JP4334960B2 - Carbon electrode and electrode and dye-sensitized solar cell comprising the same - Google Patents
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Description
本発明は炭素電極並びにこれを備える電極及び色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a carbon electrode, an electrode including the carbon electrode, and a dye-sensitized solar cell.
近年、地球温暖化やエネルギー問題に対する関心の高まりとともに太陽電池の様々な開発が進められている。その太陽電池の中でも、色素増感型太陽電池はグレッツェルらにより提案(例えば、下記特許文献1参照)されて以来、使用する材料が安価であること、比較的シンプルなプロセスで製造できること等の利点からその実用化が期待されている。
In recent years, various developments of solar cells have been promoted with increasing interest in global warming and energy problems. Among the solar cells, since the dye-sensitized solar cell has been proposed by Gretzell et al. (See, for example,
このような色素増感型太陽電池の対極としては、例えば、透明基板上に、Pt等の触媒粒子を付着させた透明導電膜をコートした構成を有するいわゆるPt担持TCOガラス基板(Transparent Conductive Oxide Coated Glass)やPt担持導電性合成樹脂フィルムが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。TCOガラス基板としては、例えば、95%酸化インジウムと 5%酸化錫とからなる化合物(ITO)コートガラスや、フッ素ドープSnO2(FTO)コートガラス等が挙げられ、導電性合成樹脂フィルムとしては導電性PETフィルム等が挙げられる。
As a counter electrode of such a dye-sensitized solar cell, for example, a so-called Pt-supported TCO glass substrate (Transparent Conductive Oxide Coated) having a configuration in which a transparent conductive film in which catalyst particles such as Pt are attached is coated on a transparent substrate. Glass) and Pt-supporting conductive synthetic resin films are known (see, for example,
しかし、上述の対極以外に、電解質中に存在する酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体を還元体に還元する還元反応(例えば、I3 −をI−に還元する還元反応)を速やかに進行させることが可能な優れた電極特性を有し、かつ、製造が容易にできてしかも安価な対極を開発することは、色素増感型太陽電池の実用化の観点から重要であり、これまで様々な検討が行われている。 However, in addition to the counter electrode described above, a reduction reaction (for example, reducing I 3 − to I − ) reduces an oxidized form of a redox pair (for example, I 3 − / I − etc.) present in the electrolyte to a reduced form. From the viewpoint of practical use of dye-sensitized solar cells, the development of a counter electrode that has excellent electrode characteristics that allow a reduction reaction to proceed rapidly, is easy to manufacture, and is inexpensive. It is important and various studies have been conducted so far.
例えば、上記のような検討として、カーボンブラック粒子と、平板状の形状を有するグラファイト粒子(平均粒径:1〜20μm)と、アナターゼ型の酸化チタン粒子(例えば、上記文献の図3を参照)とを構成材料として形成された多孔質の炭素電極が提案されており、さらにこれを対極として使用した色素増感型太陽電池が提案されている(例えば、下記非特許文献1参照)。
For example, as a study as described above, carbon black particles, graphite particles having a flat shape (average particle size: 1 to 20 μm), and anatase-type titanium oxide particles (see, for example, FIG. 3 of the above document) A porous carbon electrode formed as a constituent material has been proposed, and a dye-sensitized solar cell using this as a counter electrode has also been proposed (for example, see Non-Patent
上記の多孔質の炭素電極は、電極内部の細孔中に電解質溶液を取り込むことができるので、先に述べたPt担持TCOガラス基板からなる対極に比較して、電極面積をより大きく確保することが容易であり、また、軽量かつ化学的に安定であり、更に、低コストで様々な形状に容易に形成することができるという利点を有する。 Since the porous carbon electrode can take the electrolyte solution into the pores inside the electrode, the electrode area should be larger than the counter electrode made of the Pt-supported TCO glass substrate described above. Has the advantage that it is easy to form, is light and chemically stable, and can be easily formed into various shapes at low cost.
しかしながら、本発明者らは、先に述べたPt担持TCOガラス基板を対極として備えた色素増感型太陽電池に比較して、上記従来の炭素電極を対極として備える色素増感型太陽電池は、その受光面に照射される光のパワーが最大100mW/cm2の範囲で変動する実用的な作動環境のもとで作動させた場合、比較的高いパワーの光が照射される場合において特に得られる短絡電流密度Jsc[mA・cm−2]及びエネルギー変換効率η[%]が低く、未だ不充分であるという問題があることを見出した。 However, compared with the dye-sensitized solar cell provided with the above-described Pt-supported TCO glass substrate as a counter electrode, the present inventors provide a dye-sensitized solar cell provided with the conventional carbon electrode as a counter electrode, This is particularly obtained when the light receiving surface is irradiated with a relatively high power when operated under a practical operating environment in which the power of the light irradiated on the light receiving surface fluctuates within a range of 100 mW / cm 2 at the maximum. It has been found that the short-circuit current density Jsc [mA · cm −2 ] and the energy conversion efficiency η [%] are low and still insufficient.
例えば、上記従来の炭素電極を対極として備える色素増感型太陽電池は、10mW/cm2の疑似太陽光を照射した場合には、Pt担持TCOガラス基板を対極として備えた電池とほぼ同等の短絡電流密度Jsc及びエネルギー変換効率ηを得ることができるものの、100mW/cm2の疑似太陽光を照射した場合には短絡電流密度Jsc及びエネルギー変換効率ηの低下の度合いが、Pt担持TCOガラス基板を対極として備えた電池に比較して大きくなることを本発明者らは確認した。 For example, a dye-sensitized solar cell provided with the above-described conventional carbon electrode as a counter electrode, when irradiated with 10 mW / cm 2 of pseudo-sunlight, is a short circuit substantially equivalent to a battery provided with a Pt-supported TCO glass substrate as a counter electrode. Although the current density Jsc and the energy conversion efficiency η can be obtained, the degree of decrease in the short-circuit current density Jsc and the energy conversion efficiency η when the pseudo-sunlight of 100 mW / cm 2 is irradiated indicates that the Pt-supported TCO glass substrate The present inventors have confirmed that the size is larger than that of a battery provided as a counter electrode.
上記従来の炭素電極を対極として備える色素増感型太陽電池は、繰り返し使用するにつれて初期に得られる電池特性が低下してしまうという問題があった。すなわち、十分な耐久性が得られないという問題があった。 The dye-sensitized solar cell provided with the above-described conventional carbon electrode as a counter electrode has a problem that the battery characteristics obtained in the initial stage are deteriorated as it is repeatedly used. That is, there is a problem that sufficient durability cannot be obtained.
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、電極表面の酸化還元反応を速やかに進行させることのできる炭素電極を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記炭素電極を備えており、電極表面の酸化還元反応を速やかに進行させることができ、かつ耐久性にも優れた電極を提供することを目的とする。
更に、本発明は、上記炭素電極又は上記電極を対極として備えており、照射される光のパワーが最大100mW/cm2の範囲で変動する場合であっても優れたエネルギー変換効率を得ることができ、かつ、優れた耐久性も得ることができる色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。
This invention is made | formed in view of the subject which the said prior art has, and aims at providing the carbon electrode which can advance the oxidation-reduction reaction of an electrode surface rapidly.
Another object of the present invention is to provide an electrode that is equipped with the carbon electrode and that can rapidly advance the oxidation-reduction reaction on the surface of the electrode and that has excellent durability.
Furthermore, the present invention includes the carbon electrode or the electrode as a counter electrode, and can obtain excellent energy conversion efficiency even when the power of the irradiated light fluctuates within a range of 100 mW / cm 2 at the maximum. An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell that can be used and can also have excellent durability.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、上記従来の炭素電極は、電極内部におけるイオンの拡散速度が充分に得られていないことが上述の問題に大きく影響していることを見出した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have a great influence on the above-mentioned problem that the ion diffusion rate inside the electrode is not sufficiently obtained. I found out.
そして本発明者らは、電極の電気伝導率の向上を目指して更に検討を重ねた結果、上記従来の炭素電極を構成する際に、平板状の形状を有するグラファイト状粒子のかわりに特定の大きさを有する導電性炭素材料からなる柱状の粒子を用いることが、先に述べた長所を失うことなく電極内部におけるイオンの拡散速度の向上を図ることに対して極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 As a result of further investigations aimed at improving the electrical conductivity of the electrode, the present inventors have found that the conventional carbon electrode has a specific size instead of a graphite-like particle having a flat shape. It has been found that using columnar particles made of a conductive carbon material having a thickness is extremely effective for improving the diffusion rate of ions inside the electrode without losing the advantages described above. The invention has been reached.
すなわち、本発明は、細孔を有する多孔質の炭素電極であって、
カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、
柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、底面の直径が50〜500nmであり、かつ、高さが1〜20μmであり、
カーボンブラック状粒子の含有質量W1と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子の含有質量W2と、酸化チタン粒子の含有質量W3とが、下記式(1)及び下記式(2)で表される条件を同時に満たしていること、
を特徴とする炭素電極を提供する。
0.05≦(W1/W2)≦0.4・・・(1)
0.05≦{W3/(W1+W2)}≦0.4・・・(2)
That is, the present invention is a porous carbon electrode having pores,
It contains at least carbon black-like particles, particles made of columnar conductive carbon material, and anatase-type titanium oxide particles as constituent materials,
Particles made of a columnar conductive carbon material have a bottom diameter of 50 to 500 nm and a height of 1 to 20 μm,
The contained mass W1 of the carbon black-like particles, the contained mass W2 of the particles made of the columnar conductive carbon material, and the contained mass W3 of the titanium oxide particles are represented by the following formula (1) and the following formula (2). Meeting the requirements at the same time,
A carbon electrode is provided.
0.05 ≦ (W1 / W2) ≦ 0.4 (1)
0.05 ≦ {W3 / (W1 + W2)} ≦ 0.4 (2)
本発明においては、先に述べた従来の炭素電極に使用されていた平板状の形状を有するグラファイト状粒子のかわりに、上記の特定の大きさを有する柱状の導電性炭素材料からなる粒子を構成材料として使用することにより、得られる炭素電極の電極内部におけるイオンの拡散速度を向上させることができる。 In the present invention, instead of the graphite-like particles having a flat plate shape used in the conventional carbon electrode described above, particles made of a columnar conductive carbon material having the above specific size are formed. By using it as a material, the diffusion rate of ions inside the electrode of the obtained carbon electrode can be improved.
上記の効果を得ることができることについての詳細なメカニズムについては明確に解明されていないが、本発明者らは、以下、図1及び図14を用いて説明するように考えている。図1は、本発明の色素増感型太陽電池に備えられる対極の内部構造を模式的に示す斜視図である。また、図14は、先に述べた従来の色素増感型太陽電池に備えられる対極の内部構造を模式的に示す斜視図である。 Although the detailed mechanism for obtaining the above effect has not been clearly elucidated, the present inventors consider that it will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the internal structure of a counter electrode provided in the dye-sensitized solar cell of the present invention. FIG. 14 is a perspective view schematically showing the internal structure of the counter electrode provided in the above-described conventional dye-sensitized solar cell.
すなわち、本発明者らは、図14に示すように、従来の炭素電極EBの内部の細孔構造は、嵩高い平板状のグラファイト状粒子PBを含む構成材料により形成されているので、細孔が連結することにより形成される内部経路(化学種の移動のための経路)が比較的長くなる。そのため、電極中に電解質(液状電解質又はゲル状電解質)が取り込まれても、電極表面の酸化還元反応に関与する酸化体Ox及び還元体Re(いずれか一方が反応物となり他方が生成物となる)の電極表面と電解質バルクとの間の拡散を速やかに行うことが困難であったと考えている。 That is, the present inventors, as shown in FIG. 14, the interior of the pore structure of the conventional carbon electrode E B, since it is formed by the material comprising a bulky flat graphite particles P B, The internal path (path for movement of chemical species) formed by connecting the pores becomes relatively long. Therefore, even if an electrolyte (liquid electrolyte or gel electrolyte) is taken into the electrode, the oxidant Ox and the reductant Re involved in the oxidation-reduction reaction on the electrode surface (one of which becomes a reactant and the other becomes a product) It is considered difficult to quickly diffuse between the electrode surface and the electrolyte bulk.
これに対して本発明者らは、図1に示すように、本発明の炭素電極EAの内部の細孔構造は、比較的嵩の低い柱状の導電性炭素材料からなる粒子(以下、必要に応じて「柱状の粒子」という)を含む構成材料により形成されているので、上記内部経路が比較的短くなる。そのため、電極表面の酸化還元反応に関与する酸化体Ox及び還元体Reの電極表面と電解質バルクとの間の拡散を速やかに行うことが容易にできると考えている。また、先に述べたサイズの条件を満たす柱状の粒子を混入することにより、酸化体Ox及び還元体Reの移動に有効な適度な大きさの細孔が形成されていると考えている。 The present inventors have contrast, as shown in FIG. 1, the interior of the pore structure of the carbon electrode E A of the present invention, relatively bulky low columnar conductive carbon material consisting of particles (hereinafter, need Accordingly, the internal path is relatively short. For this reason, it is considered that the oxidant Ox and the reductant Re involved in the redox reaction on the electrode surface can be easily diffused quickly between the electrode surface and the electrolyte bulk. Further, it is considered that moderately sized pores effective for the movement of the oxidant Ox and the reductant Re are formed by mixing the columnar particles satisfying the size condition described above.
上述のように、本発明の炭素電極は、従来の炭素電極に比較して、電極表面で進行する酸化還元反応に関与する酸化体Ox及び還元体Reの電極中の拡散速度が向上するため、この反応を速やかに進行させることができる。 As described above, the carbon electrode of the present invention improves the diffusion rate in the electrode of the oxidant Ox and the reductant Re involved in the oxidation-reduction reaction that proceeds on the electrode surface, as compared with the conventional carbon electrode. This reaction can proceed promptly.
また、本発明の炭素電極は、先に述べた従来のTCO基板からなる電極に比較して、広い電極面積を確保し易く、また、軽量かつ化学的に安定であり、しかも低コストで所望の形状に容易に形成することができる。 In addition, the carbon electrode of the present invention is easy to ensure a large electrode area as compared with the electrode made of the conventional TCO substrate described above, is lightweight and chemically stable, and is desired at a low cost. It can be easily formed into a shape.
従って、本発明の炭素電極を少なくとも含む構成の電極(又は本発明の炭素電極)を色素増感型太陽電池の対極として使用すれば、先に述べた従来の炭素電極に比較して、電解質中に含有される酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体に電子を反応させて還元体を得る還元反応(例えば、I3 −をI−へ還元する還元反応)を速やかに進行させることが可能となり、高いエネルギー変換効率を得ることができる。また、本発明の炭素電極は、軽量で所望の形状に容易に形成できるので、コンパクトで軽量の色素増感型太陽電池を低コストで容易に構成することができる。 Therefore, when the electrode having the structure including at least the carbon electrode of the present invention (or the carbon electrode of the present invention) is used as a counter electrode of the dye-sensitized solar cell, it is contained in the electrolyte as compared with the conventional carbon electrode described above. A reduction reaction (for example, a reduction reaction for reducing I 3 − to I − ) by reacting electrons with an oxidized form of an oxidation-reduction pair (eg, I 3 − / I − etc.) contained in And high energy conversion efficiency can be obtained. Moreover, since the carbon electrode of the present invention is lightweight and can be easily formed into a desired shape, a compact and lightweight dye-sensitized solar cell can be easily constructed at low cost.
本発明の炭素電極は、微小なクラックの発生や、基板からの剥離の発生が十分に防止される。このように微小なクラックの発生が十分に防止され、基板からの剥離の発生が十分に防止されることについての詳細なメカニズムは明確に解明されていないが、本発明者らは、本発明の炭素電極は、柱状の導電性炭素材料からなる粒子が含まれているため、グラファイト状粒子を含む従来の炭素電極に比較して、焼成後の内部応力が小さくなっているからであると推察している。従って、本発明の炭素電極を少なくとも含む構成の電極(又は本発明の炭素電極)を色素増感型太陽電池の対極として使用すれば、先に述べた従来の色素増感型太陽電池に比較して耐久性に優れた色素増感型太陽電池を構成することができる。 In the carbon electrode of the present invention, generation of minute cracks and peeling from the substrate are sufficiently prevented. Thus, although the detailed mechanism about the generation | occurrence | production of a micro crack fully prevented and the generation | occurrence | production of peeling from a board | substrate fully prevented is not elucidated clearly, the present inventors are the present invention. It is assumed that the carbon electrode contains particles made of columnar conductive carbon material, so that the internal stress after firing is reduced compared to the conventional carbon electrode containing graphite-like particles. ing. Therefore, if an electrode having at least the carbon electrode of the present invention (or the carbon electrode of the present invention) is used as the counter electrode of the dye-sensitized solar cell, it is compared with the conventional dye-sensitized solar cell described above. And a dye-sensitized solar cell having excellent durability.
ここで、本発明において、「柱状の導電性炭素材料からなる粒子」における「柱状の粒子」とは、上述のサイズの条件を満たしている粒子であればよく、2つの底面と該底面間に形成される側面とを有する幾何学的に厳密な「柱状」の形状を有する粒子の他に概略的に柱状とみなせる粒子も含む。従って、本発明において、柱状の粒子には、例えば、底面や側面に凹凸があってもよい。また、「底面の直径」における底面とは、粒子の端部に底面がない場合には柱状の粒子を幾何学的に厳密な「柱状」の形状を有する粒子に近似した場合の中心軸に垂直な断面の直径を示す。更に、「底面の直径」における直径とは、底面(断面)の幾何学的重心を通る直線が、該底面(断面)の外縁と交わる2つ交点間の距離の平均を示す。また、「高さ」とは、柱状の粒子を幾何学的に厳密な「柱状」の形状を有する粒子に近似した場合の2つの底面間の距離を示す。 Here, in the present invention, the “columnar particles” in the “particles made of a columnar conductive carbon material” may be any particles that satisfy the above-mentioned size conditions, and between the two bottom surfaces. In addition to particles having a geometrically strict “columnar” shape with side surfaces formed, particles that can be considered generally columnar are also included. Therefore, in the present invention, the columnar particles may have irregularities on the bottom surface and side surfaces, for example. Also, the “bottom diameter” in the “bottom diameter” is perpendicular to the central axis when a columnar particle is approximated to a particle having a geometrically exact “columnar” shape when there is no bottom at the end of the particle. The diameter of a simple cross section is shown. Further, the diameter in the “bottom diameter” indicates an average distance between two intersections where a straight line passing through the geometric center of gravity of the bottom surface (cross section) intersects the outer edge of the bottom surface (cross section). The “height” indicates a distance between two bottom surfaces in the case where a columnar particle is approximated to a particle having a geometrically strict “columnar” shape.
なお、本発明において、柱状の粒子の底面の直径が50nm未満となると、電子伝導に対する粒子間の接触抵抗の影響が大きくなるため電子伝導性が低下し上述の作用効果を得ることができなくなる。また、柱状の粒子の底面の直径が500nmを超えると、炭素電極中における内部経路が長くなるため、酸化体及び還元体の拡散を速やかに行うことができなくなり、上述の作用効果を得ることができなくなる。 In the present invention, when the diameter of the bottom surface of the columnar particles is less than 50 nm, the influence of the contact resistance between the particles on the electron conduction is increased, so that the electron conductivity is lowered and the above-described effects cannot be obtained. In addition, when the diameter of the bottom surface of the columnar particles exceeds 500 nm, the internal path in the carbon electrode becomes long, so that it is impossible to quickly diffuse the oxidant and the reductant, and the above-described effects can be obtained. become unable.
また、本発明において、柱状の粒子の高さが1μm未満となると、電子伝導に対する粒子間の接触抵抗の影響が大きくなるため電子伝導性が低下し上述の作用効果を得ることができなくなる。また、柱状の粒子の高さが20μmを超えると、柱状の粒子と他の構成材料となる粒子とを均一に混合させることが困難となり、電子伝導性の低下や機械的強度の低下が生じ、上述の作用効果を得られなくなる。 In the present invention, if the height of the columnar particles is less than 1 μm, the influence of the contact resistance between the particles on the electron conduction is increased, so that the electron conductivity is lowered and the above-described effects cannot be obtained. In addition, when the height of the columnar particles exceeds 20 μm, it becomes difficult to uniformly mix the columnar particles and the particles constituting the other constituent material, resulting in a decrease in electronic conductivity and a decrease in mechanical strength. The above-mentioned operational effects cannot be obtained.
更に、式(1)において、(W1/W2)が0.05未満となると、電極面積が低下するため、電解質中に含有される酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体に電子を反応させて還元体を得る還元反応(例えば、I3 −をI−へ還元する還元反応)の速度が低下し、上述の作用効果を得られなくなる。また、式(1)において、(W1/W2)が0.4を超えると、電気伝導性が低下し、上述の作用効果を得られなくなる。 Furthermore, in the formula (1), when (W1 / W2) is less than 0.05, the electrode area is reduced, and therefore oxidation / reduction pairs (for example, I 3 − / I − etc.) contained in the electrolyte are oxidized. The rate of a reduction reaction (for example, a reduction reaction for reducing I 3 − to I − ) that obtains a reduced form by reacting electrons with the body is reduced, and the above-described effects cannot be obtained. Moreover, in Formula (1), when (W1 / W2) exceeds 0.4, the electrical conductivity is lowered, and the above-described effects cannot be obtained.
また、式(2)において、{W3/(W1+W2)}が0.05未満となると、炭素電極自体の機械的強度が低下し、炭素電極の一部或いは全部の剥離の発生及び/又は炭素電極中の亀裂の発生がおこり上述の作用効果を得られなくなる。また、式(2)において、{W3/(W1+W2)}が0.4を超えると、電子伝導性が低下し、上述の作用効果を得られなくなる。 Further, in the formula (2), when {W3 / (W1 + W2)} is less than 0.05, the mechanical strength of the carbon electrode itself is reduced, and the carbon electrode is partially or completely peeled off and / or the carbon electrode. Cracks in the inside occur and the above-mentioned effects cannot be obtained. Moreover, in Formula (2), when {W3 / (W1 + W2)} exceeds 0.4, the electron conductivity is lowered, and the above-described effects cannot be obtained.
また、本明細書において、「カーボンブラック状粒子」とは、カーボンブラック粒子(アモルファス状態のもの、結晶化された状態のもの、並びに、アモルファス状態の構造及び結晶化された状態の構造とが混在した状態のもの)、カーボンエアロゲル粒子(アモルファス状態のもの、結晶化された状態のもの、並びに、アモルファス状態の構造及び結晶化された状態の構造とが混在した状態のもの)、並びに、上記カーボンブラック粒子及び上記カーボンエアロゲル粒子の混合物を示す。このカーボンブラック状粒子の形状は特に限定されず、例えば、中空状の粒子であってもよい。
Further, in this specification, “carbon black-like particles” means carbon black particles (amorphous, crystallized, and amorphous and crystallized structures are mixed). Carbon aerogel particles (amorphous, crystallized, and a mixture of amorphous and crystallized structures), and
更に、本明細書において、「グラファイト状粒子」とは、(i)グラファイト粒子、(ii)グラファイト粒子の層間を膨潤させたもの、(iii)グラファイト粒子の層間に他の元素が取り込まれた状態の層間化合物、及び、(iv)上記の(i)〜(iii)のうちの少なくとも2種の粒子を任意に混合させた混合物を示す。 Further, in the present specification, “graphite-like particles” are (i) graphite particles, (ii) those obtained by swelling between layers of graphite particles, and (iii) a state in which other elements are incorporated between the layers of graphite particles. And (iv) a mixture obtained by arbitrarily mixing at least two kinds of particles among the above (i) to (iii).
また、本発明は、細孔を有する多孔質の炭素電極であって、
カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、
柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、底面の直径が50〜500nmであり、かつ、高さが1〜20μmであり、
カーボンブラック状粒子の含有質量W1と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子の含有質量W2と、導電性酸化物粒子の含有質量W4とが、下記式(3)及び下記式(4)で表される条件を同時に満たしていること、
を特徴とする炭素電極を提供する。
0.05≦(W1/W2)≦0.4・・・(3)
0.05≦{W4/(W1+W2)}≦0.4・・・(4)
Further, the present invention is a porous carbon electrode having pores,
Carbon black-like particles, particles made of columnar conductive carbon material, and conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than anatase-type titanium oxide particles, at least as constituent materials,
Particles made of a columnar conductive carbon material have a bottom diameter of 50 to 500 nm and a height of 1 to 20 μm,
The content mass W1 of the carbon black-like particles, the content mass W2 of the particles made of the columnar conductive carbon material, and the content mass W4 of the conductive oxide particles are expressed by the following formula (3) and the following formula (4). Meet the requirements
A carbon electrode is provided.
0.05 ≦ (W1 / W2) ≦ 0.4 (3)
0.05 ≦ {W4 / (W1 + W2)} ≦ 0.4 (4)
上記の炭素電極は、従来の炭素電極に使用されていた平板状の形状を有するグラファイト状粒子のかわりに、先に述べた柱状の粒子を使用し、更に、従来の炭素電極に使用されていたアナターゼ型の酸化チタン粒子のかわりに、該酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子を構成材料として使用するものである。これにより、得られる炭素電極の電極内部におけるイオンの拡散速度を向上させるとともに、炭素電極の電気伝導率を向上させることができる。 The carbon electrode described above uses the columnar particles described above in place of the graphite-like particles having a flat plate shape used in the conventional carbon electrode, and is further used in the conventional carbon electrode. Instead of the anatase type titanium oxide particles, conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than the titanium oxide particles are used as a constituent material. Thereby, while improving the diffusion rate of the ion inside the electrode of the carbon electrode obtained, the electrical conductivity of a carbon electrode can be improved.
これにより、従来の炭素電極に比較して、電極表面で進行する酸化還元反応に関与する酸化体及び還元体の電極中の拡散速度を向上させることができるとともに、電極中の電子移動速度が向上するため、電極表面で進行する酸化還元反応を速やかに進行させることができる。 As a result, compared to conventional carbon electrodes, the diffusion rate of the oxidant and reductant involved in the oxidation-reduction reaction proceeding on the electrode surface can be improved and the electron transfer rate in the electrode is improved. Therefore, the oxidation-reduction reaction that proceeds on the electrode surface can be rapidly advanced.
また、このタイプの炭素電極も、先に述べた従来のTCO基板からなる電極に比較して、広い電極面積を確保し易く、また、軽量かつ化学的に安定であり、しかも低コストで所望の形状に容易に形成することができる。 In addition, this type of carbon electrode is also easy to secure a wide electrode area as compared with the electrode made of the above-described conventional TCO substrate, is light and chemically stable, and is also desired at a low cost. It can be easily formed into a shape.
従って、このタイプの炭素電極を少なくとも含む構成の電極(又は本発明の炭素電極)を色素増感型太陽電池の対極として使用すれば、先に述べた従来の炭素電極に比較して、電解質中に含有される酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体に電子を反応させて還元体を得る還元反応(例えば、I3 −をI−へ還元する還元反応)を速やかに進行させることが可能となり、高いエネルギー変換効率を得ることができる。また、本発明の炭素電極は、軽量で所望の形状に容易に形成できるので、コンパクトで軽量の色素増感型太陽電池を低コストで容易に構成することができる。 Therefore, if an electrode having a structure including at least this type of carbon electrode (or the carbon electrode of the present invention) is used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell, it is contained in the electrolyte as compared with the conventional carbon electrode described above. A reduction reaction (for example, a reduction reaction for reducing I 3 − to I − ) by reacting electrons with an oxidized form of an oxidation-reduction pair (eg, I 3 − / I − etc.) contained in And high energy conversion efficiency can be obtained. Moreover, since the carbon electrode of the present invention is lightweight and can be easily formed into a desired shape, a compact and lightweight dye-sensitized solar cell can be easily constructed at low cost.
このタイプの本発明の炭素電極も、微小なクラックの発生や、基板からの剥離の発生が十分に防止される。このように微小なクラックの発生が十分に防止され、基板からの剥離の発生が十分に防止されることについての詳細なメカニズムは明確に解明されていないが、本発明者らは、本発明の炭素電極は、柱状の導電性炭素材料からなる粒子が含まれているため、グラファイト状粒子を含む従来の炭素電極に比較して、焼成後の内部応力が小さくなっているからであると推察している。従って、本発明の炭素電極を少なくとも含む構成の電極(又は本発明の炭素電極)を色素増感型太陽電池の対極として使用すれば、先に述べた従来の色素増感型太陽電池に比較して耐久性に優れた色素増感型太陽電池を構成することができる。 This type of carbon electrode of the present invention can sufficiently prevent the occurrence of minute cracks and peeling from the substrate. Thus, although the detailed mechanism about the generation | occurrence | production of a micro crack fully prevented and the generation | occurrence | production of peeling from a board | substrate fully prevented is not elucidated clearly, the present inventors are the present invention. It is assumed that the carbon electrode contains particles made of columnar conductive carbon material, so that the internal stress after firing is reduced compared to the conventional carbon electrode containing graphite-like particles. ing. Therefore, if an electrode having at least the carbon electrode of the present invention (or the carbon electrode of the present invention) is used as the counter electrode of the dye-sensitized solar cell, it is compared with the conventional dye-sensitized solar cell described above. And a dye-sensitized solar cell having excellent durability.
ここで、このタイプの炭素電極の場合にも、柱状の粒子の底面の直径が50nm未満となると、電子伝導に対する粒子間の接触抵抗の影響が大きくなるため電子伝導性が低下し上述の作用効果を得ることができなくなる。また、柱状の粒子の底面の直径が500nmを超えると、炭素電極中における内部経路が長くなるため、酸化体及び還元体の拡散を速やかに行うことができなくなり、上述の作用効果を得ることができなくなる。 Here, also in the case of this type of carbon electrode, when the diameter of the bottom surface of the columnar particles is less than 50 nm, the influence of the contact resistance between the particles on the electron conduction increases, so the electron conductivity decreases and the above-described effects are obtained. You will not be able to get. In addition, when the diameter of the bottom surface of the columnar particles exceeds 500 nm, the internal path in the carbon electrode becomes long, so that it is impossible to quickly diffuse the oxidant and the reductant, and the above-described effects can be obtained. become unable.
また、柱状の粒子の高さが1μm未満となると、電子伝導に対する粒子間の接触抵抗の影響が大きくなるため電子伝導性が低下し上述の作用効果を得ることができなくなる。また、柱状の粒子の高さが20μmを超えると、柱状の粒子と他の構成材料となる粒子とを均一に混合させることが困難となり、電子伝導性の低下や機械的強度の低下が生じ、上述の作用効果を得られなくなる。 On the other hand, when the height of the columnar particles is less than 1 μm, the influence of the contact resistance between the particles on the electron conduction becomes large, so that the electron conductivity is lowered and the above-described effects cannot be obtained. In addition, when the height of the columnar particles exceeds 20 μm, it becomes difficult to uniformly mix the columnar particles and the particles constituting the other constituent material, resulting in a decrease in electronic conductivity and a decrease in mechanical strength. The above-mentioned operational effects cannot be obtained.
更に、式(3)において、(W1/W2)が0.05未満となると、電極面積が低下するため、電解質中に含有される酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体に電子を反応させて還元体を得る還元反応(例えば、I3 −をI−へ還元する還元反応)の速度が低下し、上述の作用効果を得られなくなる。また、式(1)において、(W1/W2)が0.4を超えると、電気伝導性が低下し、上述の作用効果を得られなくなる。 Further, in the formula (3), when (W1 / W2) is less than 0.05, the electrode area is reduced, and therefore oxidation / reduction pairs (for example, I 3 − / I − etc.) contained in the electrolyte are oxidized. The rate of a reduction reaction (for example, a reduction reaction for reducing I 3 − to I − ) that obtains a reduced form by reacting electrons with the body is reduced, and the above-described effects cannot be obtained. Moreover, in Formula (1), when (W1 / W2) exceeds 0.4, the electrical conductivity is lowered, and the above-described effects cannot be obtained.
また、式(4)において、{W3/(W1+W2)}が0.05未満となると、炭素電極自体の機械的強度が低下し、炭素電極の一部或いは全部の剥離の発生及び/又は炭素電極中の亀裂の発生がおこり上述の作用効果を得られなくなる。また、式(4)において、{W3/(W1+W2)}が0.4を超えると、電子伝導性が低下し、上述の作用効果を得られなくなる。 In addition, in the formula (4), when {W3 / (W1 + W2)} is less than 0.05, the mechanical strength of the carbon electrode itself is lowered, and part or all of the carbon electrode is peeled off and / or the carbon electrode. Cracks in the inside occur and the above-mentioned effects cannot be obtained. Moreover, in Formula (4), when {W3 / (W1 + W2)} exceeds 0.4, the electron conductivity is lowered, and the above-described effects cannot be obtained.
なお、本発明の炭素電極の用途は特に限定されず、色素増感型太陽電池の対極として好ましく使用されるが、色素増感型太陽電池の対極以外の電極としても使用できる。例えば、他の電池(例えば、空気電池、マンガン乾電池)、電解工業の各種プロセス(例えば、食塩電解、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、アルカリ金属等の電解精錬)、又は、電解製鋼、電解合成用のアノードとして使用してもよい。 The use of the carbon electrode of the present invention is not particularly limited and is preferably used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell, but can also be used as an electrode other than the counter electrode of the dye-sensitized solar cell. For example, other batteries (for example, air batteries, manganese dry batteries), various processes in the electrolytic industry (for example, salt electrolysis, electrolytic refining of aluminum, calcium, magnesium, alkali metals, etc.), or electrolytic steel making, anode for electrolytic synthesis May be used as
また、本発明は、色素増感型太陽電池の対極として使用される電極であって、
基板と、
先に述べた本発明の炭素電極のうちの何れかと、
基板と炭素電極との間に配置されており、基板と炭素電極とを一体化させるためのバインダー層と、
を少なくとも有しており、
バインダー層が、カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、かつ、
グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmであること、
を特徴とする電極を提供する。
Further, the present invention is an electrode used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell,
A substrate,
Any of the carbon electrodes of the present invention described above;
A binder layer disposed between the substrate and the carbon electrode, for integrating the substrate and the carbon electrode;
At least,
The binder layer contains at least carbon black-like particles, particles made of graphite, and anatase-type titanium oxide particles as constituent materials, and
The particles made of graphite have an average particle size of 1 to 20 μm,
An electrode is provided.
基板と先に述べた本発明の炭素電極との間に上記構成のバインダー層を更に配置させる構成とすることにより、耐久性をより向上させることができる。これにより、電極表面の酸化還元反応を速やかに進行させることができ、かつ耐久性にも優れた電極を提供することができる。 The durability can be further improved by adopting a configuration in which the binder layer having the above-described configuration is further disposed between the substrate and the carbon electrode of the present invention described above. Thereby, the oxidation-reduction reaction on the electrode surface can be rapidly advanced, and an electrode excellent in durability can be provided.
上記のバインダー層は、本発明の炭素電極中に含まれる柱状の導電性炭素材料(カーボンファイバなど)からなる粒子のかわりにグラファイトからなる粒子を含む構成を有している。このグラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層のほうが炭素電極(本発明の炭素電極)よりも、基板に対する結着性に優れていることが、上述の効果(耐久性の更なる向上)が得られている要因であると本発明者らは考えている。上記の基板としては、例えば、透明基板、透明基板上に透明導電膜が形成された構成を有する基板(透明導電膜の側で炭素電極に接合されるもの)、透明導電材料からなる基板、金属基板、透明基板上に金属膜が形成された構成を有する基板(金属膜の側で炭素電極に接合されるもの)等が好ましく挙げられる。 Said binder layer has the structure which contains the particle | grains which consist of graphite instead of the particle | grains which consist of the columnar electroconductive carbon material (carbon fiber etc.) contained in the carbon electrode of this invention. The above-mentioned effect (further improvement in durability) is obtained when the binder layer containing particles made of graphite has better binding properties to the substrate than the carbon electrode (carbon electrode of the present invention). The present inventors consider that this is a factor that has been described. Examples of the substrate include a transparent substrate, a substrate having a transparent conductive film formed on the transparent substrate (bonded to the carbon electrode on the transparent conductive film side), a substrate made of a transparent conductive material, metal Preferable examples include a substrate and a substrate having a structure in which a metal film is formed on a transparent substrate (bonded to a carbon electrode on the metal film side).
ここで、グラファイトからなる粒子の平均粒子径が1μm未満であると、電子伝導に対する粒子間の接触抵抗の影響が大きくなるため電子伝導性が低下し上述の作用効果を得ることができなくなる。一方、グラファイトからなる粒子の平均粒子径が20μmを超えると、グラファイトからなる粒子と他の構成材料となる粒子とを均一に混合させることが困難となり、電子伝導性の低下や機械的強度の低下が生じ、上述の作用効果を得られなくなる。 Here, if the average particle diameter of the particles made of graphite is less than 1 μm, the influence of the contact resistance between the particles on the electron conduction is increased, so that the electron conductivity is lowered and the above-mentioned effects cannot be obtained. On the other hand, if the average particle diameter of the particles made of graphite exceeds 20 μm, it becomes difficult to uniformly mix the particles made of graphite and the particles constituting other constituent materials, resulting in a decrease in electron conductivity and a decrease in mechanical strength. As a result, the above-described effects cannot be obtained.
なお、上述した本発明の電極の用途は特に限定されず、色素増感型太陽電池の対極として好ましく使用されるが、色素増感型太陽電池の対極以外の電極としても使用できる。例えば、他の電池(例えば、空気電池、マンガン乾電池)、電解工業の各種プロセス(例えば、食塩電解、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、アルカリ金属等の電解精錬)、又は、電解製鋼、電解合成用のアノードとして使用してもよい。 In addition, the use of the electrode of the present invention described above is not particularly limited and is preferably used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell, but can also be used as an electrode other than the counter electrode of the dye-sensitized solar cell. For example, other batteries (for example, air batteries, manganese dry batteries), various processes in the electrolytic industry (for example, salt electrolysis, electrolytic refining of aluminum, calcium, magnesium, alkali metals, etc.), or electrolytic steel making, anode for electrolytic synthesis May be used as
更に、本発明は、色素増感型太陽電池の対極として使用される電極であって、
基板と、
先に述べた本発明の炭素電極のうちの何れかと、
基板と炭素電極との間に配置されており、基板と炭素電極とを一体化させるためのバインダー層と、
を少なくとも有しており、
バインダー層が、カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、かつ、
グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmであること、
を特徴とする電極を提供する。
Furthermore, the present invention is an electrode used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell,
A substrate,
Any of the carbon electrodes of the present invention described above;
A binder layer disposed between the substrate and the carbon electrode, for integrating the substrate and the carbon electrode;
At least,
The binder layer contains at least carbon black-like particles, particles made of graphite, and conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than anatase-type titanium oxide particles as constituent materials, and
The particles made of graphite have an average particle size of 1 to 20 μm,
An electrode is provided.
このように、先に述べた本発明の電極に使用されていたアナターゼ型の酸化チタン粒子のかわりに、該酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子を構成材料として使用する場合であっても、基板と先に述べた本発明の炭素電極との間に上記構成のバインダー層を更に配置させる構成とすることにより、耐久性をより向上させることができる。これにより、電極表面の酸化還元反応を速やかに進行させることができ、かつ耐久性にも優れた電極を提供することができる。 Thus, instead of the anatase-type titanium oxide particles used in the electrode of the present invention described above, conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than the titanium oxide particles are used as a constituent material. Even so, the durability can be further improved by further arranging the binder layer having the above-described configuration between the substrate and the carbon electrode of the present invention described above. Thereby, the oxidation-reduction reaction on the electrode surface can be rapidly advanced, and an electrode excellent in durability can be provided.
上記のバインダー層は、本発明の炭素電極中に含まれる柱状の導電性炭素材料(カーボンファイバなど)からなる粒子のかわりにグラファイトからなる粒子を含む構成を有している。このグラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層のほうが炭素電極(本発明の炭素電極)よりも、基板に対する結着性に優れていることが、上述の効果(耐久性の更なる向上)が得られている要因であると本発明者らは考えている。上記の基板としては、例えば、透明基板、透明基板上に透明導電膜が形成された構成を有する基板(透明導電膜の側で炭素電極に接合されるもの)、透明導電材料からなる基板、金属基板、透明基板上に金属膜が形成された構成を有する基板(金属膜の側で炭素電極に接合されるもの)等が好ましく挙げられる。 Said binder layer has the structure which contains the particle | grains which consist of graphite instead of the particle | grains which consist of the columnar electroconductive carbon material (carbon fiber etc.) contained in the carbon electrode of this invention. The above-mentioned effect (further improvement in durability) is obtained when the binder layer containing particles made of graphite has better binding properties to the substrate than the carbon electrode (carbon electrode of the present invention). The present inventors consider that this is a factor that has been described. Examples of the substrate include a transparent substrate, a substrate having a transparent conductive film formed on the transparent substrate (bonded to the carbon electrode on the transparent conductive film side), a substrate made of a transparent conductive material, metal Preferable examples include a substrate and a substrate having a structure in which a metal film is formed on a transparent substrate (bonded to a carbon electrode on the metal film side).
ここで、グラファイトからなる粒子の平均粒子径が1μm未満であると、電子伝導に対する粒子間の接触抵抗の影響が大きくなるため電子伝導性が低下し上述の作用効果を得ることができなくなる。一方、グラファイトからなる粒子の平均粒子径が20μmを超えると、グラファイトからなる粒子と他の構成材料となる粒子とを均一に混合させることが困難となり、電子伝導性の低下や機械的強度の低下が生じ、上述の作用効果を得られなくなる。 Here, if the average particle diameter of the particles made of graphite is less than 1 μm, the influence of the contact resistance between the particles on the electron conduction is increased, so that the electron conductivity is lowered and the above-mentioned effects cannot be obtained. On the other hand, if the average particle diameter of the particles made of graphite exceeds 20 μm, it becomes difficult to uniformly mix the particles made of graphite and the particles constituting other constituent materials, resulting in a decrease in electron conductivity and a decrease in mechanical strength. As a result, the above-described effects cannot be obtained.
なお、上述した本発明の電極の用途は特に限定されず、色素増感型太陽電池の対極として好ましく使用されるが、色素増感型太陽電池の対極以外の電極としても使用できる。例えば、他の電池(例えば、空気電池、マンガン乾電池)、電解工業の各種プロセス(例えば、食塩電解、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、アルカリ金属等の電解精錬)、又は、電解製鋼、電解合成用のアノードとして使用してもよい。 In addition, the use of the electrode of the present invention described above is not particularly limited and is preferably used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell, but can also be used as an electrode other than the counter electrode of the dye-sensitized solar cell. For example, other batteries (for example, air batteries, manganese dry batteries), various processes in the electrolytic industry (for example, salt electrolysis, electrolytic refining of aluminum, calcium, magnesium, alkali metals, etc.), or electrolytic steel making, anode for electrolytic synthesis May be used as
更に、本発明は、受光面を有する半導体電極と当該受光面上に隣接して配置された透明電極とを有する光電極と、対極とを有しており、半導体電極と対極とが電解質を介して対向配置された色素増感型太陽電池であって、対極が上述の本発明の炭素電極のいずれかを少なくとも含む構成を有していること、を特徴とする色素増感型太陽電池を提供する。 Furthermore, the present invention includes a photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface, a transparent electrode disposed adjacent to the light receiving surface, and a counter electrode, and the semiconductor electrode and the counter electrode are interposed via an electrolyte. A dye-sensitized solar cell disposed opposite to each other, wherein the counter electrode has at least one of the carbon electrodes of the present invention described above. To do.
このように、先に述べた本発明の炭素電極を少なくとも含む構成の電極を対極として用いることにより、照射される光のパワーが最大100mW/cm2の範囲で変動する場合であっても、優れたエネルギー変換効率を得ることができ、かつ、優れた耐久性も得ることができる色素増感型太陽電池を容易に構成することができる。 Thus, even when the power of the irradiated light varies within a maximum range of 100 mW / cm 2 by using the electrode having the structure including at least the carbon electrode of the present invention described above as a counter electrode, it is excellent. In addition, a dye-sensitized solar cell that can achieve high energy conversion efficiency and can also have excellent durability can be easily configured.
更に、本発明は、受光面を有する半導体電極と当該受光面上に隣接して配置された透明電極とを有する光電極と、対極とを有しており、半導体電極と対極とが電解質を介して対向配置された色素増感型太陽電池であって、対極が上述の本発明の電極のいずれかを少なくとも含む構成を有していること、を特徴とする色素増感型太陽電池を提供する。 Furthermore, the present invention includes a photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface, a transparent electrode disposed adjacent to the light receiving surface, and a counter electrode, and the semiconductor electrode and the counter electrode are interposed via an electrolyte. A dye-sensitized solar cell disposed opposite to each other, wherein the counter electrode has at least one of the above-described electrodes of the present invention. .
このように、先に述べた本発明の電極を少なくとも含む構成の電極を対極として用いることにより、照射される光のパワーが最大100mW/cm2の範囲で変動する場合であっても、優れたエネルギー変換効率を得ることができ、かつ、優れた耐久性も得ることができる色素増感型太陽電池を容易に構成することができる。 Thus, even when the power of the irradiated light varies within a maximum range of 100 mW / cm 2 by using the electrode having the structure including at least the electrode of the present invention described above as a counter electrode, it is excellent. A dye-sensitized solar cell that can obtain energy conversion efficiency and can also have excellent durability can be easily configured.
ここで、本発明において、「色素」とは、金属錯体色素及び有機色素を示す。また、「電解質」とは、電解質溶液(以下、必要に応じて「電解液」という)、電解質溶液にゲル化剤を添加してゲル化したもの、及び、固体電解質を示す。 Here, in the present invention, the “dye” refers to a metal complex dye and an organic dye. In addition, “electrolyte” refers to an electrolyte solution (hereinafter referred to as “electrolyte” as necessary), a gel obtained by adding a gelling agent to the electrolyte solution, and a solid electrolyte.
本発明によれば、電極表面の酸化還元反応を速やかに進行させることのできる電子伝導性の高い炭素電極を提供することができる。
また、本発明によれば、上記炭素電極を備えており、電極表面の酸化還元反応を速やかに進行させることができ、かつ耐久性にも優れた電極を提供することができる。
更に、本発明によれば、上記炭素電極又は上記電極を対極として備えることにより、電解質中に含有される酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体に電子を反応させて還元体を得る還元反応(例えば、I3 −をI−へ還元する還元反応)を速やかに進行させることが可能となるため、照射される光のパワーが最大100mW/cm2の範囲で変動する場合であっても優れたエネルギー変換効率を得ることのでき、かつ、優れた耐久性も得ることができる色素増感型太陽電池を構成することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon electrode with high electronic conductivity which can advance the oxidation-reduction reaction of the electrode surface rapidly can be provided.
Moreover, according to this invention, the said carbon electrode is provided, the oxidation-reduction reaction of the electrode surface can be advanced rapidly, and the electrode excellent also in durability can be provided.
Further, according to the present invention, by providing the carbon electrode or the electrode as a counter electrode, an electron is reacted with an oxidant of a redox pair (for example, I 3 − / I − etc.) contained in the electrolyte. Since a reduction reaction for obtaining a reductant (for example, a reduction reaction for reducing I 3 − to I − ) can be rapidly advanced, the power of irradiated light varies within a maximum range of 100 mW / cm 2. Even if it is a case, the dye-sensitized solar cell which can obtain the outstanding energy conversion efficiency and can also obtain the outstanding durability can be comprised.
以下、図面を参照しながら本発明の炭素電極及び色素増感型太陽電池の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the carbon electrode and the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[第1実施形態]
図2は、本発明の色素増感型太陽電池の第1実施形態の基本構成を示す模式断面図である。なお、図2に示す色素増感型太陽電池20は、本発明の炭素電極の好適な一実施形態を対極CE1として備えている。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of the first embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Note that the dye-sensitized
図2に示す色素増感型太陽電池20は、主として、光電極10と、対極CE1と、スペーサSにより光電極10と対極CEとの間に形成される間隙に充填された電解質Eとから構成されている。また、図2に示す光電極10は、主として、受光面F2を有する半導体電極2と、当該半導体電極2の受光面F2上に隣接して配置された透明電極1とから構成されている。そして、半導体電極2は、受光面F2と反対側の裏面F22において電解質Eと接触している。
The dye-sensitized
この色素増感型太陽電池20は、透明電極1を透過して半導体電極2に照射される光によって半導体電極2内に吸着されている増感色素が励起され、この増感色素から半導体電極2へ電子が注入される。そして、半導体電極2において注入された電子は、透明電極1に集められて外部に取り出される。
In this dye-sensitized
透明電極1の構成は特に限定されるものではなく、通常の色素増感型太陽電池に搭載される透明電極を使用できる。例えば、図2に示す透明電極1は、ガラス基板等の透明基板4の半導体電極2の側にいわゆる透明導電膜3をコートした構成を有する。この透明導電膜3としては、液晶パネル等に用いられる透明電極を用いればよい。
The structure of the
例えば、フッ素ドープSnO2コートガラス、ITOコートガラス、ZnO:Alコートガラス、アンチモンドープ酸化スズ(SnO2−Sb)、等が挙げられる。また、酸化スズや酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン若しくは陰イオンをドープした透明電極、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板等の基板上に設けたものでもよい。 Examples thereof include fluorine-doped SnO 2 coated glass, ITO coated glass, ZnO: Al coated glass, and antimony-doped tin oxide (SnO 2 —Sb). In addition, a transparent electrode obtained by doping cations or anions with different valences into tin oxide or indium oxide, or a metal electrode having a structure capable of transmitting light, such as a mesh shape or a stripe shape, provided on a substrate such as a glass substrate Good.
透明基板4としては、液晶パネル等に用いられる透明基板を用いてよい。具体的には透明なガラス基板、ガラス基板表面を適当に荒らすなどして光の反射を防止したもの、すりガラス状の半透明のガラス基板など光を透過するものが透明基板材料として挙げられる。なお、光を透過するものであれば材質はガラスでなくてもよく、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などでもよい。
As the
図2に示す半導体電極2は、酸化物半導体粒子を構成材料とする酸化物半導体層からなる。半導体電極2に含有される酸化物半導体粒子は特に限定されるものではなく、公知の酸化物半導体等を使用することができる。酸化物半導体としては、例えば、TiO2,ZnO,SnO2,Nb2O5,In2O3,WO3,ZrO2,La2O3,Ta2O5,SrTiO3,BaTiO3等を用いることができる。これらの酸化物半導体の中でもアナターゼ型TiO2が好ましい。
The
また、半導体電極2に含有される増感色素は、可視光領域および/または赤外光領域に吸収を持つ色素であれば特に限定されるものではない。より好ましくは、少なくとも200nm〜10μmの波長の光により励起されて電子を放出するものであればよい。このような増感色素としては、金属錯体や有機色素等を用いることができる。金属錯体としては銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の金属フタロシアニン、クロロフィルまたはその誘導体、ヘミン、ルテニウム、オスミウム、鉄及び亜鉛の錯体(例えば、シス−ジシアネート−N,N’−ビス(2、2’−ビピリジル−4、4’−ジカルボキシレート)ルテニウム(II))等が挙げられる。有機色素としては,メタルフリーフタロシアニン,シアニン系色素,メロシアニン系色素,キサンテン系色素,トリフェニルメタン系色素等を用いることができる。
The sensitizing dye contained in the
また、対極CE1は、電解質中に含有される酸化還元対(例えば、I3 −/I−等)の酸化体に電子を反応させて還元体を得る還元反応(例えば、I3 −をI−へ還元する還元反応)を速やかに進行させることを意図し、先に図1を用いて説明した構成を有している。より具体的には、以下に説明する構成を有している。 In addition, the counter electrode CE1 is a reduction reaction (for example, I 3 − is converted to I − to obtain a reduced form by reacting electrons with an oxidized form of a redox pair (for example, I 3 − / I − etc.) contained in the electrolyte. The reduction reaction (reduction reaction to be reduced) is intended to proceed promptly and has the structure described above with reference to FIG. More specifically, it has a configuration described below.
すなわち、対極CE1は、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された透明導電膜7と、透明導電膜7の基板6に接触しない反対側の面上に形成された炭素電極8とから構成されている。そして、対極CE1は、その炭素電極8が電解質Eに接触するように配置されている。なお、図2において、対極CE1は、透明導電膜7を除いた構成、すなわち、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された炭素電極8とからなる構成としてもよい。また、対極CE1は、充分な機械的強度が得られる場合には、炭素電極8自体のみからなる構成としてもよい。また、図2において、対極CE1は、透明導電膜7のかわりに例えば、チタン、ニッケルなどの金属膜を配置した構成、すなわち、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された金属膜、更に、金属膜上に形成された炭素電極8とからなる構成としてもよい。
That is, the counter electrode CE1 includes a
基板6は、炭素電極8の支持体となるものである。基板6の構成は特に限定されるものではなく、例えば、先に述べた透明基板4と同様のものを使用してよい。また、基板6は、透明導電材料からなる基板、又は、金属板であってもよい。更に、透明導電膜7は、例えば、光電極10に備えられている透明導電膜3と同様の構成材料から形成されるものであってよい。
The
炭素電極8は、1)カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として形成された構成、或いは、2)カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子とを少なくとも構成材料として形成された構成のいずれかの多孔質の電極である。
The
この多孔質の炭素電極8は、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、その細孔内には、電解質E(液体状或いはゲル状の電解質)が保持されている。また、この多孔質の炭素電極8は、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、先に述べたように底面の直径が50〜500nmであり、かつ、高さが1〜20μmである。
The
また、上記1)の構成を有する炭素電極8の場合、先に述べたようにカーボンブラック状粒子の含有質量W1と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子の含有質量W2と、アナターゼ型の酸化チタン粒子の含有質量W3とが、下記式(1)及び下記式(2)で表される条件を同時に満たしている。
Further, in the case of the
0.05≦(W1/W2)≦0.4・・・(1)
0.05≦{W3/(W1+W2)}≦0.4・・・(2)
0.05 ≦ (W1 / W2) ≦ 0.4 (1)
0.05 ≦ {W3 / (W1 + W2)} ≦ 0.4 (2)
また、上記1)の構成を有する炭素電極8の場合、先に述べたようにカーボンブラック状粒子の含有質量W1と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子の含有質量W2と、導電性酸化物粒子の含有質量W4とが、下記式(3)及び下記式(4)で表される条件を同時に満たしていることが好ましい。
In the case of the
0.05≦(W1/W2)≦0.4・・・(3)
0.05≦{W4/(W1+W2)}≦0.4・・・(4)
0.05 ≦ (W1 / W2) ≦ 0.4 (3)
0.05 ≦ {W4 / (W1 + W2)} ≦ 0.4 (4)
この多孔質の炭素電極8においては、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、炭素電極8の高いイオン拡散性をより確実に得る観点から、柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、炭素繊維(カーボンファイバ)を切断することにより得られる粒子であることが好ましい。このような炭素繊維(カーボンファイバ)は、上記の柱状の粒子サイズの条件を満たし、電気伝導性を有するものであれば、その種類、成分組成は特に限定されない。例えば、いわゆる「ピッチ系炭素繊維」であってもよく、「PAN系炭素繊維」であってもよく、「気相合成炭素繊維」であってもよく、これらに他の成分を含有させたものであってもよい。
The
ただし、炭素電極8の高い電子伝導性をより確実に得る観点から、このような炭素繊維等の柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、電気抵抗率が1×10−3Ω・cm以下のものであることが好ましい。柱状の導電性炭素材料からなる粒子の電気抵抗率が1×10−3Ω・cmを超えると、充分な電子伝導性を得にくくなる傾向が大きくなる。
However, from the viewpoint of more reliably obtaining the high electronic conductivity of the
また、この多孔質の炭素電極8においては、上記2)の構成を有する場合にも、上記と同様に炭素電極8の高い電子伝導性をより確実に得る観点から、導電性酸化物粒子の電気抵抗率は1×10−2Ω・cm以下であることが好ましい。導電性酸化物粒子の電気抵抗率が1×10−2Ω・cmを超えると、充分な電子伝導性を得にくくなる傾向が大きくなる。
Further, even when the
更に、上述の条件を満たす導電性酸化物粒子としては、SnドープIn2O3、ZnドープIn2O3、SbドープSnO2、FドープSnO2、AlドープZnO、GaドープZnO、及び、In4Sn3O12からなる群より選択される少なくとも1種の粒子であることが好ましい。 Furthermore, as the conductive oxide particles satisfying the above conditions, Sn-doped In 2 O 3 , Zn-doped In 2 O 3 , Sb-doped SnO 2 , F-doped SnO 2 , Al-doped ZnO, Ga-doped ZnO, and In It is preferably at least one kind of particles selected from the group consisting of 4 Sn 3 O 12 .
なお、炭素電極8の高い電子伝導性をより確実に得る観点から、SnドープIn2O3からなる粒子としては、この化合物中に含有されているSnの原子数とInの原子数との比(Snの原子数/Inの原子数)が0.01〜0.25であることが好ましい。また、ZnドープIn2O3からなる粒子としては、この化合物中に含有されているZnの原子数とInの原子数との比(Znの原子数/Inの原子数)が0.01〜0.25であることが好ましい。
In addition, from the viewpoint of more reliably obtaining high electron conductivity of the
更に、SbドープSnO2からなる粒子としては、この化合物中に含有されているSbの原子数とSnの原子数との比(Sbの原子数/Snの原子数)が0.05〜0.55であることが好ましい。また、FドープSnO2からなる粒子としては、この化合物中に含有されているFの原子数とO(酸素原子)の原子数との比(Fの原子数/Oの原子数)が0.05〜0.50であることが好ましい。 Further, as particles composed of Sb-doped SnO 2 , the ratio of the number of Sb atoms and the number of Sn atoms contained in this compound (the number of Sb atoms / the number of Sn atoms) is 0.05 to 0.00. 55 is preferred. Further, as the particles made of F-doped SnO 2 , the ratio of the number of F atoms and the number of O (oxygen atoms) contained in the compound (the number of F atoms / the number of O atoms) is 0. It is preferable that it is 05-0.50.
更に、AlドープZnOからなる粒子としては、この化合物中に含有されているAlの原子数とZnの原子数との比(Alの原子数/Znの原子数)が0.01〜0.25であることが好ましい。また、GaドープZnOからなる粒子としては、この化合物中に含有されているGaの原子数とZnの原子数との比(Gaの原子数/Znの原子数)が0.01〜0.25であることが好ましい。 Further, as the particles made of Al-doped ZnO, the ratio of the number of Al atoms and the number of Zn atoms contained in this compound (number of Al atoms / number of Zn atoms) is 0.01 to 0.25. It is preferable that In addition, as particles made of Ga-doped ZnO, the ratio of the number of Ga atoms and the number of Zn atoms contained in this compound (the number of Ga atoms / the number of Zn atoms) is 0.01 to 0.25. It is preferable that
なお、多孔質の炭素電極である対極CE1中には、例えば、電極反応をより速やかに進行させる観点から、Pt微粒子等の触媒微粒子を分散担持してもよい。 In addition, in the counter electrode CE1, which is a porous carbon electrode, for example, catalyst fine particles such as Pt fine particles may be dispersed and supported from the viewpoint of allowing the electrode reaction to proceed more rapidly.
更に、電解質Eは、光励起され半導体への電子注入を果した後の色素を還元するための酸化還元種を含んでいれば特に限定されず、例えば、液状の電解質であってもよく、これに公知のゲル化剤(高分子或いは低分子のゲル化剤)を添加して得られるゲル状の電解質であってもよい。 Furthermore, the electrolyte E is not particularly limited as long as it contains a redox species for reducing the dye after photoexcitation and electron injection into the semiconductor. For example, the electrolyte E may be a liquid electrolyte. It may be a gel electrolyte obtained by adding a known gelling agent (polymer or low molecular weight gelling agent).
また、電解質Eに使用される液状電解質の溶媒としては、溶質成分を溶解できる化合物であれば特に制限はないが、電気化学的に不活性で、比誘電率が高くかつ粘度が低い溶媒(およびこれらの混合溶媒)に溶かしたものが好ましく、例えば、メトキシプロピオニトリルやアセトニトリルのようなニトリル化合物,γ−ブチロラクトンやバレロラクトンのようなラクトン化合物,エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートのようなカーボネート化合物等が挙げられる。 The solvent for the liquid electrolyte used for the electrolyte E is not particularly limited as long as it is a compound that can dissolve the solute component, but is electrochemically inert, has a high dielectric constant, and a low viscosity (and These mixed solvents are preferably dissolved in nitrile compounds such as methoxypropionitrile and acetonitrile, lactone compounds such as γ-butyrolactone and valerolactone, carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and the like. Can be mentioned.
電解質Eに使用される液状電解質の溶質としては,半導体電極2に担持された色素や対極CE1と電子の受け渡しを行える酸化還元対(I3 −/I−系の電解質、Br3 −/Br−系の電解質、ハイドロキノン/キノン系の電解質などのレドックス電解質)や、この電子の受け渡しを助長する作用を有する化合物等が挙げられ、これらがそれぞれ単独あるいは複数組み合せて含まれていてもよい。
As the solute of the liquid electrolyte used for the electrolyte E, a redox couple (I 3 − / I − system electrolyte, Br 3 − / Br −) capable of transferring electrons to the dye supported on the
より具体的には、酸化還元対を構成する物質としては、例えば,ヨウ素,臭素,塩素などのハロゲン,ヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウム,ヨウ化テトラプロピルアンモニウム,ヨウ化リチウムのようなハロゲン化物などが挙げられる。電子の受け渡しを効率よく行うための添加剤としては、例えば、4−tert−ブチルピリジンが通常使用される。 More specifically, examples of the substance constituting the redox pair include halogens such as iodine, bromine, and chlorine, halides such as dimethylpropylimidazolium iodide, tetrapropylammonium iodide, and lithium iodide. Can be mentioned. As an additive for efficiently transferring electrons, for example, 4-tert-butylpyridine is usually used.
また、スペーサSの構成材料は特に限定されるものではなく、例えば、シリカビーズ等を用いることができる。 The constituent material of the spacer S is not particularly limited, and for example, silica beads or the like can be used.
また、電解質Eを密封する目的で光電極10、対極CE1及びスペーサSを一体化するために使用する封止材としては、電解質Eの成分ができる限り外部に漏洩しないように封止できるものであればよく、特に制限されないが、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エチレン/メタクリル酸共重合体,表面処理ポリエチレンからなる熱可塑性樹脂などを用いることができる。
Further, as a sealing material used for integrating the
次に、図2に示した色素増感型太陽電池20の製造方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the dye-sensitized
透明電極1を製造する場合は、ガラス基板等の基板4上に先に述べたフッ素ドープSnO2等の透明導電膜3をスプレーコートする等の公知の薄膜製造技術を用いて形成することができる。例えば、この他にも、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法及びゾルゲル法の公知の薄膜製造技術を用いて形成することができる。
When manufacturing the
透明電極1の透明導電膜3上に半導体電極2を形成する方法としては、例えば、以下の方法がある。すなわち、先ず、所定の大きさ(例えば粒子径が10〜30nm程度)を有する酸化物半導体粒子を分散させた分散液を調製する。この分散液の溶媒は水、有機溶媒、または両者の混合溶媒など酸化物半導体粒子を分散できるものなら特に限定されない。また、分散液中には必要に応じて界面活性剤、粘度調節剤を加えてもよい。
Examples of a method for forming the
次に、分散液を透明電極1の透明導電膜3上に塗布し、次いで乾燥する。このときの塗布方法としてはバーコーター法、印刷法などを用いることができる。そして、乾燥した後、空気中、不活性ガス或いは窒素中で加熱、焼成して半導体電極2(多孔質半導体膜)を形成する。
Next, the dispersion is applied onto the transparent
次に、半導体電極2中に浸着法等の公知の技術により増感色素を含有させる。増感色素は半導体電極2に付着(化学吸着、物理吸着または堆積など)させることにより含有させる。この付着方法は、例えば色素を含む溶液中に半導体電極2を浸漬するなどの方法を用いることができる。この際、溶液を加熱し還流させるなどして増感色素の吸着、堆積を促進することができる。なお、このとき、色素の他に必要に応じて、銀等の金属やアルミナ等の金属酸化物を半導体電極2中に含有させてもよい。
Next, a sensitizing dye is contained in the
なお、半導体電極2内に含まれる光電変換反応を阻害する不純物を除去する表面酸化処理を、各層それぞれの形成時毎、或いは、各層全てを形成した時などに公知の方法により適宜施してもよい。
The surface oxidation treatment for removing impurities that inhibit the photoelectric conversion reaction contained in the
また、透明電極1の透明導電膜3上に半導体電極2を形成する他の方法としては、以下の方法がある。すなわち、透明電極1の透明導電膜3上にTiO2等の半導体を膜状に蒸着させる方法を用いてもよい。透明導電膜3上に半導体を膜状に蒸着させる方法としては公知の薄膜製造技術を用いることができる。例えば、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法を用いてもよく、酸素等の反応性ガス中で金属等を蒸発させ、反応生成物を透明導電膜3上に堆積させる反応蒸着法を用いてもよい。更に、反応ガスの流れを制御する等してCVD等の化学蒸着法を用いることもできる。
Other methods for forming the
対極CE1の製造方法も特に限定されず、例えば、以下の手法で形成することができる。先ず、基板6上に透明導電膜7を形成する。これは、光電極10に備えられる透明電極1と同様の手法により形成することができる。次に、透明導電膜7上に、炭素電極8を、例えば、以下の方法により形成する。
The manufacturing method of the counter electrode CE1 is not particularly limited, and can be formed by the following method, for example. First, the transparent
すなわち、カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子と、アセチルアセトン等の有機溶媒と、イオン交換水と、界面活性剤とを含むスラリー(或いはこのスラリーに増粘剤を添加したカーボンペースト)を調製し、これを平板状の基板6の一方の面上に塗布し乾燥させることにより形成する。そして、乾燥後、必要に応じて焼結処理をおこなうことにより、基板6の一方の面上に透明導電膜7及び炭素電極8を順次形成した対極CE1を完成する。なお、上記のスラリー(或いはペースト)の塗布、乾燥及び焼結の一連の作業を繰り返すことにより炭素電極8の厚さを調節することができる。
That is, carbon black particles, particles made of columnar conductive carbon material, conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than anatase-type titanium oxide particles, an organic solvent such as acetylacetone, and ion-exchanged water Then, a slurry containing a surfactant (or a carbon paste obtained by adding a thickener to the slurry) is prepared and applied to one surface of a
このようにして光電極10及び対極CE1を作製した後は、図2に示すように、光電極10と、対極CEとをスペーサSを介して対向させるように組み上げる。このとき、スペーサSにより光電極10と対極CEとの間に形成される空間に電解質Eを充填し、色素増感型太陽電池20を完成させる。
After the
[第2実施形態]
図3は、本発明の色素増感型太陽電池の第2実施形態を示す模式断面図である。以下、図3に示す色素増感型太陽電池30について説明する。なお、上述の図2に示した色素増感型太陽電池20に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図3に示す色素増感型太陽電池30は、本発明の炭素電極の好適な一実施形態を対極CE2として備えている。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a second embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図3に示す色素増感型太陽電池30は、図2に示した光電極10を使用し、図2に示した対極CE1と同様の構成を有する対極CE2を使用している。そして、図2に示した色素増感型太陽電池20においてはスペーサSにより光電極10と対極CE1との間に形成される空間に電解質Eを充填したのに比較して、図3に示す色素増感型太陽電池30においては、光電極10と対極CE2との間に多孔体層PSを配置している。そして、対極CE2の多孔体層PSと反対側の面には基板6が配置されている。
A dye-sensitized
この多孔体層PSは多数の細孔を有した構造を有しており、この多孔体層PSの内部には、図2に示した色素増感型太陽電池20に使用したものと同様の電解質E(液体状或いはゲル状の電解質)が充填されて保持されている。
The porous layer PS has a structure having a large number of pores, and an electrolyte similar to that used in the dye-sensitized
多孔体層PSは、電解質Eを保持可能であり、電子伝導性を有さない多孔体であれば特に限定されない。例えば、ルチル型の酸化チタン粒子により形成した多孔体を使用してもよい。また、ルチル型の酸化チタン以外の構成材料としては、ジルコニア、アルミナ、シリカ等が挙げられる。更に、この多孔体層PSは、光電極10を透過する光を反射してその反射光を再び光電極10内に照射する光反射層としての機能も有している。これにより、光電極10における光の利用効率を向上させることができる。
The porous body layer PS is not particularly limited as long as it is capable of holding the electrolyte E and does not have electron conductivity. For example, you may use the porous body formed with the rutile type titanium oxide particle. Examples of constituent materials other than rutile type titanium oxide include zirconia, alumina, and silica. Further, the porous layer PS also has a function as a light reflecting layer that reflects light transmitted through the
また、この電解質Eは半導体電極2内や、対極CE2の多孔質の炭素電極8にも保持されている。そして、図3に示す色素増感型太陽電池30の半導体電極2、多孔体層PS及び対極CE2の側面は、電解質が、半導体電極2、多孔体層PS及び対極CE2の側面から外部に漏れることを防止するためにシール材5により被覆されている。
The electrolyte E is also held in the
また、シール材5としては、例えば、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂フィルム、あるいはエポキシ系接着剤を使用することができる。
Moreover, as the sealing
更に、対極CE2は、図2に示した色素増感型太陽電池20の対極CE1と同じ構成を有している。対極CE2の側に配置される透明導電膜7及び基板6は光電極10の透明電極1に使用される透明導電膜3及び透明基板4と同様のものを使用することができる。なお、図3において、対極CE2は、透明導電膜7を除いた構成、すなわち、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された炭素電極8とからなる構成としてもよい。また、対極CE2は、充分な機械的強度が得られる場合には、炭素電極8自体のみからなる構成としてもよい。また、図3において、対極CE2は、透明導電膜7のかわりに例えば、チタン、ニッケルなどの金属膜を配置した構成、すなわち、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された金属膜、更に、金属膜上に形成された炭素電極8とからなる構成としてもよい。
Furthermore, the counter electrode CE2 has the same configuration as the counter electrode CE1 of the dye-sensitized
次に、図3に示す色素増感型太陽電池30の製造方法の一例について説明する。先ず、図2に示した色素増感型太陽電池20と同様にして光電極10を作製する。次に、光電極10の半導体電極2を作製する場合と同様の手順により、光電極10の半導体電極2の面F22上に多孔体層PSを形成する。例えば、ルチル型の酸化チタン等の多孔体層PSの構成材料を含む分散液(スラリー)を調製し、これを半導体電極2の面F22上に塗布し乾燥させることにより形成してもよい。
Next, an example of a method for manufacturing the dye-sensitized
また、対極CE2についても、先に述べた対極CE1の場合と同様の方法により形成してもよい。また、先に述べた対極CE1の場合と同様の組成成分からなるスラリー(或いは、カーボンペースト)を調製し、これを多孔体層PSの面上に塗布し乾燥させることにより形成してもよい。この場合には、対極CE2の多孔体層PSの側と反対の側の面上に基板6を形成し、半導体電極2、多孔体層PS及び対極CE2の側面をシール材5で被覆して色素増感型太陽電池30を完成する。
Further, the counter electrode CE2 may be formed by the same method as that of the counter electrode CE1 described above. Further, it may be formed by preparing a slurry (or carbon paste) composed of the same composition components as in the case of the counter electrode CE1 described above, and applying the slurry on the surface of the porous layer PS and drying it. In this case, the
[第3実施形態]
図4は、本発明の色素増感型太陽電池の第3実施形態を示す模式断面図である。以下、図4に示す色素増感型太陽電池40について説明する。なお、上述の図2に示した色素増感型太陽電池20又は図3に示した色素増感型太陽電池30に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図4に示す色素増感型太陽電池40は、本発明の炭素電極の好適な一実施形態を対極CE3として備えている。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図4に示す色素増感型太陽電池40は、以下に示す多孔体層PSの形状と対極CE3の形状以外は図2に示した色素増感型太陽電池30と同様の構成を有している。すなわち、図4に示す色素増感型太陽電池40の場合、多孔体層PSが半導体電極2の裏面F22を覆う部分の他に半導体電極2の側面を密着して覆う鍔状の縁部分を有している。この鍔状の縁部分は、光電極10の透明電極1の受光面F1の法線方向に略平行となる方向にのびてその先端が透明電極1に接続されている。
The dye-sensitized
この透明電極1と多孔体層PSとの接続部についてより詳細に説明すると、この接続部において、透明電極1の透明導電膜3の部分は、例えばレーザスクライブ等の技術により完全に削りとられ、透明基板4の表面があらわれる深さの溝9が形成されている。そして、この溝9の部分に多孔体層PSの鍔状に形成された縁部分が挿入されている。
The connecting portion between the
また、対極CE3は多孔体層PSに隣接して配置される炭素電極8と、この炭素電極8の多孔体層PSと反対側の面上に隣接して配置される基板6とから構成されている。そして、この対極CE3にも、多孔体層PSの鍔状の縁部分を密着して覆うための鍔状の縁部分が形成されている。この対極CE3の鍔状の縁部分も、光電極10の透明電極1の受光面F1の法線方向に略平行となる方向にのびてその先端が透明電極1の透明導電膜3の表面に密着するように接続されている。
The counter electrode CE3 includes a
また、半導体電極2の側面のうち多孔体層PSの鍔状の縁部分で覆われていない部分、及び、多孔体層PSの側面のうち、対極CE3の鍔状の縁部分で覆われていない部分は、図3に示した色素増感型太陽電池30に使用されているものと同様のシール材5を密着させて配置することによりシールされている。更に、対極CE3の鍔状の縁部分の外表面に対しても図2に示した色素増感型太陽電池30に使用されているものと同様のシール材5が密着するように配置されている。
Further, the portion of the side surface of the
基板6とシール材5とを配置することにより、半導体電極2及び多孔体層PSのそれぞれの内部に含有されている電解質の電池40外部への逸散を充分に防止することができる。なお、必要に応じて、基板6と炭素電極8との間にもシール材5を密着させて配置しておいてもよい。これにより、対極CE3内部に含有されている電解質の電池40外部への逸散をより充分に防止することができる。
By disposing the
以上のように、この色素増感型太陽電池40は、光電極10の透明電極1に多孔体層PSと対極CE3とがそれぞれ一体化された構成を有している。そして、多孔体層PSの鍔状の縁部分により、光電極10と対極CE3との電気的な接触が防止されている。なお、光電極10と対極CE3との電気的な接触(光電極10と対極CE3との間での電子移動)が充分に防止されるのであれば、図4において、多孔体層PSの鍔状の縁部分を設けずに、半導体電極2の側面と対極CE3の鍔状の縁部分の内側面とが見かけ接触している状態の構成としてもよい。この場合、溝9内には半導体電極2の構成材料が挿入される。
As described above, the dye-sensitized
この色素増感型太陽電池40は、光電極10を形成する際に、上記の溝9をレーザスクライブ等の公知の技術により形成し、多孔体層PS及び対極CE3の形成時にそれぞれ上述の鍔状の縁部分が形成されるように原料となるスラリー(或いはペースト)を塗布すること以外は図3に示した色素増感型太陽電池30と同様の製造方法により形成することができる。
In the dye-sensitized
[第4実施形態]
図5は、本発明の色素増感型太陽電池の第4実施形態を示す模式断面図である。以下、図5に示す色素増感型太陽電池50について説明する。なお、上述の図2に示した色素増感型太陽電池20、図3に示した色素増感型太陽電池30又は図4に示した色素増感型太陽電池40に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図5に示す色素増感型太陽電池50は、本発明の炭素電極の好適な一実施形態を対極CE4として備えている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a fourth embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図5に示す色素増感型太陽電池50は、複数の電池を併設したモジュールの形態を有している。図5に示す色素増感型太陽電池50は、図3に示した色素増感型太陽電池30又は図4に示した色素増感型太陽電池40をそれぞれ複数個直列に併設する場合の一例を示している。
The dye-sensitized
図3に示した色素増感型太陽電池30に比較して、図5に示す色素増感型太陽電池50は、隣り合う太陽電池の単セルの光電極10間に設けられるシール材5と一方の単セル(以下、単セルAという)の光電極10との間に溝9が形成されている。
Compared to the dye-sensitized
この溝9は、単セルAの半導体電極2を、例えばレーザスクライブなどの技術により削りとることにより形成される。この溝9のうちのシール材5の近傍部分は、半導体電極2の部分を完全に除去して透明電極1の透明導電膜3の層があらわれる深さまで達している。また、この溝9のうちの単セルAの半導体電極2の近傍部分は、半導体電極2の部分と透明導電膜3の部分を完全に除去して、透明電極1の透明基板4の層があらわれる深さまで達している。
The
そして、この溝9のうちのシール材5の近傍部分には、隣り合う光電極10の透明導電膜3及び該透明導電膜3上の半導体電極2の部分同士が電気的に接触しないように、これらの部分の間に単セルAの多孔体層PSの鍔状に形成された縁部分が透明電極1の透明基板4に接触するようにして挿入されている。
And in the vicinity of the sealing
更に、この溝のうちの単セルAの半導体電極2の近傍部分、すなわち、単セルAの多孔体層PSとシール材5との間の部分には、単セルAの対極CE4の鍔状に形成された縁部分が、もう一方の単セルAの透明電極1の透明導電膜3に接触するようにして挿入されている。この色素増感型太陽電池50は、図4に示した色素増感型太陽電池40と同様の製造方法により形成することができる。
Further, in the vicinity of the
[第5実施形態]
図6は、本発明の色素増感型太陽電池の第5実施形態を示す模式断面図である。以下、図6に示す色素増感型太陽電池20Aについて説明する。なお、図2に示した色素増感型太陽電池20に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a fifth embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図6に示す色素増感型太陽電池20Aは、以下に説明する電極を対極CE5として備えていること以外は図2に示した色素増感型太陽電池20と同一の構成を有している。すなわち、図6に示す色素増感型太陽電池20Aは、本発明の電極の好適な一実施形態を対極CE5として備えている。
The dye-sensitized
対極CE5は、炭素電極8と透明導電膜7との間に、後述するバインダー層81が配置されていること以外は、図2に示した対極CE1と同様の構成を有している。
The counter electrode CE5 has the same configuration as the counter electrode CE1 shown in FIG. 2 except that a
なお、図6において、対極CE5は、透明導電膜7を除いた構成としてもよい。すなわち、バインダー層81が平板状の基板6の一方の面上に形成された構成としてもよい。また、基板6の構成材料を透明導電膜7の構成材料(透明導電材料)から形成し、この基板6の一方の面上にバインダー層81が形成された構成としてもよい。また、図6において、対極CE5は、透明導電膜7のかわりに例えば、チタン、ニッケルなどの金属膜を配置した構成、すなわち、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された金属膜、更に、金属膜上に形成された炭素電極8とからなる構成としてもよい。
In FIG. 6, the counter electrode CE <b> 5 may be configured without the transparent
バインダー層81は、1)カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として形成された構成、或いは、2)カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子とを構成材料として形成された構成のいずれかの構成を有する多孔質の層である。なお、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子は、図2に示した炭素電極8に含有することのできるアナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子を使用することができる。
The
このバインダー層81は炭素電極8と同様に多孔質の層であり、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、その細孔内には、電解質E(液体状或いはゲル状の電解質)が保持されている。また、この多孔質の炭素電極8は、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmである。
This
バインダー層81を配置させる構成とすることにより、対極CE1及び色素増感型太陽電池20に比較して、対極CE5及び色素増感型太陽電池20Aの耐久性をより向上させることができる。グラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層81のほうが炭素電極8よりも透明導電膜7に対する結着性に優れていることが、上述の効果(耐久性の更なる向上)が得られている要因であると本発明者らは考えている。
By adopting a configuration in which the
[第6実施形態]
図7は、本発明の色素増感型太陽電池の第6実施形態を示す模式断面図である。以下、図7に示す色素増感型太陽電池30Aについて説明する。なお、図3に示した色素増感型太陽電池30に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Sixth Embodiment]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a sixth embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図7に示す色素増感型太陽電池30Aは、以下に説明する電極を対極CE6として備えていること以外は図3に示した色素増感型太陽電池30と同一の構成を有している。すなわち、図7に示す色素増感型太陽電池30Aは、本発明の電極の好適な一実施形態を対極CE6として備えている。
The dye-sensitized
この対極CE6は図6に示した対極CE5と同一の構成を有する電極である。なお、図7に示した対極CE6も図6に示した対極CE5と同様に透明導電膜7を除いた構成としてもよい。すなわち、バインダー層81が平板状の基板6の一方の面上に形成された構成としてもよい。また、基板6の構成材料を透明導電膜7の構成材料(透明導電材料)から形成し、この基板6の一方の面上にバインダー層81が形成された構成としてもよい。また、図7において、対極CE6は、透明導電膜7のかわりに例えば、チタン、ニッケルなどの金属膜を配置した構成、すなわち、平板状の基板6と、基板6の一方の面上に形成された金属膜、更に、金属膜上に形成された炭素電極8とからなる構成としてもよい。
The counter electrode CE6 is an electrode having the same configuration as the counter electrode CE5 shown in FIG. Note that the counter electrode CE6 shown in FIG. 7 may also have a configuration in which the transparent
このバインダー層81を配置させる構成とすることにより、対極CE2及び色素増感型太陽電池30に比較して、対極CE6及び色素増感型太陽電池30Aの耐久性をより向上させることができる。グラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層81のほうが炭素電極8よりも透明導電膜7に対する結着性に優れていることが、上述の効果(耐久性の更なる向上)が得られている要因であると本発明者らは考えている。
By adopting a configuration in which the
[第7実施形態]
図8は、本発明の色素増感型太陽電池の第7実施形態を示す模式断面図である。以下、図8に示す色素増感型太陽電池40Aについて説明する。なお、図4に示した色素増感型太陽電池40に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Seventh Embodiment]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a seventh embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図8に示す色素増感型太陽電池40Aは、以下に説明する後述するバインダー層82(第2のバインダー層)を備えていること以外は図4に示した色素増感型太陽電池40と同様の構成を有している。
The dye-sensitized
すなわち、図8に示す色素増感型太陽電池40Aは、多孔体層PSと炭素電極8との間に、後述するバインダー層82(第2のバインダー層)が配置されていること以外は、色素増感型太陽電池40と同様の構成を有している。また、対極CE7は、膜状の炭素電極8を有していること以外は図4に示した対極CE3と同様の構成を有している。
That is, the dye-sensitized
バインダー層82は、1)カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として形成された構成、或いは、2)カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子とを構成材料として形成された構成のいずれかの構成を有する多孔質の層である。なお、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子は、図2に示した炭素電極8に含有することのできるアナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子を使用することができる。
The
このバインダー層82は炭素電極8と同様に多孔質の層であり、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、その細孔内には、電解質E(液体状或いはゲル状の電解質)が保持されている。また、この多孔質の炭素電極8は、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmである。
This
バインダー層82を配置させる構成とすることにより、対極CE3及び色素増感型太陽電池40に比較して、対極CE7及び色素増感型太陽電池40Aの耐久性をより向上させることができる。この色素増感型太陽電池40Aの場合、グラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層82のほうが炭素電極8よりも多孔質層PSに対する結着性に優れていることが、上述の効果(耐久性の更なる向上)が得られている要因であると本発明者らは考えている。
By adopting a configuration in which the
また、バインダー層82は、多孔質層PSの鍔部に沿うように形成される鍔部を有している。そして、このバインダー層82の鍔部の縁部分(先端部分)は、光電極1の透明導電膜3に一体化された状態で接触しているが、グラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層82のほうが炭素電極8よりも透明導電膜3に対する結着性に優れているため、この観点からも対極CE3及び色素増感型太陽電池40に比較して、対極CE7及び色素増感型太陽電池40Aの耐久性がより向上すると本発明者らは考えている。
Moreover, the
[第8実施形態]
図9は、本発明の色素増感型太陽電池の第8実施形態を示す模式断面図である。以下、図9に示す色素増感型太陽電池50Aについて説明する。なお、図5に示した色素増感型太陽電池50に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Eighth Embodiment]
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an eighth embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. Hereinafter, the dye-sensitized
図9に示す色素増感型太陽電池50Aは、以下に説明する後述するバインダー層82(第2のバインダー層)を備えていること以外は図5に示した色素増感型太陽電池50と同様の構成を有している。
The dye-sensitized
すなわち、図9に示す色素増感型太陽電池50Aは、多孔体層PSと炭素電極8との間に、後述するバインダー層82(第2のバインダー層)が配置されていること以外は、色素増感型太陽電池40と同様の構成を有している。また、対極CE8は、膜状の炭素電極8を有していること以外は図5に示した対極CE4と同様の構成を有している。
That is, the dye-sensitized
バインダー層82は、1)カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として形成された構成、或いは、2)カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子とを構成材料として形成された構成のいずれかの構成を有する多孔質の層である。なお、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子は、図2に示した炭素電極8に含有することのできるアナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子を使用することができる。
The
このバインダー層82は炭素電極8と同様に多孔質の層であり、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、その細孔内には、電解質E(液体状或いはゲル状の電解質)が保持されている。また、この多孔質の炭素電極8は、上記1)及び2)の何れの構成を有する場合にも、グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmである。
This
バインダー層82を配置させる構成とすることにより、対極CE4及び色素増感型太陽電池50に比較して、対極CE8及び色素増感型太陽電池50Aの耐久性をより向上させることができる。この色素増感型太陽電池50Aの場合、グラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層82のほうが炭素電極8よりも多孔質層PSに対する結着性に優れていることが、上述の効果(耐久性の更なる向上)が得られている要因であると本発明者らは考えている。
By adopting a configuration in which the
また、バインダー層82は、多孔質層PSの鍔部に沿うように形成される鍔部を有している。そして、このバインダー層82の鍔部の縁部分(先端部分)は、光電極1の透明導電膜3に一体化された状態で接触しているが、グラファイトからなる粒子を含有させたバインダー層82のほうが炭素電極8よりも透明導電膜3に対する結着性に優れているため、この観点からも対極CE4及び色素増感型太陽電池50に比較して、対極CE8及び色素増感型太陽電池50Aの耐久性がより向上すると本発明者らは考えている。
Moreover, the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の炭素電極、電極及び色素増感型太陽電池について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the carbon electrode, the electrode, and the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
(実施例1)
以下に示す手順により、図4に示した光電極10と同様の構成を有する光電極(ただし、半導体電極2を2層構造とした。)を作製し、更に、この光電極を用いた以外は図4に示した色素増感型太陽電池40と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(半導体電極2の受光面F2の面積:1cm2)を作製した。なお、2層構造を有する半導体電極2の各層について、透明電極1に近い側に配置される層を、「第1の層」、多孔体層PSに近い側に配置される層を「第2の層」という。
Example 1
A photoelectrode having the same configuration as that of the
先ず、市販のアナターゼ型の酸化チタン粒子(平均粒子径:25nm、以下、「P25」という)と、これと粒子径の異なるアナターゼ型の酸化チタン粒子(平均粒子径:200nm、以下、「P200」という)とを用い、P25とP200の合計の含有量が15質量%で、P25とP200との質量比が、P25:P200=30:70となるように、これらにアセチルアセトン、イオン交換水、界面活性剤(東京化成社製、商品名;「Triton−X」)を加え、混練して第2の層形成用のスラリー(P25の含有量;10.5質量%、P200の含有量;4.5質量%、以下、「スラリー1」とする)を調製した。
First, commercially available anatase-type titanium oxide particles (average particle size: 25 nm, hereinafter referred to as “P25”) and anatase-type titanium oxide particles (average particle size: 200 nm, hereinafter referred to as “P200”) having a different particle size from this. And the total content of P25 and P200 is 15% by mass, and the mass ratio of P25 and P200 is P25: P200 = 30: 70. 3. An activator (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., trade name: “Triton-X”) is added and kneaded to form a slurry for forming a second layer (P25 content; 10.5 mass%, P200 content; 5 mass%, hereinafter referred to as “
次に、P200を使用せず、P25のみを使用したこと以外は前述のスラリー1と同様の調製手順により第1の層形成用のスラリー(P1の含有量;15質量%、以下、「スラリー2」とする)を調製した。
Next, a slurry for forming a first layer (P1 content; 15 mass%; hereinafter, “
一方、ガラス基板(透明基板4)上にフッ素ドープされたSnO2導電膜(膜厚:700nm)を形成した透明電極(厚さ:1.1mm)を準備した。次に、レーザスクライブ処理により、SnO2導電膜の一部を削り、透明基板4の表面を露出させ、内部に充填物の無い状態の溝9(図4参照)を形成した。
On the other hand, a transparent electrode (thickness: 1.1 mm) in which a fluorine-doped SnO 2 conductive film (film thickness: 700 nm) was formed on a glass substrate (transparent substrate 4) was prepared. Next, a part of the SnO 2 conductive film was shaved by laser scribing to expose the surface of the
次に、このSnO2導電膜上に、上述のスラリー2をバーコーダを用いて塗布し、次いで乾燥させた。なお、この場合、スラリー2の塗布により上記溝9の内部もスラリー2が充填されていた。その後、大気中、450℃の条件のもとで30分間焼成した。このようにして、透明電極上に、半導体電極2の第1の層を形成した。
Next, the
更に、スラリー1を用いて、上述と同様の塗布と焼成とを繰り返すことにより、第1の層上に、第2の層を形成した。このようにして、SnO2導電膜上に半導体電極2(受光面の面積;1.0cm2、層厚:10μm、第1の層の層厚:3μm、第2の層の層厚:7μm)を形成し、増感色素を含有していない状態の光電極10を作製した。
Furthermore, the second layer was formed on the first layer by repeating the same application and firing as described above using the
次に、レーザスクライブ処理により、溝9を埋める半導体電極2の部分を削り取り、再び透明基板4の表面を露出させ、内部に充填物の無い状態の溝9(図4参照)を形成した。
Next, the portion of the
次に、多孔体層PSを形成するためのスラリー(以下、「スラリー3」という)を以下の手順で調製した。すなわち、スラリー3は、市販の二酸化ケイ素(平均粒子径:40nm、以下、P1という)と市販のルチル型の酸化チタン(平均粒子径:400nm、以下、P2という)とを用い、P1とP2の合計の含有量が15質量%で、P1とP2との質量比が、P1:P2=35:65となるようにした以外は前述のスラリー1と同様の調製手順により多孔体層PS形成用のスラリー3を調製した。
Next, a slurry for forming the porous layer PS (hereinafter referred to as “
次に、図4に示した状態となるように、光電極の裏面F22及び側面に対してこのスラリー3の塗布と焼結を繰り返すことにより、多孔体層PS(厚さ:7μm)を形成した。なお、この場合、スラリー3の塗布により上記溝9の内部にも図4に示した状態と同様の状態で、鍔状の縁部分を有する多孔体層PSを形成した。
Next, the porous body layer PS (thickness: 7 μm) was formed by repeating the application and sintering of the
次に、レーザスクライブ処理により、多孔体層PSの鍔状の縁部分のうち炭素電極8が形成される側の表面を削り、多孔体層PSの形状を整えた。
Next, by the laser scribing process, the surface on the side where the
次に、多孔体層PS上に対極CE3を次の手順により形成した。先ず、この対極を形成するためのスラリー(以下、「スラリー4」という)を、市販のカーボンブラック状粒子(平均粒径:40nm)、市販の気相合成カーボンファイバからなる粒子(直径:150nm,高さ5μm)、及び、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)を用い、カーボンブラック状粒子、カーボンファイバからなる粒子、及び酸化チタン粒子の質量比が、カーボンブラック状粒子:カーボンファイバからなる粒子:酸化チタン粒子=20:100:15となるようにした以外は前述のスラリー1と同様の調製手順により調製した。
Next, the counter electrode CE3 was formed on the porous body layer PS by the following procedure. First, a slurry for forming this counter electrode (hereinafter referred to as “
次いで、光電極10の形成手順と同様にして図4に示した状態となるように、このスラリー4の塗布と焼結を繰り返し、多孔体層PSの外表面上に鍔状の縁部分を有する炭素電極8(厚さ:50μm)を形成した。次に、レーザスクライブ処理により、炭素電極8の鍔状の縁部分のうちシール材5と接触する側の表面を削り、炭素電極8の形状を整えた。
Next, application and sintering of the
その後、半導体電極2中に色素を以下のようにして吸着させた。先ず、増感色素としてルテニウム錯体[cis-Di(thiocyanato)-N,N'-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'dicarboxylic acid)-ruthenium(II)]を用い、これのエタノール溶液(増感色素の濃度;3×10−4mol/L)を調製した。
Thereafter, the dye was adsorbed in the
次に、この溶液に、上記の光電極1、多孔体層PS及び炭素電極8が一体化した積層体を浸漬し、80℃の温度条件のもとで20時間放置した。これにより、半導体電極2の内部に増感色素を約1.0×10−7mol/cm2吸着させた。次に、開放電圧Vocを向上させるために、ルテニウム錯体吸着後の半導体電極2を4-tert-ブチルピリジンのアセトニトリル溶液に15分浸漬した後、25℃に保持した窒素気流中において乾燥させ、光電極10を完成させた。
Next, the laminate in which the
次に、半導体電極の大きさに合わせた形状を有する三井デュポンポリケミカル社製のシール材S(商品名:「ハイミラン」,エチレン/メタクリル酸ランダム共重合体アイオノマーフィルム)を準備し、図4に示すように半導体電極2、多孔体層PS及び対極CE3の外部に露出した側面に配置し、熱溶着した。次に、炭素電極8の外表面上にガラス基板を配置して熱融着して対極CE3を形成するとともに、電池の筐体(電解質未充填)を得た。
Next, a sealing material S (trade name: “Himiran”, ethylene / methacrylic acid random copolymer ionomer film) manufactured by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd. having a shape matched to the size of the semiconductor electrode is prepared. As shown, the
次に、溶媒となるγ−ブチロラクトンに、ヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムと、ヨウ化リチウムと、4−tert−ブチルピリジンとを溶解させて液状電解質E(ヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムの濃度:0.6mol/L、ヨウ化リチウムの濃度:0.1mol/L、4−tert−ブチルピリジン濃度:0.5mol/L)を調製した。 Next, dimethylpropylimidazolium iodide, lithium iodide, and 4-tert-butylpyridine are dissolved in γ-butyrolactone as a solvent to obtain a liquid electrolyte E (concentration of dimethylpropylimidazolium iodide: 0. 6 mol / L, lithium iodide concentration: 0.1 mol / L, 4-tert-butylpyridine concentration: 0.5 mol / L).
次に、この電解質Eを、対極CE3のガラス基板に予め設けておいた孔から電池の筐体内に注入した後、孔をシール材Sと同素材の部材で塞ぎ、更に対極CE3の孔にこの部材を熱溶着させて孔を封止し、色素増感型太陽電池を完成させた。 Next, the electrolyte E is injected into the battery casing from a hole provided in advance in the glass substrate of the counter electrode CE3, and then the hole is closed with a member made of the same material as the sealing material S, and further, the hole is formed in the hole of the counter electrode CE3. The member was thermally welded to seal the hole, thereby completing a dye-sensitized solar cell.
(実施例2)
対極CE3を形成する際に、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、実施例1と同様の作製手順及び条件により、実施例1と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Example 2)
Example 1 was used except that, when forming the counter electrode CE3, Sb-doped SnO 2 particles (average particle size: 8 nm) were used instead of titania (anatase-type titanium oxide) particles (average particle size: 8 nm). A dye-sensitized solar cell having the same configuration as that of Example 1 was manufactured according to the same manufacturing procedure and conditions.
(実施例3)
以下に示す手順により、図2に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(半導体電極2の受光面F2の面積:1cm2)を作製した。
(Example 3)
A dye-sensitized solar cell (area of the light receiving surface F2 of the semiconductor electrode 2: 1 cm 2 ) having the same configuration as that of the dye-sensitized
先ず実施例1と同様の作製手順及び条件により、実施例1と同様の構成を有する光電極10を作製した。次に、実施例1と同様の作製手順及び条件により、実施例1と同様の構成を有する液状の電解質を調製した。
First, a
次に、光電極10に使用した透明電極1と同様の透明電極{基板6(ここでは透明基板)上に透明導電膜7を形成したもの}を準備し、その透明導電膜7の片面に実施例1で調製したものと同様のスラリー4を塗布し、更に乾燥及び焼結を繰り返すことにより、透明導電膜7上に炭素電極8(厚さ:20μm)を形成し、図2に示したものと同様の構成を有する対極CE1を作製した。
Next, a transparent electrode similar to the
半導体電極2の大きさに合わせた形状を有する三井デュポンポリケミカル社製のスペーサS(商品名:「ハイミラン」)を準備し、図2に示すように、光電極10と対極CE1とをスペーサSを介して対向させ、内部に実施例1で調製したものと同様の電解質を充填して図2に示したものと同様の構成を有する色素増感型太陽電池20を完成させた。
A spacer S (trade name: “HIMILAN”) manufactured by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd. having a shape matched to the size of the
(実施例4)
以下に示す手順により、透明導電膜7を有しないこと以外は、図2に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(半導体電極2の受光面F2の面積:1cm2)を作製した。
(Example 4)
A dye-sensitized solar cell (of the light-receiving surface F2 of the semiconductor electrode 2) having the same configuration as that of the dye-sensitized
先ず実施例1と同様の作製手順及び条件により、実施例1と同様の構成を有する光電極10を作製した。次に、実施例1と同様の作製手順及び条件により、実施例1と同様の構成を有する液状の電解質を調製した。
First, a
次に、光電極10に使用した透明基板4と同様の基板6を準備し、その片面に実施例1で調製したものと同様のスラリー4を塗布し、更に乾燥及び焼結を繰り返すことにより、基板6上に炭素電極8(厚さ:20μm)を形成し、図2に示したものと同様の構成を有する対極CE1を作製した。
Next, by preparing a
半導体電極2の大きさに合わせた形状を有する三井デュポンポリケミカル社製のスペーサS(商品名:「ハイミラン」)を準備し、図2に示すように、光電極10と対極CE1とをスペーサSを介して対向させ、内部に上記の電解質を充填して図2に示したものと同様の構成(但し透明導電膜7を有しない構成)を有する色素増感型太陽電池20を完成させた。
A spacer S (trade name: “HIMILAN”) manufactured by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd. having a shape matched to the size of the
(比較例1)
対極CE3を形成する際に、市販の気相合成カーボンファイバからなる粒子(直径:150nm,高さ5μm)のかわりに市販のグラファイト状粒子(平均粒径:5μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様の作製手順及び条件により、実施例1と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 1)
When the counter electrode CE3 was formed, it was carried out except that commercially available graphite-like particles (average particle size: 5 μm) were used instead of commercially available gas phase synthetic carbon fiber particles (diameter: 150 nm,
(比較例2)
対極CE1を形成する際に、市販の気相合成カーボンファイバからなる粒子(直径:150nm,高さ5μm)のかわりに市販のグラファイト状粒子(平均粒径:5μm)を用いたこと以外は、実施例3と同様の作製手順及び条件により、実施例3と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 2)
When the counter electrode CE1 was formed, a commercial graphite-like particle (average particle size: 5 μm) was used in place of particles (diameter: 150 nm,
(比較例3)
対極CE1を形成する際に、市販の気相合成カーボンファイバからなる粒子(直径:150nm,高さ5μm)のかわりに市販のグラファイト状粒子(平均粒径:5μm)を用いたこと以外は、実施例4と同様の作製手順及び条件により、実施例4と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 3)
When the counter electrode CE1 was formed, a commercial graphite-like particle (average particle size: 5 μm) was used in place of particles (diameter: 150 nm,
[電池特性評価試験]
以下の手順により電池特性評価試験を行ない、実施例1〜実施例4、比較例1〜比較例3の色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率η(%)を測定した。なお、色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率η(%)は、下記式(A)で表される。ここで、下記式(A)中、P0は入射光強度[mWcm−2]、Vocは開放電圧[V]、Jscは短絡電流密度[mA・cm−2]、F.F.は曲線因子(Filling Factor)を示す。
η=100×(Voc×Jsc×F.F.)/P0…(A)
[Battery characteristics evaluation test]
A battery characteristic evaluation test was performed according to the following procedure, and the energy conversion efficiency η (%) of the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 was measured. The energy conversion efficiency η (%) of the dye-sensitized solar cell is represented by the following formula (A). Here, in the following formula (A), P 0 is the incident light intensity [mWcm −2 ], V oc is the open circuit voltage [V], J sc is the short-circuit current density [mA · cm −2 ], and F.F. Shows Filling Factor.
η = 100 × (V oc × J sc × F.F.) / P 0 (A)
電池特性評価試験は、ソーラーシミュレータ(ワコム製、商品名;「WXS−85−H型」)を用い、AMフィルター(AM1.5)を通したキセノンランプ光源からの疑似太陽光の照射条件を、10mW/cm2とする場合(いわゆる「0.1Sun」の照射条件)と、100mW/cm2とする場合(いわゆる「1Sun」の照射条件)の2つの測定条件の下で行った。 The battery characteristic evaluation test uses a solar simulator (trade name; “WXS-85-H type”, manufactured by Wacom), and the irradiation conditions of pseudo-sunlight from a xenon lamp light source through an AM filter (AM1.5), The measurement was performed under two measurement conditions: 10 mW / cm 2 (so-called “0.1 Sun” irradiation condition) and 100 mW / cm 2 (so-called “1 Sun” irradiation condition).
各色素増感型太陽電池について、I−Vテスターを用いて室温にて電流−電圧特性を測定し、開放電圧(Voc/V)、短絡電流密度(Jsc/mA・cm−2)、曲線因子(F.F.)を求め、これらからエネルギー変換効率η0[%]を求めた。得られた結果を表1(0.1Sunの照射条件)及び表2(1Sunの照射条件)に示す。なお、表1に示す「Jsc@1Sun」とは、0.1Sunの照射条件のもとで実際に得られたJscを10倍した値を示す。 For each dye-sensitized solar cell, the current-voltage characteristics were measured at room temperature using an IV tester, and the open circuit voltage (Voc / V), short circuit current density (Jsc / mA · cm −2 ), and fill factor (FF) was calculated | required and energy conversion efficiency (eta) 0 [%] was calculated | required from these. The obtained results are shown in Table 1 (0.1 Sun irradiation conditions) and Table 2 (1 Sun irradiation conditions). Note that “Jsc @ 1Sun” shown in Table 1 indicates a value obtained by multiplying Jsc actually obtained under irradiation conditions of 0.1 Sun by 10 times.
表1及び表2に示した結果から明らかなように、実施例1〜実施例4の色素増感型太陽電池は、2つの照射条件の何れの場合にも優れたF.F.及びエネルギー変換効率ηを示すことが確認された。 As is clear from the results shown in Tables 1 and 2, the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 4 are excellent in FF and energy conversion in any of the two irradiation conditions. It was confirmed that the efficiency η was exhibited.
(実施例5)
実施例1に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと以外は、実施例2と同様の作製手順及び条件により、実施例2と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(図4に示した色素増感型太陽電池40と同様の構成を有する色素増感型太陽電池)を作製した。
(Example 5)
The same production procedure and conditions as in Example 2 except that a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent (sorbitol) to the liquid electrolyte E used in Example 1 was used. A dye-sensitized solar cell having a configuration (a dye-sensitized solar cell having the same configuration as that of the dye-sensitized
(実施例6)
図8に示した色素増感型太陽電池40Aと同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。より具体的には、実施例1に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、多孔体層PSと対極CE7の炭素電極8との間にバインダー層82(図8を参照)を形成したこと以外は、実施例2と同様の作製手順及び条件により作製した。
(Example 6)
A dye-sensitized solar cell having the same configuration as that of the dye-sensitized
バインダー層82(厚さ:20μm)は以下のスラリー(以下、「スラリー5」という)を調製し、これを使用して多孔体層PS上に形成した。このバインダー層82を形成するためのスラリー(以下、「スラリー5」という)を、市販のカーボンブラック状粒子(平均粒径:40nm)、市販のグラファイトからなる粒子(平均粒径:5μm)、及び、SbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用い、カーボンブラック状粒子、カーボンファイバからなる粒子、及びSbドープSnO2粒子の質量比が、カーボンブラック状粒子:グラファイトからなる粒子:SbドープSnO2粒子=20:100:15となるようにした以外はスラリー1と同様の調製手順により調製した。
The binder layer 82 (thickness: 20 μm) was prepared on the porous material layer PS using the following slurry (hereinafter referred to as “
また、炭素電極8(厚さ:30μm)は以下のスラリー(以下、「スラリー6」という)を調製し、これを使用してバインダー層82上に形成した。市販のカーボンブラック状粒子(平均粒径:40nm)、市販の気相合成カーボンファイバからなる粒子(直径:150μm)、及び、SbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用い、カーボンブラック状粒子、カーボンファイバからなる粒子、及びSbドープSnO2粒子の質量比が、カーボンブラック状粒子:カーボンファイバからなる粒子:SbドープSnO2粒子=20:100:15となるようにした以外はスラリー1と同様の調製手順により調製した。
The carbon electrode 8 (thickness: 30 μm) was formed on the
上記のスラリー5及びスラリー6を使用してレーザスクライブ処理を行ったこと以外は、実施例2と同様の作製手順及び条件で色素増感型太陽電池を作製した。
A dye-sensitized solar cell was produced by the same production procedure and conditions as in Example 2 except that the laser scribe process was performed using the
(比較例4)
比較例1に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、対極を形成する際に、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、比較例1と同様の作製手順及び条件により、比較例1と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 4)
The gel electrolyte obtained by adding a gelling agent (sorbitol) to the liquid electrolyte E used in Comparative Example 1 and the titania (anatase-type titanium oxide) particles (average) when forming the counter electrode Except for using Sb-doped SnO 2 particles (average particle size: 8 nm) instead of particle size: 8 nm), a dye increase having the same configuration as that of Comparative Example 1 was performed by the same production procedure and conditions as Comparative Example 1. A sensitive solar cell was produced.
(実施例7)
実施例3に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、対極を形成する際に、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、実施例3と同様の作製手順及び条件により、実施例3と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(図2に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成を有する色素増感型太陽電池)を作製した。
(Example 7)
The gel electrolyte obtained by adding a gelling agent (sorbitol) to the liquid electrolyte E used in Example 3 and the titania (anatase-type titanium oxide) particles (average) when forming the counter electrode Except for using Sb-doped SnO 2 particles (average particle size: 8 nm) instead of particle size: 8 nm, a dye increase having the same configuration as that of Example 3 was performed in the same manner as in Example 3. A sensitive solar cell (a dye-sensitized solar cell having the same configuration as the dye-sensitized
(実施例8)
図6に示した色素増感型太陽電池20Aと同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。より具体的には、実施例1に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、炭素電極8と透明導電膜7との間にバインダー層81(図6を参照)を形成したこと、及び、炭素電極8を形成する際にチタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、実施例3と同様の作製手順及び条件により作製した。
(Example 8)
A dye-sensitized solar cell having the same configuration as that of the dye-sensitized
バインダー層81(厚さ:10μm)は先に述べたスラリー5を使用して透明導電膜7上に形成した。また、炭素電極8(厚さ:10μm)は先に述べたスラリー6を使用してバインダー層81上に形成した。上記のスラリー5及びスラリー6を使用してレーザスクライブ処理を行ったこと以外は、実施例3と同様の作製手順及び条件で色素増感型太陽電池を作製した。
The binder layer 81 (thickness: 10 μm) was formed on the transparent
(比較例5)
比較例2に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、対極を形成する際に、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、比較例2と同様の作製手順及び条件により、比較例2と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 5)
The gel electrolyte obtained by adding a gelling agent (sorbitol) to the liquid electrolyte E used in Comparative Example 2 and the titania (anatase-type titanium oxide) particles (average) when forming the counter electrode Except for using Sb-doped SnO 2 particles (average particle size: 8 nm) instead of particle size: 8 nm), the dye sensitization having the same configuration as that of Comparative Example 2 was performed in the same manner as in Comparative Example 2. A sensitive solar cell was produced.
(実施例9)
実施例4に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、対極を形成する際に、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は実施例4と同様の作製手順及び条件で図2に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成(但し、実施例4と同様に透明導電膜7を有しない構成の対極を備える構成)を有する色素増感型太陽電池を作製した。
Example 9
The gel electrolyte obtained by adding the gelling agent (sorbitol) to the liquid electrolyte E used in Example 4 and the titania (anatase-type titanium oxide) particles (average) when forming the counter electrode 2 except that Sb-doped SnO 2 particles (average particle diameter: 8 nm) were used instead of the particle diameter: 8 nm), and the dye-sensitized
(実施例10)
図6に示した色素増感型太陽電池20Aと同様の構成(但し、透明導電膜7を有しない構成の対極を備える構成)を有する色素増感型太陽電池を作製した。より具体的には、実施例1に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、炭素電極8と基板6との間にバインダー層81を形成したこと、炭素電極8を形成する際にチタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、実施例4と同様の作製手順及び条件により作製した。
(Example 10)
A dye-sensitized solar cell having the same configuration as that of the dye-sensitized
バインダー層81(厚さ:20μm)は先に述べたスラリー5を使用して基板6上に形成した。また、炭素電極8(厚さ:30μm)は先に述べたスラリー6を使用してバインダー層81上に形成した。上記のスラリー5及びスラリー6を使用してレーザスクライブ処理を行ったこと以外は、実施例4と同様の作製手順及び条件で色素増感型太陽電池を作製した。
The binder layer 81 (thickness: 20 μm) was formed on the
(比較例6)
比較例3に使用した液状電解質Eにゲル化剤(ソルビトール)を添加して得られるゲル状電解質を使用したこと、及び、対極を形成する際に、チタニア(アナターゼ型の酸化チタン)粒子(平均粒径:8nm)のかわりにSbドープSnO2粒子(平均粒径:8nm)を用いたこと以外は、比較例3と同様の作製手順及び条件により、比較例3と同様の構成(但し、比較例3と同様に透明導電膜7を有しない構成の対極を備える構成)を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 6)
The use of a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent (sorbitol) to the liquid electrolyte E used in Comparative Example 3, and, when forming the counter electrode, titania (anatase-type titanium oxide) particles (average Except for using Sb-doped SnO 2 particles (average particle size: 8 nm) instead of particle size: 8 nm), the same configuration as Comparative Example 3 except that Sb-doped SnO 2 particles (average particle size: 8 nm) were used. A dye-sensitized solar cell having a configuration having a counter electrode having a configuration without the transparent
(実施例11)
実施例2と同様の作製手順及び条件により、実施例2と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(図4に示した色素増感型太陽電池40と同様の構成を有する色素増感型太陽電池)を作製した。
Example 11
A dye-sensitized solar cell having the same configuration as that of Example 2 (a dye-sensitized type having the same configuration as that of the dye-sensitized
(実施例12)
実施例6に使用したゲル状電解質のかわりに実施例1に使用した液状電解質Eを使用したこと以外は、実施例6と同様の作製手順及び条件により、実施例6と同様の構成を有する色素増感型太陽電池(図8に示した色素増感型太陽電池40Aと同様の構成を有する色素増感型太陽電池)を作製した。
Example 12
A dye having the same structure as that of Example 6 except that the liquid electrolyte E used in Example 1 was used instead of the gel electrolyte used in Example 6 with the same production procedure and conditions as in Example 6. A sensitized solar cell (a dye-sensitized solar cell having the same structure as the dye-sensitized
(比較例7)
比較例4に使用したゲル状電解質のかわりに比較例1に使用した液状電解質Eを使用したこと以外は、比較例4と同様の作製手順及び条件により、比較例4と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 7)
A dye having the same structure as that of Comparative Example 4 except that the liquid electrolyte E used in Comparative Example 1 was used instead of the gel electrolyte used in Comparative Example 4 with the same production procedure and conditions as in Comparative Example 4. A sensitized solar cell was produced.
[ヒートサイクル試験]
実施例5〜実施例12及び比較例4〜比較例7の色素増感型太陽電池のヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験による評価は、暗所にて、温度を−40℃で10分間保持する低温保持過程、温度を−40℃から+90℃へ昇温させる昇温過程(昇温速度:1.44℃/min)、温度が+90℃に到達した後+90℃で10分間保持する高温保持過程、及び、高温保持過程終了後温度を+90℃から−40℃へ降温させる降温過程(降温速度:1.44℃/min)を合わせて1サイクルとして行った。
[Heat cycle test]
Heat cycle tests of the dye-sensitized solar cells of Examples 5 to 12 and Comparative Examples 4 to 7 were performed. The evaluation by the heat cycle test is a low temperature holding process in which the temperature is kept at −40 ° C. for 10 minutes in the dark, and a temperature raising process in which the temperature is raised from −40 ° C. to + 90 ° C. (temperature raising rate: 1.44 ° C. / Min), a high temperature holding process in which the temperature reaches + 90 ° C. and then held at + 90 ° C. for 10 minutes, and a temperature lowering process in which the temperature is lowered from + 90 ° C. to −40 ° C. after the completion of the high temperature holding process (temperature decreasing rate: 1.44) C./min) was performed as one cycle.
そして、0サイクル、5サイクル、10サイクル、25サイクル、35サイクル、50サイクル、75サイクル、100サイクル及び125サイクルにおける各色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率ηを測定し、それぞれの色素増感型太陽電池のηのヒートサイクル回数に伴う変化を比較することにより行った。結果を図10〜図13に示す。 And the energy conversion efficiency (eta) of each dye-sensitized solar cell in 0 cycle, 5 cycles, 10 cycles, 25 cycles, 35 cycles, 50 cycles, 75 cycles, 100 cycles and 125 cycles was measured, and each dye sensitization This was done by comparing the change in the number of heat cycles of η of the solar cell. The results are shown in FIGS.
図10〜図13に示した結果から明らかなように、実施例5〜実施例12の色素増感型太陽電池は、比較例4〜7の色素増感型太陽電池に対して優れたエネルギー変換効率η及び耐久性を示すことが確認された。特に、バインダー層を備える実施例6、実施例8、実施例10及び実施例12の色素増感型太陽電池は、バインダー層を備えない構成を有する実施例5、実施例7、実施例9及び実施例11の色素増感型太陽電池に比較して、同等以上の優れた耐久性を示すことが確認された。また、このバインダー層を備える耐久性向上効果は、液状の電解質よりもゲル状の電解質を有する構成の場合により顕著に得ることができることが確認された。 As is apparent from the results shown in FIGS. 10 to 13, the dye-sensitized solar cells of Examples 5 to 12 are superior in energy conversion to the dye-sensitized solar cells of Comparative Examples 4 to 7. It was confirmed to show efficiency η and durability. In particular, the dye-sensitized solar cells of Example 6, Example 8, Example 10, and Example 12 having a binder layer have Examples 5, 7, 7, and 9 having a configuration without a binder layer. Compared to the dye-sensitized solar cell of Example 11, it was confirmed that the same or better durability was exhibited. Moreover, it was confirmed that the durability improvement effect provided with this binder layer can be obtained more significantly in the case of a configuration having a gel electrolyte rather than a liquid electrolyte.
本発明により得られる炭素電極及び電極は色素増感型太陽電池の対極として好適に利用することができる。また、本発明により得られる炭素電極及び電極は色素増感型太陽電池の対極以外の電極としても利用できる。例えば、色素増感型太陽電池以外の電池(例えば、空気電池、マンガン乾電池)、電解工業の各種プロセス(例えば、食塩電解、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、アルカリ金属等の電解精錬)、又は、電解製鋼、電解合成用のアノードとして利用できる。更に、本発明により得られる色素増感型太陽電池は、携帯機器(小型電子機器)等の電源のバックアップ用電源、ハイブリッド車向けの補助電源として利用することができる。 The carbon electrode and electrode obtained by the present invention can be suitably used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell. Moreover, the carbon electrode and electrode obtained by this invention can be utilized also as electrodes other than the counter electrode of a dye-sensitized solar cell. For example, batteries other than dye-sensitized solar cells (for example, air batteries, manganese dry batteries), various processes in the electrolytic industry (for example, electrolytic refining of salt electrolysis, aluminum, calcium, magnesium, alkali metals, etc.), or electrolytic steelmaking It can be used as an anode for electrolytic synthesis. Furthermore, the dye-sensitized solar cell obtained by the present invention can be used as a backup power source for power sources such as portable devices (small electronic devices) and an auxiliary power source for hybrid vehicles.
1…透明電極、2…半導体電極、3…透明導電膜、4…透明基板、5…シール材、6・・・基板、7・・・…透明導電膜、8・・・炭素電極、9・・・レーザスクライブにより形成された溝、10…光電極,20,20A,30,30A,40,40A,50,50A…色素増感型太陽電池、81・・・バインダー層、82・・・バインダー層(第2のバインダー層)、CE1,CE2,CE3,CE4,CE5,CE6,CE7,CE8…対極、E…電解質、F1,F2,F3,…受光面、F22…半導体電極2の裏面、S…スペーサ、PS…多孔体層。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、
前記柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、底面の直径が50〜500nmであり、かつ、高さが1〜20μmであり、
前記カーボンブラック状粒子の含有質量W1と、前記柱状の導電性炭素材料からなる粒子の含有質量W2と、前記酸化チタン粒子の含有質量W3とが、下記式(1)及び下記式(2)で表される条件を同時に満たしていること、
を特徴とする炭素電極。
0.05≦(W1/W2)≦0.4・・・(1)
0.05≦{W3/(W1+W2)}≦0.4・・・(2) A porous carbon electrode having pores,
It contains at least carbon black-like particles, particles made of columnar conductive carbon material, and anatase-type titanium oxide particles as constituent materials,
The particles made of the columnar conductive carbon material have a bottom diameter of 50 to 500 nm and a height of 1 to 20 μm,
The mass W1 of the carbon black particles, the mass W2 of the particles made of the columnar conductive carbon material, and the mass W3 of the titanium oxide particles are expressed by the following formulas (1) and (2). Satisfy the conditions shown at the same time,
A carbon electrode characterized by
0.05 ≦ (W1 / W2) ≦ 0.4 (1)
0.05 ≦ {W3 / (W1 + W2)} ≦ 0.4 (2)
カーボンブラック状粒子と、柱状の導電性炭素材料からなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、
前記柱状の導電性炭素材料からなる粒子は、底面の直径が50〜500nmであり、かつ、高さが1〜20μmであり、
前記カーボンブラック状粒子の含有質量W1と、前記柱状の導電性炭素材料からなる粒子の含有質量W2と、前記導電性酸化物粒子の含有質量W4とが、下記式(3)及び下記式(4)で表される条件を同時に満たしていること、
を特徴とする炭素電極。
0.05≦(W1/W2)≦0.4・・・(3)
0.05≦{W4/(W1+W2)}≦0.4・・・(4) A porous carbon electrode having pores,
Carbon black-like particles, particles made of columnar conductive carbon material, and conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than anatase-type titanium oxide particles, at least as constituent materials,
The particles made of the columnar conductive carbon material have a bottom diameter of 50 to 500 nm and a height of 1 to 20 μm,
The contained mass W1 of the carbon black-like particles, the contained mass W2 of the particles made of the columnar conductive carbon material, and the contained mass W4 of the conductive oxide particles are expressed by the following formulas (3) and (4). ) Must be satisfied at the same time,
A carbon electrode characterized by
0.05 ≦ (W1 / W2) ≦ 0.4 (3)
0.05 ≦ {W4 / (W1 + W2)} ≦ 0.4 (4)
基板と、
請求項1〜6のうちの何れか1項に記載の炭素電極と、
前記基板と前記炭素電極との間に配置されており、前記基板と前記炭素電極とを一体化させるためのバインダー層と、
を少なくとも有しており、
前記バインダー層が、カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、かつ、
前記グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmであること、
を特徴とする電極。 An electrode used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell,
A substrate,
The carbon electrode according to any one of claims 1 to 6,
A binder layer disposed between the substrate and the carbon electrode, for integrating the substrate and the carbon electrode;
At least,
The binder layer contains at least carbon black-like particles, particles made of graphite, and anatase-type titanium oxide particles as constituent materials, and
The particles made of graphite have an average particle diameter of 1 to 20 μm,
An electrode characterized by.
基板と、
請求項1〜6のうちの何れか1項に記載の炭素電極と、
前記基板と前記炭素電極との間に配置されており、前記基板と前記炭素電極とを一体化させるためのバインダー層と、
を少なくとも有しており、
前記バインダー層が、カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、かつ、
前記グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmであること、
を特徴とする電極。 An electrode used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell,
A substrate,
The carbon electrode according to any one of claims 1 to 6,
A binder layer disposed between the substrate and the carbon electrode, for integrating the substrate and the carbon electrode;
At least,
The binder layer contains at least carbon black particles, particles made of graphite, and conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than anatase-type titanium oxide particles as constituent materials, and
The particles made of graphite have an average particle diameter of 1 to 20 μm,
An electrode characterized by.
前記対極が請求項1〜6のうちの何れか1項に記載の炭素電極を少なくとも含む構成を有していること、
を特徴とする色素増感型太陽電池。 A photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface and a transparent electrode disposed adjacent to the light receiving surface; and a counter electrode, wherein the semiconductor electrode and the counter electrode are arranged to face each other with an electrolyte interposed therebetween. A dye-sensitized solar cell,
The counter electrode has a configuration including at least the carbon electrode according to any one of claims 1 to 6,
A dye-sensitized solar cell characterized by
前記第2のバインダー層が、カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、かつ、
前記グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmであること、
を特徴とする請求項12に記載の色素増感型太陽電池。 A second binder layer for further integrating the porous body layer and the counter electrode between the porous body layer and the counter electrode;
The second binder layer contains at least carbon black particles, particles made of graphite, and anatase-type titanium oxide particles as constituent materials, and
The particles made of graphite have an average particle diameter of 1 to 20 μm,
The dye-sensitized solar cell according to claim 12, wherein:
前記バインダー層が、カーボンブラック状粒子と、グラファイトからなる粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子よりも電気抵抗率の低い導電性酸化物粒子と、を構成材料として少なくとも含有しており、かつ、
前記グラファイトからなる粒子は、平均粒子径が1〜20μmであること、
を特徴とする請求項12に記載の色素増感型太陽電池。 A second binder layer for further integrating the porous body layer and the counter electrode between the porous body layer and the counter electrode;
The binder layer contains at least carbon black particles, particles made of graphite, and conductive oxide particles having a lower electrical resistivity than anatase-type titanium oxide particles as constituent materials, and
The particles made of graphite have an average particle diameter of 1 to 20 μm,
The dye-sensitized solar cell according to claim 12, wherein:
前記対極が請求項7〜10のうちの何れかに1項に記載の電極を少なくとも含む構成を有していること、
を特徴とする色素増感型太陽電池。 A photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface and a transparent electrode disposed adjacent to the light receiving surface; and a counter electrode, wherein the semiconductor electrode and the counter electrode are arranged to face each other with an electrolyte interposed therebetween. A dye-sensitized solar cell,
The counter electrode has a configuration including at least the electrode according to any one of claims 7 to 10,
A dye-sensitized solar cell characterized by
16. A porous layer made of an insulating porous material is further disposed between the semiconductor electrode and the counter electrode, and the electrolyte is contained in the porous layer. 2. A dye-sensitized solar cell according to 1.
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