JP4323457B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に係り、さらに詳細には電気化学的原理を利用した色素感応太陽電池及びその製造方法に関する。
色素感応太陽電池は、可視光線を吸収して電子・正孔対を生成できる感光性色素分子と、生成された電子を伝達する酸化チタンからなる酸化物半導体電極とを利用した光電気化学的太陽電池である。
図1は、このような色素感応太陽電池を概略的に図示したものであり、第1及び第2電極1,2が備わっており、その間に色素5が吸着された多孔質膜3と、電解質4とが介在されている。
既存のシリコン太陽電池は、太陽エネルギーの吸収過程と、電子・正孔対の分離による起電力生産過程とがシリコン半導体内で同時に起こるが、これに比べて色素感応太陽電池では、太陽エネルギーの吸収過程と電荷移動過程とが分離される。具体的には、色素感応太陽電池では、太陽エネルギーの吸収は色素が担当し、電荷の移動は半導体が担当する。
図1で、色素感応太陽電池内に太陽光熱が入射されれば、光量子は、まず色素5に吸収され、励起状態になった色素が電子を多孔質膜3をなす遷移属酸化物の伝導帯に送る。ここで、電子は、第1電極1に移動した後、外部回路に流れて電気エネルギーを伝達し、エネルギーを伝達しただけ低いエネルギー状態になって第2電極2に移動する。
色素5は、多孔質膜3の遷移属酸化物に伝達した個数の電子が電解質4から供給され元来の状態に戻る。電解質4は、酸化還元により第2電極2から電子を受けて色素5に伝達する役割を担当する。
このような色素感応太陽電池は、既存のシリコン太陽電池に比べて製造コストが低くて環境的に馴染みやすく、フレキシブルに製作できるという利点があるが、エネルギー変換効率(energy conversion efficiency)が低く、実際の適用においては、制限があるという実情がある。
太陽電池において、エネルギー変換効率、すなわち、光電変換効率は、太陽光の吸収により生成された電子の量に比例するが、この効率を高めるためには、太陽光の吸収を増加させるか、または色素の吸着量を増やして電子の生成量を増やすこともあり、または生成された励起電子が電子・正孔再結合により消滅することを防ぐこともある。
単位面積当たりの色素の吸着量を増やすために、酸化物半導体の粒子をナノレベルで製造する方法などが開発されており、太陽光の吸収を増やすために、白金電極の反射率を高めたり、または数ミクロンサイズの半導体酸化物の光散乱子を混ぜたりして製造する方法などが開発されている。
しかし、かかる従来方法では、太陽電池の光電変換効率の向上に限界があり、従って効率向上のための新しい技術開発が切実に要請されているというのが実情である。
一方、前記図1に図示されたような色素感応太陽電池では、太陽電池特性を劣化させる界面が存在するが、このうち、代表的なものとしては、多孔質膜3をなす遷移属酸化物の粒子と電解質4との界面と、多孔質膜3が塗布された第1電極1と電解質4との界面とを挙げることができる。
遷移属酸化物の粒子と電解質との界面は、色素分子から遷移属酸化物粒子に伝えられた電子が電解質内の酸化ヨウ素イオンと還元反応するように作用し、遷移属酸化物から電極に伝えられる電子濃度を低くし、その結果、太陽電池の開放電圧(Voc:open circuit Voltage)、短絡電流(Isc:short circuit current)、充密度(FF:Fill Factor)特性を劣化させる。
多孔質膜が塗布された第1電極と電解質との界面は、電荷集電特性に影響を及ぼすことがある。電荷集電特性は、再結合速度と集電速度の二要因により左右される。再結合速度の場合、電極内の電子と電解質内の酸化ヨウ素イオンとの還元反応に起因する。これと共に、電極と電解質との界面特性を改善するにおいて、再結合界面反応を弱めるだけでなく、集電速度を向上させることもまた非常に重要な技術的要求である。
本発明は、前述の課題を解決するためのものであり、本発明の目的は、色素感応太陽電池の光電変換効率を向上させることである。
本発明の他の目的は、色素感応太陽電池の光電変換効率を向上させるために電子・正孔再結合を防止することである。
本発明のさらに他の目的は、多孔質膜が塗布された電極と電解質との界面特性を向上させ、これにより電子集電特性を向上させようとするところにある。
前記の目的を達成するために、本発明は、互いに対向した第1及び第2電極と、前記第1及び第2電極間に介在され、色素が吸着されている多孔質膜と、前記第1及び第2電極間に介在された電解質と、前記第1電極及び多孔質膜間に介在され、少なくとも二つのた緩衝層とを含むことを特徴とする太陽電池を提供する。
前記多孔質膜は、遷移属酸化物のナノ粒子うる。
前記多孔質膜は、Ti酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、In酸化物、Yr酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物、及びSrTi酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物うる。
前記ナノ粒子の平均粒径は、100nm以下であって、望ましくは10−40nmでありうる。
前記多孔質膜は電子移動を容易にする導電性微粒子と、前記多孔質膜をなす物質と同じ物質により形成され、光路を延長させて太陽光の吸収を増加させる光散乱子と、を備え、前記導電性微粒子と前記光散乱子のうち少なくとも一つが添加されうる。
前記緩衝層は、前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第1層と、前記第1層と前記多孔質膜との間に介在され、前記第1層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第2層とを含むことができる。
前記第1層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することができる。
前記第2層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することができる。
前記第1層は、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
前記第2層は、Ti酸化物、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
前記第1電極は、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
前記第2電極は、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
前記第2電極は、Ptまたは貴金属物質を含むことができる。
前記色素は、前記ナノ粒子の表面に吸着されているものでありうる。
前記色素は、Ru複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含むことができる。
本発明は、また、前述した目的を達成するために、第1及び第2電極を準備する段階と、前記第1電極の一面上に少なくとも二つのた緩衝層を形成する段階と、前記緩衝層上に多孔質膜を形成する段階と、前記多孔質膜に色素を吸着させる段階と、前記多孔質膜上に前記第2電極を配置させ、前記多孔質膜及び第2電極間に電解質を埋め込むように、前記第1及び第2電極を密封する段階とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する。
前記緩衝層を形成する段階は、前記第1電極の一面上に前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第1層を形成する段階と、前記第1層の一面上に前記第1層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第2層を形成する段階とを含むことができる。
前記第1層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成できる。
前記第2層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成できる。
前記第1層は、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
前記第2層は、Ti酸化物、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング、化学気相蒸着(CVD)、蒸気蒸着、熱酸化、電気化学的蒸着のうち、いずれか一つの方法によるものでありうる。
前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング方法により常温ないし400℃の温度で1ないし400nmの厚さに蒸着することでありうる。
前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を遷移属酸化物のナノ粒子で形成する段階でありうる。
前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を構成する粒子の分散液を塗布した後で乾燥させる段階でありうる。
前記多孔質膜は、Ti酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、In酸化物、Yr酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物、及びSrTi酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物うる。
前記多孔質膜を形成する段階は、前記分散液に電子移動を容易にする導電性微粒子を添加するか、または平均粒径が150nm以上の前記多孔質膜と同じ物質であって光路を延長させて太陽光の吸収を増加させる光散乱子を添加するか、または導電性微粒子及び光散乱子のいずれをも添加する段階がさらに含まれうる。
前記色素を吸着させる段階は、前記色素を前記ナノ粒子の表面に吸着させる段階でありうる。
前記色素を吸着させる段階は、前記色素にRu複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含む段階を含むことができる。
前記第1電極を準備する段階は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド(PI)、トリアセチルセルロース(TAC)のうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む伝導性フィルムをコーティングすることでありうる。
前記第2電極を準備する段階は、PET、PEN、PC、PP、PI、TACのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む第1伝導性フィルムをコーティングし、前記第1伝導性フィルム上にPtまたは貴金属物質を含んだ第2伝導性フィルムをコーティングすることでありうる。
本発明によれば次のような効果を得ることができる。
第一に、第1電極と電解質との界面特性を改善させ、界面での電子・正孔再結合を減らして電子集電特性を向上させることができる。
第二に、緩衝層と多孔質膜との界面での熱ストレスを緩和させ、緩衝層と多孔質膜との界面特性を優秀にできる。
第三に、第1電極と多孔質膜との接着力をさらに向上させることができる。
第四に、電解質が第1電極に直接着くことを防止する役割を行わせ、切断防止による効率向上の効果をもたらす。
第五に、高効率色素感応太陽電池の製造及び製造コストを節減できる。
以下、本発明を添付された図面を参照してさらに詳細に説明する。
図2は、本発明の望ましい一実施形態による色素感応太陽電池の構造を図示した断面図である。
本発明の一実施形態による色素感応太陽電池の基本構造は、図2に図示されているように、2枚のプレート状電極である第1及び第2電極10,20が互いに対向したサンドイッチ構造であり、第1電極10の一面にはナノ粒子からなる多孔質膜30が塗布されており、多孔質膜30のナノ粒子表面には、可視光吸収で電子が励起される光感応色素が吸着されている。前記第1及び第2電極10,20は、支持台60により接合されて固定され、それらの間の空間は酸化還元用の電解質40で充填されている。図2では、電解質40が多孔質膜30と第2電極20の間に位置すると図示されているが、それは製造過程を説明するためのものであり、必ずしもそれに限定されず、電解質40は、第1及び第2電極10,20間の空間に満たされうる。
前記第1電極10は、PET、PEN、PC、PP、PI、TACのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板、またはガラス基板11上にInSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む伝導性フィルム12がコーティングされたものを使用する。
前記第1電極10の一面には、少なくとも2層で備わった緩衝層50が形成される。
緩衝層50は、その上に形成される多孔質膜30の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する物質からなる第1層51と、前記第1層51の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第2層52とを備える。それら第1及び第2層51,52は、多孔質膜30のナノ粒子よりさらに小粒を有して組織がさらに緻密である。
前記第1層51により、第1電極10と電解質40との界面特性を改善させ、界面での電子・正孔再結合を減らして電子集電特性を向上させる。
ところで、前記緩衝層50は、後述の如く、多孔質膜30との熱膨張係数の差により、その製造過程で多孔質膜30との界面に熱ストレスを受けて界面劣化現象が起こりうる。
本発明は、かかる緩衝層50での熱ストレスを緩和するために、第1層51と多孔質膜30との間に第2層52を介在させる。この第2層52は、第1層51と同様に、多孔質膜30より緻密に形成し、緩衝層50としての機能を行わせ、第1層51の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有させ、むしろ多孔質膜30と同じ物質より形成することにより、製造過程で第1層51と多孔質膜30との界面での熱ストレスを緩和する。これにより、第1電極10と多孔質膜30との接着力をさらに向上させ、電解質40が第1電極10に直接着くことを防止する役割を行い、切断防止による効率向上の効果をもたらす。
緩衝層50のうち、第1層51は、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つで備わりうる。
前記第2層52は、Ti酸化物、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つで備わりうる。
かかる緩衝層50の第1及び第2層51,52は、スパッタリング、化学気相蒸着(CVD)、蒸気蒸着、熱酸化、電気化学的蒸着などの方法により形成できるが、この他にも膜を緻密に形成できるものであるならば、いかなる方法によってもよい。第1及び第2層51,52の製造方法の一例として、スパッタリング方法により、常温ないし400℃の温度で、1ないし400nmの厚さに形成できる。
前記緩衝層50の一面に備わった多孔質膜30は、遷移属酸化物のナノ粒子からなり、Ti酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、In酸化物、Yr酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物、及びSrTi酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物からなりうる。
これは、前述の遷移属酸化物を含むペーストを緩衝層50の一面にコーティングした後、熱処理することにより多孔質膜を形成する。コーティング法によって要求されるペーストの物性も少しずつ変わる。一般的に、ドクターブレードまたはスクリーンプリントなどの方法によりペーストをコーティングし、透明膜形成のためには、スピンコーティングまたはスプレー方法を利用することもある。この他にも、スクイズを含んで一般的な湿式コーティング方法を適用できる。
熱処理は、バインダを添加した場合、450−600℃で30分ほど行い、バインダを添加しない場合、200℃でも可能である。
また、多孔質膜30の多孔性を維持するための目的として、多孔質膜30に高分子を添加して熱処理(400〜600℃)すれば、多孔性の強い塗布膜が得られるが、このときには、熱処理後に有機物が残存しない高分子を選択しなければならない。
適した高分子としては、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルピリドン(PVP)などがある。このうち、塗布法を含んだ塗布条件を考慮し、適した分子量を有するものに選択して添加すればよい。かかる高分子を添加すれば、多孔性向上以外にも、分散性向上、粘度上昇で、成膜性及び基盤との付着力も向上させることができる。
多孔質膜30は、ナノミリメートルレベルの粒径を有するナノ粒子が均一に分布して多孔性を維持しつつ、表面に適当な粗度を有するように形成することが重要である。ナノ粒子は、平均粒径100nm以下であり、望ましくは10−40nmの粒径を有し、また表面粗度は、20nm以上であることが望ましい。
多孔質膜30をなす代表的な物質として、TiOの粒径別効率を検討してみれば、TiOの粒径が10nm以下と小さければ、成膜後の熱処理時に、基盤との密着性が低下して剥離が起きる。一方、TiOの粒径が40nm超過と大きくなれば、表面積の減少で色素吸着ポイントが減少して光電変換効率が下降する。従って、工程性と効率とを同時に考慮した結果、10〜40nm粒径のTiOを利用して多孔質膜を形成することが望ましい。
かかる多孔質膜30には、電子移動を容易にするために、ITOのような導電性微粒子を添加することもあり、または光路を延長させて効率を向上させる目的として光散乱子を添加することもでき、または導電性微粒子及び光散乱子いずれをも添加することもできる。光散乱子は、多孔質膜をなす物質と同じものであり、平均粒径が150nm以上と大きいものが使われうる。
多孔質膜30のナノ粒子の表面に吸着されている色素としては、Ru複合体を含んで可視光を吸収できる物質からなる。Ruは、白金族に属する元素であり、多くの有機金属複合化合物を作ることができる元素である。
太陽電池用に適した色素として、最も一般的なものは、Ru(etc bpy)2(NCS)22CH3CNタイプが多用されている。ここで、etcは(COOEt)2 or (COOH)2であり、孔質膜30、例えばTiO表面と結合可能な反応基である。この他にも、可視光内の長波長吸収を改善して効率を向上させる色素、及び電子放出の容易な新しいタイプの色素を開発しており、色素の反応基を改善して電子と正孔との再結合を防止して効率を向上させようとするのである。
また、多様なカラーの有機色素は、低価格ながらも素材が豊富であって活用可能性の高い素材として、効率向上のための検討が活発に進行中である。有機色素としては、キュマリン(Cuemarine)、ポリフィリンの一種であるpheophorbide aなどを、単独、またはRu複合体と混合使用し、長波長の可視光吸収を改善して効率を向上させることができる。
かような色素の吸着は、色素を溶解させたアルコール溶液に多孔質膜を浸漬させた後、12時間ほど過ぎれば、自然吸着される。
第2電極20は、PET、PEN、PC、PP、PI、TACのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板、またはガラス基板21上に、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む第1伝導性フィルム22がコーティングされており、第1伝導性フィルム22上に、Ptまたは貴金属物質を含んだ第2伝導性フィルム23がコーティングされたものを使用する。Ptは、反射度にすぐれるために好まれる。
第1及び第2電極10,20は、接着フィルムや、またはその他商品名surlynのような熱可塑性高分子フィルムなどの支持台60を使用して互いに接合され、これによりその内部が密封される。その後、第1及び第2電極10,20を貫通する微細ホールを形成し、このホールを介して二電極間の空間に電解質溶液を注入した後、再びホールの内部を接着剤で充填して密封する。
前記支持台60以外に、エポキシ樹脂または紫外線(UV)硬化性などの接着剤を利用して第1及び第2電極10,20を直接接合、密封でき、この場合、熱処理またはUV処理後に硬化させることもできる。
電解質40は、図2で、説明の便宜上一層で図示されているが、実際には、第1及び第2電極10,20間の空間で、多孔質膜30の内部で均一に分散されている。
電解質40は、ヨウ化物/triodide対であり、酸化、還元により相対電極から電子を受けて色素に伝達する役割を行い、開放回路電圧は、多孔質膜のフェルミエネルギー準位と電解質の酸化、還元準位との差により決定される。
以下、前述のような本発明による色素感応太陽電池の製造方法について詳細に説明する。
まず、透光性物質からなる第1及び第2電極10,20を準備し、その後第1電極10の一面上に第1層51を形成した後、その一面上に第2層52を形成し、緩衝層50を形成する。その後、緩衝層50上に多孔質膜30を形成する。緩衝層50及び多孔質膜30の形成方法は、前述の如くである。
次に、多孔質膜30に色素を吸着させた後、第1電極10の多孔質膜30と対面するように第2電極20を配置させ、多孔質膜30及び第2電極20間に電解質40を埋め込んで密封することにより、色素感応太陽電池の製造を完了する。
以下、実施例1及び2を介して、本発明をさらに詳細に説明する。それら実施例1及び2は、本発明を詳細に説明する一例であり、本発明がそれら実施例に限定されるものではない。
<実施例>
第1電極10のITOからなる伝導性フィルム12上にRFマグネトロンスパッタリング装備を利用し、10nm厚さの緻密なW酸化物の第1層51を蒸着した。蒸着条件は、W酸化物をスパッタリングターゲットとして、100W、Ar雰囲気、10mTorrの作業圧力下で常温蒸着した。
次に、前記第1層51mp上に、稠密なTi酸化物第2層52を15nm厚さに蒸着した。Ti酸化物第2層52の蒸着条件は、Ti酸化物をスパッタリングターゲットとして、300W、Ar雰囲気、10mTorrの作業圧力下で常温蒸着した。
このように蒸着された稠密なTi酸化物の第2層52上に、粒径5−15nmほどのサイズのTi酸化物の粒子分散液をドクターブレード法を利用して1cmの面積に塗布し、450℃で30分間熱処理焼成工程を行い、10μm厚さの多孔質膜30を製作した。
その後、80℃で試片を保持した後、エタノールに溶解された0.3mM Ru(4,4’−dicarboxy−2,2’−bipyridine)(NCS)色素の色素液に浸漬し、色素吸着処理を12時間以上行った。その後、色素吸着された多孔質膜30をエタノールを利用して洗い落として常温乾燥した。
第2電極20は、ITOからなる第1伝導性フィルム22上にスパッタリングを利用し、Ptからなる第2伝導性フィルム23を蒸着し、電解液16注入のために0.75mm径のドリルを利用して微細穴を作った。
60μm厚さの熱可塑性高分子フィルムからなる支持台60を多孔質膜30の形成された第1及び第2電極10,20間に置き、100℃で9秒圧着させることにより二電極を接合させた。
そして、第2電極20に形成された微細穴を介して酸化・還元電解質40を注入し、カバーガラスと熱可塑性高分子フィルムとを利用し、微細穴を塞ぐことにより色素感応太陽電池を製作した。
このとき利用された酸化・還元電解質16は、21.928gのテトラプロピルアンモニウムヨウ化物と1.931gのI2とをエチレンカーボネート80%、アセトニトリル20%からなる溶媒に溶解させたものを利用した。
このように製造された実施例1による太陽電池の効率、開放電圧、短絡電流、充填比は、100mW/cm光度の光源とSi標準セルとを利用して測定した電流・電圧曲線から評価された。図3のIは、実施例1により製作された太陽電池の電流・電圧曲線を示し、効率4.46%、開放電圧0.74V、短絡電流11mA/cm、充填比0.55を示した。
<比較例1>
第1電極10の伝導性フィルム12上に実施例2と同じ過程でRFマグネトロンスパッタリング装備を利用し、10nm厚さの稠密なW酸化物第1層51を蒸着した後、第1層51上にTi酸化物粒子分散液を利用して多孔質膜30を形成し、この後、実施例1と同じ過程を経て太陽電池を製作した。
電流・電圧特性は、図3のIIに表したが、特性値は、効率3.39%、開放電圧0.72V、短絡電流11mA/cm、充填比0.43を示した。
<比較例2>
第1電極10の伝導性フィルムI上にTi酸化物粒子分散液を利用して多孔質膜30を形成し、この後実施例1と同じ過程を経て太陽電池を製作した。
電流・電圧特性は、図3のIIIに表したが、特性値は、効率3.27%、開放電圧0.71V、短絡電流10.6mA/cm、充填比0.44を示した。
このように、本発明による実施例と比較例1,2の特性値を比較する時、本発明のように、多層膜緩衝層を利用することにより高効率色素感応太陽電池を製作できることが分かる。
図4A及び図4Bは、緩衝層50と多孔質膜30との界面特性を知るためのものであり、前記の実施例と比較例1とで、W酸化物の第1層51を厚さ40nmに蒸着して光負極を完成した後で多孔質膜の上部から観察した表面イメージを表したものである。
図4A及び図4Bで分かるように、本発明による実施例の場合が界面特性がさらに優秀であって多孔質膜30が均一に形成されているが、比較例1の場合は、450℃の焼成過程中に緩衝層50と多孔質膜30との熱膨張係数差(Ti酸化物:3.76×10−6/℃、W酸化物:8.19×10−6/℃)に起因し、界面特性が劣化することが分かる。
本明細書では、本発明を限定された実施形態を中心に説明したが、本発明の範囲内で多様な実施形態が可能である。また、説明されていないが、均等な手段もまた本発明にそのまま結合されるであろう。よって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるものである。
本発明の太陽電池、並びに該製造方法は、例えば太陽光の光電変換関連技術分野に効果的に適用可能である。
従来の色素感応太陽電池の概略図である。 本発明の望ましい実施形態によって製造された色素感応太陽電池を概略的に図示した断面図である。 本発明の実施例による色素感応太陽電池について、交流インピーダンス特性を測定した結果を図示したグラフである。 本発明の実施例と比較例1の表面イメージ写真である。 本発明の実施例と比較例1の表面イメージ写真である。
符号の説明
10,20 第1及び第2電極
11,21 ガラス基板
12 伝導性フィルム
22,23 第1及び第2伝導性フィルム
30 多孔質膜
40 電解質
50 緩衝層
51,52 第1及び第2層
60 支持台

Claims (32)

  1. 互いに対向した第1及び第2電極と、
    前記第1及び第2電極間に介在され、色素が吸着されている多孔質膜と、
    前記第1及び第2電極間に介在された電解質と、
    前記第1電極及び多孔質膜間に介在され、少なくとも二つのた緩衝層と、を含むことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記多孔質膜は、遷移属酸化物のナノ粒子たことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記多孔質膜は、Ti酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、In酸化物、Yr酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物、及びSrTi酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物たことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  4. 前記ナノ粒子の平均粒径は、100nm以下であることを特徴とする請求項2に記載の太陽電池。
  5. 前記ナノ粒子の平均粒径は、10−40nmであることを特徴とする請求項4に記載の太陽電池。
  6. 前記多孔質膜は電子移動を容易にする導電性微粒子と、前記多孔質膜をなす物質と同じ物質により形成され、光路を延長させて太陽光の吸収を増加させる光散乱子と、を備え、前記導電性微粒子と前記光散乱子のうち少なくとも一つが添加されたことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  7. 前記緩衝層は、
    前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第1層と、
    前記第1層と前記多孔質膜との間に介在され、前記第1層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第2層とを含むことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  8. 前記第1層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することを特徴とする請求項7に記載の太陽電池。
  9. 前記第2層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することを特徴とする請求項7に記載の太陽電池。
  10. 前記第1層は、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池。
  11. 前記第2層は、Ti酸化物、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項10に記載の太陽電池。
  12. 前記第1電極は、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  13. 前記第2電極は、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  14. 前記第2電極は、Ptまたは貴金属物質を含むことを特徴とする請求項13に記載の太陽電池。
  15. 前記色素は、前記ナノ粒子の表面に吸着されていることを特徴とする請求項2に記載の太陽電池。
  16. 前記色素は、Ru複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含むことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  17. 第1及び第2電極を準備する段階と、
    前記第1電極の一面上に少なくとも二つのた緩衝層を形成する段階と、
    前記緩衝層上に多孔質膜を形成する段階と、
    前記多孔質膜に色素を吸着させる段階と、
    前記多孔質膜上に前記第2電極を配置させ、前記多孔質膜及び第2電極間に電解質を埋め込むように、前記第1及び第2電極を密封する段階と、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  18. 前記緩衝層を形成する段階は、
    前記第1電極の一面上に前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第1層を形成する段階と、
    前記第1層の一面上に前記第1層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第2層を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  19. 前記第1層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成することを特徴とする請求項18に記載の太陽電池の製造方法。
  20. 前記第2層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成することを特徴とする請求項18に記載の太陽電池の製造方法。
  21. 前記第1層は、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項18に記載の太陽電池の製造方法。
  22. 前記第2層は、Ti酸化物、W酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、SrTi酸化物、FeTi酸化物、MnTi酸化物、BaTi酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項21に記載の太陽電池の製造方法。
  23. 前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング、化学気相蒸着、蒸気蒸着、熱酸化、電気化学的蒸着のうち、いずれか一つの方法によることを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  24. 前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング方法により常温ないし400℃の温度で1ないし400nmの厚さに蒸着することを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  25. 前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を遷移属酸化物のナノ粒子で形成する段階であることを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  26. 前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を構成する粒子の分散液を塗布した後で乾燥させることを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  27. 前記多孔質膜は、Ti酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、In酸化物、Yr酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物、及びSrTi酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物えたことを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  28. 前記多孔質膜を形成する段階は、前記分散液に電子移動を容易にする導電性微粒子を添加するか、または平均粒径が150nm以上の前記多孔質膜と同じ物質であって光路を延長させて太陽光の吸収を増加させる光散乱子を添加するか、または導電性微粒子及び光散乱子のいずれをも添加する段階がさらに含まれることを特徴とする請求項26に記載の太陽電池の製造方法。
  29. 前記色素を吸着させる段階は、前記色素を前記ナノ粒子の表面に吸着させることを特徴とする請求項25に記載の太陽電池の製造方法。
  30. 前記色素を吸着させる段階は、前記色素にRu複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含む段階を含むことを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  31. 前記第1電極を準備する段階は、PET、PEN、PC、PP、PI、TACのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む伝導性フィルムをコーティングすることを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
  32. 前記第2電極を準備する段階は、PET、PEN、PC、PP、PI、TACのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、InSn酸化物、In酸化物、Sn酸化物、Zn酸化物、S酸化物、F酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む第1伝導性フィルムをコーティングし、前記第1伝導性フィルム上にPtまたは貴金属物質を含んだ第2伝導性フィルムをコーティングすることを特徴とする請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
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