JP2014220164A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、色素増感型太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
色素増感型太陽電池は、光電極の酸化物半導体層に入射する光を外部に逃がさないように閉じ込めることで、光電変換効率を向上することが検討されている。例えば、薄膜太陽電池に用いられる光閉じ込め技術としては、透明絶縁性基板上に形成した透明導電膜表面に、ナノサイズの凹凸構造を形成することで、薄膜太陽電池の光変換効率の向上が図られている(例えば特許文献1参照)。凹凸構造による光閉じ込め技術は、透明絶縁性基板側から入射してきた光が、凹凸構造を有する透明導電膜と酸化物半導体層との界面で散乱された後に酸化物半導体層に入射するので、酸化物半導体層に概ね斜めに入射する。このように、酸化物半導体層に斜めに光が入射することにより、光の実質的な光路が延びて光の吸収量が増大するため、光起電力素子の光電変換特性が向上して出力電流が増加するのである。 In dye-sensitized solar cells, it has been studied to improve photoelectric conversion efficiency by confining light incident on an oxide semiconductor layer of a photoelectrode so as not to escape to the outside. For example, as a light confinement technique used for thin film solar cells, the nano-sized uneven structure is formed on the surface of the transparent conductive film formed on the transparent insulating substrate, thereby improving the light conversion efficiency of the thin film solar cells. (See, for example, Patent Document 1). The light confinement technology based on the concavo-convex structure is such that light incident from the transparent insulating substrate side enters the oxide semiconductor layer after being scattered at the interface between the transparent conductive film having the concavo-convex structure and the oxide semiconductor layer. Incidently incident on the physical semiconductor layer. In this manner, when light is incident on the oxide semiconductor layer obliquely, a substantial optical path of the light is extended and the amount of light absorption is increased, so that the photoelectric conversion characteristics of the photovoltaic element are improved and the output current is increased. Will increase.
また別の光閉じ込め技術としては、酸化物半導体層中に、色素を担持した光吸収粒子と異なる粒径の光散乱粒子を混ぜて、酸化物半導体層に入射した光を散乱させることにより、酸化物半導体層における光の実質的な光路の延長を図る構成が提案されている(例えば特許文献2参照)。このような光散乱粒子としては、粒径が20nm〜1000nm程度の酸化チタンなどの光を屈折させる無機微粒子が用いられる。また、酸化物半導体層を、酸化チタン等の通常の半導体粒子と、光散乱粒子としての特異な形状(星型)の酸化チタン粒子とから構成することも提案されている(特許文献3参照)。 As another light confinement technique, the oxide semiconductor layer is mixed with light-scattering particles having a different particle diameter from the light-absorbing particles carrying the dye, and the light incident on the oxide semiconductor layer is scattered to oxidize. A configuration has been proposed in which a substantial optical path of light in the physical semiconductor layer is extended (see, for example, Patent Document 2). As such light scattering particles, inorganic fine particles that refract light such as titanium oxide having a particle size of about 20 nm to 1000 nm are used. It has also been proposed that the oxide semiconductor layer is composed of normal semiconductor particles such as titanium oxide and titanium oxide particles having a specific shape (star shape) as light scattering particles (see Patent Document 3). .
更に別の光閉じ込め技術としては、酸化物半導体層の対向電極側の面に光反射層を設け、酸化物半導体層を通過する光を、光反射層で反射して酸化物半導体層に再入射させる構成が提案されている(例えば特許文献4参照)。特許文献3に開示の光反射層は、形状異方性を有する酸化チタンなどの無機微粒子から構成されている。 As another optical confinement technique, a light reflecting layer is provided on the surface of the oxide semiconductor layer facing the counter electrode, and light passing through the oxide semiconductor layer is reflected by the light reflecting layer and reenters the oxide semiconductor layer. The structure to be made is proposed (for example, refer patent document 4). The light reflecting layer disclosed in Patent Document 3 is composed of inorganic fine particles such as titanium oxide having shape anisotropy.
前記凹凸構造による光閉じ込め技術は、ナノインプリント技術により、理想的な光閉じ込めのための凹凸構造を形成することが検討されている。しかし、凹凸構造による光閉じ込め技術は、金型の作製などを考慮すると最先端の半導体技術で用いられるリソグラフィ技術などを必要とし、現在のところ極めて高価になってしまう。酸化物半導体層に分散した光散乱粒子による光閉じ込め技術は、光散乱粒子を酸化物半導体層に一様に分散させるのは難しく、また酸化物半導体層における透明絶縁性基板近傍に光散乱粒子が存在すると、光が酸化物半導体層に入射する前に表面反射するためにロスが生じてしまう。光反射層による光閉じ込め技術は、無機微粒子の凝集が生じ易く、また形状異方性の無機微粒子を均一に並べることは難しいため、光反射層により十分な光散乱効果が得られてるとはいえない。 As for the light confinement technique using the concavo-convex structure, it has been studied to form an concavo-convex structure for ideal light confinement by a nanoimprint technique. However, the light confinement technology using the concavo-convex structure requires a lithography technology used in the state-of-the-art semiconductor technology in consideration of the fabrication of a mold and the like, and is extremely expensive at present. Light confinement technology using light scattering particles dispersed in an oxide semiconductor layer makes it difficult to uniformly disperse the light scattering particles in the oxide semiconductor layer, and the light scattering particles are located near the transparent insulating substrate in the oxide semiconductor layer. If present, the light is reflected on the surface before entering the oxide semiconductor layer, so that loss occurs. The light confinement technique using the light reflecting layer is likely to cause aggregation of inorganic fine particles, and it is difficult to uniformly arrange the inorganic fine particles having shape anisotropy, so that the light reflecting layer can provide a sufficient light scattering effect. Absent.
すなわち本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、光電変換効率が高い色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。 That is, the present invention has been proposed in order to suitably solve these problems related to the prior art, and an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell with high photoelectric conversion efficiency.
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項1に係る発明の色素増感型太陽電池は、
透明電極と、この透明電極に積層された酸化物半導体層と、この酸化物半導体層の対向電極側に積層され、前記透明電極側から入射する光を散乱する光散乱層とを備えた色素増感型太陽電池において、
前記光散乱層を、母粒子と該母粒子の表面に担持された光散乱性を有する無機微粒子とからなるコアシェル型の複合粒子で構成したことを要旨とする。
請求項1に係る発明によれば、コアシェル型の複合粒子により均一な光散乱層を形成することができるから、入射した光の閉じ込め効果を向上させることができる。こにれより、光電変換効率を向上し得る。
In order to overcome the above-mentioned problems and achieve the intended object, the dye-sensitized solar cell of the invention according to
A dye sensitizer comprising a transparent electrode, an oxide semiconductor layer laminated on the transparent electrode, and a light scattering layer laminated on the counter electrode side of the oxide semiconductor layer and scattering light incident from the transparent electrode side. In sensitive solar cells,
The gist of the invention is that the light scattering layer is composed of core-shell type composite particles comprising mother particles and inorganic fine particles having light scattering properties supported on the surface of the mother particles.
According to the first aspect of the present invention, since a uniform light scattering layer can be formed by the core-shell type composite particles, the confinement effect of incident light can be improved. Thus, the photoelectric conversion efficiency can be improved.
請求項2に係る発明では、前記母粒子は、球状であることを要旨とする。
請求項2に係る発明によれば、光散乱層において母粒子の表面に沿って配置された無機微粒子により光をより好適に散乱させることができる。
The gist of the invention according to
According to the invention which concerns on
請求項3に係る発明では、前記母粒子は、表面にアニオン性基またはカチオン性基を有することを要旨とする。
請求項3に係る発明によれば、母粒子の表面に無機微粒子を適切に担持させることができる。
The gist of the invention according to claim 3 is that the mother particles have an anionic group or a cationic group on the surface.
According to the invention of claim 3, inorganic fine particles can be appropriately supported on the surface of the mother particle.
本発明に係る色素増感型太陽電池によれば、光電変換効率を向上し得る。 According to the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the photoelectric conversion efficiency can be improved.
図1に示すように、本発明に係る色素増感型太陽電池(以下、単に太陽電池という)10は、光電極12と、光電極12に対向配置された対向電極14と、光電極12および対向電極14の間に充填された電解質16とを備えている。以下の説明において、太陽電池10における光が入射される側を表として方向を指称する。すなわち太陽電池10において、光電極12側が表側となり、対向電極14側が裏側になる。なお、太陽電池10は、光電極12および対向電極14の間に、ガラスや合成樹脂製のスペーサ(図示せず)を配設して、スペーサにより両者12,14の間隔を維持するようにしてもよい。光電極12は、透明電極18と、この透明電極18の裏面に形成された酸化物半導体層20と、この酸化物半導体層20の裏面に形成された光散乱層22とを有する複層構造になっている。このように、光電極12には、光が入射する側と反対側の対向電極14側に光散乱層22が形成され、この光散乱層22により表側から入射した光の閉じ込めが図られている。
As shown in FIG. 1, a dye-sensitized solar cell (hereinafter simply referred to as a solar cell) 10 according to the present invention includes a
前記透明電極18は、例えば、基板と、この基板の裏面に形成された導電層とから構成されている。基板としては、光透過性および電気絶縁性を有する素材であれば特に限定されず、例えば、透明なガラス、酸化チタンやアルミナなどの透明なセラミック、透明なプラスチックなどを用いることができる。プラスチックとしては、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルスルホン等が挙げられる。導電層は、金属や金属酸化物などの無機系導電性材料、ポリマー系導電性材料、無機有機複合型の導電性材料、またはこれらを混合した複合材料を用いることができる。導電層としては、例えば、インジウム/スズ複合化合物(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、アンチモン/スズ複合化合物(ATO)等を用いることができる。このような金属酸化物から導電層を形成する場合は、スパッタ法、CVD法、SPD法、蒸着法などの適宜の薄膜形成法が選択される。そして、導電層は、0.01μm〜10μm程度の厚みで形成される。なお、透明電極18としては、基板に導電層が形成されたものだけでなく、基板を備えておらず全体が導電層からなるものであってもよい。
The
前記酸化物半導体層20は、金属酸化物からなる多孔質構造の金属酸化物層に、増感色素を複合化することで構成される。ここで、金属酸化物層に増感色素を複合化するとは、金属酸化物層に増感色素が化学的に結合したり(化学吸着)、金属酸化物層に増感色素が物理的に保持されたり(物理吸着)する等、金属酸化物層に増感色素が担持された状態を云う。金属酸化物としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどを用いることができ、この中でも、酸化チタンや酸化亜鉛が好ましい。なお、金属酸化物は、1つの種類に限られず、2以上の金属酸化物で構成してもよい。金属酸化物層は、金属酸化物粒子を含有する懸濁液を透明電極の裏面に塗布し、乾燥および焼成を行って形成したり、コロイド溶液中に透明電極18を浸漬して電気泳動により金属酸化物粒子を透明電極18の裏面に付着させたり、コロイド溶液や分散液に発泡剤を混合して塗布した後に焼結して多孔質化したり、ポリマーマイクロビーズを混合して塗布した後に、このポリマーマイクロビーズを加熱処理や化学処理により除去して空隙を形成したりするなど、適宜の方法を適用することができる。また、金属酸化物粒子または金属酸化物粒子を含む分散液を透明電極18に塗布する際には、スキージ法、グラビアコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ロールコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、スプレー塗布法などを採用することができる。ここで、金属酸化物粒子は、平均粒径1nm〜100μmであることが好ましく、1nm〜1000nmであると更に好ましい。金属酸化物粒子の平均粒径が100μm以下であれば、吸着する増感色素の量を確保するのに充分な表面積を有する金属酸化物層を形成することができる。
The
金属酸化物粒子を溶媒に分散させた状態で透明電極18に塗布し、溶媒を気化させることで、金属酸化物層を形成してもよい。前記溶媒としては、50℃未満の温度で気化させ得るものが好ましく、例えば、アセトニトリル等のニトリル化合物、エタノール等のアルコール、水等、またはこれらの混合溶液を採用できる。このように低温で溶媒を気化させることで、溶媒に分散した状態の金属酸化物粒子の結晶化度を保った状態で金属酸化物層を形成することができる。なお、金属酸化物粒子の結晶化度を保った状態とは、従来の高温の熱処理により電子パスが形成されるような金属酸化物が焼結した状態ではなく、金属酸化物粒子における非晶質成分に対する結晶質成分の割合が変化しない状態を云う。
You may form a metal oxide layer by apply | coating to the
前記増感色素としては、起電力を発生させることができるものであればよく、例えば、ルテニウムやオスミウム等の遷移金属錯体、ルテニウムービピリジル錯体、ポルフィリン、フタロシアニン、ジチオラート錯体、シアニン色素、ローダミン、クマリン誘導体、スチルベン誘導体等を採用できる。金属酸化物層の表面に増感色素を複合化する方法としては、増感色素を有機溶剤に溶解して得られた混合液に、透明電極18の裏面に金属酸化物層を形成したものを浸漬する、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法などを適用でき、前記混合液を金属酸化物層に塗布する、ワイヤーバー法、アプリケーション法、スピン法、スプレー法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法などを適用できる。金属酸化物層に増感色素を吸着させる方法としては、増感色素を溶媒に溶解させた色素溶液に対して、前記金属酸化物層が形成された透明電極を浸漬させる方法が好ましい。なお、色素溶液の溶媒としては、エタノール、トルエン、アセトニトリル、クロロホルム等の有機溶媒を用いることができる。
The sensitizing dye is not particularly limited as long as it can generate an electromotive force. For example, transition metal complexes such as ruthenium and osmium, ruthenium-bipyridyl complexes, porphyrins, phthalocyanines, dithiolate complexes, cyanine dyes, rhodamines, coumarins. Derivatives, stilbene derivatives and the like can be employed. As a method of compounding a sensitizing dye on the surface of the metal oxide layer, a solution obtained by dissolving the sensitizing dye in an organic solvent is obtained by forming a metal oxide layer on the back surface of the
前記酸化物半導体層20の厚みは、1μm〜1000μmの範囲に設定することが好ましい。酸化物半導体層20の厚みが1μm以上であれば、好適な光電変換効率を得るのに充分な光を吸収することができる。また、酸化物半導体層20の厚みが1000μm以下であれば、透明電極18の導電層から離れた位置で光電変換により発生した電子の再結合による消失が起こり難く、この消失に起因する光電変換効率の低下の影響を受け難い。
The thickness of the
前記光散乱層22は、母粒子26と、この母粒子26の表面に担持され、自身に当たった光の進行方向を変化させる光散乱性を有する無機微粒子28とからなる複合粒子24で構成されている(図1および図2参照)。複合粒子24は、母粒子26の表面が多数の無機微粒子28で覆われた所謂コアシェル型の構造になっており、球状に形成するのが望ましい。光散乱層22は、酸化物半導体層20の裏面に均一に並んだ複合粒子24で構成されており、複合粒子24の外郭を構成する無機微粒子28の光散乱効果により、光電極12に入射する光を裏側に逃がさないように閉じ込めている。光散乱層22は、その厚みが1μm〜50μmの範囲で形成されている。光散乱層22は、1μmより薄いと十分な光散乱効果が得られず、50μmより厚くなると、酸化物半導体層20と電解質16との間の電子の移動を妨げられ、得られた太陽電池10の開放電圧(Voc)の改善効果が低くなってしまう。
The
前記母粒子26としては、球状や楕円体などの表面が曲面になった形状であるのが好ましい。母粒子26は、ポリマーなどの有機化合物、セラミックなどの無機材料、カーボンビーズなどから形成することができ、無機微粒子28を表面に担持できるものであれば特に限定されない。例えば、母粒子26は、アニオン性基またはカチオン性基を表面に有していれば、無機微粒子28を適切に担持し得る。なお、母粒子26は、導電性の有無について特に限定されないが、酸化物半導体層20でのショートを防止するという観点から、導電性がないまたは導電性があってもショートを起こさない程度に低いことが望ましい。母粒子26は、平均粒径が2μm〜100μmの範囲にあるものが好ましく、より好ましくは5μm〜30μmの範囲である。母粒子26の平均粒径が2μmより小さくなると、母粒子26の表面に担持できる無機微粒子28が少なくなり、無機微粒子28による好適な光散乱効果が得られず、母粒子26の平均粒径が100μmより大きくなると、得られた太陽電池10の開放電圧(Voc)の改善効果が低くなってしまう。なお、母粒子26と比べて無機微粒子28が非常に小さいので、複合粒子24の平均粒径は、母粒子26の粒径と略同じになる。母粒子26を無機材料で構成する場合に、シリカ、ガラス、ジルコニア、アルミナなどを用いることができる。
The
前記母粒子26に有機高分子を使用する場合、下記の化学式1で表される架橋ポリアクリル酸エステルまたは下記の化学式2で表される架橋ポリメタクリル酸エステルの誘導体を用いるのが好ましい。ここで、化学式1および化学式2のRは、メチル、エチル、プロピル、ブチルなどのアルキル基やフェニル基、ベンジル基等であり、脂肪族または芳香族の炭化水素基から選択される疎水性の官能基を表す。なお、ポリアクリル酸エステルおよび架橋ポリメタクリル酸エステルをまとめて、ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子と以下表記する。この場合に、母粒子26は、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子から基本的に構成され、アニオン性基を持つ母粒子26は、該架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステルにおけるカルボン酸エステルの一部を加水分解した構造を有している。また、カチオン性基を持つ母粒子26は、例えばカルボン酸エステルの一部に、アミン化合物によるアミノリシス反応により、アミノ基が導入された構造を有する。アミン化合物としては、ジアミン系化合物、ジメチルアミノ系化合物などが挙げられる。また、母粒子26は、その形状が球形状であり、球形状に形成された架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子の形状がおおよそ維持されている。母粒子26は、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子の球形状表面にあるカルボン酸エステルが加水分解されて、球形状表面部分にカルボキシル基やアミノ基が存在すると共に、球形状内側部分に疎水基を有するカルボン酸エステルが存在するよう構成される。
前記母粒子26の出発原料として用いる架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子は、アクリル酸エステルモノマーを架橋剤により架橋して微細な球形状とした粒子が用いられる。球形状の架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子の製造方法は、架橋剤として、アルカンジアクリレート、フェニルジアクリレート、アルカントリアクリレート、アルカンテトラアクリレートもしくは、アルカンジメタクリレート、アルカントリメタクリレート、アルカンテトラメタクリレート、フェニルジメタクリレート、ジビニルベンゼン等の二官能以上の多官能の架橋剤を用いたアクリル酸エステルの乳化共重合、懸濁共重合法等があげられる。なお、アクリル樹脂には、メタクリル酸エステルとアクリル酸エステルとがあるが、出発原料としてはアクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルの何れであってもよい。
The crosslinked poly (meth) acrylic acid ester particles used as the starting material for the
前記母粒子26は、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子が部分的に加水分解されて生成したカルボン酸の一部または全てが、アルカリ金属によって金属塩化された構造を有し、しかも水に不溶である。アルカリ金属としては、水酸化物のアルカリ金属、アルカリ土類金属を用いることが好ましく、特に、水酸化ナトリウムによるナトリウム、水酸化カリウムによるカリウム、水酸化マグネシウムによるマグネシウム等がよい。
The
前記無機微粒子28としては、酸化チタン(TiO2)、ジルコニア(二酸化ジルコニウム:ZrO2)、ダイヤモンド、酸化鉄(Fe3O4, Fe2O3)、酸化銅(Cu2O)、タングステン、セリア(CeO2)、窒化ホウ素(h-BN,c-BN)など、屈折率が2以上にあるものが好適である。なお、酸化チタンは、アナターゼ型およびルチル型の何れであってもよい。また、無機微粒子28は、その平均粒径が100nm〜1000nmの範囲で、好ましくは200nm〜500nmの範囲にあり、無機微粒子28のサイズを太陽電池10に入射する可視領域の光の波長との関係で設定している。複合粒子24において無機微粒子28は、母粒子26の表面に並ぶように担持されており、例えば球形状の母粒子26であれば、母粒子26における曲面状の表面に無機微粒子28が並んで、複合粒子24全体が球形状になっている。すなわち、複合粒子24の外形形状は、母粒子26の外形に由来している。
Examples of the inorganic
次に、複合粒子24の製造方法の一例について説明する。前述した架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子を用意する。また、アルカリ溶液と有機溶媒とを混合した反応溶媒を別途調製する。ここで用いられるアルカリ溶液は、アルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物等を水に分散したものである。また、有機溶媒としては、エタノール、メタノール等のアルコールやこれらに混ざるプロトン性溶媒、あるいはアセトン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等の非プロトン性溶媒等の一種または二種以上が用いられる。そして、ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子を、アルカリ溶液と有機溶媒とからなる反応溶媒に浸漬し、所定の反応溶媒の温度条件で、ポリ(メタ)アクリル酸エステル粒子におけるカルボン酸エステルを加水分解する。反応溶媒への浸漬処理を行った後に、反応溶媒から得られた母粒子26を取り出し、この母粒子26を水で洗浄する。なお、水洗浄だけで回収した場合に乾燥するならば、凍結乾燥がよい。また、母粒子26を溶媒置換して回収する場合は、水で洗浄後に、メタノールやジエチルエーテル等によって置換し、乾燥する。そして、ろ取等の回収方法によって、所望の平均粒径の範囲にある母粒子26を単離する。なお、母粒子26の回収方法は、ろ取に限定するものではなく、遠心分離等その他の方法も採用可能である。
Next, an example of a method for producing the
そして、無機微粒子28と母粒子26との静電相互作用により、母粒子26の表面に無機微粒子28を担持させることにより、複合粒子24が生成される。母粒子表面の官能基がアニオン性基の場合は、pHを7〜1の酸性条件下、好ましくは、pH4〜2の間において、酸化チタンの表面のTiOHに水素イオンが結合し、TiOH2+とプラス電荷となり、アニオン性基近傍に存在する水素イオンと酸化チタン粒子との間にイオン交換が生じ、酸化チタン粒子がアニオン性基に結合する。この場合に、アニオン性基は、カルボキシル基、シラノール基などの弱酸性陽イオン交換基、または、スルホン酸基、硫酸基、リン酸基のような、強酸性陽イオン交換基を選ぶことができる。母粒子表面の官能基がカチオン性基の場合は、pHを7〜13の塩基性条件下、好ましくは、pH9〜12の間においては、酸化チタンの表面のTiOHから、水素イオンが解離し、TiO−となり、アンモニウム基近傍に存在する水酸化物イオンとの間に、イオン交換が生じ、酸化チタン粒子がカチオン性基に結合する。この場合に、カチオン性基は、一級アミノ基、二級アミノ基のような弱塩基性陰イオン交換基、または、三級アミノ基、四級アミノ基のような強塩基性陰イオン交換基を選ぶことができる。このように静電相互作用により、母粒子26の表面でイオン交換反応が起り、母粒子26の表面に無機微粒子が集められ、複数の無機微粒子28で母粒子26の表面が被覆された複合粒子24が生成される。そして、洗浄、乾燥等の処理を行うことにより、コアシェル型の複合粒子24が得られる。
The
前記母粒子26にセラミックを使用する場合は、シリカ、ガラス、ジルコニア、アルミナなどのいずれであってもよいが、シリカやガラスの場合は、表面にシラノール基が存在するので、pHの条件が酸性のもとで無機微粒子28を担持することができる。ジルコニアやアルミナの場合、pHの条件を2以下、あるいは12以上に設定することにより、表面荷電をコントロールすることができ、無機微粒子28を担持可能となる。
When ceramic is used for the
前記対向電極14としては、白金、金、カーボン、導電性高分子、前記光電極12と同様の導電層が付された基板等を採用できる。電解質16としては、電子、ホール、イオン等を輸送できる物質であれば特に限定されず、ヨウ素/ヨウ化物、臭素/臭化物等の酸化還元電解質や、ヨウ化カリウム(KI)、ヨウ化銅(CuI)、チオシアン酸銅(CuSCN)、酸化ニッケル(NiO)等のP型半導体を有機溶媒に溶解した溶液を採用できる。前記有機溶媒としては、アセトニトリル、3‐メトキシプロピオニトリル、γ-プチロラクトン、ポリエチレングリコール、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート等を採用できる。なお、電解質16は、液体に限られず、ゲル体、固体等であってもよい。
As the
無機微粒子28のサイズは、散乱対象の光の波長との関係で設定され、可視領域の光を適切に散乱させるためには、ナノサイズの無機微粒子28を用いるのが望ましい。このようなナノサイズの無機微粒子28は、取り扱いに多くの制約があり、また凝集が生じ易いので、無機微粒子28だけによって酸化物半導体層20の裏側に均一な光散乱層を形成するのは非常に困難である。本発明に係る太陽電池10によれば、無機微粒子28を該無機微粒子28よりも大きな母粒子26に担持させた複合粒子24の形態で取り扱い可能であるから、光散乱層22の形成を行い易く、また複合粒子24は無機微粒子28と比べて凝集し難いから、酸化物半導体層20の裏側に複合粒子24が密に並んだ光散乱層22を均一に形成することができる。更に、母粒子26の表面に担持される無機微粒子28の形状が不定形であっても、複合粒子24で光散乱層22を形成する際に無機微粒子28の形状の影響を受けずに複合粒子24を均一に並べることができ、その結果、複合粒子24の外郭を構成する無機微粒子28が酸化物半導体層20の裏側に均一に並ぶことになる。従って、酸化物半導体層20を通過しようとする光を光散乱層22の無機微粒子28によって散乱させて酸化物半導体層20に閉じ込めることができ、酸化物半導体層20での光路長を延長して光電変換効率を向上させることができる。また、無機微粒子28が球形状に形成された母粒子26の表側曲面に担持されているから、光散乱層22において無機微粒子28が様々な向きで並ぶことになり、光散乱層22で光を様々な方向に拡散するように反射させることができ、光散乱層22による光の閉じ込め効果を向上し得る。
The size of the inorganic
前記複合粒子24は、球状であるから、取り扱い易く、酸化物半導体層20の裏側に複合粒子24が密に並んだ光散乱層22をより均一にかつ簡単に形成することができる。
Since the
次に、本発明に係る色素増感型太陽電池につき、好適な実施例を挙げて、以下に説明する。 Next, the dye-sensitized solar cell according to the present invention will be described below with reference to preferred examples.
実施例に係る太陽電池は、以下の手順で製造される。 The solar cell according to the example is manufactured by the following procedure.
(アニオン性基を有する母粒子の生成)
先ず、複合粒子の母粒子となる、カルボン酸エステルの一部を加水分解した構造を有する架橋ポリアクリル酸エステル粒子(PAA−PMA粒子と称す)の生成について説明する。75.0gの水酸化ナトリウムをエタノール水混合溶媒(蒸留水/エタノール=525ml/200ml)に加え、出発原料としてのポリアクリル酸メチル粒子(積水化成品工業株式会社:商品名ARX15、平均粒径15μm)を80g添加した混合液を調製する。この混合液を60℃に加熱し、350rpmで2時間かき混ぜつつ、加水分解処理を行う。その後に、蒸留水を用いて遠心分離を繰り返し、固液分離を行うことにより、洗浄液のpHが中性になるまで洗浄を行う。これにより、カルボン酸エステルの一部を加水分解した構造を有するポリアクリル酸メチル粒子(NaPAA−PMA粒子と称す)を得る。更に、NaPAA−PMA粒子を0.1Mの塩酸により洗浄した後に、蒸留水を用いて遠心分離を繰り返し、固液分離を行うことにより、洗浄液のpHが中性になるまで洗浄を行う。そして、回収した粒子を凍結乾燥して、カルボン酸エステルの一部を加水分解した構造を有する架橋ポリアクリル酸エステル粒子(PAA−PMA粒子)を得る。なお、PAA−PMA粒子の回収量は74gで、出発原料に対するPAA−PMA粒子の回収率は、92%であった。図3に、PAA−PMA粒子の走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ株式会社製S−4000)で撮像した写真を示す。
(Generation of mother particles having an anionic group)
First, the production of crosslinked polyacrylic acid ester particles (referred to as PAA-PMA particles) having a structure obtained by hydrolyzing a part of a carboxylic acid ester, which is a mother particle of the composite particles, will be described. 75.0 g of sodium hydroxide was added to an ethanol water mixed solvent (distilled water / ethanol = 525 ml / 200 ml), and polymethyl acrylate particles (Sekisui Plastics Co., Ltd .: trade name ARX15, average particle size of 15 μm as a starting material) ) Is added to prepare a mixed solution. This mixed solution is heated to 60 ° C. and subjected to a hydrolysis treatment while stirring at 350 rpm for 2 hours. Thereafter, centrifugation is repeated using distilled water, and solid-liquid separation is performed to perform washing until the pH of the washing liquid becomes neutral. Thus, polymethyl acrylate particles (called NaPAA-PMA particles) having a structure obtained by hydrolyzing a part of the carboxylic acid ester are obtained. Further, the NaPAA-PMA particles are washed with 0.1 M hydrochloric acid, and then centrifuged with distilled water to perform solid-liquid separation, thereby washing until the pH of the washing solution becomes neutral. Then, the recovered particles are lyophilized to obtain crosslinked polyacrylate particles (PAA-PMA particles) having a structure in which a part of the carboxylic acid ester is hydrolyzed. The recovered amount of PAA-PMA particles was 74 g, and the recovery rate of PAA-PMA particles relative to the starting material was 92%. FIG. 3 shows a photograph of PAA-PMA particles taken with a scanning electron microscope (S-4000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).
(カチオン性基を有する母粒子の生成)
次に、複合粒子の母粒子となる、カルボン酸エステルの一部にアミノ基を有する架橋ポリアクリル酸エステル粒子(PAAm−PMA粒子と称す)の生成について説明する。ポリアクリル酸エステルの球状粒子に、エチレンジアミンによるアミノリシス反応によってアミノ基を導入した球状の複合粒子を生成する。ここで、アミノリシス反応を行う反応時間を調節することで、アミノ基量を制御することができる。具体的には、300mlの三ツ口フラスコに20.10gのポリアクリル酸エステル(積水化成品工業株式会社:商品名ARX15、平均粒径15μm)を入れ、次にエチレンジアミン(ナカライテスク株式会社製、15020−35)150mlを加え、混合液の温度が90℃になるまでオイルバスを用いて加熱する。混合液が90℃になったら、かきまぜ棒、スリーワンモーター、オイルバスおよび還流冷却器を用いて、液温90℃で、回転速度100rpmの条件で所定の反応時間に亘ってかき混ぜる。所定の反応時間経過後、水で濾液のpHが7に近くなるまで洗浄し、凍結乾燥させて粒子を回収することで、エチレンジアミノ化された架橋ポリアクリル酸エステル粒子(PAAm−PMA粒子)が得られる。ここで、反応時間を5時間に設定し、表面にアミノ基が存在するPAAm−PMA粒子を調製した。得られたPAAm−PMA粒子について、逆滴定によりアミノ基の導入量を算出した。なお、逆滴定は、以下のように行った。試料0.1gを100mlの三角フラスコに入れ、0.01Mの塩酸50mlを加え、撹拌子とスターラーとを用いて1時間かき混ぜる。三角フラスコ内を水で洗浄しながら濾過し、100mlにメスアップする。そして、三角フラスコからホールピペットで20ml採取し、0.01Mの水酸化ナトリウム水溶液で滴定する。なお、官能基の導入量(meq/g)は、次式で求める。
Next, generation of cross-linked polyacrylic acid ester particles (referred to as PAAm-PMA particles) having amino groups in a part of the carboxylic acid ester, which are the mother particles of the composite particles, will be described. Spherical composite particles in which amino groups are introduced into the polyacrylic acid ester spherical particles by an aminolysis reaction with ethylenediamine are produced. Here, the amount of amino groups can be controlled by adjusting the reaction time for carrying out the aminolysis reaction. Specifically, 20.10 g of polyacrylic acid ester (Sekisui Chemicals Co., Ltd .: trade name ARX15, average particle size 15 μm) is placed in a 300 ml three-necked flask, and then ethylenediamine (manufactured by Nacalai Tesque, 15020- 35) Add 150 ml and heat using an oil bath until the temperature of the mixture reaches 90 ° C. When the mixed solution reaches 90 ° C., the mixture is stirred for a predetermined reaction time at a liquid temperature of 90 ° C. and a rotation speed of 100 rpm using a stirring rod, a three-one motor, an oil bath and a reflux condenser. After a predetermined reaction time has elapsed, the filtrate is washed with water until the pH of the filtrate approaches 7 and freeze-dried to collect particles, whereby ethylene diaminated crosslinked polyacrylate particles (PAAm-PMA particles) are obtained. can get. Here, the reaction time was set to 5 hours, and PAAm-PMA particles having amino groups on the surface were prepared. About the obtained PAAm-PMA particle | grains, the introduction amount of the amino group was computed by back titration. The back titration was performed as follows. Place 0.1 g of sample in a 100 ml Erlenmeyer flask, add 50 ml of 0.01M hydrochloric acid, and stir for 1 hour using a stir bar and stirrer. Filter the Erlenmeyer flask while washing with water, and make up to 100 ml. Then, 20 ml is taken from the Erlenmeyer flask with a whole pipette and titrated with a 0.01 M sodium hydroxide aqueous solution. The amount of functional group introduced (meq / g) is determined by the following formula.
実施例のPAA−PMA粒子について、拡散反射法による赤外分光分析を行い、PAA−PMA粒子におけるカルボン酸エステルの一部が加水分解されているか否かを確認した。なお、赤外分光装置としては、日本分光株式会社社製の製品名FT/IR−6300を用いた。その結果を図5に示す。図5に示すように、参考例のポリアクリル酸メチル(PMA)粒子(出発原料)は、水酸基のピークが確認されないのに対し、実施例のPAA−PMA粒子では、3500cm−1付近に水酸基のブロードなピークが出現している。また、図5に示すように、参考例のPAA粒子は、1710cm−1付近にカルボキシル基由来のC=O伸縮振動が存在するのに対して、参考例のPAA粒子を加水分解したものでは、1570cm−1付近にカルボアニオン由来のC=O伸縮振動が観察される。そして図45示すように、実施例のPAA−PMA粒子は、1570cm−1付近にカルボアニオン由来のC=O伸縮振動の消失が確認され、1700cm−1付近にブロードなピークが観察される。これは、カルボアニオンがカルボキシル基に変換され、1700cm−1付近にピークがシフトしていると考えられ、架橋ポリアクリル酸エステルにおけるカルボン酸エステルが加水分解されていることが確認できる。また、100mgの実施例のPAA?PMA粒子を、50mlの蒸留水中で1時間撹拌し、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を用いてpH7になるまで滴定を行い、カルボキシル基を算出したところ、カルボキシル基は0.65meq/gであった。 About the PAA-PMA particle | grains of an Example, the infrared spectroscopy analysis by the diffuse reflection method was performed, and it was confirmed whether one part of the carboxylic acid ester in PAA-PMA particle | grains was hydrolyzed. In addition, as an infrared spectrometer, the product name FT / IR-6300 manufactured by JASCO Corporation was used. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the polymethyl acrylate (PMA) particles (starting raw material) of the reference example showed no hydroxyl peak, whereas the PAA-PMA particles of the example had hydroxyl groups in the vicinity of 3500 cm −1 . A broad peak appears. Further, as shown in FIG. 5, the PAA particles of the reference example have C═O stretching vibration derived from a carboxyl group in the vicinity of 1710 cm −1 , whereas the PAA particles of the reference example are hydrolyzed, A carbanion-derived C═O stretching vibration is observed in the vicinity of 1570 cm −1 . Then, as shown FIG 45, PAA-PMA particles of Example is confirmed disappearance of the C = O stretching vibration derived carbanion around 1570 cm -1, a broad peak is observed around 1700 cm -1. This is considered that the carbanion is converted to a carboxyl group and the peak is shifted to around 1700 cm −1, and it can be confirmed that the carboxylic acid ester in the crosslinked polyacrylate is hydrolyzed. Further, 100 mg of the PAA-PMA particles of the examples were stirred in 50 ml of distilled water for 1 hour, titrated with 0.05N sodium hydroxide aqueous solution until pH 7 was obtained, and the carboxyl group was calculated. The group was 0.65 meq / g.
また、実施例のPAAm−PMA粒子について、拡散反射法による赤外分光分析を行い、PAAm−PMA粒子におけるカルボン酸エステルの一部がアミノ化されているか否かを確認した。なお、赤外分光装置としては、日本分光株式会社社製の製品名FT/IR−6300を用いた。FT−IRスペクトルにより、1730cm−1付近にPMA由来のエステル結合のC=O伸縮振動の吸収が減少し、エチレンジアミンとの反応よって生じる1650cm−1付近のアミド結合由来のC=O伸縮振動の吸収、および3400cm−1付近のN−H伸縮振動の吸収が増大した。 Moreover, about the PAAm-PMA particle | grains of the Example, the infrared spectroscopic analysis by the diffuse reflection method was performed, and it was confirmed whether one part of the carboxylic acid ester in PAAm-PMA particle | grains was aminated. In addition, as an infrared spectrometer, the product name FT / IR-6300 manufactured by JASCO Corporation was used. The FT-IR spectrum, reduces the absorption of C = O stretching vibration of the ester bond derived from PMA around 1730 cm -1, absorption of C = O stretching vibration derived from the amide bond at around 1650 cm -1 of the reaction by in results of ethylenediamine And the absorption of N—H stretching vibration near 3400 cm −1 increased.
(PAA−PMA粒子からの複合粒子の生成)
実施例のPAA−PMA粒子を400mlの蒸留水に10g加え、塩酸の添加により、分散媒をpH3に調整する。10mlの水に無機微粒子としての酸化チタン微粒子(石原産業株式会社製:製品名CR50、平均粒径250nm)を1.0gを混合した酸化チタン微粒子分散液を、前記分散媒に加え、分散媒の温度を60℃にしたもとで、300rpmで2時間撹拌することで、PAA−PMA粒子の表面が酸化チタン微粒子によって被覆されたコアシェル型の複合粒子を生成する。分散媒から遠心分離により複合粒子を分離した後に、凍結乾燥を行って実施例の複合粒子を回収する。実施例の複合粒子の回収量は、10.8gであり、分散媒に添加したPAA−PMA粒子に対する回収率は、97.7wt%である。図6に、実施例の複合粒子の走査型電子顕微鏡写真を示す。また、実施例の複合粒子について、熱重量測定(thermogravimetry;TG)により、酸化チタン微粒子の複合量を算出した結果、6.7wt%の酸化チタン微粒子が複合されていることが確認された。
(Generation of composite particles from PAA-PMA particles)
10 g of the PAA-PMA particles of Examples are added to 400 ml of distilled water, and the dispersion medium is adjusted to pH 3 by adding hydrochloric acid. Titanium oxide fine particle dispersion obtained by mixing 1.0 g of titanium oxide fine particles (Ishihara Sangyo Co., Ltd .: product name CR50, average particle size 250 nm) as inorganic fine particles in 10 ml of water is added to the dispersion medium, By stirring at 300 rpm for 2 hours under a temperature of 60 ° C., core-shell type composite particles in which the surfaces of PAA-PMA particles are coated with titanium oxide fine particles are generated. After separating the composite particles from the dispersion medium by centrifugation, freeze drying is performed to recover the composite particles of the examples. The recovery amount of the composite particles of the example is 10.8 g, and the recovery rate with respect to the PAA-PMA particles added to the dispersion medium is 97.7 wt%. FIG. 6 shows a scanning electron micrograph of the composite particles of the example. Further, as a result of calculating the composite amount of the titanium oxide fine particles by thermogravimetry (TG) for the composite particles of the example, it was confirmed that 6.7 wt% of the titanium oxide fine particles were composited.
(PAAm−PMA粒子からの複合粒子の生成)
実施例のPAAm−PMA粒子を400mlの蒸留水に10g加え、塩酸の添加により、分散媒をpH12に調整する。10mlの水に無機微粒子としての酸化チタン微粒子(石原産業株式会社製:製品名CR50、平均粒径250nm)を1.0gを混合した酸化チタン微粒子分散液を、前記分散媒に加え、分散媒の温度を60℃にしたもとで、300rpmで2時間撹拌することで、PAAm−PMA粒子の表面が酸化チタン微粒子によって被覆されたコアシェル型の複合粒子を生成する。分散媒から遠心分離により複合粒子を分離した後に、凍結乾燥を行って複合粒子を回収する。前記複合粒子の回収量は、10.8gであり、分散媒に添加したPAAm−PMA粒子に対する回収率は、98.7wt%であった。また、前記複合粒子について、熱重量測定(thermogravimetry;TG)により、酸化チタン微粒子の複合量を算出した結果、7.0wt%の酸化チタン微粒子が複合されていることが確認された。
(Generation of composite particles from PAAm-PMA particles)
10 g of the PAAm-PMA particles of Example are added to 400 ml of distilled water, and the dispersion medium is adjusted to
(光電極の作製)
透明電極としては、導電層としてフッ素ドープ酸化スズ(FTO)が用いられたガラスTOC基板(AGCファブリテック株式会社:製品名 A110U80(U膜),12〜13Ω/sq.)を用いた。縦300mm×横350mm×厚さ1.1mmのガラスTOC基板を切断することで、5mm×2.5mmの大きさとし、この透明電極の中央部分を5mm空けて、スペーサーとしての役割を果たすメンディングテープ(住友スリーエム株式会社製、厚さ58μm)を貼り付けた。平均粒径8〜10nmの酸化チタン微粒子を11wt%含むペースト(Solaronix社製:製品名Ti-Nanoxide HT)を透明電極に滴下し、ガラス棒を用いて、スキージ法により、透明電極に塗布した後に風乾した。乾燥後にメンディングテープを剥がし、前記ペーストでコーティングされた透明電極を、電気炉にて450℃で30分間熱処理して酸化チタン微粒子を焼結することで、金属酸化物層が形成された基本セルを得た。0.3mMの増感色素(Solaronix社製:製品名 Ruthenizer 535 bis-TBA(N719))を分散したアセトニトリル/t−ブタノール混合溶液中に、基本セルを25℃で24時間浸漬することで、金属酸化物層に増感色素を吸着させる。そして、混合液から取り出した基本セルから余分な増感色素をアセトニトリルで除去した後に乾燥させることにより、透明電極に光変換層が積層された比較例1の光電極を作製した。また、比較例1の光電極の酸化物半導体層に、酸化チタン微粒子からなる光散乱層を積層した比較例2の光電極を作製した。比較例2の光散乱層は、平均粒径250nmの酸化チタン微粒子(石原産業株式会社製:製品名 CR50)を含むペーストを酸化物半導体層上に滴下し、ガラス棒を用いて塗布した後に風乾して形成した。なお、比較例2の光散乱層は、25μmの厚さで形成されている。
(Production of photoelectrode)
As the transparent electrode, a glass TOC substrate (AGC Fabricec Co., Ltd .: product name A110U80 (U film), 12 to 13 Ω / sq.) Using fluorine-doped tin oxide (FTO) as a conductive layer was used. By cutting a glass TOC substrate 300mm long x 350mm wide x 1.1mm thick, the size is 5mm x 2.5mm. (Sumitomo 3M Co., Ltd., thickness: 58 μm) was attached. After a paste containing 11 wt% of titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 8 to 10 nm (manufactured by Solaronix: product name Ti-Nanoxide HT) is dropped on the transparent electrode and applied to the transparent electrode by a squeegee method using a glass rod. Air dried. After drying, the mending tape is peeled off, and the transparent electrode coated with the paste is heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes in an electric furnace to sinter titanium oxide fine particles, thereby forming a basic cell in which a metal oxide layer is formed. Got. By immersing the basic cell in an acetonitrile / t-butanol mixed solution in which 0.3 mM sensitizing dye (manufactured by Solaronix: product name Ruthenizer 535 bis-TBA (N719)) is dispersed at 25 ° C. for 24 hours, A sensitizing dye is adsorbed on the oxide layer. Then, the excess sensitizing dye was removed from the basic cell taken out of the mixed solution with acetonitrile and then dried to prepare a photoelectrode of Comparative Example 1 in which a light conversion layer was laminated on a transparent electrode. Moreover, the photoelectrode of Comparative Example 2 was produced by laminating a light scattering layer made of titanium oxide fine particles on the oxide semiconductor layer of the photoelectrode of Comparative Example 1. The light scattering layer of Comparative Example 2 was prepared by dropping a paste containing fine titanium oxide particles (Ishihara Sangyo Co., Ltd .: product name CR50) having an average particle diameter of 250 nm onto the oxide semiconductor layer, applying the paste using a glass rod, and then air drying Formed. The light scattering layer of Comparative Example 2 is formed with a thickness of 25 μm.
(光散乱層の作成)
PAA−PMAおよび酸化チタンによるコアシェル型の実施例に係る複合粒子を、水とエチレングリコールを1対2の割合で調製した混合溶媒中に分散させて複合粒子ペーストを作る。複合粒子ペーストを前記基本セルにおける酸化物半導体層上に滴下し、ガラス棒を用いて、スキージ法により塗布した後に風乾することで、実施例の光散乱層を形成した。なお、実施例の光散乱層は、29μmの厚さで形成されている。0.3mMの増感色素(Solaronix社製:製品名Ruthenizer 535 bis-TBA(N719))を分散したアセトニトリル/t−ブタノール混合溶液中に、金属酸化物層および実施例の光散乱層を形成した透明電極を25℃で24時間浸漬することで、金属酸化物層に増感色素を吸着させる。そして、混合液から取り出した金属酸化物層から余分な増感色素をアセトニトリルで除去した後に、乾燥させることにより、実施例の光電極を作製した。
(Creation of light scattering layer)
The composite particles according to the core-shell type examples using PAA-PMA and titanium oxide are dispersed in a mixed solvent prepared by mixing water and ethylene glycol in a ratio of 1: 2 to make a composite particle paste. The composite particle paste was dropped on the oxide semiconductor layer in the basic cell, applied by a squeegee method using a glass rod, and then air-dried to form the light scattering layer of the example. In addition, the light-scattering layer of an Example is formed with the thickness of 29 micrometers. A metal oxide layer and a light scattering layer of the example were formed in an acetonitrile / t-butanol mixed solution in which 0.3 mM sensitizing dye (manufactured by Solaronix, product name: Ruthenizer 535 bis-TBA (N719)) was dispersed. By immersing the transparent electrode at 25 ° C. for 24 hours, the sensitizing dye is adsorbed on the metal oxide layer. And after removing the excess sensitizing dye with acetonitrile from the metal oxide layer taken out from the mixed solution, the photoelectrode of Example was produced by drying.
次に、実施例の光電極、比較例1および比較例2の光電極の夫々と対向電極を組み合わせると共に、光電極と対向電極との間に電解質を注入することで、複合粒子からなる光散乱層を備えた実施例の太陽電池と、光散乱層を備えていない比較例1の太陽電池と、酸化チタン微粒子からなる光散乱層を備えた比較例2の太陽電池を夫々作製した。対向電極としては、白金(Pt)を用いた。そして、短絡を避けるために、光電極と対向電極との間にスペーサーフィルム(約100μm)を挟んで固定した。その後、アセトニトリル中に、0.5Mのヨウ化リチウム(LiI)、0.05Mのヨウ素(I2)、0.06Mの1、2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド、0.1Mの4−tert−ブチルピリジンを含む電解質溶液を、光電極と対向電極との隙間に注入して、色素増感型太陽電池を完成させた。
Next, by combining the photoelectrode of the example, the photoelectrodes of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with the counter electrode, and injecting an electrolyte between the photoelectrode and the counter electrode, light scattering composed of composite particles The solar cell of the Example provided with the layer, the solar cell of Comparative Example 1 not provided with the light scattering layer, and the solar cell of Comparative Example 2 provided with the light scattering layer made of titanium oxide fine particles were produced. Platinum (Pt) was used as the counter electrode. And in order to avoid a short circuit, the spacer film (about 100 micrometers) was pinched | interposed and fixed between the photoelectrode and the counter electrode. Then, in acetonitrile, 0.5 M lithium iodide (LiI), 0.05 M iodine (I 2 ), 0.06
実施例に係る太陽電池の光電極は、透明電極と、この透明電極に積層された酸化物半導体層と、この酸化物半導体層の対向電極側に積層され、表側から入射する光を散乱する光散乱層とを備えており、光散乱層が、カルボン酸エステルの一部が加水分解された構造を有する架橋ポリアクリル酸エステルからなる球状の母粒子とこの母粒子の表面に担持された酸化チタン微粒子とからなるコアシェル型の複合粒子で構成されている。比較例1に係る太陽電池の光電極は、透明電極と、この透明電極に積層された酸化物半導体層とから構成され、光散乱層を備えていない。比較例2に係る太陽電池の光電極は、透明電極と、この透明電極に積層された酸化物半導体層と、この酸化物半導体層の対向電極側に積層され、表側から入射する光を散乱する光散乱層とを備えており、光散乱層が酸化チタン微粒子のみで構成されている。 The photoelectrode of the solar cell according to the example includes a transparent electrode, an oxide semiconductor layer stacked on the transparent electrode, and a light that is stacked on the counter electrode side of the oxide semiconductor layer and scatters light incident from the front side. And a light scattering layer, a spherical mother particle composed of a crosslinked polyacrylic acid ester having a structure in which a part of the carboxylic acid ester is hydrolyzed, and titanium oxide supported on the surface of the mother particle. It is composed of core-shell type composite particles composed of fine particles. The photoelectrode of the solar cell according to Comparative Example 1 includes a transparent electrode and an oxide semiconductor layer stacked on the transparent electrode, and does not include a light scattering layer. The photoelectrode of the solar cell according to Comparative Example 2 is laminated on the transparent electrode, the oxide semiconductor layer laminated on the transparent electrode, and the counter electrode side of the oxide semiconductor layer, and scatters light incident from the front side. A light scattering layer, and the light scattering layer is composed only of titanium oxide fine particles.
(太陽電池の評価)
セルの面積を0.25cm2に設定した実施例、比較例1および比較例2の太陽電池の夫々について、太陽電池評価装置(日本分光株式会社製、製品名 YQ-250)を用いて、光照射強度100mW/cm2の条件で、電流−電圧(I−V)特性を測定した。その結果を図7および表1に示す。
(Solar cell evaluation)
Embodiment sets the area of the cell to 0.25 cm 2, for each of the solar cell of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, using a solar cell evaluation apparatus (manufactured by JASCO Corporation, product name YQ-250), light Current-voltage (IV) characteristics were measured under the condition of irradiation intensity of 100 mW / cm 2 . The results are shown in FIG.
太陽電池の光電変換効率ηは、以下の式によって算出される。
・光電変換効率η=Pmax(mW/cm2)/Pin(mW/ cm2)×100
=JSC(mA/cm2)×VOC(V)/100(mW/cm2)×FF×100
・Pmax:最大出力
・Pin :光照射強度
・JSC :短絡電流密度
・VOC :開放電圧
ここで、短絡電流密度(JSC)とは、電圧が0Vのときの電流値であり、開放電圧(VOC)とは、電流が0mAのときの電圧値である。また、太陽電池の出力は、設定された電圧に対して発生する電流をかけた値で表され、最大出力Pmax(mW/cm2)は、最大面積をとりうるときの出力である。すなわち、最大出力となるときの電流密度と電圧をそれぞれ、JmaxおよびVmaxと表した際に、FF=(Jmax×Vmax)/(JSC×VOC)で表される。
The photoelectric conversion efficiency η of the solar cell is calculated by the following equation.
・ Photoelectric conversion efficiency η = Pmax (mW / cm 2 ) / Pin (mW / cm 2 ) × 100
= J SC (mA / cm 2 ) x V OC (V) / 100 (mW / cm 2 ) x FF x 100
• Pmax: Maximum output • Pin: Light irradiation intensity • J SC : Short-circuit current density • V OC : Open-circuit voltage Here, the short-circuit current density (J SC ) is the current value when the voltage is 0V, and the open-circuit voltage (V OC ) is a voltage value when the current is 0 mA. Further, the output of the solar cell is represented by a value obtained by multiplying the set voltage by the generated current, and the maximum output Pmax (mW / cm 2 ) is an output when the maximum area can be taken. That is, when the current density and voltage at the maximum output are expressed as Jmax and Vmax, respectively, they are expressed as FF = (Jmax × Vmax) / (J SC × V OC ).
図7および表1に示すように、実施例の太陽電池は、光散乱層を備えていない比較例1の太陽電池と比べて、短絡電流密度が1.54倍になり、光電変換効率が1.58倍になり、比較例1と比べて性能が大幅に向上していることが確認できる。実施例の太陽電池は、酸化チタン微粒子から光散乱層を形成した比較例2の太陽電池と比べて、短絡電流密度が1.18倍になり、光電変換効率が1.15倍になり、比較例2と比べても性能が向上していることが確認できる。 As shown in FIG. 7 and Table 1, the solar cell of the example has a short-circuit current density of 1.54 times and a photoelectric conversion efficiency of 1 compared to the solar cell of Comparative Example 1 that does not include the light scattering layer. It can be confirmed that the performance is significantly improved as compared with Comparative Example 1. The solar cell of the example has a short circuit current density of 1.18 times and a photoelectric conversion efficiency of 1.15 times compared with the solar cell of Comparative Example 2 in which a light scattering layer is formed from titanium oxide fine particles. Compared to Example 2, it can be confirmed that the performance is improved.
14 対向電極,18 透明電極,20 酸化物半導体層,22 光散乱層
24 複合粒子,26 母粒子,28 無機微粒子
14 counter electrode, 18 transparent electrode, 20 oxide semiconductor layer, 22 light scattering layer, 24 composite particle, 26 mother particle, 28 inorganic fine particle
Claims (3)
前記光散乱層(22)を、母粒子(26)と該母粒子(26)の表面に担持された光散乱性を有する無機微粒子(28)とからなるコアシェル型の複合粒子(24)で構成した
ことを特徴とする色素増感型太陽電池。 A transparent electrode (18), an oxide semiconductor layer (20) laminated on the transparent electrode (18), and laminated on the counter electrode side of the oxide semiconductor layer (20), from the transparent electrode (18) side. In a dye-sensitized solar cell comprising a light scattering layer (22) that scatters incident light,
The light scattering layer (22) is composed of core-shell type composite particles (24) composed of mother particles (26) and inorganic fine particles (28) having light scattering properties supported on the surfaces of the mother particles (26). A dye-sensitized solar cell characterized by the above.
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