrode includes a base including a first n-type semiconductor and a surface including a second n-type semiconductor having an oxygen vacancy provided on at least a part of the surface of the base. .
以下、実施形態を具体的に説明する。 The embodiment will be specifically described below.
図1は、一実施形態にかかる半導体電極の構成を表わす概略図である。図示する半導体電極10は、多孔質の金属酸化物n型半導体により構成され、基部101と、この基部の表面の少なくとも一部に設けられた表面部102とを含む。基部101は、第1のn型半導体の粒子の集合体を含み、隣接する粒子の間が細孔13となる。細孔13が維持されていれば、この細孔13の内表面にも表面部102が存在していてもよい。表面部102は、酸素欠損を有する第2のn型半導体を含み、第1のn型半導体からなる基部101より高いキャリア密度を有する。半導体電極10は、透明導電層12を有する基板11で支持して、半導体電極部材14を構成してもよい。光照射により電荷を発生する点で、本実施形態の半導体電極は、「光半導体電極」と称することができる。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a semiconductor electrode according to an embodiment. The illustrated
一実施形態にかかる半導体電極は、例えば色素増感太陽電池などの光電変換素子や光化学反応素子などの素子における一方の電極として用いることができる。こうした素子に用いられる場合には、半導体電極10は電解液と接触した状態となる。
The semiconductor electrode according to one embodiment can be used as one electrode in an element such as a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell or a photochemical reaction element. When used in such an element, the
電解液に接触している半導体電極10に照射された光は半導体電極に吸収され、この半導体電極内で電子−正孔対が発生する。発生した電子は基板11側へ移動し、一方の正孔は電解液へと移動する。なお、半導体電極10を支持する基板11が透光性材料から構成される場合には、基板11側から光を照射することができる。
The light applied to the
図2には、キャリア(I-やI3 -)が存在する電解液中の半導体電極において発生した電子の状態を模式的に示す。図示する例においては、第1のn型半導体を含む基部101を、単一の粒子として示している。基部101の表面は、全体にわたって第2のn型半導体からなる表面部102で覆われている。表面部102は、酸素欠損を有する第2のn型半導体を含むので、酸素欠損型表面部と称することができる。こうした表面部102が存在することによって、半導体電極/電解液界面には電子にとって高いポテンシャル障壁が生じる。半導体電極内で発生した電子e-は電解液中に移動することができず、正孔のみが半導体電極から電解液へと優先的に移動することが可能となる。その結果、電荷(電子、正孔)の分離性が高められた。
FIG. 2 schematically shows the state of electrons generated at the semiconductor electrode in the electrolytic solution in which carriers (I − and I 3 − ) exist. In the illustrated example, the
表面部と電解液との界面におけるポテンシャル障壁は、図3に示すように表わされる。ここで、qは電子の電荷であり、Vsは下記数式(1)で表わされる。
上記数式中、NDは半導体表面部のキャリア密度であり、Wは空欠乏層の厚みであり、εは誘電率である。なお、図3中のEFは半導体のフェルミ準位を表わす。 In the above formula, N D is the carrier density of the semiconductor surface portion, W is the thickness of the depletion layer, and ε is the dielectric constant. Incidentally, E F in FIG. 3 represents the Fermi level of the semiconductor.
表面部102は、基部101より高いキャリア密度を有するので、図3に示されるように、表面部と電解液との界面の障壁が高められる。電子e-は、この障壁を越えることができない。電子e-は電解液中に移動することができず、逆電子反応が抑制されることとなった。
Since the
後述するように、表面部を構成する第2のn型半導体は電気導電性が高いことから、1nm以上の厚さで形成しても電極としての機能が損なわれることがない。基部101の全表面を覆う被膜として表面部102を形成する際には、この被膜の厚さの均一性が高められる。その結果、第1のn型半導体を含む基部101の露出部を低減することが可能となる。
As will be described later, since the second n-type semiconductor constituting the surface portion has high electrical conductivity, the function as an electrode is not impaired even if it is formed with a thickness of 1 nm or more. When the
基部101を構成する第1のn型半導体としては、照射される光の少なくとも一部を吸収できるn型性の半導体であれば特に限定されず、任意の金属酸化物n型半導体を用いることができる。例えば、チタン、亜鉛、タングステン、およびタンタルなどの遷移金属酸化物;SrTiO3、CaTiO3、BaTiO3、MgTiO3、およびSrNb2O6などのペロブスカイト;およびこれらの複合酸化物または酸化物混合物が挙げられる。また、CdSおよびZnSなどの硫化物、およびGaNなどの窒化物は、酸化物系よりもバンドギャップが狭く光吸収能が高いため、好ましく用いられる。
The first n-type semiconductor constituting the
第1のn型半導体を含む基部101は、粒子の集合体から構成することができる。第1のn型半導体粒子の平均粒径は、特に限定されないが、5〜1000nmの範囲内が望ましい。こうした範囲内の粒子を用いた場合には、光散乱の効果が顕著となってエネルギー変換効率が低くなるおそれはなく、所望の効果を得ることができる。なお、第1のn型半導体粒子の平均粒径は、BET法により見積もる方法や、電子顕微鏡により直接観察して測定することにより求めることができる。 The base 101 including the first n-type semiconductor can be composed of an aggregate of particles. The average particle size of the first n-type semiconductor particles is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 1000 nm. When particles in such a range are used, the effect of light scattering becomes remarkable and there is no possibility that the energy conversion efficiency is lowered, and a desired effect can be obtained. The average particle diameter of the first n-type semiconductor particles can be obtained by a method of estimating by the BET method or by directly observing and measuring with an electron microscope.
平均粒径が5〜100nmの範囲内の半導体粒子を用いた場合には、エネルギー変換効率をさらに向上させることができる。 When semiconductor particles having an average particle diameter in the range of 5 to 100 nm are used, the energy conversion efficiency can be further improved.
また、平均粒径の異なるn型半導体粒子を混合して用いてもよい。この場合には、充填密度が増加して有効表面積が増加する。これに加えて、n型半導体電極の内部で粒径の大きな粒子の表面で入射した光が乱反射して、光の吸収量が向上する。その結果、効率をさらに高めることができる。 Further, n-type semiconductor particles having different average particle diameters may be mixed and used. In this case, the packing density increases and the effective surface area increases. In addition to this, light incident on the surface of a large particle within the n-type semiconductor electrode is irregularly reflected, and the amount of light absorption is improved. As a result, the efficiency can be further increased.
第1のn型半導体を含む粒子は、例えば、スパッタ法、スプレー熱分解法(SPD)、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ディップコーティング法またはスピンコート法などにより製造することができる。 The particles containing the first n-type semiconductor can be produced by, for example, a sputtering method, a spray pyrolysis method (SPD), a screen printing method, a doctor blade method, a dip coating method, or a spin coating method.
第1のn型半導体の粒子は、ペースト状として基部101の形成に用いることができる。ペーストは、第1のn型半導体の粒子を、任意の方法によりバインダーと混合して調製することができる。バインダーとしては、例えば、ポリエチレングリコールやセルロース等を用いることとができる。 The first n-type semiconductor particles can be used for forming the base 101 as a paste. The paste can be prepared by mixing the first n-type semiconductor particles with a binder by any method. As the binder, for example, polyethylene glycol, cellulose or the like can be used.
二次凝集が解消されたn型半導体の粒子が再度凝集するのを防ぐために、アセチルアセトン、界面活性剤、およびキレート剤などから選択される添加剤をペーストに加えてもよい。必要に応じて、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添加して、ペーストの粘性を高めることもできる。 An additive selected from acetylacetone, a surfactant, a chelating agent, and the like may be added to the paste in order to prevent the n-type semiconductor particles from which secondary aggregation has been eliminated from aggregating again. If necessary, the viscosity of the paste can be increased by adding a polymer such as polyethylene oxide or polyvinyl alcohol, or various thickeners such as a cellulose-based thickener.
調製されたペーストは、任意の方法を用いて支持体の上に塗布することにより塗膜を形成する。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、またはグラビアコート法などが挙げられる。 The prepared paste is coated on a support using an arbitrary method to form a coating film. Examples of the coating method include a dip method, a spray method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, and a gravure coating method.
次いで、乾燥・焼成を行なって第1のn型半導体を含む基部101が得られる。第1のn型半導体粒子の焼結が十分になされるように、n型半導体の種類に応じた適切な温度で焼成する。焼成温度が低すぎる場合には、粒子間の接触が不十分となって電子移動抵抗が高くなる。一方、焼成温度が高すぎる場合には、粒成長が進行して比表面積が低下してしまう。後述するように透光性基板上に半導体電極を形成する場合には、この透光性基板の耐熱性も考慮して、n型半導体粒子を含むペーストの塗膜の焼成温度を決定することが望まれる。
Next, drying and baking are performed to obtain the
n型半導体粒子を含むペーストの塗膜は、100〜800℃で焼成することが好ましい。なお、焼成時間は焼成温度によって異なり、3分〜12時間程度である。焼成温度が高ければ焼成は短時間で行なわれ、焼成温度が低ければ長時間の焼成を要する。焼成温度は、200〜600℃がより好ましく、350〜550℃が特に好ましい。 The coating film of the paste containing n-type semiconductor particles is preferably baked at 100 to 800 ° C. The firing time varies depending on the firing temperature and is about 3 minutes to 12 hours. If the firing temperature is high, the firing is performed in a short time, and if the firing temperature is low, the firing is required for a long time. The firing temperature is more preferably 200 to 600 ° C, particularly preferably 350 to 550 ° C.
焼成によって、第1のn型半導体の粒子の集合体からなる基部101が支持体上に形成される。基部101の厚さは、0.01〜500μmが好ましく、0.1〜100μmがより好ましい。
By firing, a base 101 composed of an aggregate of first n-type semiconductor particles is formed on the support. The thickness of the
こうした基部101の表面の少なくとも一部には、第2のn型半導体を含む表面部102が設けられる。表面部102は、必ずしも基部101の全表面を完全に覆っている必要はないが、全表面が覆われた場合には、電解液中への電子の移動をほぼ確実に防止することができる。
At least a part of the surface of the
表面部102を構成する第2のn型半導体は、酸素欠損を有するn型半導体である。具体的には、第2のn型半導体は、酸化亜鉛、酸化インジウム、および酸化スズから選択される少なくとも一種とすることができる。これらの半導体では、酸素空孔がドナー準位を形成するため、第1のn型半導体を含む基部より高いキャリア密度を有する表面部を形成することができる。
The second n-type semiconductor constituting the
発生した電子を導電膜へ移動させることから、第2のn型半導体の伝導帯準位は、第1のn型半導体の伝導帯準位と同等、またはそれ以上であることが好ましい。伝導帯準位は、例えば、正・逆光電子分光装置(IPES/PES)で直接測定したり、分光光度計と紫外光電子分光(UPS)を併用して求めることができる。 Since the generated electrons are moved to the conductive film, the conduction band level of the second n-type semiconductor is preferably equal to or higher than the conduction band level of the first n-type semiconductor. The conduction band level can be determined by, for example, directly measuring with a forward / reverse photoelectron spectrometer (IPES / PES) or using a spectrophotometer and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) in combination.
また、第2のn型半導体の等電点が7以上の場合には、半導体電極の表面特性を改善することができる。例えば、色素増感太陽電池に適用する場合には、色素の吸着量が高められて光照射により発生する電子数が増加する。色素太陽電池で用いられる代表的な色素は、末端に負のカルボン鎖を有している。このため、第二のn型半導体層の等電点を7以上にすることによって色素吸着性が向上し、色素増感太陽電池の特性は、よりいっそう高められる。等電点は、例えばゼータ電位測定によって求めることができる。 Further, when the isoelectric point of the second n-type semiconductor is 7 or more, the surface characteristics of the semiconductor electrode can be improved. For example, when applied to a dye-sensitized solar cell, the amount of dye adsorbed is increased and the number of electrons generated by light irradiation increases. A typical dye used in a dye solar cell has a negative carboxylic chain at the terminal. Therefore, by increasing the isoelectric point of the second n-type semiconductor layer to 7 or more, the dye adsorptivity is improved, and the characteristics of the dye-sensitized solar cell are further enhanced. The isoelectric point can be determined by, for example, zeta potential measurement.
表面部102のキャリア密度は、1×1017以上1×1022cm-3以下であることが望ましい。こうした範囲内のキャリア密度を有することによって、上述したように電解液/表面部界面に形成されるポテンシャル障壁を高められる。その結果、電解液への電子の移動は抑制されて、正孔のみが優先的に電解液へと移動することができる。キャリア密度が小さすぎる場合には、第二の半導体層での抵抗損が大きくなるおそれがあり、一方、キャリア密度が高すぎる場合には、自由キャリア吸収による可視光域で吸収損失が生じるおそれがあることが、本発明者らによって確認されている。
The carrier density of the
表面部を形成する際、所定の雰囲気中、所定の温度で熱処理することによって、表面部のキャリア密度を高めることができる。雰囲気は、例えば、低酸素濃度(例えば、体積で20%以下)、または水素ガスを用いた還元雰囲気とすることができる。雰囲気中における水素ガスの濃度が1体積%以上であれば、所望の効果が得られる。こうした雰囲気中で、例えば300℃以上700℃以下の温度で熱処理することが好ましい。低酸素濃度下または還元雰囲気中で熱処理を行うことによって、酸素空孔を維持することができ、場合によっては酸素空孔の数が増加する。その結果、高いキャリア密度を達成することが可能となる。 When forming the surface portion, the carrier density of the surface portion can be increased by performing heat treatment at a predetermined temperature in a predetermined atmosphere. The atmosphere can be, for example, a low oxygen concentration (for example, 20% or less by volume) or a reducing atmosphere using hydrogen gas. If the concentration of hydrogen gas in the atmosphere is 1% by volume or more, a desired effect can be obtained. In such an atmosphere, heat treatment is preferably performed at a temperature of 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, for example. By performing heat treatment under a low oxygen concentration or in a reducing atmosphere, oxygen vacancies can be maintained, and in some cases, the number of oxygen vacancies increases. As a result, it is possible to achieve a high carrier density.
基部の表面に設けられた表面部のキャリア密度を直接測定することは困難であるが、第2のn型半導体の層を用いて、キャリア密度を求めることができる。具体的には、第2のn型半導体のみを含む層を基板上に形成し、この層についてホール効果測定や容量−電圧(C−V)特性を測定することによって、第2のn型半導体を含む表面部のキャリア密度を求めることが可能である。 Although it is difficult to directly measure the carrier density of the surface portion provided on the surface of the base portion, the carrier density can be obtained using the second n-type semiconductor layer. Specifically, a layer containing only the second n-type semiconductor is formed on the substrate, and the second n-type semiconductor is measured by measuring Hall effect and capacitance-voltage (CV) characteristics of this layer. It is possible to determine the carrier density of the surface portion including
上述したように高いキャリア密度を有するため表面部の抵抗率は低く、従来の被膜では困難だった厚さで形成することが可能である。第2のn型半導体を含む表面部は、少なくとも1nm以上の厚さを有していれば所望の効果を得ることができ、5nm以上であることがより好ましい。表面部の厚さが大きくなると、多孔質半導体の細孔が第2の半導体で充填されるおそれがある。この場合には、比表面積が低下して素子特性の劣化に繋がる。表面部の厚さは、例えば浸漬法の場合は繰り返し処理によって制御することができる。化学気相成長法(CVD)や原子層堆積法(ALD)の場合は、成膜時間によって表面部の厚さを制御することができる。 As described above, since it has a high carrier density, the resistivity of the surface portion is low, and it can be formed with a thickness that was difficult with a conventional coating. If the surface portion including the second n-type semiconductor has a thickness of at least 1 nm or more, a desired effect can be obtained, and it is more preferably 5 nm or more. When the thickness of the surface portion increases, the pores of the porous semiconductor may be filled with the second semiconductor. In this case, the specific surface area decreases, leading to deterioration of device characteristics. For example, in the case of the immersion method, the thickness of the surface portion can be controlled by repeated treatment. In the case of chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD), the thickness of the surface portion can be controlled by the film formation time.
素子特性を劣化させずに表面部の効果を得るためには、表面部の厚さに適切な範囲が存在する。具体的には、表面部の厚さの上限は、第1のn型半導体を含む基部における平均細孔直径の1/2以下であることが好ましい。平均細孔直径は、水銀圧入法(水銀圧入式ポロシメーター)やガス吸着法により測定することができる。 In order to obtain the effect of the surface portion without deteriorating the element characteristics, there is an appropriate range for the thickness of the surface portion. Specifically, the upper limit of the thickness of the surface portion is preferably ½ or less of the average pore diameter in the base including the first n-type semiconductor. The average pore diameter can be measured by a mercury intrusion method (mercury intrusion porosimeter) or a gas adsorption method.
第2のn型半導体を含む表面部は、例えば、化学気相成長法(CVD)や原子層堆積法(ALD)によって、基部の表面の少なくとも一部に形成することができる。この際、上述したような所定の雰囲気、所定の温度で熱処理を行なうことによって、得られる表面部のキャリア密度を高めることができる。あるいは、第2のn型半導体に含有される金属イオンを含む溶液に、第1のn型半導体の微粒子を含む基部を浸漬させた後、熱処理を行う浸漬法も有効である。この場合においても、上述したような雰囲気中で所定の雰囲気中、所定の温度での熱処理を行なうことによって、表面部のキャリア密度を高めることができる。 The surface portion including the second n-type semiconductor can be formed on at least a part of the surface of the base portion by, for example, chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD). Under the present circumstances, the carrier density of the surface part obtained can be raised by performing heat processing by the above-mentioned predetermined atmosphere and predetermined temperature. Alternatively, a dipping method in which heat treatment is performed after the base portion containing the fine particles of the first n-type semiconductor is immersed in a solution containing metal ions contained in the second n-type semiconductor is also effective. Even in this case, the carrier density of the surface portion can be increased by performing heat treatment at a predetermined temperature in a predetermined atmosphere in the above-described atmosphere.
第1のn型半導体を含む基部101と、第2のn型半導体を含む表年部102とで構成される半導体電極10は、粒子層の状態で使用することができる。あるいは、図1に示したように、こうした粒子層を基板で支持して、半導体電極部材14として使用することも可能である。
The
基板11の材質は、例えば、金属、半導体、ガラス、およびプラスチックなどから選択することができる。基板側から光を入射する際には、ガラスおよびプラスチックなどの透光性材料が用いられる。なかでも、透明プラスチック板を用いた場合には、素子の軽量化を図ることができる。透明プラスチックとしては、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アクリル基板、ポリイミド、およびフッ素化ポリイミド等を挙げることができる。耐熱性、透明性、および耐衝撃性に優れ、比較的安価なことから、ポリカーボネートが好ましい。
The material of the board |
ガラス、プラスチックなどの透光性基板に形成される透明導電層12としては、可視光領域の吸収が少なく、かつ導電性を有するものが好ましい。透明導電層12の材質は、例えば、ITO(indium tin oxide)、SnO2、フッ素ドープしたSnO2、およびフッ素またはインジウムなどがドープされた酸化亜鉛などから選択することができる。透光性基板としてプラスチック板を用いる際には、低温での膜形成が可能なITOを用いることが望まれる。
As the transparent
伝導性を向上させて抵抗の上昇を防ぐ観点から、透明導電層と併用して、低抵抗な金属またはカーボンのマトリクスを配線することが望ましい。低抵抗な金属としては、例えばAg,Cu,Ti,およびW等から選択することができる。 From the viewpoint of improving conductivity and preventing an increase in resistance, it is desirable to wire a low-resistance metal or carbon matrix in combination with the transparent conductive layer. The low resistance metal can be selected from, for example, Ag, Cu, Ti, and W.
一実施形態にかかる半導体電極は、図4に示すような光電変換素子に適用することができる。 The semiconductor electrode according to one embodiment can be applied to a photoelectric conversion element as shown in FIG.
図示する光電変換素子16においては、半導体電極10は、透明導電層12が設けられた基板11に支持されている。半導体電極10に対向して、対向基板21とこの上に設けられた触媒層22とを含む対向電極23が、スペーサー24を介して配置される。透明導電膜12を介して半導体電極10が設けられた基板11と対向基板21との間には、電解液層25が介在する。基板11として透光性基板が用いられた光電変換素子16の場合には、光の照射は基板11側から行われる。
In the illustrated
図5に示されるように、半導体電極10の表面に色素15を吸着させて、色素担持半導体電極17とした場合には、色素増感太陽電池20を構成することができる。図示する色素増感太陽電池20は、この点以外は上述の光電変換素子16と同様の構成である。前述と同様、基板11として透光性基板が用いられた色素増感太陽電池20の場合には、光の照射は基板11側から行われる。
As shown in FIG. 5, when the
半導体電極10の表面に担持される色素15としては、例えば、ルテニウム−トリス型の遷移金属錯体、ルテニウム−ビス型の遷移金属錯体、オスミウム−トリス型の遷移金属錯体、オスミウム−ビス型の遷移金属錯体、ルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体、フタロシアニン、およびポルフィリン等が挙げられる。こうした色素は、半導体電極の表面に単分子吸着していることが望ましい。
Examples of the
対向基板21としては、例えばガラス基板を用いることができる。
For example, a glass substrate can be used as the
対向基板21に設けられる触媒層22は、例えば、白金、金、および銀のような金属膜、カーボン膜から選択することができる。必要に応じて、対向基板と触媒層の間に、酸化スズ膜、フッ素がドープされた酸化スズ膜、および酸化亜鉛膜等の導電膜を用いることもできる。電解液に対する耐久性を考慮すると、白金が特に好ましい。白金を含む触媒層22は、例えばスパッタリング法により3〜100nm程度の厚さで形成することができる。
The
電解液層25中の電解液は、電荷輸送体、またはその希釈液から構成することができる。電荷輸送体は、液体状およびゲル状のいずれであってもよいが、可逆的な酸化還元対を含むことが好ましい。可逆的な酸化還元対は、例えば、ヨウ素(I2)とヨウ化物との混合物、ヨウ化物、臭化物、ハイドロキノン、およびTCNQ錯体等から供給することができる。特に、ヨウ素とヨウ化物との混合物から供給されるI-とI3 -とからなる酸化還元対が好ましい。
The electrolytic solution in the
上述したような酸化還元対は、色素の酸化電位よりも0.1〜0.6V小さい酸化還元電位を示すことが望ましい。色素の酸化電位よりも0.1〜0.6V小さい酸化還元電位を示す酸化還元対は、例えば、I-のような還元種が、酸化された色素から正孔を受け取ることができる。こうした酸化還元対が電解液中に含有されることによって、開放端電圧を高くすることができる。 The redox couple as described above desirably exhibits a redox potential that is 0.1 to 0.6 V lower than the oxidation potential of the dye. In a redox pair showing a redox potential 0.1 to 0.6 V lower than the oxidation potential of the dye, for example, a reducing species such as I − can receive holes from the oxidized dye. By containing such a redox couple in the electrolytic solution, the open-circuit voltage can be increased.
電荷輸送体は、ヨウ化物を含有することが望ましい。ヨウ化物としては、例えば、アルカリ金属のヨウ化物、および有機化合物のヨウ化物等が挙げられる。これらに加えて、ヨウ化物の溶融塩を用いることもできる。 The charge transporter preferably contains iodide. Examples of iodides include alkali metal iodides and organic compound iodides. In addition to these, a molten salt of iodide can also be used.
ヨウ化物の溶融塩としては、複素環含窒素化合物のヨウ化物の溶融塩を用いることができる。例えば、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、第4級アンモニウム塩、ピロリジニウム塩、ピラゾリジウム塩、イソチアゾリジニウム塩、およびイソオキサゾリジニウム塩等の複素環含窒素化合物のヨウ化物が挙げられる。 As the molten salt of iodide, a molten salt of an iodide of a heterocyclic nitrogen-containing compound can be used. Examples thereof include iodides of heterocyclic nitrogen-containing compounds such as imidazolium salts, pyridinium salts, quaternary ammonium salts, pyrrolidinium salts, pyrazolidium salts, isothiazolidinium salts, and isoxazolidinium salts.
ヨウ化物の溶融塩は、例えば、1,3−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソヘキシル(分岐)イミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールアイオダイド、1−エチル−3−イソプロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−プロピル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、およびピロリジニウムアイオダイド等から選択することができる。 Examples of the molten salt of iodide include 1,3-dimethylimidazolium iodide, 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide, 1-methyl-3-propylimidazolium iodide, and 1-methyl-3-pentylimidazole. Rium iodide, 1-methyl-3-isopentylimidazolium iodide, 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-isohexyl (branched) imidazolium iodide, 1-methyl-3- Ethyl imidazolium iodide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazole iodide, 1-ethyl-3-isopropyl imidazolium iodide, 1-propyl-3-propyl imidazolium iodide, pyrrolidinium iodide, etc. You can choose from That.
ヨウ化物の溶融塩は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。ヨウ化物の溶融塩の含有量は、電解液中0.005mol/L以上7mol/L以下程度であることが好ましい。こうした量で電解液中にヨウ化物が含有されていれば、適切な粘度となってイオン伝導性を低下させることなしに、所望の効果を得ることができる。 The molten salt of iodide can be used alone or in combination of two or more. The content of the molten salt of iodide is preferably about 0.005 mol / L or more and 7 mol / L or less in the electrolytic solution. If iodide is contained in the electrolytic solution in such an amount, a desired effect can be obtained without reducing the ionic conductivity with an appropriate viscosity.
ヨウ素は、電解液中で、ヨウ化物と混合されて可逆的な酸化還元対として作用する。したがって、ヨウ素の含有量が少なすぎる場合には、酸化還元対の酸化体が不足し電荷を輸送することが困難になるおそれがある。一方、ヨウ素の含有量が多すぎる場合には、溶液の光吸収が増大して、チタニアのような半導体に効率よく光を与えることができないおそれがある。電解液中におけるヨウ素の含有量は、0.01mol/L以上3mol/L以下の範囲内が好ましく、0.03mol/L以上1mol/L以下の範囲内がより好ましい。 Iodine is mixed with iodide in the electrolyte and acts as a reversible redox pair. Therefore, if the content of iodine is too small, the oxidized form of the redox couple may be insufficient and it may be difficult to transport charges. On the other hand, when there is too much content of iodine, there exists a possibility that the light absorption of a solution may increase and light may not be efficiently given to a semiconductor like a titania. The iodine content in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol / L to 3 mol / L, and more preferably in the range of 0.03 mol / L to 1 mol / L.
電荷輸送体を有機溶媒で希釈して、電解液を調製することができる。有機溶媒が含有されることによって、電解液の粘度をよりいっそう低下させることができるため、半導体電極へ浸透されやすくなる。 The electrolyte solution can be prepared by diluting the charge transporter with an organic solvent. By containing the organic solvent, the viscosity of the electrolytic solution can be further reduced, so that the organic solvent can easily penetrate into the semiconductor electrode.
使用し得る有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)などの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、およびジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルなどが挙げられる。 Examples of the organic solvent that can be used include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC); chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate; γ-butyrolactone, acetonitrile, propionic acid Examples include methyl and ethyl propionate.
さらに、テトラヒドロフラン、および2一メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;ジメトキシエタン、およびジエトキシエタンなどの鎖状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、グルタロニトリル、およびメトキシプロピオニトリルなどのニトリル系溶剤などが挙げられる。こうした有機溶媒は、単独であるいは2種以上の混合物として用いることができる。 Furthermore, cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; chain ethers such as dimethoxyethane and diethoxyethane; nitrile solvents such as acetonitrile, propionitrile, glutaronitrile, and methoxypropionitrile It is done. These organic solvents can be used alone or as a mixture of two or more.
有機溶媒の含有量は、特に限定されないが電解液中80質量%以下にすることが好ましい。有機溶媒の含有量が電解液中の30質量%以下の場合には、有機溶媒が揮発して性能が劣化するといった不都合が生じるおそれを避けることができる。 The content of the organic solvent is not particularly limited, but is preferably 80% by mass or less in the electrolytic solution. When the content of the organic solvent is 30% by mass or less in the electrolytic solution, it is possible to avoid the possibility that the organic solvent volatilizes and the performance deteriorates.
本実施形態に係る色素増感型太陽電池は、例えば、以下に説明する方法により製造することができる。 The dye-sensitized solar cell according to this embodiment can be manufactured, for example, by the method described below.
まず、基板11の表面に透明導電層12および半導体電極10を順次形成して、図6(a)に示されるような積層基板(半導体電極部材)14を作製する。基板11としては、例えばガラス基板からなる透光性基板を用いることができる。この半導体電極部材14を、エタノールなどの媒体に溶解された色素の溶液に浸漬することによって、図6(b)に示すように半導体電極10表面に色素15を吸着させて、色素担持半導体電極17が得られる。透明導電層12を有する基板11と、これ支持された色素担持半導体電極17とを合わせた構造を、色素担持半導体電極部材14’と称することができる。図7に示されるように、色素15は、エステル結合(−OOC−)によって半導体電極10表面に吸着する。電解液中の酸化還元対のうちのI-は色素15に電子e-を与えて酸化され、I3 -を生じて発電反応が生じる。
First, the transparent
対向基板21の表面に触媒層22を形成し、対向電極21と前述の色素担持半導体電極部材14’とを、スペーサー24を介して対向させて電池ユニットを組み立てる。スペーサーは特に限定されず、例えば熱可塑性のアイオノマー樹脂等を用いることができる。対向基板21としては、例えばガラス基板を用いることができ、触媒層22としては、例えばスパッタリング法によって形成された白金膜を用いることができる。
A
次いで、電荷輸送体を含む電解液25を、色素担持半導体電極部材14’と対向基板21との間隙に注入し、スペーサー24を用いて電池ユニットを密封する。電解液がゲル電解液前駆体組成物の場合には、このゲル状電荷輸送体前駆体組成物をゲル化させることによって、本実施形態に係る色素増感型太陽電池が得られる。
Next, an
基部101から電解液への電子e-の移動は、表面部102の存在によって妨げられるので、電解液中での逆電子反応が抑制される。また、第1の半導体層として酸化タングステンを用いる場合、電解液中のI-はI3 -に酸化されて発電反応が生じ、その一方、正電荷を有するリチウムイオン(Li+)は、色素および第2の半導体層の存在しない半導体電極10の露出した表面に引き寄せられて蓄電反応が生じる。酸化状態にあるキャリアI3 -が、半導体電極10から電子e-を受け取って還元されることは抑制されるので、発電効率の低下は回避することができる。
Since the movement of electrons e − from the base 101 to the electrolytic solution is hindered by the presence of the
上述したように電子のやり取りが行なわれることから、半導体電極10表面においては、図8に示されるように色素15が吸着している領域が発電領域となる。半導体電極10の表面における色素が未吸着の領域は、リチウムイオンの還元反応が生じる蓄電領域である。半導体電極10の表面には、酸素欠損を有する第2のn型半導体を含む表面部102が存在するので、これによって逆電子反応が抑制される。
Since electrons are exchanged as described above, on the surface of the
従来の半導体電極においては、図9に示されるように、電子e-が半導体電極18から電解液中に移動し、この電子によりI3 -がI-に還元される逆電子反応が引き起こされていた。図10に示されるように、従来の半導体電極18表面においても、色素15が吸着している領域が発電領域となって、色素が未吸着の領域は蓄電領域である。電子e-が半導体電極18から電解液中に移動できるので逆電子反応が進行し、こうした逆電子反応によって効率の低下が引き起こされていた。
In the conventional semiconductor electrode, as shown in FIG. 9, an electron e − moves from the
本実施形態においては、酸素欠損を有する第2のn型半導体を含む表面部が半導体電極の表面に存在することによって逆電子反応が抑制されるので、効率が低下するのを回避することが可能となった。 In this embodiment, since the reverse electron reaction is suppressed by the presence of the surface portion including the second n-type semiconductor having an oxygen vacancy on the surface of the semiconductor electrode, it is possible to avoid a decrease in efficiency. It became.
一実施形態にかかる半導体電極は、図11に示すような光化学反応素子に適用することもできる。 The semiconductor electrode according to one embodiment can also be applied to a photochemical reaction element as shown in FIG.
図示する光化学反応素子30は、電解液38を含む反応槽37内に配置されたアノード電極31とカソード電極33とを含み、これらの電極は配線36により電気的に接続されている。アノード電極31は、透明導電層12が設けられた基板11と、透明導電層12上に配置された半導体電極10とを含む。半導体電極10には、必要に応じて、助触媒32を担持することができる。助触媒32としては、例えば、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、または酸化ニッケル等を用いることができる。助触媒32は、例えば浸漬法や電着法といった手法により、半導体電極10表面に担持させることができる。
The illustrated
カソード電極33は、基板34とこの上に形成された還元触媒層35とを含む。還元触媒層35は、例えば白金、ニッケル、銀、金またはそれらを含む合金等の触媒を、スパッタリング法により成膜することによって構成することができる。また、カソード電極は基板上に形成された膜の形態だけでなく、還元触媒が導電性を有するものであればワイヤー、メッシュ、または板状であってもよい。
The
アノード電極31における助触媒32は酸化反応を促進し、カソード電極35における還元触媒層35は還元反応を促進する。すなわち、助触媒32および還元触媒層35は、酸化還元反応の活性化エネルギーを低減する作用を有する。
The co-catalyst 32 in the
図示する光化学反応素子30においては、半導体電極10を有するアノード電極と、対向電極としてのカソード電極33との間には、電解液層が存在する。この光化学反応素子30においては、光はアノード電極31に設けられた半導体電極10面に照射される。半導体電極10で光の吸収が生じて、電子および正孔といった電荷が生成する。発生した正孔は、半導体電極10上に担持された助触媒32に移動して酸化反応が生じる。一方、発生した電子は、配線36を通じて対極のカソード電極33の還元触媒層35面へ移動して、還元反応が生じる。
In the illustrated
通常、光照射によって酸化反応および還元反応が生じるかどうかは、半導体電極を構成しているn型半導体の価電子帯準位および伝導帯準位の位置関係に応じて決定される。例えば、酸化反応が生じるためには、n型半導体の価電子帯準位が電解液中のレドックス対の標準酸化還元電位よりも正のポテンシャルの位置にある必要がある。一方、還元反応が生じるためには、n型半導体の伝導帯準位の位置が、電解液中のレドックス対の標準酸化還元電位よりも負のポテンシャルの位置にある必要がある。 Usually, whether or not an oxidation reaction and a reduction reaction occur by light irradiation is determined according to the positional relationship between the valence band level and the conduction band level of the n-type semiconductor constituting the semiconductor electrode. For example, in order for the oxidation reaction to occur, the valence band level of the n-type semiconductor needs to be at a positive potential position relative to the standard redox potential of the redox pair in the electrolytic solution. On the other hand, in order for the reduction reaction to occur, the position of the conduction band level of the n-type semiconductor needs to be at a position that is more negative than the standard redox potential of the redox pair in the electrolytic solution.
一般的には、酸化物からなるn型半導体の伝導帯準位は低い。このため、光を照射することによって酸化反応は生じるものの、還元反応を起こすことは難しい。その場合、図11に示されるように、外部電源39を用いて電圧アシストを行うことによって還元反応を生じさせることが可能である。
In general, an n-type semiconductor made of an oxide has a low conduction band level. For this reason, although an oxidation reaction occurs by irradiating light, it is difficult to cause a reduction reaction. In that case, as shown in FIG. 11, it is possible to cause a reduction reaction by performing voltage assist using an
例えば、電解液38として水を用いる場合には、アノード電極31では酸素生成が生じ、カソード電極33では水素生成が生じることによって水の分解反応が行われる。アノード電極31における酸素生成、およびカソード電極33における水素生成は、それぞれ以下のように表わされる。
For example, when water is used as the
酸素生成:2H2O→O2+4H++4e-
水素生成:4H+4e-→2H2
また、例えば電解液38として飽和CO2水溶液を用いる場合は、アノード電極33で酸素生成(2H2O→O2+4H++4e-)が生じ、カソード電極ではCO2の還元反応が生じる。CO2の還元反応としては、CO2から例えば一酸化炭素、蟻酸、メタン、ホルムアルデヒド、エチレン、エタノール、プロパノール、またはメタノールへの還元反応が挙げられる。
Oxygen generation: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e −
Hydrogen production: 4H + 4e − → 2H 2
For example, when a saturated CO 2 aqueous solution is used as the
一実施形態にかかる光化学反応素子は、本実施形態にかかる半導体電極をアノード電極に含むことによって、光照射により電解液の酸化還元反応を効率的に行うことが可能である。 The photochemical reaction element according to one embodiment can efficiently perform the oxidation-reduction reaction of the electrolytic solution by light irradiation by including the semiconductor electrode according to the present embodiment in the anode electrode.
<実施例I>
実施例Iにおいては、第1のn型半導体としての酸化タングステン(WO3)からなる基部の表面に、第2のn型半導体からなる表面部を形成して半導体電極を得、これを用いて図5に示した色素増感太陽電池を作製した。
<Example I>
In Example I, a surface portion made of a second n-type semiconductor is formed on the surface of a base portion made of tungsten oxide (WO 3 ) as a first n-type semiconductor to obtain a semiconductor electrode. The dye-sensitized solar cell shown in FIG. 5 was produced.
<実施例I−1>
対向基板21として、FTO(Fluorine doped Tin Oxide,9Ω/□)膜付ガラス基板を用意し、その表面に、Pt膜をスパッタリング法により80nmの厚さで成膜して触媒層22を形成した。触媒層が設けられたガラス基板は、3cm×1.5〜2cmのサイズに切断した。次に、中性洗剤で超音波洗浄、純水によるリンス、およびアセトン超音波洗浄を10min実施した。最後に、N2ブローで乾燥することによって対向電極23を得た。
<Example I-1>
A glass substrate with an FTO (Fluorine doped Tin Oxide, 9Ω / □) film was prepared as the
第1のn型半導体の粒子として、WO3ナノ粒子(平均一次粒径10〜20nm,比表面積36m2/g)を用意し、バインダー剤としてECビヒクル100FTP(日新化成製)を用意した。第1のn型半導体粒子とバインダー剤とを、36:64の質量比で混合し、攪拌してWO3ペーストを得た。透明導電層12が設けられた基板11として、FTO膜付ガラス基板(3cm×1.5〜2cm)を用い、この上に、メタルマスク(印刷領域5×20mm2)を用いたスキージ法によりWO3ペーストを塗布した。
WO 3 nanoparticles (average
その後、セラミック板上に載置し、窒素雰囲気中で450℃(昇温速度10℃/min),30分間焼成して基部となるWO3層を形成した。得られたWO3層(基部)の厚みは10μmであった。 After that, it was placed on a ceramic plate and fired in a nitrogen atmosphere at 450 ° C. (temperature increase rate: 10 ° C./min) for 30 minutes to form a WO 3 layer serving as a base. The thickness of the obtained WO 3 layer (base) was 10 μm.
基部としてのWO3電極表面には、金属硝酸塩水溶液を用いた浸漬法によって、第2のn型半導体を含む表面部を形成した。まず、硝酸インジウム(III)三水和物の水溶液(4mmol/L,200ml)を調製し、ホットプレート上で70℃になるまで加熱した。加熱された溶液中に、前述のWO3電極を浸漬して1時間保持した。その後、WO3電極を溶液中から引き上げ、エタノールリンス、N2ブロー乾燥、およびホットプレート上で120℃,10分間乾燥させた。 A surface portion containing a second n-type semiconductor was formed on the surface of the WO 3 electrode as the base by an immersion method using a metal nitrate aqueous solution. First, an aqueous solution of indium (III) nitrate trihydrate (4 mmol / L, 200 ml) was prepared and heated on a hot plate to 70 ° C. The aforementioned WO 3 electrode was immersed in the heated solution and held for 1 hour. Thereafter, the WO 3 electrode was pulled out of the solution, ethanol rinse, N 2 blow dried, and dried on a hot plate at 120 ° C. for 10 minutes.
最後に、窒素雰囲気中で450℃(昇温速度10℃/min),30分間熱処理した。これによって、第2のn型半導体(In2O3)を含む表面部を形成し、半導体電極10を得た。表面部の厚さは5nm程度であることが、透過型電子顕微鏡により確認された。
Finally, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 450 ° C. (temperature increase rate: 10 ° C./min) for 30 minutes. As a result, a surface portion including the second n-type semiconductor (In 2 O 3 ) was formed, and the
色素として、N719(Ruthenizer 535−bisTBA、ソラロニクス社)を用いた。t−ブチルアルコール(t−BuOH)とアセトニトリル(AN)とを1:1の体積比で混合して、溶媒を用意した。N719をt−BuOH/AN溶媒中に溶解して0.3mMの濃度の溶液を調製し、色素溶液を得た。 N719 (Ruthenizer 535-bisTBA, Solaronics) was used as the dye. t-Butyl alcohol (t-BuOH) and acetonitrile (AN) were mixed at a volume ratio of 1: 1 to prepare a solvent. N719 was dissolved in a t-BuOH / AN solvent to prepare a solution having a concentration of 0.3 mM to obtain a dye solution.
電解液は、アセトニトリルに所定の成分を溶解して調製した。具体的には、アセトニトリル中に、リチウムアイオダイド(LiI)0.5mol/L、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド0.6mol/L、t−ブチルピリジン1.0mol/L、および、ヨウ素0.05mol/Lを溶解して電解液を得た。 The electrolytic solution was prepared by dissolving predetermined components in acetonitrile. Specifically, in acetonitrile, lithium iodide (LiI) 0.5 mol / L, 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide 0.6 mol / L, t-butylpyridine 1.0 mol / L, and An electrolytic solution was obtained by dissolving 0.05 mol / L of iodine.
色素溶液中に浸漬した半導体電極を取り出し、会合した色素を除去するためt−BuOH/AN混合溶液で一分間リンスを行い、N2ブロー乾燥した。こうして、触媒層12を有する基板11上に色素担持半導体電極17が形成された。得られた構造体は、色素担持半導体電極部材14’と称することができる。
The semiconductor electrode immersed in the dye solution was taken out, rinsed with a t-BuOH / AN mixed solution for 1 minute in order to remove the associated dye, and dried with N 2 blow. Thus, the dye-carrying
スペーサーとしての(ハイミラン1702,40μm厚,三井デュポンポリケミカル)を、色素担持半導体電極部材14’の長辺部の両側に配置し、さらにその上に対向電極23を配置し、色素担持半導体電極部材/スペーサー/対向電極のサンドイッチ構造にして、130℃のホットプレート上で圧着した。
(High Milan 1702, 40 μm thickness, Mitsui Dupont Polychemical) as a spacer is disposed on both sides of the long side portion of the dye-carrying
電解液の注入は、短辺部よりピペットを用いて毛細管現象を利用して注入を行い、エポキシ樹脂を用いて短辺部の封止を行った。最後に、色素担持半導体電極部材および対向電極の導電面に導電性ペースト(ドータイトD−500)を塗布して、本実施例の色素増感太陽電池を完成させた。 The electrolyte was injected from the short side using a pipette using a capillary phenomenon, and the short side was sealed using an epoxy resin. Finally, a conductive paste (Dotite D-500) was applied to the conductive surfaces of the dye-carrying semiconductor electrode member and the counter electrode to complete the dye-sensitized solar cell of this example.
<実施例I−2>
浸漬法に用いられる金属硝酸塩水溶液を硝酸亜鉛六水和物水溶液(40mmol/L)に変更して表面部を形成した以外は、実施例I−1と同様の手法により色素担持半導体電極部材を形成した。本実施例においては、表面部に含まれる第2の半導体はZnOである。得られた色素担持半導体電極部材を用いる以外は実施例I−1と同様の手法により、本実施例の色素増感太陽電池を作製した。
<Example I-2>
A dye-supported semiconductor electrode member was formed by the same method as in Example I-1, except that the surface portion was formed by changing the metal nitrate aqueous solution used in the dipping method to a zinc nitrate hexahydrate aqueous solution (40 mmol / L). did. In the present embodiment, the second semiconductor contained in the surface portion is ZnO. A dye-sensitized solar cell of this example was produced in the same manner as in Example I-1, except that the obtained dye-carrying semiconductor electrode member was used.
<実施例I−3>
浸漬法に用いられる金属硝酸塩水溶液を塩化第二スズ水溶液(40mmol/L)に変更して表面部を形成した以外は、実施例I−1と同様の手法により色素担持半導体電極部材を形成した。本実施例においては、表面層に含まれる第2の半導体はSnO2である。得られた色素担持半導体電極部材を用いる以外は実施例I−1と同様の手法により、本実施例の色素増感太陽電池を作製した。
<Example I-3>
A dye-carrying semiconductor electrode member was formed by the same method as in Example I-1, except that the surface portion was formed by changing the metal nitrate aqueous solution used in the dipping method to a stannic chloride aqueous solution (40 mmol / L). In this embodiment, the second semiconductor contained in the surface layer is SnO 2 . A dye-sensitized solar cell of this example was produced in the same manner as in Example I-1, except that the obtained dye-carrying semiconductor electrode member was used.
<比較例I−1>
基部の表面に表面部を形成しない以外は、実施例I−1と同様の手法により色素担持半導体電極部材を形成した。得られた色素担持半導体電極部材を用いる以外は実施例I−1と同様の手法により、本比較例の色素増感太陽電池を作製した。
<Comparative Example I-1>
A dye-carrying semiconductor electrode member was formed by the same method as in Example I-1 except that the surface portion was not formed on the surface of the base portion. A dye-sensitized solar cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example I-1 except that the obtained dye-carrying semiconductor electrode member was used.
<比較例I−2>
浸漬法に用いられる金属硝酸塩水溶液を硝酸イットリウムn水和物水溶液(40mmol/L,200ml)に変更して表面部を形成した以外は、実施例1−1と同様の手法により色素担持半導体電極部材を形成した。本比較例においては、基部の表面に表面部が設けられているものの、この表面部に含まれるY2O3は酸素欠損を有するn型半導体ではない。得られた色素担持半導体電極部材を用いる以外は前述と同様の手法により、本比較例の色素増感太陽電池を作製した。
<Comparative Example I-2>
A dye-carrying semiconductor electrode member was formed by the same method as in Example 1-1 except that the surface portion was formed by changing the aqueous metal nitrate solution used in the dipping method to an aqueous yttrium nitrate n-hydrate solution (40 mmol / L, 200 ml). Formed. In this comparative example, although the surface portion is provided on the surface of the base portion, Y 2 O 3 contained in the surface portion is not an n-type semiconductor having oxygen vacancies. A dye-sensitized solar cell of this comparative example was produced by the same method as described above except that the obtained dye-carrying semiconductor electrode member was used.
実施例および比較例の色素増感太陽電池について、キセノンランプ付ソーラーシミュレーターおよびソースメーターを用いて変換効率の測定を行った。具体的には、光照射時の電流密度―電圧特性を測定し、得られた最大出力値をもとに変換効率を算出した。また、最大電力値を短絡電流密度および開放電圧で除することによりフィルファクターを求めた。得られた結果を、表面部の材質とともに下記表1にまとめる。
比較例I−2と比較例I−1との比較から、Y2O3からなる表面部であっても、基部の表面に存在することによって、変換効率は若干向上することがわかる。しかしながら、比較例I−2においては、比較例I−1よりフィルファクターが低下している。 From the comparison between Comparative Example I-2 and Comparative Example I-1, it can be seen that the conversion efficiency is slightly improved by being present on the surface of the base portion even in the surface portion made of Y 2 O 3 . However, in Comparative Example I-2, the fill factor is lower than in Comparative Example I-1.
In2O3、ZnO,およびSnO2といった酸素欠損を有するn型半導体を含む表面部が設けられた場合(実施例I−1,I−2,I−3)には、変換効率は、比較例I−2の場合より、さらに高められている。また、これらの実施例においては、フィルファクターも比較例I−2より大きくなっている。フィルファクターは、セルの内部抵抗に依存する因子である。In2O3、ZnO、およびSnO2といった酸素欠損を有するn型半導体を適用することで、逆電子反応を抑制する効果がよりいっそう高められる。内部抵抗が低減されることにより、フィルファクターが大きくなったものである。 When a surface portion including an n-type semiconductor having an oxygen vacancy such as In 2 O 3 , ZnO, and SnO 2 is provided (Examples I-1, I-2, I-3), the conversion efficiency is compared. This is even higher than in Example I-2. In these examples, the fill factor is also larger than that of Comparative Example I-2. The fill factor is a factor that depends on the internal resistance of the cell. By applying an n-type semiconductor having oxygen vacancies such as In 2 O 3 , ZnO, and SnO 2 , the effect of suppressing the reverse electron reaction is further enhanced. The fill factor is increased by reducing the internal resistance.
実施例I−1の色素増感太陽電池と、比較例I−1の色素増感太陽電池とについて、光照射時の電流密度-電圧特性を測定した結果を、図12のグラフに示す。ここで、曲線aは実施例I−1についての結果であり、曲線bは比較例I−1についての結果である。図12のグラフに示されるように、実施例I−1の色素増感太陽電池は、等電点の高い第二の半導体を用いることにより色素吸着性が向上して短絡電流密度の増加している。また、逆電子反応が抑制され開放電圧が向上していることから、比較例I−1のものより発電特性が優れていることがわかる。 The graph of FIG. 12 shows the results of measuring current density-voltage characteristics during light irradiation for the dye-sensitized solar cell of Example I-1 and the dye-sensitized solar cell of Comparative Example I-1. Here, curve a is the result for Example I-1, and curve b is the result for Comparative Example I-1. As shown in the graph of FIG. 12, the dye-sensitized solar cell of Example I-1 is improved in dye adsorptivity and increased short-circuit current density by using a second semiconductor having a high isoelectric point. Yes. Moreover, since the reverse electron reaction is suppressed and the open circuit voltage is improved, it can be seen that the power generation characteristics are superior to those of Comparative Example I-1.
WO3を電極として用いた色素増感太陽電池に光を照射した際には、発電だけでなく蓄電も同時に生じる。これは、電解液中のLiイオンのWO3へのインターカレーションによるものである。各色素増感太陽電池の蓄電容量は、次のような手法により評価した。まず、各色素増感太陽電池に開放状態で一定時間の光照射を行った。その後、負荷抵抗(510Ω)を接続して、観測されるセル電圧(測定範囲0.01Vに達するまで)をデータロガーで測定した。 When a dye-sensitized solar cell using WO 3 as an electrode is irradiated with light, not only power generation but also power storage occurs simultaneously. This is due to the intercalation of Li ions in the electrolyte into WO 3 . The storage capacity of each dye-sensitized solar cell was evaluated by the following method. First, each dye-sensitized solar cell was irradiated with light for a certain time in an open state. Thereafter, a load resistance (510Ω) was connected, and the observed cell voltage (until the measurement range reached 0.01 V) was measured with a data logger.
光源としては、ソーラーシミュレーター(A.M.1.5、100mW/cm2)を用いて、各色素増感太陽電池の透光性基板側に300s間照射した。得られた電圧値を電流値に変換し、これを積分して電荷(Q=I・t)を算出することにより、色素増感太陽電池の単位面積あたりの容量(C/m2)を見積もった。得られた結果を、下記表2にまとめる。
蓄電特性の場合も、発電特性の場合と同様の傾向であることが、上記表2に示されている。すなわち、Y2O3からなる表面部であっても、基部の表面に存在することによって蓄電容量が高められることが、比較例I−2と比較例I−1との比較からわかる。また、In2O3、ZnO,およびSnO2といった酸素欠損を有するn型半導体を含む表面部が設けられた場合(実施例I−1,I−2,I−3)には、よりいっそう大きな蓄電容量が得られている。 Table 2 shows that the same tendency as in the case of the power generation characteristic is observed in the case of the storage characteristic. That is, it can be seen from the comparison between Comparative Example I-2 and Comparative Example I-1 that even when the surface portion is made of Y 2 O 3 , the storage capacity is increased by being present on the surface of the base portion. Further, when a surface portion including an n-type semiconductor having an oxygen vacancy such as In 2 O 3 , ZnO, and SnO 2 is provided (Examples I-1, I-2, I-3), it is even larger. The storage capacity is obtained.
酸素欠損を有するn型半導体が存在することで、逆電子反応が抑制されて、光照射により発生した電子をロスすることなく蓄電反応に使用することができる、このため、高い蓄電特性を示すことが確認された。 The presence of an n-type semiconductor having an oxygen vacancy suppresses the reverse electron reaction and can be used for an electricity storage reaction without losing electrons generated by light irradiation. Therefore, it exhibits high electricity storage characteristics. Was confirmed.
各色素増感太陽電池に対して、光照射でなく電圧(0.73V)を印加して蓄電させて、上述と同様にそれぞれの蓄電容量を評価した。その結果、光照射の場合と同様の傾向が確認された。 Each dye-sensitized solar cell was charged by applying voltage (0.73 V) instead of light irradiation, and each storage capacity was evaluated in the same manner as described above. As a result, the same tendency as in the case of light irradiation was confirmed.
実施例I−1、比較例I−1、および比較例I−2の色素増感太陽電池について、暗電流を測定した結果を、図13のグラフに示す。暗電流は、光照射無し時の電流−電圧特性を測定することにより求めた。図中、曲線cは実施例I−1についての結果であり、曲線dは比較例I−1についての結果であり、曲線eは比較例I−2についての結果である。 The graph of FIG. 13 shows the results of measuring dark current for the dye-sensitized solar cells of Example I-1, Comparative Example I-1, and Comparative Example I-2. The dark current was determined by measuring the current-voltage characteristics without light irradiation. In the figure, curve c is the result for Example I-1, curve d is the result for Comparative Example I-1, and curve e is the result for Comparative Example I-2.
曲線cに示されるように、In2O3を含む表面部を半導体電極の表面に有する実施例I−1の場合が、リーク電流の低減効果が最も高いことから、逆電子反応が抑制されていることが確認される。 As shown by the curve c, the case of Example I-1 having the surface portion containing In 2 O 3 on the surface of the semiconductor electrode has the highest effect of reducing the leakage current, so that the reverse electron reaction is suppressed. It is confirmed that
<実施例II>
実施例IIにおいては、第2のn型半導体を含む表面部の厚さを変更して色素担持半導体電極部材を作製し、これを用いて図5に示した色素増感太陽電池を作製した。
<Example II>
In Example II, a dye-carrying semiconductor electrode member was produced by changing the thickness of the surface portion including the second n-type semiconductor, and the dye-sensitized solar cell shown in FIG. 5 was produced using this.
まず、実施例Iと同様の手法により、FTO膜付ガラス基板上にWO3層を形成して基部を得た。 First, in the same manner as in Example I, a WO 3 layer was formed on a glass substrate with an FTO film to obtain a base.
WO3からなる基部の上には、ALD法によりIn2O3層を形成して表面部を設けた。表面部の厚さは、サイクル数を調整することによって変更した。具体的には、0.5nm、1nm、および5nmの3種類の厚さの表面部を形成して、3種類の半導体電極部材を得た。 On the base made of WO 3, an In 2 O 3 layer was formed by an ALD method to provide a surface portion. The thickness of the surface portion was changed by adjusting the number of cycles. Specifically, three types of surface portions having thicknesses of 0.5 nm, 1 nm, and 5 nm were formed to obtain three types of semiconductor electrode members.
なお、Si基板上に同様の手法によりIn2O3層を形成し、その厚さを分光エリプソメトリーにより測定して求めて、基部表面における表面部の厚みとした。 The In 2 O 3 layer was formed on the Si substrate by the same method, and the thickness was measured by spectroscopic ellipsometry to obtain the thickness of the surface portion on the base surface.
実施例Iと同様の手法により半導体電極の表面に色素を担持させて、色素担持半導体電極部材を作製した。得られた色素担持半導体電極部材を用いる以外は実施例Iと同様の手法により3種類の色素増感太陽電池を作製して、それぞれ実施例II−1、II−2およびII−3とした。 In the same manner as in Example I, a dye was supported on the surface of the semiconductor electrode to prepare a dye-supported semiconductor electrode member. Except for using the obtained dye-carrying semiconductor electrode member, three types of dye-sensitized solar cells were prepared in the same manner as in Example I, and were designated as Examples II-1, II-2, and II-3, respectively.
<比較例II>
表面部として、絶縁性のAl2O3をALD法により形成する以外は、上述の実施例IIと同様の手法により、表面部の厚さが異なる3種類の半導体電極を形成した。得られた半導体電極を用いる以外は前述と同様の手法により3種類の色素増感太陽電池を作製して、それぞれ比較例II−1、II−2およびII−3とした。
<Comparative Example II>
Three types of semiconductor electrodes having different surface thicknesses were formed by the same method as in Example II described above, except that insulating Al 2 O 3 was formed by ALD as the surface portion. Three types of dye-sensitized solar cells were prepared in the same manner as described above except that the obtained semiconductor electrode was used, and were designated as Comparative Examples II-1, II-2, and II-3, respectively.
実施例および比較例の色素増感太陽電池について、キセノンランプ付ソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。得られた結果を下記表3に示す。
上記表3に示されるように、表面部の厚さが0.5nmの場合には、実施例II−1および比較例II−1の特性には大きな違いがみられず、変換効率は同程度である。実施例および比較例のいずれにおいても、表面部の厚さが増加するのにしたがって開放電圧が増加して、短絡電流密度が減少する傾向である。 As shown in Table 3 above, when the thickness of the surface portion is 0.5 nm, there is no significant difference in the characteristics of Example II-1 and Comparative Example II-1, and the conversion efficiency is comparable. It is. In any of the examples and comparative examples, as the thickness of the surface portion increases, the open circuit voltage increases and the short circuit current density tends to decrease.
実施例IIにおいては、酸素欠損を有するn型半導体(In2O3)が用いられているため、1nm以上の厚さで形成しても、特性が大きく損なわれることはない。In2O3を含む表面部が5nmの厚さで形成された場合でも、短絡電流密度は4.8mA/cm2であり、1.08%という変換効率が得られることが、実施例II−3の結果に示されている。このように、酸素欠損型表面部が半導体電極の表面に設けられた場合には、短絡電流密度の低下は緩やかであり、結果として高い変換効率が得られている。 In Example II, an n-type semiconductor (In 2 O 3 ) having oxygen vacancies is used, so even if it is formed with a thickness of 1 nm or more, the characteristics are not greatly impaired. Even when the surface portion containing In 2 O 3 is formed with a thickness of 5 nm, the short-circuit current density is 4.8 mA / cm 2 , and a conversion efficiency of 1.08% is obtained. This is shown in the result of 3. As described above, when the oxygen deficient surface portion is provided on the surface of the semiconductor electrode, the short-circuit current density gradually decreases, and as a result, high conversion efficiency is obtained.
これに対して、比較例IIにおいては、表面部に用いられているのは絶縁性のAl2O3であるため、表面部の膜厚が1nm以上になると抵抗が大きくなる。Al2O3を含む表面部の厚さが1nmの場合でも、短絡電流密度は3.2mA/cm2と低下し、変換効率は0.70%に減少することが比較例II−2の結果に示されている。 On the other hand, in Comparative Example II, since insulating Al 2 O 3 is used for the surface portion, the resistance increases when the film thickness of the surface portion is 1 nm or more. As a result of Comparative Example II-2, even when the thickness of the surface portion containing Al 2 O 3 is 1 nm, the short-circuit current density decreases to 3.2 mA / cm 2 and the conversion efficiency decreases to 0.70%. Is shown in
<実施例III>
実施例IIIにおいては、酸化タングステン(WO3)からなる基部の表面にIn2O3からなる表面部を形成して半導体電極を得、これを用いて図11に示した光化学反応素子を作製した。前述の実施例I−1および実施例IIと同様、本実施例においては、第1のn型半導体はWO3であり、第2のn型半導体はIn2O3である。
<Example III>
In Example III, a surface portion made of In 2 O 3 was formed on the surface of a base portion made of tungsten oxide (WO 3 ) to obtain a semiconductor electrode, and the photochemical reaction element shown in FIG. 11 was produced using this semiconductor electrode. . Similar to Example I-1 and Example II described above, in this example, the first n-type semiconductor is WO 3 and the second n-type semiconductor is In 2 O 3 .
まず、実施例Iと同様の手法により、FTO膜付ガラス基板上にWO3層を形成して基部を得た。この際、適切な溶媒をペーストに添加し粘度調整して、厚さ1μmのWO3層を形成した。基部となるWO3層の上には、実施例Iと同様の手法により表面部としてのIn2O3層を形成して、アノード電極31を得た。FTO膜は、銅線と電気的に接続した。
First, by the same method as in Example I, a WO 3 layer was formed on a glass substrate with an FTO film to obtain a base. At this time, an appropriate solvent was added to the paste to adjust the viscosity, thereby forming a WO 3 layer having a thickness of 1 μm. On the WO 3 layer serving as the base, an In 2 O 3 layer as a surface portion was formed in the same manner as in Example I, whereby an
カソード電極33として白金メッシュを準備した。白金メッシュは、銅線を電気的に接続した。
次に、0.1mol/Lの硫酸水溶液を電解液とした密封式の三極セル中に、作製した作用極のアノード電極、対極のカソード電極、および参照電極としての飽和Ag/AgCl電極を挿入し、それぞれポテンショスタットに接続して、光化学反応素子を作製した。得られた素子の特性を、水分解実験により評価した。
A platinum mesh was prepared as the
Next, the anode electrode of the produced working electrode, the cathode electrode of the counter electrode, and the saturated Ag / AgCl electrode as a reference electrode are inserted into a sealed triode cell using 0.1 mol / L sulfuric acid aqueous solution as an electrolyte. Each was connected to a potentiostat to produce a photochemical reaction element. The characteristics of the obtained device were evaluated by water splitting experiments.
<比較例III>
In2O3を含む表面部を形成しない以外は実施例IIIと同様の手法によりアノード電極を作製し、上述と同様のポテンショスタットに接続した。
<Comparative Example III>
An anode electrode was prepared in the same manner as in Example III except that the surface portion containing In 2 O 3 was not formed, and connected to the same potentiostat as described above.
評価方法は、次のとおりである。まず、ポテンショスタットを参照電極に対して1.0V電圧を印加した状態で、ソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)の光を10分間照射させた。その後、セル中の気体を捕集して、ガスクロマトグラフィーにて酸素の生成量を測定した。 The evaluation method is as follows. First, a solar simulator (AM 1.5, 100 mW / cm 2 ) was irradiated for 10 minutes while a 1.0 V voltage was applied to the potentiostat with respect to the reference electrode. Thereafter, the gas in the cell was collected, and the amount of oxygen produced was measured by gas chromatography.
その結果、実施例IIIで得られた酸素生成量は、比較例IIIよりも10%ほど多いことが確認された。酸素生成量は、アノード電極から電解液への正孔の移動量に依存する。実施例IIIにおいては、酸素欠損を有する表面部を有する半導体電極がアノード電極に含まれていることから、電解液中での逆電子反応が抑制される。これによって、アノード電極から電解液への電子移動が抑制され効率的に正孔が移動できたことから、酸素の生成量が増加した。 As a result, it was confirmed that the amount of oxygen produced in Example III was about 10% higher than that in Comparative Example III. The amount of oxygen produced depends on the amount of holes transferred from the anode electrode to the electrolyte. In Example III, since the semiconductor electrode having a surface portion having oxygen vacancies is included in the anode electrode, the reverse electron reaction in the electrolytic solution is suppressed. As a result, the transfer of electrons from the anode electrode to the electrolyte was suppressed, and holes could be transferred efficiently, thereby increasing the amount of oxygen produced.
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、酸素欠損型表面部が半導体電極の表面に存在することによって逆電子反応が抑制されるので、効率が低下するのを回避することが可能となった。 According to at least one embodiment described above, since the reverse electron reaction is suppressed by the presence of the oxygen deficient surface portion on the surface of the semiconductor electrode, it is possible to avoid a decrease in efficiency. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…半導体電極; 101…基部; 102…表面部; 11…基板
12…透明導電層; 13…細孔; 14…半導体電極部材
14’…色素担持半導体電極部材;15…色素; 16…光電変換素子
17…色素増感半導体電極; 18…半導体電極; 20…色素増感太陽電池
21…対向基板; 22…触媒層; 23…対向電極: 24…スペーサー
25…電解液; 30…光化学反応素子; 31…アノード電極; 32…助触媒
33…カソード電極; 34…基板; 35…還元触媒層; 36…配線
37…反応槽; 38…電解液; 39…外部電源。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
第1のn型半導体を含む基部と、
前記基部の表面の少なくとも一部に設けられ、酸素欠損を有する第2のn型半導体を含む表面部と
を具備することを特徴とする半導体電極。 A semiconductor electrode comprising a porous metal oxide n-type semiconductor,
A base including a first n-type semiconductor;
And a surface portion including a second n-type semiconductor having an oxygen vacancy provided on at least a part of the surface of the base portion.
前記半導体電極に対向して配置された対向電極、および
前記半導体電極と前記対向電極との間に配置された電解液層
を具備することを特徴とする光電変換素子。 The semiconductor electrode according to any one of claims 1 to 6,
A photoelectric conversion element comprising: a counter electrode disposed to face the semiconductor electrode; and an electrolyte layer disposed between the semiconductor electrode and the counter electrode.
前記半導体電極に対向して配置された対向電極、および
前記半導体電極と前記対向電極との間に配置された電解液層
を具備することを特徴とした光化学反応素子。 The semiconductor electrode according to any one of claims 1 to 6,
A photochemical reaction device comprising: a counter electrode disposed to face the semiconductor electrode; and an electrolyte layer disposed between the semiconductor electrode and the counter electrode.
前記色素担持半導体電極に対向して配置された対向電極、および
前記色素担持半導体電極と前記対向電極との間に配置された電解液層
を具備することを特徴とする色素増感太陽電池。 A dye-carrying semiconductor electrode comprising the semiconductor electrode according to any one of claims 1 to 6 and a dye bonded to a surface of the semiconductor electrode,
A dye-sensitized solar cell comprising: a counter electrode disposed to face the dye-carrying semiconductor electrode; and an electrolyte layer disposed between the dye-carrying semiconductor electrode and the counter electrode.
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