JP2018515915A - Carbon nanotube-cement composite composition for catalyst on counter electrode of dye-sensitized solar cell - Google Patents

Carbon nanotube-cement composite composition for catalyst on counter electrode of dye-sensitized solar cell Download PDF

Info

Publication number
JP2018515915A
JP2018515915A JP2017554603A JP2017554603A JP2018515915A JP 2018515915 A JP2018515915 A JP 2018515915A JP 2017554603 A JP2017554603 A JP 2017554603A JP 2017554603 A JP2017554603 A JP 2017554603A JP 2018515915 A JP2018515915 A JP 2018515915A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cement
counter electrode
carbon
electrode structure
catalyst layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017554603A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6522152B2 (en
Inventor
プリンヤー・チンダプラシルト
ウィラット・ジェレルンブーン
ヴィタヤ・アモルンキトバムルン
ナタワット・ラチャポルタビシン
Original Assignee
コン・ケン・ユニヴァーシティ
ザ タイランド リサーチ ファンド
ザ タイランド リサーチ ファンド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from TH1501002551A external-priority patent/TH171264A/en
Application filed by コン・ケン・ユニヴァーシティ, ザ タイランド リサーチ ファンド, ザ タイランド リサーチ ファンド filed Critical コン・ケン・ユニヴァーシティ
Publication of JP2018515915A publication Critical patent/JP2018515915A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6522152B2 publication Critical patent/JP6522152B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • H01G9/2022Light-sensitive devices characterized by he counter electrode
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80Constructional details
    • H10K30/81Electrodes
    • H10K30/82Transparent electrodes, e.g. indium tin oxide [ITO] electrodes
    • H10K30/821Transparent electrodes, e.g. indium tin oxide [ITO] electrodes comprising carbon nanotubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • H01G9/2027Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • H01G9/2031Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • H01G9/2059Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本開示の実施形態によると、色素増感太陽電池(DSSC)の電解液系の三ヨウ化物/ヨウ化物の酸化還元対用の触媒層は、カーボンナノチューブと、セメント(インフラ整備や建材としての使用に適した従来のタイプのセメント等)とを含む。例示的な例の触媒層を、カーボンナノチューブ粉末をバインダーとしてのセメント粉末と混合して作製し、加熱無しの塗布法を用いて、触媒層を透明導電性酸化物(TCO)ガラス基板上にコーティングした。多様なカーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比(17:83、29:71、38:62、44:56、50:50)においてカーボンナノチューブ及びセメントを混合することによって、適切なセメント割合を求め、低電気抵抗、高電気触媒活性、及び優れた光電変換効率を有する触媒層を製造した。その光電変換効率は、従来の白金触媒系対向電極を有するDSSCのものの85.56%と測定された。According to an embodiment of the present disclosure, a catalyst layer for a triiodide / iodide redox couple in an electrolyte system of a dye-sensitized solar cell (DSSC) includes carbon nanotubes and cement (for use as infrastructure or building materials) Conventional types of cement suitable for An exemplary catalyst layer is prepared by mixing carbon nanotube powder with cement powder as a binder, and coating the catalyst layer on a transparent conductive oxide (TCO) glass substrate using a coating method without heating. did. By mixing the carbon nanotubes and cement in various carbon nanotube to cement weight percentage ratios (17:83, 29:71, 38:62, 44:56, 50:50), the appropriate cement ratio is determined and reduced. A catalyst layer having electrical resistance, high electrocatalytic activity, and excellent photoelectric conversion efficiency was produced. The photoelectric conversion efficiency was measured to be 85.56% of that of a DSSC having a conventional platinum catalyst-based counter electrode.

Description

本開示の態様は、色素増感太陽電池(DSSC,dye‐sensitized solar cell)の光電変換材又は素子として機能するカーボン‐セメント系触媒層を対象としている。   An aspect of the present disclosure is directed to a carbon-cement catalyst layer that functions as a photoelectric conversion material or element of a dye-sensitized solar cell (DSSC).

非特許文献1に記載のように、色素増感太陽電池(DSSC)は1991年から存在している。DSSCの効率は少なくとも7%に達している。DSSCの典型的な構成は、作用電極(光電極とも呼ばれる)と、電解液と、対向電極(対極)から成る。作用電極は、アノードとして機能し、典型的には、メソポーラス二酸化チタンナノ粒子でコーティングされ、電磁スペクトルの可視領域(400〜700nm)内のエネルギーハーベスティングを行うことができる増感分子が固定された透明導電性酸化物(TCO,transparent conductive oxide)ガラス基板から形成される。   As described in Non-Patent Document 1, a dye-sensitized solar cell (DSSC) has existed since 1991. The efficiency of DSSC has reached at least 7%. A typical configuration of DSSC includes a working electrode (also called a photoelectrode), an electrolyte, and a counter electrode (counter electrode). The working electrode functions as an anode and is typically coated with mesoporous titanium dioxide nanoparticles and is transparent with immobilized sensitizing molecules capable of energy harvesting in the visible region (400-700 nm) of the electromagnetic spectrum. It is formed from a conductive oxide (TCO) glass substrate.

電極間の中間に位置する電解液は、酸化還元対として、三ヨウ化物/ヨウ化物を含む。   The electrolyte located in the middle between the electrodes contains triiodide / iodide as a redox pair.

対向電極は、カソードとして機能し、透明導電性酸化物ガラス上にコーティングされた触媒層(白金、カーボン、導電性ポリマー、酸化金属、硫化金属、炭化金属等)から成る。触媒は、電解液中で三ヨウ化物イオン(I )をヨウ化物イオン(I)に還元するのに用いられる。つまり、触媒物質は、外部負荷から電解液まで電子を伝える。 The counter electrode functions as a cathode and consists of a catalyst layer (platinum, carbon, conductive polymer, metal oxide, metal sulfide, metal carbide, etc.) coated on transparent conductive oxide glass. The catalyst is used to reduce triiodide ions (I 3 ) to iodide ions (I ) in the electrolyte. That is, the catalytic material conducts electrons from the external load to the electrolyte.

電池が太陽光で照射されると、基底状態の色素分子が、可視スペクトル領域中の光子を吸収して、励起状態になる一方で、二酸化チタンは可視スペクトル領域外(つまり、紫外領域)のより高エネルギーの光子を吸収する。励起色素は、TCO上にコーティングされた二酸化チタンの伝導バンド(CB,conduction band)中に電子を注入する結果として、酸化色素になる。電子は作用電極を介して外部開路に伝わり、対向電極を介して電池に戻る。三ヨウ化物分子は、対向電極から電子を受け取ることによって還元される結果として、ヨウ化物になる。一方、酸化色素は、酸化還元反応を介してヨウ化物分子から電子を受け取って、元々の状態に戻る。この段階において機構は閉じていて、電池が上記光照射条件にある限りは作用したままである。   When the battery is illuminated with sunlight, the ground state dye molecules absorb photons in the visible spectral region and become excited, while titanium dioxide is out of the visible spectral region (ie, in the ultraviolet region). Absorbs high energy photons. The excitation dye becomes an oxidation dye as a result of injecting electrons into the conduction band (CB) of titanium dioxide coated on the TCO. The electrons are transferred to the external open circuit via the working electrode and return to the battery via the counter electrode. The triiodide molecules become iodide as a result of being reduced by receiving electrons from the counter electrode. On the other hand, the oxidation dye receives electrons from the iodide molecule through the oxidation-reduction reaction, and returns to the original state. At this stage, the mechanism is closed and remains active as long as the battery is in the light irradiation conditions.

現在、DSSCの性能を改善するため、DSSCの三つの主要構成要素、つまり、作用電極、電解液、対向電極が積極的に開発されている。基板上にコーティングされた触媒物質から成る対向電極は重要な一構成要素である。対向電極の性能を改善することは、DSSCの性能を向上させ、DSSCの製造コストを削減するための効果的な方法である。DSSCは、高価な希土類元素である白金を、その高い電気化学的活性及び低い抵抗性のため、触媒として有する対向電極を必要とする。他の効率的であるが安価な物質に白金を置き換えることによって、この高価な元素の必要性の問題を解決しようとする多くの試みが提案されている。カーボンは、高い表面積、低いコスト、高い導電性、簡単な合成等の多様な特徴のため有力な候補となっている。カーボンナノチューブ、ナノ粒子、グラフェンシート等のいくつかの形態のカーボン物質が利用可能である。   Currently, in order to improve the performance of DSSC, three main components of DSSC are actively developed: working electrode, electrolyte and counter electrode. A counter electrode consisting of a catalytic material coated on a substrate is an important component. Improving the performance of the counter electrode is an effective way to improve DSSC performance and reduce DSSC manufacturing costs. DSSC requires a counter electrode with platinum, an expensive rare earth element, as a catalyst due to its high electrochemical activity and low resistance. Many attempts have been made to solve the need for this expensive element by replacing platinum with other efficient but inexpensive materials. Carbon is a promising candidate because of its various features such as high surface area, low cost, high conductivity, and simple synthesis. Several forms of carbon materials are available, such as carbon nanotubes, nanoparticles, graphene sheets.

非特許文献2では、多層カーボンナノチューブ(MWCNT,multi−walled carbon nanotube)を触媒として有するDSSCが製造された。MWCNTがバインダーと混合され、次いでスクリーン印刷法を用いて透明導電性酸化物ガラス基板上にコーティングされた。MWCNTでコーティングされた基板が、50℃で10時間にわたって焼成された。次いで、サンプルが、DSSCの対向電極として適用された。性能試験によって、MWCNT触媒を有するDSSCが、Pt触媒の効率(7.85%)に匹敵する7.67%の効率を与えることが分かった。   In Non-Patent Document 2, a DSSC having a multi-walled carbon nanotube (MWCNT, multi-walled carbon nanotube) as a catalyst was manufactured. MWCNT was mixed with a binder and then coated on a transparent conductive oxide glass substrate using a screen printing method. The substrate coated with MWCNT was baked at 50 ° C. for 10 hours. The sample was then applied as a counter electrode for DSSC. Performance testing showed that DSSC with MWCNT catalyst gave an efficiency of 7.67%, comparable to that of Pt catalyst (7.85%).

非特許文献3では、多様な形態のカーボン、つまり、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、二層カーボンナノチューブ(DWCNT,double−walled carbon nanotube)、単層カーボンナノチューブ(SWCNT,single−walled carbon nanotube)を触媒として有するDSSCの効率が研究された。DWCNTを触媒として有するDSSCの効率は8.03%である一方、SWCNT、MWCNTを有する電池はそれぞれ7.61%、7.06%の効率を示し、非特許文献3の著者等がPt触媒について測定した効率(8.49%)に匹敵している。   Non-Patent Document 3 catalyzes various forms of carbon, that is, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), double-walled carbon nanotubes (DWCNT, double-walled carbon nanotube), and single-walled carbon nanotubes (SWCNT, single-walled carbon nanotube). The efficiency of DSSC possessed as was studied. While the efficiency of DSSC with DWCNT as a catalyst is 8.03%, the batteries with SWCNT and MWCNT show the efficiency of 7.61% and 7.06%, respectively. It is comparable to the measured efficiency (8.49%).

上述のように、カーボンナノチューブは、DSSC用の効率的な触媒として使用可能であり、カーボンナノチューブを触媒として用いるDSSCの性能は、プラチナ触媒を用いるものに匹敵している。しかしながら、カーボンナノチューブ同士の接着、また、カーボンナノチューブとTCOガラス基板との間の接着性を改善するため、カーボン触媒層の作製にはバインダーが必要とされる。最も一般的なバインダーは導電性ポリマーであるが、これは残念ながら高温において安定ではなく、また、不当に高価である。   As described above, carbon nanotubes can be used as an efficient catalyst for DSSC, and the performance of DSSC using carbon nanotubes as a catalyst is comparable to that using platinum catalysts. However, in order to improve the adhesion between the carbon nanotubes and the adhesion between the carbon nanotubes and the TCO glass substrate, a binder is required for producing the carbon catalyst layer. The most common binder is a conductive polymer, which unfortunately is not stable at high temperatures and is unreasonably expensive.

B.O’Regan and M.Gratzel、“A Low‐cost,high‐efficiency solar cell based on dye‐sensitized colloidal TiO2 films”、Nature、1991年、第353巻、p.737−740B. O'Regan and M.M. Gratzel, “A Low-cost, high-efficiency solar cell based on dyed-sensitized colloidal TiO2 films”, Nature, 1991, Vol. 353, p. 737-740 W.J.Lee et al.、“Efficient Dye‐sensitized Solar Cells with Catalytic Multiwall Carbon Nanotuhe Counter Electrodes”、Applied Materials&Interfaces、2009年:第1巻、第6号、p.1145−1149W. J. et al. Lee et al. "Efficient Dye-sensitized Solar Cells with Catalytic Multiwall Carbon Nanotube Counter Electrodes", Applied Materials & Interfaces, Vol. 1, No. 6, p. 1145-1149 D.Zhang et al.、“Performance of Dye‐Sensitized Solar Cells with Various Carbon Nanotube Counter Electrodes”、Microchimica Acta、2011年、第174巻、p.73−79D. Zhang et al. "Performance of Dye-Sensitized Solar Cells with Various Carbon Nanotube Counter Electrodes", Microchimica Acta, 2011, Vol. 174, p. 73-79 Prakash Joshi et al.、ACS Applied Material and Interfaces、2010年、第2巻、第12号、p.3572−3577Prakash Joshi et al. ACS Applied Material and Interfaces, 2010, Vol. 2, No. 12, p. 3572-3577 N.Takurou et al.、Journal of The Electrochemical Society、2006年、第153巻、第12号、p.A2255−A2261N. Takeru et al. Journal of The Electronic Society, 2006, Vol. 153, No. 12, p. A2255-A2261 D.W.Zhang et al.、Carbon、2011年、第49巻、p.5382−5388D. W. Zhang et al. Carbon, 2011, vol. 49, p. 5382-5388 M.Gratzel and A.Kay、Solar Energy Materials and Solar Cells、1996年、第44巻、p.99−117M.M. Gratzel and A.M. Kay, Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, 44, p. 99-117

本開示の態様によると、セメント質物質、セメント系物質、セメント物質、又はセメントのうち少なくとも一種(以下、簡単のため、セメント)は優れた機械的特性及び高い多孔質性を有し、典型的には焼成石灰石及び粘土物質を含み得て、及び/又は、窯で共に焼成されて次いで粉砕されたアルミナ、石灰石、酸化鉄、酸化マグネシウム等の多様な化合物を含む粉末として形成又は提供可能なものであり、DSSCのカーボン系対向電極用のバインダー物質又はバインダーとして利用される。セメントは、従来のタイプのポルトランドセメント等の物的インフラ設備材(例えば建材)としての使用に適した従来のセメンであるか又はそれを含むものであり得る。本開示に係る多様な実施形態は、従来の導電性ポリマーバインダーを用いる代わりに、セメントをDSSC対向電極バインダーとして用いる。より具体的には、本開示に係る多様な実施形態は、DSSC応用のためのカーボン系物質‐セメント対向電極構造体又は対向電極(以下、カーボン‐セメント対向電極構造体又はカーボン‐セメント対向電極と称する)を提供する。カーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCは、対向電極バインダーとしてのセメントと組み合わせられ又は混合されたカーボン系触媒を含み、また、導電性ポリマーバインダーを排除すること又は含まないことができる。本開示の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極は、後述のように、安価に製造可能であり、高いパワー変換効率を達成することができる。   According to aspects of the present disclosure, at least one of cementitious material, cementitious material, cement material, or cement (hereinafter, for simplicity, cement) has excellent mechanical properties and high porosity, Can contain calcined limestone and clay material and / or can be formed or provided as a powder containing various compounds such as alumina, limestone, iron oxide, magnesium oxide, calcined together in a kiln and then ground And used as a binder material or binder for a carbon-based counter electrode of DSSC. The cement may be or include a conventional cement suitable for use as a physical infrastructure equipment (eg, building material) such as a conventional type of Portland cement. Various embodiments according to the present disclosure use cement as a DSSC counter electrode binder instead of using a conventional conductive polymer binder. More specifically, various embodiments according to the present disclosure can be used for carbon-based material-cement counter electrode structures or counter electrodes (hereinafter referred to as carbon-cement counter electrode structures or carbon-cement counter electrodes) for DSSC applications. Provide). A DSSC using a carbon-cement counter electrode includes a carbon-based catalyst combined or mixed with cement as a counter electrode binder, and can exclude or not include a conductive polymer binder. As will be described later, the carbon-cement counter electrode according to the embodiment of the present disclosure can be manufactured at low cost and can achieve high power conversion efficiency.

一般的に、本開示の多様な実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極は三層、具体的には、(i)触媒層としてセメントと混合された炭素系物質又は炭素物質、(ii)TCO層、及び(iii)透明基板(例えば、ガラス基板)を含む。カーボン物質は、カーボンナノ物質、ナノ構造、又はナノ粒子(カーボンナノチューブ等)を含むか又はその形態であり得て、従来の白金触媒と同様に、高い触媒活性及び低い抵抗を示す一方、セメントを用いて、基板が有するTCO層とカーボンナノチューブとの間の接着性を改善し、更に、カーボンナノチューブと基板自体との間の接着性も促進することができる。   Generally, the carbon-cement counter electrode according to various embodiments of the present disclosure has three layers, specifically, (i) a carbon-based material or carbon material mixed with cement as a catalyst layer, and (ii) a TCO layer. And (iii) a transparent substrate (eg, a glass substrate). The carbon material may include or be in the form of carbon nanomaterials, nanostructures, or nanoparticles (such as carbon nanotubes), which, like conventional platinum catalysts, exhibit high catalytic activity and low resistance while containing cement. It can be used to improve the adhesion between the TCO layer of the substrate and the carbon nanotubes, and further promote the adhesion between the carbon nanotubes and the substrate itself.

本開示に係る特定の実施形態の目的は、DSSC対向電極触媒物質としてのカーボンナノチューブの使用、及び対向電極バインダーとしてのセメントの使用である。触媒層としてセメントと混合されたカーボン物質を有するDSSCは、白金触媒を用いる従来のDSSC用のものに略匹敵する又は匹敵する高いパワー変換効率を達成することができる。更に、バインダーとしてのセメントの使用は、従来の導電性ポリマーバインダーに対する適切で、単純で、信頼性があり、簡単に製造可能であり、安価な置換を提供する。   The purpose of certain embodiments according to the present disclosure is the use of carbon nanotubes as a DSSC counter electrode catalyst material and the use of cement as a counter electrode binder. A DSSC having a carbon material mixed with cement as a catalyst layer can achieve a high power conversion efficiency comparable or comparable to that for conventional DSSCs using platinum catalysts. Further, the use of cement as a binder provides a suitable, simple, reliable, easily manufacturable and inexpensive replacement for conventional conductive polymer binders.

本開示の一態様によると、色素増感太陽電池(DSSC)用の対向電極構造体は、(i)焼成石灰石及び粘土物質を備えるセメントと、セメントと混合されたカーボンナノチューブとを含むカーボン‐セメント触媒層と、(ii)触媒層と接触している透明導電性酸化物(TCO)層と、(iii)TCO層及び触媒層を有する基板とを含み、セメントが、TCO層に対するカーボンナノチューブの接着性を促進するバインダー物質として機能する。このようなDSSC対向電極構造体は、導電性ポリマーを含む必要がなく排除することができる。カーボン‐セメント触媒層は、電解液系の三ヨウ化物及びヨウ化物の酸化還元対用の触媒として機能し、TCO層は、負荷からカーボン‐セメント触媒層までの電子キャリアとして機能する。カーボン‐セメント触媒層は典型的に10.0〜100.0マイクロメートルの厚さを有する。   According to one aspect of the present disclosure, a counter electrode structure for a dye-sensitized solar cell (DSSC) is a carbon-cement comprising (i) a cement comprising calcined limestone and clay material, and carbon nanotubes mixed with the cement. An adhesive layer comprising: a catalyst layer; (ii) a transparent conductive oxide (TCO) layer in contact with the catalyst layer; and (iii) a substrate having the TCO layer and the catalyst layer. It functions as a binder substance that promotes properties. Such a DSSC counter electrode structure need not contain a conductive polymer and can be eliminated. The carbon-cement catalyst layer functions as a catalyst for electrolyte system triiodide and iodide redox couples, and the TCO layer functions as an electron carrier from the load to the carbon-cement catalyst layer. The carbon-cement catalyst layer typically has a thickness of 10.0 to 100.0 micrometers.

セメントは、典型的に、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、三酸化硫黄、酸化マグネシウム、及び酸化鉄を含む。例えば、セメントは、合計100体積%の量に対して、10.0〜20.0体積%の炭素、2.0〜10.0体積%のケイ素、30.0〜60.0体積%の酸素、1.0〜5.0体積%のアルミニウム、0.2〜5.0体積%の鉄、0.5〜5.0体積%の硫黄、10.0〜40.0体積%のカルシウム、及び0.1〜1.0体積%のマグネシウムを含むことができる。カーボン‐セメント触媒層は、炭素、酸素、ケイ素、アルミニウム、鉄、硫黄、マグネシウム、及びカルシウムを含む。カーボンナノチューブは、典型的に、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)、及び多層カーボンナノチューブ(MWCNT)のうち少なくとも一種を含む。   The cement typically includes silicon dioxide, aluminum oxide, calcium oxide, sulfur trioxide, magnesium oxide, and iron oxide. For example, cement may be 10.0-20.0% by volume carbon, 2.0-10.0% by volume silicon, 30.0-60.0% by volume oxygen, for a total volume of 100% by volume. 1.0-5.0 vol% aluminum, 0.2-5.0 vol% iron, 0.5-5.0 vol% sulfur, 10.0-40.0 vol% calcium, and 0.1 to 1.0 volume percent magnesium can be included. The carbon-cement catalyst layer includes carbon, oxygen, silicon, aluminum, iron, sulfur, magnesium, and calcium. The carbon nanotubes typically include at least one of single-walled carbon nanotubes (SWCNT), double-walled carbon nanotubes (DWCNT), and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT).

多様な実施形態において、カーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージ比は27:73から37:63の範囲内になるように選択される。カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比は、特定の、ターゲットの、又は最小のパワー変換効率(略9.3%以上のパワー変換効率等)を提供するように選択可能である。一部実施形態では、カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比は29.0:71.0である。   In various embodiments, the relative weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement is selected to be in the range of 27:73 to 37:63. The weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement can be selected to provide a specific, target, or minimal power conversion efficiency (such as a power conversion efficiency of approximately 9.3% or greater). In some embodiments, the weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement is 29.0: 71.0.

TCO層は、フッ素ドープ酸化錫、インジウムドープ二酸化錫、アルミニウムドープ酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛、ゲルマニウムドープ酸化インジウム、金属チタン、及びステンレス鋼金属のうち一種を含み得る。   The TCO layer can include one of fluorine doped tin oxide, indium doped tin dioxide, aluminum doped zinc oxide, gallium doped zinc oxide, germanium doped indium oxide, metallic titanium, and stainless steel metal.

本開示の一態様によると、色素増感太陽電池(DSSC)用のカーボン‐セメント対向電極構造体を製造するための方法は、(i)セメント粉末と共にカーボンナノチューブをすりつぶして、均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物を得るステップと、(ii)均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に脱イオン(DI)水を加えて、ペーストを形成するステップと、(iii)ペーストをすりつぶして、均一なペーストを形成するステップと、(iv)透明導電性酸化物(TCO)層をその上に有する基板を提供するステップと、(v)基板上に均一なペーストをコーティングするステップと、(vi)基板上にコーティングされたペーストを乾燥させるステップとを含む。   According to one aspect of the present disclosure, a method for producing a carbon-cement counter electrode structure for a dye-sensitized solar cell (DSSC) comprises: (i) grinding carbon nanotubes with cement powder to form uniform carbon nanotubes; Obtaining a cement powder mixture; (ii) adding deionized (DI) water to the uniform carbon nanotube-cement powder mixture to form a paste; and (iii) grinding the paste to form a uniform paste. (Iv) providing a substrate having a transparent conductive oxide (TCO) layer thereon; (v) coating a uniform paste on the substrate; and (vi) coating on the substrate. Drying the applied paste.

DI水を加えることは、1体積部の均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に対して8体積部のDI水を加えることを含み得る。ペーストを乾燥させることは、典型的に、ペーストを空気乾燥させることを含む。例えば、ペーストを乾燥させることは、17〜35℃の間の周囲温度においてペーストを空気乾燥させることによって行われ得る。   Adding DI water can include adding 8 parts by volume of DI water to 1 part by volume of the uniform carbon nanotube-cement powder mixture. Drying the paste typically includes air drying the paste. For example, drying the paste can be done by air drying the paste at an ambient temperature between 17-35 ° C.

本開示の実施形態に係る例示的なカーボン‐セメント対向電極構造体を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating an exemplary carbon-cement counter electrode structure according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 図2(a)〜図2(g)は、以下の多様な例示的な対向電極に対応する走査型電子顕微鏡(SEM)像を示す:(a)比較例2、(b)実施例1、(c)実施例2、(d)実施例3、(e)実施例4、(f)実施例5、(g)実施例2の断面SEM像。2 (a) -2 (g) show scanning electron microscope (SEM) images corresponding to the following various exemplary counter electrodes: (a) Comparative Example 2, (b) Example 1, (C) Cross-sectional SEM images of Example 2, (d) Example 3, (e) Example 4, (f) Example 5, and (g) Example 2. 実施例1から5及び比較例1から3の対向電極を用いて製造された色素増感太陽電池(DSSC)に対応するナイキストプロットを示す。The Nyquist plot corresponding to the dye-sensitized solar cell (DSSC) manufactured using the counter electrode of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-3 is shown. 実施例1から5及び比較例1から3の対向電極を用いたDSSCについての電圧に依存する電流密度の変動を示す。The variation of the current density depending on the voltage for DSSC using the counter electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 is shown. 実施例2、比較例1、及び比較例2の対向電極を用いたDSSCについての電圧に対する電流密度の変動を示すサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram which shows the fluctuation | variation of the current density with respect to the voltage about DSSC using the counter electrode of Example 2, the comparative example 1, and the comparative example 2. FIG. 実施例1から5の対向電極を用いて製造されたDSSCに対応するカーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージに対する予測線形パワー変換効率と、本開示の実施形態に係る特定の、ターゲットの、又は最小のパワー変換効率を提供するように特定又は選択可能な相対的重量パーセンテージの例示的な範囲とを示すグラフである。Predicted linear power conversion efficiency relative to the relative weight percentage of carbon nanotubes versus cement corresponding to DSSCs produced using the counter electrode of Examples 1 to 5 and specific, target, or minimum according to embodiments of the present disclosure FIG. 6 is a graph illustrating an exemplary range of relative weight percentages that can be identified or selected to provide a power conversion efficiency of FIG.

[1.例示的なカーボン‐セメント対向電極構造体及び組成]
図1は、本開示に係る例示的な対向電極構造体又は対向電極5を示し、これは、以下で詳述するように、触媒層10と、透明導電性酸化物(TCO)層20と、透明基板30とを含む積層又はサンドイッチ型構造である。
[1. Exemplary Carbon-Cement Counter Electrode Structure and Composition]
FIG. 1 illustrates an exemplary counter electrode structure or counter electrode 5 according to the present disclosure, which, as will be described in detail below, includes a catalyst layer 10, a transparent conductive oxide (TCO) layer 20, and It is a laminated or sandwich type structure including the transparent substrate 30.

[触媒層]:触媒層10は、対向電極5の頂部層として定めることができるものであり、三ヨウ化物‐ヨウ化物(I/I )酸化還元対用の触媒物質を含むか又はそれとして機能する。触媒層10は、TCO層20上にコーティングされ、少なくとも一種のカーボン系物質、カーボン物質又はカーボン(以下、簡単のためカーボンとする)を含み、そのカーボンは、カーボンナノチューブ等のカーボンナノ物質又はカーボンナノ構造(例えば、意図的に又は特別に設計されたカーボンナノ物質又はカーボンナノ構造)の形態を含むか又はその形態として提供され、セメントと組み合わせられ又は混合される。結果として、触媒層10を、カーボン‐セメント触媒層又は膜10と呼ぶことができる。実施形態の詳細に応じて、カーボンは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)と、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)と、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)とのうち少なくとも一種を含むか又はそれで形成され得る。特定の実施形態では、カーボンは、バッキーボールと、カーボンナノバッドと、グラフェンとのうち一種以上を追加的に又は代替的に含むことができる。一般的には、バインダーとして機能するセメントの存在のため、触媒層10は、炭素、ケイ素、酸素、アルミニウム、鉄、硫黄、カルシウム、及びマグネシウムを含む複数元素を含有する。例えば、バインダーとして機能するセメントは、二酸化ケイ素(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化カルシウム(CaO)、三酸化硫黄(SO)、酸化マグネシウム(MgO)、及び酸化鉄(Fe)を含むことができるものであり、又は典型的に含むものである。例示的な実施形態では、セメント中のケイ素、酸素、アルミニウム、鉄、硫黄、カルシウム、マグネシウムの体積量は、合計100%となる量に対して、つまり、当業者には容易に理解されるように、100%のセメント組成物、物質、又は製品を形成するようにして、それぞれ、2.0〜10%、30.0〜60.0%、1.0〜5.0%、0.2〜5.0%、0.5〜5.0%、10.0〜40.0%、0.1〜1.0%の範囲内である。 [Catalyst Layer]: The catalyst layer 10 can be defined as the top layer of the counter electrode 5 and contains a catalyst material for triiodide-iodide (I / I 3 ) redox couple or Act as it. The catalyst layer 10 is coated on the TCO layer 20 and includes at least one carbon-based material, carbon material, or carbon (hereinafter referred to as carbon for simplicity), and the carbon is a carbon nanomaterial such as a carbon nanotube or carbon. It includes or is provided in the form of nanostructures (eg, intentionally or specially designed carbon nanomaterials or carbon nanostructures) and is combined or mixed with cement. As a result, the catalyst layer 10 can be referred to as a carbon-cement catalyst layer or membrane 10. Depending on the details of the embodiment, the carbon may include or be formed of at least one of single-walled carbon nanotubes (SWCNT), double-walled carbon nanotubes (DWCNT), and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). In certain embodiments, the carbon may additionally or alternatively include one or more of buckyballs, carbon nanobuds, and graphene. In general, due to the presence of cement that functions as a binder, the catalyst layer 10 contains multiple elements including carbon, silicon, oxygen, aluminum, iron, sulfur, calcium, and magnesium. For example, cements that function as binders include silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), calcium oxide (CaO), sulfur trioxide (SO 3 ), magnesium oxide (MgO), and iron oxide (Fe 2 O 3 ), or is typically included. In an exemplary embodiment, the volume of silicon, oxygen, aluminum, iron, sulfur, calcium, magnesium in the cement is relative to the amount that totals 100%, that is, as will be readily understood by those skilled in the art. To form a 100% cement composition, material, or product, respectively, 2.0-10%, 30.0-60.0%, 1.0-5.0%, 0.2 It is in the range of -5.0%, 0.5-5.0%, 10.0-40.0%, 0.1-1.0%.

一般的に、カーボン対セメントの重量分率又はパーセンテージ比は、実施形態の詳細に応じて、5〜50:50〜95の範囲内となり得て、特定の例示的実施形態(例えば、カーボンがカーボンナノチューブを含むか又はその形態である場合)、良好な、高い、又は最高のDSSC効率を与える適切なカーボン対セメントの重量分率又はパーセンテージ比は、略27:73から31:69の範囲内であり、例えば特定の実施形態では略29:71である。多様な実施形態において、触媒層の厚さは10〜100マイクロメートルの範囲内である。   In general, the weight fraction or percentage ratio of carbon to cement can be in the range of 5-50: 50-95, depending on the details of the embodiment, and certain exemplary embodiments (e.g., carbon is carbon Suitable carbon to cement weight fractions or percentage ratios that provide good, high, or highest DSSC efficiency (when including or in the form of nanotubes) are in the range of approximately 27:73 to 31:69. For example, in a specific embodiment it is approximately 29:71. In various embodiments, the thickness of the catalyst layer is in the range of 10-100 micrometers.

[TCO層]:触媒層10と透明基板30との間に位置するTCO層20は、電子を外部負荷から触媒層10に移す機能を果たす。TCO層20は、フッ素ドープ二酸化錫(FTO,fluorine‐doped tin dioxide)、インジウムドープ二酸化錫(ITO,indium‐doped tin dioxide)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO,aluminum−doped zinc oxide)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO,gallium−doped zinc oxide)、ゲルマニウムドープ酸化インジウム(GIO,germanium−doped indium oxide)、金属チタン、ステンレス鋼、又は他の適切な物質を含むか、又はそれで形成され得る。 [TCO layer]: The TCO layer 20 positioned between the catalyst layer 10 and the transparent substrate 30 functions to transfer electrons from the external load to the catalyst layer 10. The TCO layer 20 is composed of fluorine-doped tin dioxide (FTO), indium-doped tin dioxide (ITO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped oxide. It may include or be formed of zinc (GZO), germanium-doped indium oxide (GIO), titanium metal, stainless steel, or other suitable material.

[透明基板]:透明基板30は、対向電極5の底部層として定めることができるものである。 [Transparent substrate]: The transparent substrate 30 can be defined as the bottom layer of the counter electrode 5.

[2.例示的なカーボン‐セメント対向電極の製造方法]
実施例1〜5
以下、本開示の特定の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極5を作製、提供又は製造するための方法について説明する。
[2. Exemplary Carbon-Cement Counter Electrode Manufacturing Method]
Examples 1-5
Hereinafter, a method for making, providing, or manufacturing a carbon-cement counter electrode 5 according to a specific embodiment of the present disclosure will be described.

TCO層20を有する透明基板30を、アセトン、メタノール、脱イオン(DI,deionized)水を順に用いて、超音波洗浄機中で、アセトン、メタノール、脱イオン水の各々に対し30分間にわたって洗浄した。   The transparent substrate 30 having the TCO layer 20 was cleaned for 30 minutes with respect to each of acetone, methanol, and deionized water in an ultrasonic cleaner using acetone, methanol, and deionized water in order. .

チエンマイ大学(CMU,Chiang Mai University)のナノ物質研究部門(Nanomaterials Research Unit)からのMWCNTのカーボンナノチューブ形態のカーボンを、均一な粉末が得られる又は形成されるまで、セメント(従来の等級を有する従来のポルトランドセメント)と共に多様な重量パーセンテージ(具体的には、17:83、29:71、38:62、44:56、50:50)ですりつぶした。脱イオン(DI)水を各混合粉末に、DI水対混合粉末の比を8:1として加えて、次いで均一になるまで更に混合して、対応するペーストを形成した。各ペーストを、従来の塗布方法を用いて、透明ガラス30上にコーティングされたTCO層20を含む支持構造又は部材上にコーティングして、24時間にわたって空気乾燥させて、上述のカーボンナノチューブ対セメントの多様な重量パーセンテージを有するカーボン‐セメント対向電極5を形成した。より具体的には、カーボン対セメントの重量パーセンテージが17:83、29:71、38:62、44:56、50:50であるカーボン‐セメント対向電極5をそれぞれ実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、実施例5と定めた。次いで、各サンプル、つまり、実施例1〜5に対応する各カーボン‐セメント対向電極5を、DSSC組み立てプロセス用に準備した。   Carbon in MWCNT carbon nanotube form from the Nanomaterials Research Unit of the University of Chiang Mai (CMU, Chiang Mai University) until a uniform powder is obtained or formed (conventional with conventional grades). ) And various weight percentages (specifically 17:83, 29:71, 38:62, 44:56, 50:50). Deionized (DI) water was added to each mixed powder at a DI water to mixed powder ratio of 8: 1 and then further mixed until uniform to form the corresponding paste. Each paste is coated using conventional coating methods onto a support structure or member that includes a TCO layer 20 coated on transparent glass 30 and allowed to air dry for 24 hours to produce the carbon nanotube-to-cement cement described above. Carbon-cement counter electrodes 5 having various weight percentages were formed. More specifically, the carbon-cement counter electrode 5 having carbon to cement weight percentages of 17:83, 29:71, 38:62, 44:56, and 50:50 is shown in Example 1, Example 2, respectively. Example 3, Example 4, and Example 5 were determined. Each sample, ie, each carbon-cement counter electrode 5 corresponding to Examples 1-5, was then prepared for the DSSC assembly process.

比較例1
比較例1は、従来の白金触媒層を有する従来の対向電極構造であった。比較例1を作製するため、TOCガラス基板を提供した。20mMの塩化白金酸(つまり、HPtClO)(シグマアルドリッチ)及び0.01gのエチルセルロース(シグマアルドリッチ)のエタノール溶液をスピンコーティングし、500℃において1時間にわたって周囲環境においてアニーリングすることによって、白金膜を基板上にコーティングした。
Comparative Example 1
Comparative Example 1 was a conventional counter electrode structure having a conventional platinum catalyst layer. In order to produce Comparative Example 1, a TOC glass substrate was provided. Spin coat 20 mM chloroplatinic acid (ie H 2 PtCl 6 H 2 O) (Sigma Aldrich) and 0.01 g Ethylcellulose (Sigma Aldrich) in ethanol and anneal at 500 ° C. for 1 hour in ambient environment. The platinum film was coated on the substrate.

比較例2
比較例2は、セメント無しでTCOガラス基板上にコーティングしたカーボンナノチューブを有する対向電極であった。比較例2の作製においては、カーボンナノチューブを均一になるまですりつぶして、DI水を加えてペーストを形成した。次いで、ペーストを基板上にコーティングした。
Comparative Example 2
Comparative Example 2 was a counter electrode having carbon nanotubes coated on a TCO glass substrate without cement. In the production of Comparative Example 2, the carbon nanotubes were ground until they were uniform, and DI water was added to form a paste. The paste was then coated on the substrate.

比較例3
比較例3は、カーボンナノチューブや他の導電性カーボン物質を意図的に加えずに、TCO基板上にコーティングされたセメントであった。比較例3の作製においては、セメントを均一になるまですりつぶして、DI水を加えてペーストを形成した。次いで、ペーストを基板上にコーティングした。
Comparative Example 3
Comparative Example 3 was a cement coated on a TCO substrate without intentionally adding carbon nanotubes or other conductive carbon materials. In the production of Comparative Example 3, the cement was ground until it became uniform, and DI water was added to form a paste. The paste was then coated on the substrate.

[3.TiO作用電極を形成するための例示的な製造方法]
TiO作用電極を従来のスクリーン印刷法を用いて作製した。概要としては、透明及び散乱性のTiO膜をTiOペーストを用いて作製した。まず、透明層を、厚さ10〜20マイクロメートルで粒径10〜30nmでTCO基板上にコーティングした。
[3. Exemplary Manufacturing Method for Forming TiO 2 Working Electrode]
A TiO 2 working electrode was made using a conventional screen printing method. As an outline, transparent and scattering TiO 2 films were prepared using TiO 2 paste. First, the transparent layer was coated on a TCO substrate with a thickness of 10 to 20 micrometers and a particle size of 10 to 30 nm.

次いで、二酸化チタン粒子の接着性を改善するために、厚さ2〜5マイクロメートルの散乱層をコーティングした。   A 2-5 micrometer thick scattering layer was then coated to improve the adhesion of the titanium dioxide particles.

TCO基板上にコーティングされたTiO膜を400〜600℃で1時間にわたって焼成し、25〜80℃に冷却した。 The TiO 2 film coated on the TCO substrate was baked at 400 to 600 ° C. for 1 hour and cooled to 25 to 80 ° C.

次いで、TiO膜を紫外線照射で10〜20分間にわたって処理した。 The TiO 2 film was then treated with ultraviolet irradiation for 10-20 minutes.

TiO膜を、0.1〜0.5mMの[RuL(NCS)]:2TBA(L=2,2’‐ビピリジル‐4,4’‐ジカルボン酸; TBA=テトラ‐n‐ブチルアンモニウム)色素(スイス、ソラノニクス社のN719)の50:50体積パーセントのアセトニトリル・パー・tert‐ブタノール溶液(acetonitrile per tert‐ butanol solution)に24時間にわたって浸漬した。 A TiO 2 film was prepared with 0.1 to 0.5 mM [RuL 2 (NCS) 2 ]: 2TBA (L = 2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid; TBA = tetra-n-butylammonium). It was immersed in a 50:50 volume percent acetonitrile per tert-butanol solution of a dye (Solanonix N719, Switzerland) for 24 hours.

色素残留物をアセトニトリルで濯ぐことによって除去した。   The dye residue was removed by rinsing with acetonitrile.

[4.例示的な色素増感太陽電池の製造又は組み立て]
DSSCを組み立てるため、上記実施例1から5に対応する作製したままのカーボン‐セメント対向電極5を、TiO作用電極及び絶縁膜と共に組み立て、電解質を、両電極間の中間に配置して、空間を形成した。0.05Mのヨウ素(I)、0.10Mのヨウ化リチウム(LiI)、0.0025Mの炭酸リチウム(LiCO)、0.50Mの4‐tert‐ブチルピリジン(TBP)、及び0.60Mの1‐メチル‐3‐プロピルイミダゾリウムヨージド(MPI)のアセトニトリル溶液から成る電解液を両電極間の空間に注入して、各DSSCを完成させた。
[4. Example Dye-Sensitized Solar Cell Manufacture or Assembly]
In order to assemble the DSSC, the as-prepared carbon-cement counter electrode 5 corresponding to the above Examples 1 to 5 is assembled together with the TiO 2 working electrode and the insulating film, and the electrolyte is arranged in the middle between the two electrodes to form a space. Formed. 0.05 M iodine (I 2 ), 0.10 M lithium iodide (LiI), 0.0025 M lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), 0.50 M 4-tert-butylpyridine (TBP), and 0 Each DSSC was completed by injecting an electrolyte solution consisting of acetonitrile solution of .60M 1-methyl-3-propylimidazolium iodide (MPI) into the space between the electrodes.

[5.カーボン‐セメント対向電極の例示的な形態特性評価]
カーボンをセメントと、それぞれ17:83、29:71、38:62、44:56、50:50の異なる重量比で混合したカーボン‐セメント触媒層10を含む実施例1から5に対応する触媒層の形態を、走査型電子顕微鏡(SEM,scanning electron microscope)を用いて観測し、比較例2(図2(a)のSEM像に示される)及び比較例3(図2(b)〜図2(f)のSEM像に示されず)にそれぞれ対応する純粋なカーボン触媒と純粋なセメント層のサンプルと比較した。図2(b)〜(f)のSEM像に示されるように、実施例1から5のカーボン‐セメント触媒層10の各々が多孔質構造を有することがわかったが、このような層の詳細な構造又はマイクロアーキテクチャについては多少不確定な点があった。図2(d)に対応するカーボン対セメントの重量パーセンテージ比が38:62でセメントと混合されたカーボンナノチューブの場合、ロッド状の結晶構造が観測されている。更に、カーボン‐セメントの混合重量パーセンテージ比を増やすとともに、つまり、図2(e)、図2(f)に対応する44:56、50:50の重量パーセントに増やすとともに、ロッド状構造のサイズが大きくなる傾向にある。このようなロッド状構造の形成は、弱点又は欠点となり得る。何故ならば、大きなロッド状構造は、より小さな又は小型のロッド状構造と比較して、一般的に表面積の減少及び三ヨウ化物還元用の活性サイトの減少を示すからである。これに応じて、DSSCの性能が制限を受けるか悪影響を受け得る。図2(g)は、例示的なカーボン‐セメント触媒層の厚さが45マイクロメートルであることを示す。
[5. Exemplary morphological characterization of carbon-cement counter electrode]
Catalyst layers corresponding to Examples 1 to 5 comprising carbon-cement catalyst layers 10 in which carbon is mixed with cement in different weight ratios of 17:83, 29:71, 38:62, 44:56 and 50:50, respectively. Were observed using a scanning electron microscope (SEM), and Comparative Example 2 (shown in the SEM image of FIG. 2A) and Comparative Example 3 (FIGS. 2B to 2). (F) (not shown in the SEM image) and the corresponding samples of pure carbon catalyst and pure cement layer. As shown in the SEM images of FIGS. 2 (b) to (f), it was found that each of the carbon-cement catalyst layers 10 of Examples 1 to 5 has a porous structure. There were some uncertainties regarding the particular structure or microarchitecture. In the case of carbon nanotubes mixed with cement with a carbon to cement weight percentage ratio of 38:62 corresponding to FIG. 2 (d), a rod-like crystal structure is observed. Furthermore, as the carbon-cement mixing weight percentage ratio is increased, that is, the weight percentage of 44:56, 50:50 corresponding to FIGS. 2 (e) and 2 (f) is increased, and the size of the rod-like structure is increased. It tends to grow. The formation of such a rod-like structure can be a weak point or a drawback. This is because large rod-like structures generally exhibit reduced surface area and reduced active sites for triiodide reduction compared to smaller or smaller rod-like structures. Accordingly, DSSC performance can be limited or adversely affected. FIG. 2 (g) shows that the thickness of the exemplary carbon-cement catalyst layer is 45 micrometers.

[6.例示的な電気化学的インピーダンス分光法及び性能解析]
6.1 DSSCの電気化学的インピーダンス分光法
実施例1から5及び比較例1から3の対向電極を用いたDSSCのインピーダンスを、電気化学的インピーダンス分光法(EIS,Gamry REF 3000、米国)を用い、周波数を0.1Hzから100000Hzまでで変化させ、10mVのAC振幅を用いて、測定した。図3は、同一種の作用電極と異なる対向電極構造を有するこれらDSSCのナイキストプロットを示す。Y軸はリアクタンス(Zim)値を表し、X軸はレジスタンス(Zre)値を表す。当業者には容易に理解されるように、これら値はどちらも二種の物質間の界面を介して移動する電子の電荷移動抵抗(RCT)及びキャパシタンス(C)に比例する。
[6. Exemplary Electrochemical Impedance Spectroscopy and Performance Analysis]
6.1 DSSC Electrochemical Impedance Spectroscopy The impedance of DSSC using the counter electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS, Gamry REF 3000, USA). The frequency was varied from 0.1 Hz to 100000 Hz and measured using an AC amplitude of 10 mV. FIG. 3 shows a Nyquist plot of these DSSCs having the same type of working electrode and a different counter electrode structure. The Y axis represents the reactance (Z im ) value, and the X axis represents the resistance (Z re ) value. As will be readily appreciated by those skilled in the art, both of these values are proportional to the charge transfer resistance (R CT ) and capacitance (C) of the electrons moving through the interface between the two materials.

実施例1及び2の電極から得られたDSSCのナイキストプロットの半円の半径は、減少傾向を示すことがわかった。実施例2の電極から得られたDSSCのナイキストプロットの半円の半径は、比較例1の電極、つまり従来の白金触媒を有する電極のものに近い(最も近い)最小の半円を有する。これは、実施例2のカーボン‐セメント触媒層又は膜10が、三ヨウ化物及びヨウ化物の酸化還元対を含有する電解液に対して低い電気抵抗及び高い触媒活性を示すことを意味している。しかしながら、より高いカーボンナノチューブ含有量、つまり実施例3から5に対応する対向電極に対しては、半円のサイズが僅かに増大した。この結果は、図2(d)〜(f)に示されるように実施例3から5の対向電極に存在するロッド状構造のサイズの増大に対応し、全インピーダンスの増大をもたらすものと予測される。   It was found that the radius of the semicircle of the DSSC Nyquist plot obtained from the electrodes of Examples 1 and 2 showed a decreasing trend. The radius of the DSSC Nyquist plot semicircle obtained from the electrode of Example 2 has the smallest semicircle close to (closest to) that of the electrode of Comparative Example 1, ie, the electrode with the conventional platinum catalyst. This means that the carbon-cement catalyst layer or membrane 10 of Example 2 exhibits low electrical resistance and high catalytic activity for electrolytes containing triiodide and iodide redox couples. . However, for the higher carbon nanotube content, ie the counter electrode corresponding to Examples 3 to 5, the size of the semicircle increased slightly. This result is expected to correspond to the increase in the size of the rod-shaped structure existing in the counter electrode of Examples 3 to 5 as shown in FIGS. 2 (d) to (f), and to increase the total impedance. The

6.2 性能試験
以下の試験を用いて、実施例1〜5、また参照用の比較例1から3から得られた多様な対向電極を有するDSSCの性能を評価した。
6.2 Performance Test The performance of DSSCs having various counter electrodes obtained from Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 for reference was evaluated using the following tests.

J‐V曲線測定を、100mW/cmの強度を有するソーラーシミュレーターからの光源と、25℃の周囲環境温度を含む標準条件を用いて、行った。全効率(η)を以下の式に基づいて計算した。 JV curve measurements were made using standard conditions including a light source from a solar simulator having an intensity of 100 mW / cm 2 and an ambient temperature of 25 ° C. The total efficiency (η) was calculated based on the following formula:

ここで、
inは、ソーラーシミュレーターの入力パワー(W/m)であり、
maxは、最大出力パワー密度(W/m)であり、
SCは、短絡回路電流密度(A/m)であり、
OCは、開路電圧(V)であり、
maxは、最大出力パワーにおける最大電流(A/m)であり、
maxは、最大出力パワーにおける最大電圧(V)であり、
FFは、最大値が1のフィルファクターであり、
ηは、パワー変換効率(%)である。
here,
P in is a solar simulator of input power (W / m 2),
P max is the maximum output power density (W / m 2 ),
J SC is the short circuit current density (A / m 2 ),
V OC is the open circuit voltage (V),
J max is the maximum current (A / m 2 ) at the maximum output power,
V max is the maximum voltage (V) at the maximum output power,
FF is a fill factor with a maximum value of 1,
η is power conversion efficiency (%).

上記式(1)によると、太陽電池(例えば、DSSC)のパワー変換効率は、JSC、VOC及びFFに比例する。これは、高いJSC、VOC及びFFから、高いパワー変換効率を得ることができることを意味する。 According to the above formula (1), the power conversion efficiency of the solar cell (for example, DSSC) is proportional to J SC , V OC and FF. This means that high power conversion efficiency can be obtained from high J SC , V OC and FF.

実施例1から5に対応するカーボン‐セメント対向電極(つまり、触媒として機能することができ、バインダーとしてのセメントと混合されたカーボン系物質)を用いたDSSCのパワー変換効率試験を行って、比較例1の白金対向電極、比較例2の純粋なカーボンナノチューブ対向電極、及び比較例3の純粋なセメント対向電極の性能と比較した。   A DSSC power conversion efficiency test using a carbon-cement counter electrode corresponding to Examples 1 to 5 (that is, a carbon-based material that can function as a catalyst and mixed with cement as a binder) was performed and compared. The performance was compared with the performance of the platinum counter electrode of Example 1, the pure carbon nanotube counter electrode of Comparative Example 2, and the pure cement counter electrode of Comparative Example 3.

図4は、実施例1から5に対応するDSSCと、比較例1から3に対応するDSSCについてのJ‐V特性を示す。実施例1から5に対応するカーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCの太陽電池パラメータ、つまり、JSC、VOC、FF及び全効率が表1に与えられていて、他の文献からの結果と比較されている。 FIG. 4 shows JV characteristics for DSSCs corresponding to Examples 1 to 5 and DSSCs corresponding to Comparative Examples 1 to 3. DSSC solar cell parameters using carbon-cement counter electrodes corresponding to Examples 1 to 5, ie J SC , V OC , FF and total efficiency are given in Table 1, and results from other literature Have been compared.

図4及び表1に見て取れるように、実施例1から5のカーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCのJSC及びηは、比較例2の純粋なカーボン対向電極のJSC及びηよりも顕著に高い。実施例1と比較して実施例2のDSSCの場合では、JSC及びηの値が増加していた。この結果は、図3に示されるように、内部抵抗の減少によるものであり得る。しかしながら、カーボン対セメントの重量比、分率又はパーセンテージが38:62、44:56、50:50に達していくと、JSC、FF及びηが減少傾向を有することがわかった。これは、ロッド状の結晶構造の存在及びロッドサイズの増大によるものであり得て、図3に示されるように、カーボン‐セメント触媒膜10の内部抵抗を増大させるもの、又は増大させると予測されるものである。 As can be seen in FIG. 4 and Table 1, the DSC J SC and η using the carbon-cement counter electrode of Examples 1 to 5 are significantly more than the J SC and η of the pure carbon counter electrode of Comparative Example 2. high. In the case of DSSC Example 2 compared to Example 1, the value of J SC and η was increased. This result may be due to a decrease in internal resistance, as shown in FIG. However, it has been found that J SC , FF and η tend to decrease as the weight ratio, fraction or percentage of carbon to cement reaches 38:62, 44:56, 50:50. This can be due to the presence of a rod-like crystal structure and an increase in rod size, which increases or is expected to increase the internal resistance of the carbon-cement catalyst membrane 10, as shown in FIG. Is.

ここで、JSCは、短絡電流密度(mA/cm)であり、
OCは、開路電圧(ボルト)であり、
FFは、最大値が1のフィルファクターであり、
ηは、パワー変換効率(%)である。
Here, J SC is the short circuit current density (mA / cm 2 ),
V OC is the open circuit voltage (volts),
FF is a fill factor with a maximum value of 1,
η is power conversion efficiency (%).

表1に示されるように、非特許文献3の結果は、DSSCのパワー変換効率が、組み込んだカーボンナノチューブの種類に依存して変化し得ることを示している。より具体的には、非特許文献3では、SWCNT、DWCNT、MWCNTを用いたDSSCについて、それぞれ7.61%、8.30%、7.06%のパワー変換効率が得られた。SWCNT及びDWCNT製品はMWCNT製品よりも高価である点に留意されたい。本開示に係る例示的な実施例において用いられているMWCNTは、当業者には容易に理解されるように、多重成分酸化金属物質であるセメントとの混合に特に適している。また、当業者は、SWCNT、DWCNT、並びに、SWCNT、DWCNT及び/又はMWCNTの混合物も本開示に係る実施形態における使用に適していることを認識するものである。   As shown in Table 1, the results of Non-Patent Document 3 indicate that the power conversion efficiency of DSSC can vary depending on the type of carbon nanotube incorporated. More specifically, in Non-Patent Document 3, power conversion efficiencies of 7.61%, 8.30%, and 7.06% were obtained for DSSCs using SWCNT, DWCNT, and MWCNT, respectively. Note that SWCNT and DWCNT products are more expensive than MWCNT products. The MWCNTs used in exemplary embodiments according to the present disclosure are particularly suitable for mixing with cements that are multi-component metal oxide materials, as will be readily appreciated by those skilled in the art. Those skilled in the art will also recognize that SWCNTs, DWCNTs, and mixtures of SWCNTs, DWCNTs and / or MWCNTs are also suitable for use in embodiments according to the present disclosure.

[7.例示的なカーボン‐セメント対向電極の触媒酸化還元対活性]
図5は、従来のサイクリックボルタンメトリーを用いた実施例2のカーボン‐セメント対向電極のサイクリックボルタモグラムを、比較例1の白金対向電極及び比較例2の純粋なカーボン対向電極のものと比較して示す。全てのサンプルについて、スペクトルが二対の酸化還元ピークを示しているのが見て取れ、つまり、酸化還元反応1は酸化反応(Ox)1及び還元反応(Red)1に対応し、酸化還元反応2は酸化反応(Ox)2及び還元反応(Red)2に対応している。理論的には、酸化還元反応1は
を表し、酸化還元反応2は
を表わす。サイクリックボルタモグラムに関しては、電流及び酸化還元反応の電荷移動速度定数(k)という二つのパラメータが検討される。具体的には、高い電流値はより多く反応が生じたことを意味し、一方、低い速度定数は、1/ΔEに比例するもの、つまり、k=1/ΔEであり、急速又は急激な反応が生じたことを意味する(ΔEは、酸化反応と還元反応のピーク電位の差である)。
[7. Illustrative carbon-cement counter electrode catalytic redox activity]
FIG. 5 compares the cyclic voltammograms of the carbon-cement counter electrode of Example 2 using conventional cyclic voltammetry with those of the platinum counter electrode of Comparative Example 1 and the pure carbon counter electrode of Comparative Example 2. Show. For all samples, it can be seen that the spectrum shows two pairs of redox peaks, that is, redox reaction 1 corresponds to oxidation reaction (Ox) 1 and reduction reaction (Red) 1 and redox reaction 2 is This corresponds to the oxidation reaction (Ox) 2 and the reduction reaction (Red) 2. Theoretically, redox reaction 1 is
Where redox reaction 2 is
Represents. For the cyclic voltammograms, two parameters of current and charge transfer rate constants of the oxidation-reduction reaction (k s) is considered. Specifically, a higher current value means more reaction has occurred, while a lower rate constant is proportional to 1 / ΔE p , ie k s = 1 / ΔE p , and It means that an abrupt reaction occurred (ΔE p is the difference in peak potential between the oxidation reaction and the reduction reaction).

図5から、実施例2の対向電極が実施例1、3、4及び5の対向電極と比較して、また、特に比較例1の白金対向電極と比較して、より高い電流を有することが見て取れる。これは、実施例2のカーボン‐セメント対向電極がDSSCでの使用に適している又は特に適していることを意味する。他方、以下の表2から、比較例1の白金対向電極が、200mVのΔEp1及び130mVのΔEp2を有することが見て取れる。これらの低いΔEの値は、白金対向電極の
及び
についての酸化還元反応の電荷移動速度定数(k)が、本願で検討されている他の対向電極のものよりも高く、より高いソーラー性能を与えることを意味している。実施例2の対向電極の場合、ΔEp1及びΔEp2の値は、比較例1の白金対向電極のものよりも高く、図5に示されるようにより高い電流によって補償されている。従って、実施例2のカーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCの性能は、比較例1の白金対向電極を有するDSSCの性能にほぼ等しく、白金触媒のものの約85%(例えば、85.56%)である。
From FIG. 5, it can be seen that the counter electrode of Example 2 has a higher current compared to the counter electrodes of Examples 1, 3, 4 and 5 and particularly compared to the platinum counter electrode of Comparative Example 1. I can see it. This means that the carbon-cement counter electrode of Example 2 is suitable or particularly suitable for use in DSSC. On the other hand, it can be seen from Table 2 below that the platinum counter electrode of Comparative Example 1 has a ΔE p1 of 200 mV and a ΔE p2 of 130 mV. These low ΔE p values indicate that the platinum counter electrode
as well as
Charge transfer rate constant of the oxidation-reduction reaction of the (k s) is higher than that of the other opposing electrodes being considered in this application is meant to give higher solar performance. In the case of the counter electrode of Example 2, the values of ΔE p1 and ΔE p2 are higher than those of the platinum counter electrode of Comparative Example 1, and are compensated by a higher current as shown in FIG. Therefore, the performance of DSSC using the carbon-cement counter electrode of Example 2 is approximately equal to the performance of DSSC having the platinum counter electrode of Comparative Example 1 and about 85% (eg, 85.56%) of that of the platinum catalyst. It is.

ここで、Red1は、第一酸化還元反応の還元反応であり、
Red2は、第二酸化還元反応の還元反応であり、
Ox1は、第一酸化還元反応の酸化反応であり、
Ox2は、第二酸化還元反応の酸化反応であり、
ΔEp1は、第一酸化還元反応の差であり、
ΔEp2は、第二酸化還元反応の差である。
Here, Red1 is a reduction reaction of the first oxidation-reduction reaction,
Red2 is a reduction reaction of the second dioxide reduction reaction,
Ox1 is an oxidation reaction of the first redox reaction,
Ox2 is an oxidation reaction of the second reduction reaction,
ΔE p1 is the difference in the first redox reaction,
ΔE p2 is the difference in the second redox reaction.

以上のとおり、本開示の実施形態に係るカーボン‐セメント触媒層10はDSSCでの使用に適している又は特に適している。本開示の特定の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極5を有するDSSCは、白金触媒を用いた従来の対向電極を有するDSSCのソーラー性能にほぼ等しいソーラー性能を提供することができる。更に、本開示の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極5は、セメントが導電性ポリマーバインダーと比較して容易に入手可能で安価な物質であるため、導電性ポリマーバインダーを必要とせずに簡単でコスト効果的に製造可能である。   As described above, the carbon-cement catalyst layer 10 according to the embodiment of the present disclosure is suitable or particularly suitable for use in DSSC. A DSSC having a carbon-cement counter electrode 5 according to certain embodiments of the present disclosure can provide solar performance approximately equal to that of a DSSC having a conventional counter electrode using a platinum catalyst. Furthermore, the carbon-cement counter electrode 5 according to the embodiment of the present disclosure is simple without requiring a conductive polymer binder because cement is an easily available and inexpensive material compared to a conductive polymer binder. It can be manufactured cost-effectively.

[8.例示的なカーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ範囲選択]
図6は、実施例1から5の対向電極を用いて製造されたDSSCに対応するカーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージに対して、予測線形パワー変換効率と、本開示の実施形態に係る特定の、ターゲットの、又は最小のパワー変換効率を提供するように特定又は選択可能な相対的重量パーセンテージの例示的な範囲とを示すグラフである。表1及び図6に示されるように、実施例1から5の対向電極を用いて製造されたDSSCのうち、実施例2の対向電極を用いたDSSCで、略9.6%の最高又はピークのパワー変換効率が得られた。このようなピークパワー変換率に関連する所定の、ターゲットの、若しくは許容可能なレベルのパワー変換効率、又はパワー変換効率の変動を有するDSSCを、カーボン‐セメント触媒層10中のカーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージを変更することによって、得ることができる。例えば、実施例2に対応する9.6%のピークパワー変換効率に対するパワー変換効率の0.3%の適切なターゲット変動は、少なくとも略9.3%(つまり、9.6%−0.3%=9.3%)のパワー変換効率を意味するものであり、カーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージが略27:73から37:63の間の範囲内となり得る。
[8. Exemplary carbon nanotube to cement weight percentage range selection]
FIG. 6 shows the predicted linear power conversion efficiency and the identification according to embodiments of the present disclosure relative to the relative weight percentage of carbon nanotubes versus cement corresponding to DSSC produced using the counter electrode of Examples 1-5. FIG. 6 is a graph showing an exemplary range of relative weight percentages that can be specified or selected to provide a target or minimum power conversion efficiency. As shown in Table 1 and FIG. 6, among the DSSCs manufactured using the counter electrode of Examples 1 to 5, the DSSC using the counter electrode of Example 2 has a maximum or peak of about 9.6%. The power conversion efficiency was obtained. A DSSC having a predetermined, target, or acceptable level of power conversion efficiency, or a variation in power conversion efficiency associated with such peak power conversion rates, can be obtained from carbon nanotubes versus cement in carbon-cement catalyst layer 10. It can be obtained by changing the relative weight percentage. For example, a suitable target variation of 0.3% of power conversion efficiency for a peak power conversion efficiency of 9.6% corresponding to Example 2 is at least approximately 9.3% (ie, 9.6% -0.3). % = 9.3%), and the relative weight percentage of carbon nanotubes to cement can be in the range between approximately 27:73 and 37:63.

本開示の特定の実施形態の態様は、従来のDSSC対向電極構造に関連する少なくとも一つの問題、制限及び/又は欠点に対処する。特定の実施形態に関連する特徴、態様及び/又は利点が本開示において説明されているが、他の実施形態もこのような特徴、態様及び/又は利点を示し得るものであり、また、全ての実施形態が、本開示の範囲内に存するために必ずしもこのような特徴、態様及び/又は利点を示すものではない。多様な修正、変更及び/又は改善を本願に開示されている実施形態に対して為し得ることを当業者は理解するものであり、そのような修正も本開示及び添付の特許請求の範囲の範囲内にある。   Aspects of certain embodiments of the present disclosure address at least one problem, limitation and / or disadvantage associated with conventional DSSC counter electrode structures. Although features, aspects and / or advantages associated with particular embodiments are described in this disclosure, other embodiments may exhibit such features, aspects and / or advantages, and all Embodiments do not necessarily exhibit such features, aspects and / or advantages in order to be within the scope of the present disclosure. Those skilled in the art will appreciate that various modifications, changes and / or improvements can be made to the embodiments disclosed herein, and such modifications are within the scope of this disclosure and the appended claims. Is in range.

5 対向電極
10 触媒層
20 透明導電性酸化物層
30 透明基板
5 Counter electrode 10 Catalyst layer 20 Transparent conductive oxide layer 30 Transparent substrate

Claims (16)

色素増感太陽電池用の対向電極構造体であって、
カーボン‐セメント触媒層であって、
焼成石灰石及び粘土物質を備えるセメントと、
前記セメントと混合されたカーボンナノチューブとを備えるカーボン‐セメント触媒層と、
前記触媒層と接触している透明導電性酸化物層と、
前記透明導電性酸化物層及び前記触媒層を有する基板とを備え、
前記セメントが、前記透明導電性酸化物層に対する前記カーボンナノチューブの接着を促進するバインダー物質として機能する、対向電極構造体。
A counter electrode structure for a dye-sensitized solar cell,
A carbon-cement catalyst layer,
Cement with calcined limestone and clay material;
A carbon-cement catalyst layer comprising carbon nanotubes mixed with the cement;
A transparent conductive oxide layer in contact with the catalyst layer;
A substrate having the transparent conductive oxide layer and the catalyst layer;
The counter electrode structure, wherein the cement functions as a binder material that promotes adhesion of the carbon nanotubes to the transparent conductive oxide layer.
導電性ポリマーを含まない請求項1に記載の対向電極構造体。   The counter electrode structure according to claim 1, which does not contain a conductive polymer. 前記カーボン‐セメント触媒層が、電解液系の三ヨウ化物及びヨウ化物の酸化還元対として機能し、前記透明導電性酸化物層が、負荷から前記カーボン‐セメント触媒層までの電子キャリアとして機能する、請求項1又は2に記載の対向電極構造体。   The carbon-cement catalyst layer functions as an oxidation-reduction pair of electrolyte-based triiodide and iodide, and the transparent conductive oxide layer functions as an electron carrier from a load to the carbon-cement catalyst layer. The counter electrode structure according to claim 1 or 2. 前記セメントが、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、三酸化硫黄、酸化マグネシウム、及び酸化鉄を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   The counter electrode structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the cement includes silicon dioxide, aluminum oxide, calcium oxide, sulfur trioxide, magnesium oxide, and iron oxide. 前記セメントが、合計100体積%の量に対して10.0〜20.0体積%の炭素と、2.0〜10.0体積%のケイ素と、30.0〜60.0体積%の酸素と、1.0〜5.0体積%のアルミニウムと、0.2〜5.0体積%の鉄と、0.5〜5.0体積%の硫黄と、10.0〜40.0体積%のカルシウムと、0.1〜1.0体積%のマグネシウムとを備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   The cement comprises 10.0 to 20.0 vol% carbon, 2.0 to 10.0 vol% silicon, and 30.0 to 60.0 vol% oxygen for a total volume of 100 vol%. 1.0-5.0 vol% aluminum, 0.2-5.0 vol% iron, 0.5-5.0 vol% sulfur, 10.0-40.0 vol% The counter electrode structure according to any one of claims 1 to 4, further comprising 0.1 to 1.0% by volume of magnesium. 前記カーボン‐セメント触媒層が、炭素、ケイ素、酸素、アルミニウム、鉄、硫黄、カルシウム、及びマグネシウムを備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   The counter electrode structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon-cement catalyst layer comprises carbon, silicon, oxygen, aluminum, iron, sulfur, calcium, and magnesium. 前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、及び多層カーボンナノチューブのうち少なくとも一種を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   The counter electrode structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon nanotubes include at least one of single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes. カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比が、27:73と37:63との間である、請求項1から7のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   The counter electrode structure according to any one of claims 1 to 7, wherein the weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement is between 27:73 and 37:63. 前記カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比が、9.3%以上のパワー変換効率を与えるように選択されている、請求項8に記載の対向電極構造体。   9. The counter electrode structure of claim 8, wherein the weight percentage ratio of the carbon nanotubes to cement is selected to provide a power conversion efficiency of 9.3% or greater. 前記カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比が、29.0:71.0である、請求項8又は9に記載の対向電極構造体。   10. A counter electrode structure according to claim 8 or 9, wherein the weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement is 29.0: 71.0. 前記カーボン‐セメント触媒層が10.0〜100.0マイクロメートルの厚さを有する、請求項1から10のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   11. The counter electrode structure according to any one of claims 1 to 10, wherein the carbon-cement catalyst layer has a thickness of 10.0 to 100.0 micrometers. 前記透明導電性酸化物層が、フッ素ドープ酸化錫、インジウムドープ二酸化錫、アルミニウムドープ酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛、ゲルマニウムドープ酸化インジウム、金属チタン、及びステンレス鋼金属のうち一種を備える、請求項1から11のいずれか一項に記載の対向電極構造体。   The transparent conductive oxide layer comprises one of fluorine-doped tin oxide, indium-doped tin dioxide, aluminum-doped zinc oxide, gallium-doped zinc oxide, germanium-doped indium oxide, metallic titanium, and stainless steel metal. To 11. The counter electrode structure according to any one of 11 to 11. 色素増感太陽電池用のカーボン‐セメント対向電極構造体を製造するための方法であって、
カーボンナノチューブをセメント粉末と共にすりつぶして、均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物を得るステップと、
前記均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に脱イオン水を加えて、ペーストを形成するステップと、
前記ペーストをすりつぶして、均一なペーストを形成するステップと、
透明導電性酸化物層を有する基板を提供するステップと、
前記均一なペーストを前記基板の上にコーティングするステップと、
前記基板の上にコーティングされたペーストを乾燥させるステップとを備える方法。
A method for producing a carbon-cement counter electrode structure for a dye-sensitized solar cell, comprising:
Grinding carbon nanotubes with cement powder to obtain a uniform carbon nanotube-cement powder mixture;
Adding deionized water to the uniform carbon nanotube-cement powder mixture to form a paste;
Grinding the paste to form a uniform paste;
Providing a substrate having a transparent conductive oxide layer;
Coating the uniform paste on the substrate;
Drying the paste coated on the substrate.
前記脱イオン水を加えることが、1体積部の均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に対して8体積部の脱イオン水を加えることを備える、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein adding the deionized water comprises adding 8 parts by volume of deionized water to 1 part by volume of the uniform carbon nanotube-cement powder mixture. 前記ペーストを乾燥させることが、前記ペーストを空気乾燥させることを備える、請求項13又は14に記載の方法。   15. A method according to claim 13 or 14, wherein drying the paste comprises air drying the paste. 前記ペーストを乾燥させることが、17〜35℃の間の周囲温度において前記ペーストを空気乾燥させることを備える、請求項15に記載の方法。   16. The method of claim 15, wherein drying the paste comprises air-drying the paste at an ambient temperature between 17-35 ° C.
JP2017554603A 2015-04-28 2016-04-27 Carbon nanotube-cement composite compositions for catalysts on the counter electrode of dye-sensitized solar cells Expired - Fee Related JP6522152B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TH1501002551A TH171264A (en) 2015-04-28 Rear electrodes of a dye-sensitized solar cell using carbon nanotubes. Mixed with cement as a catalyst
TH1501002551 2015-04-28
PCT/TH2016/000042 WO2016175714A1 (en) 2015-04-28 2016-04-27 Carbon nanotube - cement composite composition for catalysis on counter electrodes of dye sensitized solar cells

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018515915A true JP2018515915A (en) 2018-06-14
JP6522152B2 JP6522152B2 (en) 2019-05-29

Family

ID=56137500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017554603A Expired - Fee Related JP6522152B2 (en) 2015-04-28 2016-04-27 Carbon nanotube-cement composite compositions for catalysts on the counter electrode of dye-sensitized solar cells

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6522152B2 (en)
WO (1) WO2016175714A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114441573B (en) * 2021-12-29 2023-07-28 广西科技大学 Novel scanning electron microscope sample preparation method convenient for observing morphology of graphene-regulated cement hydration crystals

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008218180A (en) * 2007-03-05 2008-09-18 Japan Carlit Co Ltd:The Counter electrode for dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell equipped with the electrode
US20100084007A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-08 Seong-Mu Jo Modified carbon nanotube grafted by living polymer, carbon nanotube electrode and dye-sensitized solar cell using the same, and each preparation method thereof
WO2014148598A1 (en) * 2013-03-21 2014-09-25 日本ゼオン株式会社 Dye-sensitized solar-cell element
JP2014529325A (en) * 2011-06-23 2014-11-06 モレキュラーレバー デザイン,エルエルシー Nanoplate-nanotube composite, method for producing the same, and product obtained therefrom
WO2015141541A1 (en) * 2014-03-19 2015-09-24 国立大学法人東京大学 Photoelectric conversion cathode, cathode-forming slurry, and method for producing same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2501119A (en) * 2012-04-13 2013-10-16 Trinity College Dublin Dye-sensitized solar cell counter electrode

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008218180A (en) * 2007-03-05 2008-09-18 Japan Carlit Co Ltd:The Counter electrode for dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell equipped with the electrode
US20100084007A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-08 Seong-Mu Jo Modified carbon nanotube grafted by living polymer, carbon nanotube electrode and dye-sensitized solar cell using the same, and each preparation method thereof
JP2014529325A (en) * 2011-06-23 2014-11-06 モレキュラーレバー デザイン,エルエルシー Nanoplate-nanotube composite, method for producing the same, and product obtained therefrom
WO2014148598A1 (en) * 2013-03-21 2014-09-25 日本ゼオン株式会社 Dye-sensitized solar-cell element
WO2015141541A1 (en) * 2014-03-19 2015-09-24 国立大学法人東京大学 Photoelectric conversion cathode, cathode-forming slurry, and method for producing same

Also Published As

Publication number Publication date
JP6522152B2 (en) 2019-05-29
WO2016175714A1 (en) 2016-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mehmood et al. Effect of graphene contents in polyaniline/graphene composites counter electrode material on the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells (DSSCSs)
Li et al. High-performance and low platinum loading Pt/Carbon black counter electrode for dye-sensitized solar cells
Vijaya et al. MoS2 nanosheets based counter electrodes: An alternative for Pt-free dye-sensitized solar cells
Miyasaka et al. Photovoltaic performance of plastic dye-sensitized electrodes prepared by low-temperature binder-free coating of mesoscopic titania
Huo et al. High performance sponge-like cobalt sulfide/reduced graphene oxide hybrid counter electrode for dye-sensitized solar cells
Usui et al. Improved dye-sensitized solar cells using ionic nanocomposite gel electrolytes
Joshi et al. Nickel incorporated carbon nanotube/nanofiber composites as counter electrodes for dye-sensitized solar cells
Zheng et al. Flowerlike molybdenum sulfide/multi-walled carbon nanotube hybrid as Pt-free counter electrode used in dye-sensitized solar cells
Lin et al. Hydrothermal synthesis of graphene flake embedded nanosheet-like molybdenum sulfide hybrids as counter electrode catalysts for dye-sensitized solar cells
Yue et al. Glucose aided synthesis of molybdenum sulfide/carbon nanotubes composites as counter electrode for high performance dye-sensitized solar cells
Wei et al. Expanded graphite/pencil-lead as counter electrode for dye-sensitized solar cells
Jiang et al. Cobalt-nickel based ternary selenides as high-efficiency counter electrode materials for dye-sensitized solar cells
Yang et al. In situ Sn-doped WO 3 films with enhanced photoelectrochemical performance for reducing CO 2 into formic acid
Huang et al. Solution-processed relatively pure MoS2 nanoparticles in-situ grown on graphite paper as an efficient FTO-free counter electrode for dye-sensitized solar cells
Park et al. Application of single walled carbon nanotubes as counter electrode for dye sensitized solar cells
Al-bahrani et al. NiO-NF/MWCNT nanocomposite catalyst as a counter electrode for high performance dye-sensitized solar cells
Wang et al. g-C3N4/conductive carbon black composite as Pt-free counter electrode in dye-sensitized solar cells
Wu et al. TiC/Pt composite catalyst as counter electrode for dye-sensitized solar cells with long-term stability and high efficiency
Khalili et al. Composite films of metal doped CoS/carbon allotropes; efficient electrocatalyst counter electrodes for high performance quantum dot-sensitized solar cells
Karthick et al. Free-standing graphene/NiMoS paper as cathode for quasi-solid state dye-sensitized solar cells
Mehmood Efficient and economical dye-sensitized solar cells based on graphene/TiO2 nanocomposite as a photoanode and graphene as a Pt-free catalyst for counter electrode
Wu et al. Cyclic voltammetric deposition of discrete nickel phosphide clusters with mesoporous nanoparticles on fluorine-doped tin oxide glass as a counter electrode for dye-sensitized solar cells
Jia et al. Influence of deposition voltage of cobalt diselenide preparation on the film quality and the performance of dye-sensitized solar cells
Jia et al. Cobalt selenide/tin selenide hybrid used as a high efficient counter electrode for dye-sensitized solar cells
Jia et al. High-performance molybdenum diselenide electrodes used in dye-sensitized solar cells and supercapacitors

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180330

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190308

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190401

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190423

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6522152

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees