JP2014229359A - 色素増感型太陽電池、色素増感型太陽電池モジュール、および色素増感型太陽電池の設計方法、ならびに色素増感型太陽電池の製造方法。 - Google Patents
色素増感型太陽電池、色素増感型太陽電池モジュール、および色素増感型太陽電池の設計方法、ならびに色素増感型太陽電池の製造方法。 Download PDFInfo
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Abstract
Description
このとき、光のエネルギーを電気エネルギーに変換する能力、すなわち、光電変換効率が高い程、色素増感型太陽電池として優れた電池特性を有することできる。
電解質層を固体とすることにより、電解質の液漏れや揮発等が生じないことから、電解質の枯渇による光電変換効率の低下が生じにくいという利点を有する。また、上記固体電解質層は導電性基板上等に直接積層させることができるため、封止部材を設けて一対の導電性基板を隔離する必要がない。このため、色素増感型太陽電池の軽量化および製造コストの低減を図ることも可能である。
さらに、非ヨウ素系固体電解質層とすることにより、ヨウ素類による周辺部材等の腐食が生じないため、耐腐食性に優れた高価な周辺部材等を用いる必要がなく製造コストが抑えられるとともに、色素増感型太陽電池の耐久性の向上を図ることが可能となる。
一方で、上述の色素増感型太陽電池は、数lx〜数百lxの低照度の光に対して、他種の太陽電池よりも比較的高い光電変換効率を示すことが可能であるという利点を有する。そのため、近年では、屋内用途として、低照度の光を利用して発電する色素増感型太陽電池の開発が進められている。
また、特許文献1で開示されるように、色素増感型太陽電池の固体電解質層の抵抗を規定しても、低照度下においては光電変換効率の向上が図れないという問題がある。すなわち、光電変換効率を支配する要因は照度の高低により異なるものと推量され、低照度下の光電変換効率を支配する要因については、特定に至る検討がなされていない。
なお、以下の説明において、「中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層」を「非ヨウ素系固体電解質層」と称する場合がある。
まず、本発明の色素増感型太陽電池について説明する。本発明の色素増感型太陽電池は、電極としての機能を備えた導電性基板、色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、および金属電極膜がこの順で積層され、上記導電性基板または上記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池であって、上記固体電解質層の交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とする。
また、固体電解質4は、交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とするものである。
しかし、本発明者は、数lx〜数百lx程度の低照度の光の利用を目的とする色素増感型太陽電池においては、固体電解質層の抵抗を調整しても低照度下における光電変換効率の向上が図れないという知見を得る共に、照度の高低および照度領域によって色素増感型太陽電池の光電変換効率を支配する要因が異なることを見出した。
以下、低照度下における光電変換効率が非ヨウ素系固体電解質層の静電容量に支配される理由について、上記非ヨウ素系固体電解質層の特徴等と併せて説明する。
図2は、非ヨウ素系固体電解質層におけるイオン化添加剤の含有量(イオン濃度)、静電容量および抵抗の関係を説明するための相関図である。なお、実線Aはイオン化添加剤の含有量(イオン濃度)に対する静電容量、破線Bはイオン化添加剤の含有量(イオン濃度)に対する抵抗を示す。
非ヨウ素系固体電解質層では、中性の導電性有機物にイオン化添加剤を添加して当該導電性有機物をイオン化することにより、導電性を発揮することができる。このとき、含有されるイオン化添加剤の量を決定することにより、非ヨウ素系固体電解質層の静電容量および抵抗が固定される。すなわち、イオン化添加剤の量が多いと、静電容量が大きく、導電性が高くなるため抵抗の小さい非ヨウ素系固体電解質層になるという傾向を有する。一方、イオン化添加剤の量が少ないと、静電容量が小さく、また、中性の導電性有機物はイオン化されず導電性を有さないため抵抗の大きい非ヨウ素系固体電解質層になるという傾向を有する。
なお、図2より、イオン化添加剤の含有量(イオン濃度)と、上記非ヨウ素系固体電解質層の静電容量とは略比例の関係を有すると解される。
ここで、非ヨウ素系固体電解質層に含有されるイオン化添加剤は正の電荷を帯びることから、発生した負電荷はイオン化添加剤と結合することで失活する場合がある。発生する総負電荷量に対して失活する負電荷量の割合が多くなると、色素増感型太陽電池の出力電流量の低下に繋がり、高い電池特性が得られない。
まず、高照度下で色素増感型太陽電池を使用する場合、光照射により相対値で数万〜数十万単位の大量の負電荷が発生する。このとき、出力電流量を多く得るためには、大量の負電荷が層内を移動しやすいこと、すなわち、非ヨウ素系固体電解質層の抵抗が小さいことが求められる。このことから、高照度下においては、非ヨウ素系固体電解質層の抵抗の大小が、色素増感型太陽電池の光電変換効率に大きく影響すると推量される。
なお、上述したように抵抗の小さい非ヨウ素系固体電解質層においては、静電容量が大きくイオン化添加剤の含有量も多いため、負電荷の失活量が増加することも想定される。しかし、大量の負電荷が発生することから、総負電荷量に対する失活量の割合は非常に小さいことから、高照度下においては負電荷の失活による出力電流量への影響は殆どないものと言える。
一方、低照度下で色素増感型太陽電池を使用する場合、光照射により発生する負電荷量は相対値で数〜数百単位であり、高照度下での発生量と比較して微量である。このとき、例えば、静電容量の大きい非ヨウ素系固体電解質層内においては、多量のイオン化添加剤が存在するため多くの負電荷が失活してしまい、総負電荷量に対する失活量の割合が増大することで、色素増感型太陽電池の出力電流量が著しく減少してしまうと想定される。そのため、負電荷の失活量を抑えるためには、非ヨウ素系固体電解質層内の静電容量が小さいこと、すなわち、イオン化添加剤の含有量が少ないことが求められる。
このことから、低照度下においては、非ヨウ素系固体電解質層の静電容量の大小が色素増感型太陽電池の光電変換効率に大きく影響すると推量される。
つまり、図2で例示される非ヨウ素系固体電解質層において、イオン化添加剤の添加量(イオン濃度)が大きいほど、高照度用途の色素増感型太陽電池に好適であり、図2においてイオン化添加剤の添加量(イオン濃度)が小さいほど、低照度用途の色素増感型太陽電池に好適であると推量される。
まず、東陽テクニカ製インピーダンス測定装置(Solartron SI1260およびSI1287)を用いた通常測定により色素増感型太陽電池のコールコールプロット図を作成する。次に、専用ソフトZ-plotを使用して等価回路フィッティングを実施する。標準的な等価回路としては、1つの直列抵抗Rと3つのRC要素を直列接続した等価回路を使用する。フィッティングの合致度が低い場合には、RC要素を適宜追加することもできる。
次に、等価回路を構成するRC要素の中で、コールコールプロットで描画した際の円弧の頂点座標における周波数が5kHzから10kHzの範囲内となるRC要素を特定し、このRC要素の静電容量を本発明における固体電解質層の静電容量とする。
このように、非ヨウ素系固体電解質層の静電容量と低照度下における光電変換効率とは、図3で示される相関関係を有することから、本発明における固体電解質については、上述の測定方法に基づく静電容量を3.0×10−6F以下とすることが好ましく、中でも2.0× 10−8F〜7.0×10−7Fの範囲内が好ましく、特に5.0×10−8F〜5.0×10−7Fの範囲内とすることが好ましい。静電容量を上記範囲内とすることにより、200lx相当の低照度下において、色素増感型太陽電池が高い光電変換効率を有することができる。なお、静電容量の下限値としては、9.0×10−9F以上であることが好ましい。
以下、各構成について詳細に説明する。
本発明における固体電解質層は、中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有するものである。すなわち、上記固体電解質層は非ヨウ素系である。また、本発明における固体電解質層は、交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とする。
導電性有機物は、ヨウ素を含まず、中性で導電性を有するものであれば低分子でもよく、高分子でもよいが、低分子であることが好ましい。導電性有機物として、アミン骨格を有する導電性低分子有機物、チオフェンもしくはその誘導体、あるいはアニリン若しくはその誘導体の重合反応による導電性高分子有機物等が挙げられる。
また、上述した導電性低分子有機物を高分子鎖に導入したもの、またはこれらの材料を高分子の主鎖としたものを用いることもできる。
本発明におけるイオン化添加剤としては、上述した導電性有機物をイオン化することが可能なものあればよく、例えば、Li、Na、K、Cs等のアルカリ金属イオン、Be、Mg、Ca、Sr、Ba等のアルカリ土類金属イオンを含むもの等が挙げられる。
中でも、上記イオン化添加剤が、Liイオンを含むものであることが好ましい。イオン化添加剤に含有されるLiイオンは、中性の導電性有機物をイオン化させて導電性を向上させることが可能である。また、本発明における固体電解質層の一部は、多孔質層に浸漬した混在領域を有するが、イオン化添加剤としてLiイオンを含むことにより、金属酸化物半導体微粒子のコンダクションバンドがシフトされ、上記混在領域の界面が改質され光電変換効率を向上させることが可能となる。
中でも、本発明においてはリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)が好ましい。TFSI基は、カチオンイオンとの配位力が低いために、イオン化添加剤の添加によりイオン化された導電性有機物のカチオンが、イオン化添加剤のカウンターイオン(TFSI基)により中和されることで導電性が低下することがないためである。
具体的には、イオン化添加剤がリチウム塩であり、中性の導電性有機物の濃度が163mMの場合、固体電解質層におけるイオン化添加剤のLiイオン濃度が0.01mM〜5.0mMの範囲内であることが好ましく、中でも0.05mM〜3.0mMの範囲内であることが好ましく、特に0.1mM〜1.0mMの範囲内であることが好ましい。
固体電解質層の厚さとしては、20nm〜2000nmの範囲内が好ましく、中でも50nm〜1200nmの範囲内が好ましく、特に100nm〜800nmの範囲内であることが好ましい。固体電解質層の厚さが上記範囲に満たない場合は、上記固体電解質層が十分に機能せず色素増感型太陽電池の光電変換効率が低下する可能性がある。一方、上記範囲を超える場合は、本発明の色素増感型太陽電池を薄膜に形成することが困難になる可能性がある。なお、上記厚さには、多孔質層との混在領域は含まないものとする。
本発明における導電性基板は、電極としての機能を備えたものであり、一方の面に色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層が形成されるものである。
上記導電性基板としては、透明基板上に透明電極膜を有する第1態様と、金属箔からなる第2態様とがある。
以下、各態様について説明する。
上記導電性基板の第1態様は、透明基板上に透明電極膜を有するものである。すなわち、上記第1態様は、透明導電性基板となる。
透明基板としては、白板ガラス、ソーダガラス、硼珪酸ガラス、セラミックス、合成石英等の無機透明基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルナフタレート、ポリイミド、ポリカーボネート等の樹脂基板、有機無機ハイブリッドシート等を用いることができる。中でも、ガラス基材が好ましい。また、上記透明基板は、フレキシブル性を有するものが好ましく、1種類のみを単独で用いても良く、また、2種以上を積層して用いても良い。なお、「フレキシブル性を有する」とは、JIS R1601のファインセラミックスの曲げ試験方法で、5KNの力をかけたときに曲がることを指す。
上記透明電極膜に用いられる材料としては、金属酸化物、導電性高分子材料等を挙げられる。上記金属酸化物としては、例えば、酸化錫(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、不純物ドープ酸化インジウム(In2O3)、インジウムドープ酸化亜鉛(IZO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)等を挙げることができる。中でも導電性および光透過性の両方に優れている点から、FTO、ITOを用いることが好ましい。
一方、上記導電性高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアニリン(PA)、ポリピロール、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、ならびにこれらの誘導体等を挙げることができる。また、これらを2種以上混合して用いることもできる。
本態様の導電性基板は、少なくとも透明基板、透明電極膜を有するものであるが、必要に応じて他の任意の構成を有してもよいものである。本態様に用いられる任意の構成としては、例えば、上記導電性基板に接するように形成され、導電性材料からなる補助電極を挙げることができる。このような補助電極が形成されていることにより、上記導電性基板の導電性が不足する場合に、それを補充することができるため、本発明の色素増感型太陽電池をより光電変換効率に優れたものにできるという利点がある。
上記導電性基板の第2態様は、金属箔からなるものである。すなわち、上記第2態様は、透明性を有さない導電性基板となる。
本態様においては、金属箔それ自体が電極としての機能を有するため、上記第1態様のように透明電極膜を有する必要がない。
本発明における金属電極膜は、電極としての機能を有するものである。また、上記金属電極膜は、上述の導電性基板と対向する様に配置され、一方の表面に固体電解質層が形成されるものである。
例えば、上記導電性基板が第1態様である場合は、上記金属電極膜は透明性を有するものであっても良く、有さないものであっても良い。中でも、上記導電性基板が第1態様である場合は、上記金属電極膜は透明性を有するものであることが好ましい。本発明の色素増感型太陽電池において、導電性基板側および金属電極膜側のどちらからも照射光を受光することができるからである。また、導電性基板側および金属電極膜側のどちらも透明性を有することから、色素増感型太陽電池を高い視認性を備えるものとすることができる。一方、上記導電性基板が第2態様である場合は、上記金属電極膜は透明性を有するものでる。上記導電性基板が透明性を有さないため、上記金属電極膜を受光面とする必要があるからである。
さらに、上記金属電極膜が透明性を有する場合の全光線透過率については、上述した「2.導電性基板 (1)第1態様」の項で説明した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。
本発明における多孔質層は、色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含むものである。
上記金属酸化物半導体微粒子としては、半導体特性を備える金属酸化物からなるものであれば特に限定されるものではない。上記金属酸化物半導体微粒子を構成する金属酸化物としては、例えば、TiO2、ZnO、SnO2、ITO、ZrO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、CeO2、Bi2O3、Mn3O4、Y2O3、WO3、Ta2O5、Nb2O5、La2O3等を挙げることができる。中でも本発明においては、TiO2からなる金属酸化物半導体微粒子を用いることが最も好ましい。TiO2は特に半導体特性に優れるからである。
なお、金属酸化物半導体微粒子は、上記の金属酸化物を単体で用いてもよく、複数種類の金属酸化物を併用してもよい。
上記色素増感剤としては、光を吸収して起電力を生じさせることが可能なものであれば特に限定はされない。このような色素増感剤としては、有機色素または金属錯体色素を挙げることができる。上記有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン系、インドリン系、カルバゾール系の色素が挙げられる。本発明においてはこれらの有機色素の中でも、クマリン系色素を用いることが好ましい。また、上記金属錯体色素としてはルテニウム系色素を用いることが好ましく、特にルテニウム錯体であるルテニウムビピリジン色素およびルテニウムターピリジン色素を用いることが好ましい。このようなルテニウム錯体は吸収する光の波長範囲が広いため、光電変換できる光の波長領域を大幅に広げることができるからである。
多孔質層には、上記金属酸化物半導体微粒子の他に任意の成分が含まれていてもよい。本発明における任意の成分としては、例えば、樹脂を挙げることができる。上記多孔質層に樹脂が含有されることにより、本発明における多孔質層の脆性を改善することができるからである。上記樹脂としては、例えば、ポリビニルピロリドン、エチルセルロース、カプロラクタン等を挙げることができる。
本発明の色素増感型太陽電池は、上述した非ヨウ素系固体電解質層、導電性基板、金属電極膜および多孔質層を少なくとも有するものであるが、必要に応じて他の構成を有していてもよい。
以下、本発明において想定される他の構成について説明する。
本発明においては、上記導電性基板と上記多孔質層との間にバッファ層を有することが好ましい。その理由について、以下に説明する。
本発明の色素増感型太陽電池は、上述したように、上記非ヨウ素系固体電解質層の一部が上記多孔質層に浸漬した混在領域を有するものである。
一般的に、色素増感型太陽電池は、多孔質層において担持された色素増感剤を介して固体電解質層との間で電荷の移動を行うが、このとき高効率で電荷の移動が行われるように、上記色素増感剤と固体電解質層との接触界面を多く確保することが求められる。そのため、上記混在領域を有することにより、上記接触界面を多く確保することを可能としている。
ここで、本来、固体電解質層は金属電極膜側にのみ電荷を伝達する必要がある。しかし、上述の混在領域を有する場合、上記固体電解質層は導電性基板と接触するため上記導電性基板にも電荷を伝達させてしまう。そのため、導電性基板と金属電極膜とを分極させることができなくなるという問題がある。
このため、上記導電性基板と上記多孔質層との間にバッファ層を設けることにより、本発明における非ヨウ素系固体電解質層と導電性基板との接触を防ぐことができ、上記混在領域において電荷移動の効率を高めることにより光電変換効率の向上を図ることができる。
本発明の色素増感型太陽電池は、上述の導電性基板または金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有するものであり、透明性を有する電極側を照射光の受光面とすることにより電池としての機能が発揮される。導電性基板および金属電極膜の透明性については、既述した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。
なお、上記光電変換効率は、ソーラーシミュレーター(分光計器社製 分光感度測定装置 CEP2000)を用い、照射条件を0.2mW/cm2、AM1.5としたときの値である。
本発明の色素増感型太陽電池の製造方法としては、導電性基板と対向する金属電極膜との間に上述した材料を有する固体電解質層および多孔質層が積層された層構成とすることが可能な方法であれば特に限定されるものではない。
例えば、電極としての機能を備えた導電性基板の片面に、金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層形成用塗布液を塗布および焼成して多孔質層を形成し、上記多孔質層の表面に色素増感剤を吸着させた後、その上から上述の固体電解質層形成用塗布液を所望の方法で塗布して固体電解質層を形成し、上記固体電解質層上に金属電極膜を成膜することにより、本発明の色素増感型太陽電池を製造することが出来る。なお、各部位の詳しい形成方法については、上述した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。
次に、本発明の色素増感型太陽電池モジュールについて説明する。本発明の色素増感型太陽電池モジュールは、電極としての機能を備えた導電性基板、中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、および金属電極膜がこの順で積層され、上記導電性基板または上記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池が複数個連結された色素増感型太陽電池モジュールであって、上記固体電解質層の交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とする。
図4は、本発明の色素増感型太陽電池モジュールの一例を示す概略断面図である。図4に例示されるように、本発明の色素増感型太陽電池モジュール20は、1枚板の電極としての機能を備えた導電性基板1上に、バッファ層2、色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層3、中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層4が積層され、導電性基板1と対向するように金属電極膜5を有するものである。なお、上記固体電解質層4は、一部が上記多孔質層3に浸透した混在領域Aを有する。
また、固体電解質層3は、交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とするものである。
次に、本発明の.色素増感型太陽電池の設計方法について説明する。本発明の色素増感型太陽電池の設計方法は、電極としての機能を備えた導電性基板、色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、および金属電極膜がこの順で積層され、上記導電性基板または上記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池の設計方法であって、上記色素増感型太陽電池の光電変換効率が使用環境下での照度領域内において最大となるように、上記中性の導電性有機物および上記イオン化添加剤の含有量を調整して上記固体電解質層の処方を決定することを特徴とする。
一方、低照度下における色素増感型太陽電池の光電変換効率は、非ヨウ素系固体電解質層の静電容量に支配され、上記静電容量が小さいほど向上する。
これらの光電変換効率の傾向は、固体電解質層に含まれる導電性有機物およびイオン化添加剤の種類に因らず、上記静電容量の大小により一義的に決まると推量される。
このように、非ヨウ素系固体電解質層の静電容量の大小により、色素増感型太陽電池の光電変化効率が最も高くなるときの照度領域が変化するといえる。
すなわち、本発明によれば、上記色素増感型太陽電池の光電変換効率が使用環境下での照度領域内において最大となるように、固体電解質層中の中性の導電性有機物の含有量および添加するイオン化添加剤の量を調整し、上記固体電解質層の処方を決定することにより、照度領域に応じて高い光電変換効率を示すことが可能な色素増感型太陽電池を設計することを可能とするものである。
まず、評価用色素増感型太陽電池(以下、評価用電池とする。)を作製する。このとき、固体電解質層を構成する中性の導電性有機物およびイオン化添加剤のうち、少なくともイオン化添加剤の含有量について条件を振り、上記イオン化添加剤のイオン濃度(mM)の異なる評価用電池を複数作製することが好ましい。なお、イオン化添加剤の含有量の振り方は、特に限定されるものではない。
評価用電池の作製方法については、実際の色素増感型太陽電池と同様の構成、すなわち導電性基板と対向する金属電極膜との間に上述の材料を含む固体電解質層および多孔質層が積層された層構成とすることが可能な方法であれば特に限定されるものではない。例えば、上述の「A.色素増感型太陽電池」の項で説明した方法等を用いて、評価用電池を作製することができる。
なお、各構成部位の材料等については、上述の「A.色素増感型太陽電池」の項で説明したものと同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
次に、照射する光の照度条件を複数振り、各照度の光を評価用電池に照射してそのときの光電変換効率を測定する。光電変換効率が最も高くなるとき(以下、最大光電変換効率とする。)のイオン化添加剤の含有量、ならびにイオン化添加剤のイオン濃度を特定する。これにより、特定の照度下において最大光電変換効率を示すときの導電性有機物およびイオン化添加剤の含有量を特定することができ、本発明における固体電解質層の処方を決定することが可能となる。
光電変換効率の測定方法および測定条件については、上述した「A.色素増感型太陽電池」の項で説明した方法と同様の方法を用いることが好ましい。なお、照度の振り方は、特に限定されるものではない。
本発明によれば、例えば、上述した各工程を行い固体電解質層の処方を決定することにより、照度領域に応じて高い光電変換効率を示すことが可能な色素増感型太陽電池を設計することができる。
また、固体電解質層の処方を決定する工程として、上述した工程の他に、「2.光電変換効率測定工程」により得られた特定照度における最大光電変換効率と、そのときのイオン化添加剤のイオン濃度との相関から、検量線を作成する検量線作成工程を有することが好ましい。上記検量線を作成することにより、新たな色素増感型太陽電池を設計する際に、その都度評価用電池を作製しなくても、上記検量線から特定の照度下において最大光電変換効率を示すために必要なイオン化添加剤のイオン濃度を算出することができる。算出されたイオン濃度となるように導電性有機物およびイオン化添加剤の含有量を調整することにより固体電解質層の処方を決定することが可能となる。
次に、本発明の色素増感型太陽電池の製造方法について説明する。本発明の色素増感型太陽電池の製造方法は、電極としての機能を備えた導電性基板、色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、および金属電極膜がこの順で積層され、上記導電性基板または上記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池の製造方法であって、上記色素増感型太陽電池の光電変換効率が使用環境下での照度領域内において最大となるように、上記中性の導電性有機物および上記イオン化添加剤の含有量を調整して上記固体電解質層の処方を決定する設計方法に基づいて行う処方決定工程を有することを特徴とする。
本発明における処方決定工程は、色素増感型太陽電池の光電変換効率が使用環境下での照度領域内において最大となるように、上記中性の導電性有機物および上記イオン化添加剤の含有量を調整して上記固体電解質層の処方を決定する設計方法に基づいて行うものである。
また、本工程において用いられる固体電解質層の処方を決定する設計方法については、上述した「C.色素増感型太陽電池の設計方法」の項で説明した設計方法と同様であるため、ここでの説明は省略する。なお、「C.色素増感型太陽電池の設計方法」の項において、検量線作成工程を有する場合は、当該工程により得られた検量線を用いて固体電解質層の処方を決定することができる。
本発明の色素増感型太陽電池の製造方法は、上述した処方決定工程の他に、任意の工程を有していてもよい。例えば、導電性基板を準備する導電性基板準備工程、上記導電性基板上に金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層を形成する多孔質層形成工程、色素増感剤を上記金属酸化物半導体微粒子に坦持させる坦持工程、上述の処方決定工程により得られた処方からなる固体電解質層の材料を多孔質層上に塗布し、固体電解質層を形成する固体電解質層形成工程、上記固体電解質層上に金属電極膜を成膜する金属電極膜形成工程等がある。
各工程において用いられる材料等については、上述した「A.色素増感型太陽電池」の項で説明したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。また、各工程における形成方法については、従来より色素増感型太陽電池の製造に用いられる一般的な方法を用いることができる。
(導電性基板の作製)
導電性基板として、ガラス板の一方の表面上にフッ素ドープ酸化スズ(FTO)膜が形成された導電性基板(日本板硝子社製、表面抵抗率6Ω/□)を用意した。
上記導電性基板のFTO膜面に、酸化チタンペースト(日本触媒製)をスクリーン印刷法により塗布し、その後500℃で30分焼成することで、膜厚2μmのバッファ層を形成した。
続いて、色素増感剤としてのルテニウム錯体(シス−ビス(チオシアナト)−N,N−ビス(2,2´−ジピリジル−4,4´−ジカルボン酸)−ルテニウム(II)二水和物、Solaronix社製)を、濃度が3×10−4mol/Lとなるように無水エタノール中に溶解させて色素溶液を調製し、この溶液に上述のバッファ層を有する導電性基板を室温で12時間浸漬させた。その後、色素溶液から引き上げ、付着した色素溶液を無水エタノールにより洗浄後、風乾した。これにより、酸化チタンに色素増感剤が担持された多孔質層を導電性基板上に形成した。
続いて、中性の導電性有機物としてspiro‐MeOTAD(2,2´7,7´-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9´-spirobifluorene、分子量1225.42、163mMクロロベンゼン溶液、Lumtec社製)、およびイオン化添加剤としてLiTFSI(LithiumBis(Trifluoromethanesulfonyl)Imide、分子量287.08、0.8mMクロロベンゼン溶液、東京化成工業社製)を混合して調製した固体電解質層形成用塗布液をスピンコート法により上述の多孔質層上に塗布して膜厚300nmの固体電解質層を形成した。
続いて、金属電極膜として、上述の固体電解質層上に真空蒸着法を用いて膜厚200nmの銀電極膜を形成し、色素増感型太陽電池を得た。
Spiro-MeOTADの濃度を163mM、LiTFSIの濃度を5mMとして固体電解質層を形成したこと以外は、実施例1と同様の方法で色素増感型太陽電池を得た。
Spiro-MeOTADの濃度を163mM、LiTFSIの濃度を20mMとして固体電解質層を形成したこと以外は、実施例1と同様の方法で色素増感型太陽電池を得た。
LiTFSIを添加せずに固体電解質層を形成したこと以外は、実施例1と同様の方法で色素増感型太陽電池を得た。
実施例および比較例で得られた色素増感型太陽電池について、ソーラーシミュレーター(分光計器社製 分光感度測定装置 CEP2000、照度条件:0.2mW/cm2、AM1.5)を用いて、照度200lx相当となる条件下で光電変換効率を測定した。
実施例および比較例で得られた色素増感型太陽電池について、光照射下で交流インピーダンス測定を行い、インピーダンス測定結果を等価回路にフィッティングさせたときのコールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量を求めた。なお、交流インピーダンス測定方法および等価回路へのフィッティング方法については、上述した「A.色素増感型太陽電池」の項で説明した方法を用いて行った。
実施例および比較例の色素増感型太陽電池について、上記円弧の頂点が5kHzから10kHzにある静電容量におけるLiTFSI濃度と、評価1で得られた照度200lx相当下での光電変換効率の相関を求めた。その結果を表1および図6に示す。
実施例および比較例の結果から、所定の条件により測定される静電容量を3.0×10−6F以下とすることにより、200lx相当の低照度下での光電変換効率を2%以上とすることができ、電池特性を向上させることが可能である。また、上記静電容量は、Spiro-MeOTADおよびLiTFSIの含有量(濃度)により調整され、静電容量が大きいほど光電変換効率が低下する傾向が示唆された。
3 … 固体電解質層
4 … 多孔質層
5 … 金属電極膜
10 … 色素増感型太陽電池
20 … 色素増感型太陽電池モジュール
Claims (8)
- 電極としての機能を備えた導電性基板、
色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、
中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、
および金属電極膜がこの順で積層され、
前記導電性基板または前記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池であって、
前記固体電解質層の交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とする色素増感型太陽電池。 - 前記中性の導電性有機物がspiro−MeOTADであることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池。
- 前記イオン化添加剤がLiイオンを含むものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の色素増感型太陽電池。
- 電極としての機能を備えた導電性基板、
色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、
中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、
および金属電極膜がこの順で積層され、
前記導電性基板または前記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池が複数個連結された色素増感型太陽電池モジュールであって、
前記固体電解質層の交流インピーダンスの測定結果を等価回路にフィッティングし、コールコールプロットにおける円弧の頂点が5kHz〜10kHzの周波数域にあるときの静電容量が3.0×10−6F以下であることを特徴とする色素増感型太陽電池モジュール。 - 前記中性の導電性有機物がspiro−MeOTADであることを特徴とする請求項4に記載の色素増感型太陽電池モジュール。
- 前記イオン化添加剤がLiイオンを含むものであることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の色素増感型太陽電池モジュール。
- 電極としての機能を備えた導電性基板、
色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、
中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、
および金属電極膜がこの順で積層され、
前記導電性基板または前記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池の設計方法であって、
前記色素増感型太陽電池の光電変換効率が使用環境下での照度領域内において最大となるように、前記中性の導電性有機物および前記イオン化添加剤の含有量を調整して前記固体電解質層の処方を決定することを特徴とする色素増感型太陽電池の設計方法。 - 電極としての機能を備えた導電性基板、
色素増感剤が表面に坦持された金属酸化物半導体微粒子を含む多孔質層、
中性の導電性有機物およびイオン化添加剤を含有する固体電解質層、
および金属電極膜がこの順で積層され、
前記導電性基板または前記金属電極膜の少なくとも一方が透明性を有する色素増感型太陽電池の製造方法であって、
前記色素増感型太陽電池の光電変換効率が使用環境下での照度領域内において最大となるように、前記中性の導電性有機物および前記イオン化添加剤の含有量を調整して前記固体電解質層の処方を決定する設計方法に基づいて行う処方決定工程を有することを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法。
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