JP4601284B2 - 色素増感型太陽電池用電極基板及びその製造方法並びに色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の色素増感型太陽電池用電極基板Iの断面構造の一例を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板10」と称する。)では、透明樹脂フィルム1の片面にガスバリア層3が形成され、ガスバリア層3上に透明導電膜5と多孔質半導体層7とがこの順番で形成されている。多孔質半導体層7は多数の半導体微粒子7aにより形成されており、半導体微粒子7aの表面には色素9が担持されている。なお、図1においては、便宜上、色素9を1つの層として描いている。以下、各部材について詳述する。
透明樹脂フィルム1は、その膜厚が125μmであるときに、紫外域から赤外域に亘る波長域中の所望の波長域の光を平均値で概ね85%以上透過させ、かつ、所望の耐光性及び耐候性を有するものであればよく、任意の樹脂材料を用いて、また必要に応じて各種の添加剤を併用して、種々の方法により形成することができる。上記「所望の波長域」は、半導体層7及び色素9それぞれの吸収波長域を勘案して、適宜選定可能である。
ガスバリア層3は、透明樹脂フィルム1の背面(ガスバリア層3が形成されていない側の面を意味する。以下同じ。)側から透明樹脂フィルム1に侵入した酸素が色素9に達するのを防止するためのものであり、有機材料及び無機材料のいずれによっても形成することが可能である。このガスバリア層3は単層構造であってもよいし、2層以上の積層構造であってもよい。更に、透明樹脂フィルム1との密着性を向上させるためのアンカー層や、透明導電膜5との密着性を向上させるためのオーバーコート層を有していてもよい。
透明導電膜5は、色素増感型太陽電池に所望の波長域の光が照射されたときに、半導体層7からキャリア(電子)受け取るもの、又は、半導体層7にキャリア(正孔)を供給するものであり、種々の導電性材料を用いて形成することが可能である。光透過性及び導電性を考慮すると、透明導電膜5は、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)等によって形成することが好ましく、特にフッ素ドープ酸化スズ、ITOによって形成することが好ましい。
多孔質半導体層7は、光励起された色素9からキャリア(電子)を受け取ることができるもの、又は、光励起された色素9にキャリア(正孔)を供給することができるものであればよい。この多孔質半導体層7は単一成分の層であっても混合物の層であってもよく、更には、複数の多孔質半導体膜の積層物であってもよい。また、その導電型は、通常、N型である。
色素9は、多孔質半導体層7を増感させるためのものであり、この色素9としては、(A)その吸収波長域が、多孔質半導体層7の吸収波長域よりも長波長側にまで及んでいるもの、(B)多孔質半導体層7がN型半導体である場合には、光励起されたときの電子のエネルギー準位が多孔質半導体層7の伝導帯端の位置よりも高いもの、(C)多孔質半導体層7がN型半導体である場合には、多孔質半導体層7へキャリアを注入するのに要する時間が、多孔質半導体層7からキャリアを再捕獲するのに要する時間に比べて短いもの、が好ましい。
必要に応じて、電極基板10には補助電極、腐食防止層、パターニング層等を形成することができる。以下、これらの任意部材について説明する。
補助電極は、電極基板10の導電性を高めるためのものであり、透明導電膜5と接するようにして、ガスバリア層3と透明導電膜5との間に設けられる。補助電極の材料としては、透明導電膜5よりも導電性の高い種々の金属又は合金を用いることができる。補助電極の平面視上の形状は、色素9への入射光量の低下をできるだけ抑制するという観点から、格子状、網目状、平行ストライプ状等、多数の細線が組み合わされた形状とすることが好ましい。
腐食防止層は、上述の補助電極を設けたときに、この補助電極が色素増感型太陽電池の電解質によって腐食されるのを防止するためのものであり、前記の電解質に対して耐食性を有する単体金属や合金等によって、少なくとも補助電極の外表面を覆うようにして形成される。必要に応じて、補助電極の下地となっているガスバリア層3の表面のうちで補助電極によって覆われていない領域上にも、腐食防止層を形成することができる。
本明細書でいう「パターニング層」とは、光照射によって表面の濡れ性を変化させることができる層を意味する。このパターニング層の具体例としては、(i)疎水性バインダー中に光触媒(光半導体の微粒子)が分散した構造を有する光触媒含有層、(ii)クロロシランやアルコキシシラン等を加水分解、重縮合して得られるオルガノポリシロキサンの層、(iii) 撥水牲や撥油性に優れた反応性シリコーンが架橋したオルガノポリシロキサンの層、(iv)フルオロアルキルシラン等を用いた撥水性を示す自己組織化膜、等を挙げることができる。
図2は、本発明の色素増感型太陽電池用電極基板IIの断面構造の一例を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板20」と称する。)では、透明樹脂フィルム11の片面にガスバリア層13が形成され、このガスバリア層13上に第1導電膜15と第2導電膜17とがこの順番で形成されている。
図3は、本発明の色素増感型太陽電池の断面構造の一例を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池50では、上述した電極基板10が光電極として用いられ、上述した電極基板20が対極として用いられている。電極基板10、20の構成については既に説明したので、ここでは省略する。
塗布法は、主に固体状の電解質層を形成するために用いられる方法であり、この塗布法で用いる電解質層形成用塗工液としては、少なくともレドックス対とこのレドックス対を保持する高分子とを含有したものを用いる。他に、添加剤として架橋剤、光重合開始剤等が含有されていることが好ましい。
注入法は、液体状、ゲル状又は固体状の電解質層を形成するために用いられる方法であり、この方法で電解質層30を形成する際には、前述したスペーサを利用して、電極基板10と電極基板20とが所望の間隔に保持されたセルを予め形成しておくことが好ましい。電解質層形成用塗工液の注入は、例えば毛細管現象を利用して行うことができる。ゲル状又は固体状の電解質層30を形成する場合には、電解質層形成用塗工液を注入した後に例えば温度調整、紫外線照射、電子線照射等を行って、二次元又は三次元の架橋反応を生じさせる。
まず、透明樹脂フィルムとして膜厚125μmのPETフィルム(東洋紡社製のA4100;全光線透過率90.9%)を用意した。窒化ケイ素製のスパッタリングターゲットが装着されたマグネトロンスパッタリング装置のチャンバー内に上記のPETフィルムを配置し、成膜圧力2.5×10−1Pa、アルゴンガス流量20sccm、窒素ガス流量9sccm、周波数13.56MHz、電力1.2kWの条件の下に成膜を行って、酸化窒化ケイ素からなる膜厚100nmのガスバリア層をPETフィルムの片面に形成した。
まず、実施例1と同条件の下に、膜厚125μmのPETフィルム(東洋紡社製のA4100;全光線透過率90.9%)の片面にガスバリア層及び第1導電膜(ITO製の透明導電膜)を順次形成した。
実施例1で作製した電極基板Aと実施例2で作製した電極基板Bとを厚さ20μmの熱融着フィルム(デュポン社製のサーリン(商品名))を用いて貼り合せ、電極基板Aと電極基板Bとの間隙に電解質層形成用塗工液を充填して、図3に示した色素増感型太陽電池50と同様の構成を有する色素増感型太陽電池を得た。
ガスバリア層が形成されていない以外は電極基板Aと同様の構成を有する色素増感型太陽電池用電極基板、及び、ガスバリア層が形成されていない以外は電極基板Bと同様の構成を有する色素増感型太陽電池用電極基板を用意し、これらを用いて実施例3と同条件の下に色素増感型太陽電池を作製して、その性能の経時的低下の度合いを上記の条件と同条件の下に求めた。その結果、この色素増感型太陽電池では、試験開始から24時間後の変換効率が1.1%と低く、性能の経時的低下が比較的大きいことが確認された。
3 ガスバリア層
5 透明導電膜
7 多孔質半導体層
7a 半導体微粒子
9 色素
10 色素増感型太陽電池用電極基板
11 透明樹脂フィルム
13 ガスバリア層
15 第1導電膜
17 第2導電膜
20 色素増感型太陽電池用電極基板
30 電解質層
50 色素増感型太陽電池
Claims (7)
- 透明樹脂フィルムと、該透明樹脂フィルムの片面に形成されたガスバリア層と、該ガスバリア層上に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に光照射によって表面濡れ性が変化するパターニング層と、該パターニング層上に半導体微粒子を含む塗布液を用いて形成された多孔質半導体層と、該多孔質半導体層を形成している半導体微粒子の表面に担持された色素とを有することを特徴とする色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記透明樹脂フィルムから前記透明導電膜にかけての酸素透過率が温度23℃、湿度90%の条件下において1cc/m2/day・atm以下であり、前記透明樹脂フィルムから前記透明導電膜にかけての水蒸気透過率が温度37.8℃、湿度100%の条件下において1g/m2/day以下であり、前記ガスバリア層の膜厚が5nm〜500nmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記ガスバリア層が、透明無機酸化膜、透明無機酸化窒化膜、透明無機窒化膜及び透明金属膜のいずれかの透明無機物膜を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記透明無機物膜が、ケイ素原子、アルミニウム原子、マグネシウム原子、チタン原子、スズ原子、インジウム原子及びセリウム原子から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項3に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 透明樹脂フィルムの片面にガスバリア層を形成する工程と、前記ガスバリア層上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜上に光照射によって表面濡れ性が変化するパターニング層を形成する工程と、前記パターニング層上に半導体微粒子を含む塗布液を用いて多孔質半導体層を形成する工程と、前記多孔質半導体層を形成している半導体微粒子の表面に色素を担持させる工程とを含むことを特徴とする色素増感型太陽電池用電極基板の製造方法。
- 透明樹脂フィルムの片面にガスバリア層、透明導電膜、光照射によって表面濡れ性が変化するパターニング層及び半導体微粒子を含む塗布液を用いて形成された多孔質半導体層がこの順番で積層されていると共に前記多孔質半導体層を形成している半導体微粒子の表面に色素が担持されている第1の電極基板と、透明樹脂フィルムの片面にガスバリア層、第1導電膜及び第2導電膜がこの順番で積層されている第2の電極基板とを備え、前記半導体層と前記第2導電膜とが互いに対向するようにして前記第1の電極基板と前記第2の電極基板と配置され、該第1の電極基板と該第2の電極基板との間に電解質層が介在していることを特徴とする色素増感型太陽電池。
- 前記第1の電極基板において、前記透明樹脂フィルムから前記透明導電膜にかけての酸素透過率が温度23℃、湿度90%の条件下において1cc/m 2 /day・atm以下であり、前記透明樹脂フィルムから前記透明導電膜にかけての水蒸気透過率が温度37.8℃、湿度100%の条件下において1g/m 2 /day以下であり、前記ガスバリア層の膜厚が5nm〜500nmの範囲内であり、
前記第2の電極基板において、酸素透過率が温度23℃、湿度90%の条件下において1cc/m 2 /day・atm以下であり、水蒸気透過率が温度37.8℃、湿度100%の条件下において1g/m 2 /day以下であり、前記ガスバリア層の膜厚が5nm〜500nmの範囲内であることを特徴とする請求項6に記載の色素増感型太陽電池。
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