JP4788761B2 - 機能性デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[色素増感太陽電池の構成例(その1)]
図1は、本発明の実施の形態における、色素増感太陽電池の構成例を模式的に示す断面図である。
光電極基板(第1の基板)11として、可視光領域の透過性が高く、水、酸素等の各種のガス及び有機溶媒の遮断性に優れ、耐溶剤性及び耐候性に優れる基板が好ましく、透明無機基板、透明樹脂基板を使用することができる。
光電極層(電極層、第1の電極層)12aとして、例えば、MgO(Magnesium Oxide)、ZnO(Zinc Oxide)、SnO2(Tin Oxide)、FTO(Fluorine doped Tin Oxide)、GTO(Gallium Tin Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、ATO(Antimony doped Tin Oxide)、AZO(Aluminum doped Zinc Oxide)、GZO(Gallium doped Zinc Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)等の透明電極を使用することができる。
図1に示す構成では、対向電極基板(第2の基板)18aは、導電性触媒層16の支持体であり集電体である。対向電極基板18aの材質は、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、ステンレス鋼(SUS)の何れかである。SUSは、鉄(Fe)に約12%以上のクロムを含有させた合金であり、これに、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)等が添加されたものであってもよく、代表的には、SUS304、SUS403の汎用品を使用することができる。
耐腐食性導電層17aは、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、ハステロイの何れかによって形成されている。
導電性触媒層16は、電解質溶液15中に含有されている酸化還元対の酸化体を還元体に還元する還元反応を促進する触媒活性を有し、触媒として機能する層であり、電解質溶液15中のヨウ素に対して耐腐食性を有している。
半導体多孔質層13を構成する半導体材料は、光励起下で伝導帯電子がキャリアとなり、アノード電流を生じるn型半導体材料であることが好ましく、アナターゼ型の酸化チタンTiO2が好ましいが、この他に、例えば、MgO、ZnO、SnO2、WO3、Fe2O3、In2O3、Bi2O3、Nb2O5、SrTiO3、BaTiO3、ZnS、CdS、CdSe、CdTe、PbS、CuInS、InP等を使用することができる。
半導体微粒子に担持させる増感色素としては、ルテニウム(Ru)、亜鉛(Zn)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の金属と錯体を形成したもの使用することができる。
電解質溶液15は、ヨウ素(I2)とヨウ化物(金属ヨウ化物又は有機ヨウ化物)の組合せ(ヨウ素/ヨウ化物)からなる電解質とこれを溶解する水又は各種の有機溶媒を含み、I3 - /I- 酸化還元対(レドックス対)を生成する。
メインシール14aは、光電極と対向電極の間のギャップを保持すると共に、外部からの水分、酸素、二酸化炭素等の侵入を防止し、エンドシール14bは、電解質溶液用注入孔20a、20bを閉鎖し、エンドシール板19と合わせて、外部からの水分、酸素、二酸化炭素等の侵入、及び、電解質溶液15の外部への漏洩を抑制する。
色素増感太陽電池の製造工程の概要は、次の通りである。先ず、増感色素が担持された半導体多孔質層13を環状に包囲するようにメインシール14aを光電極層12a上に塗布し、光電極層と対向電極を所望の間隙を保持するように接合する。次に、この間隙に、対向電極基板18aに形成されている電解質溶液注入用孔20a、20bの一方から電解質溶液15を注入(充填)する。最後に、エンドシール板19をエンドシール14bによって、対向電極基板18aに接合し、電解質溶液15を外部から遮断して内部に封止し、外部に漏洩しないようにする。
構成例(その2)の色素増感太陽電池の構成は、構成例(その1)とは対向電極の構成のみが相違し、他の構成は同一であるので、以下では相違する対向電極の構成のみについて説明する。
図2に示す構成では、対向電極基板(第2の基板)18bは、ヨウ素に対して耐腐食性を有する金属板である。対向電極基板18b、耐食導電層17b、導電性触媒層16の三者は対向電極層(第2の電極層)12cを構成し、対向電極基板18bは導電性触媒層16の支持体となると共に、集電体として使用される。
上述したように、構成例(その1)及び(その2)の色素増感太陽電池の構成では、対向電極基板18a、18bは導電性触媒層16の支持体となると共に、集電体として使用される。対向電極基板18a、18bを支持体及び集電体とするために、その厚さを0.4mm〜2mm、好ましくは、0.5mmとする。
上述した構成例(その1)及び(その2)の色素増感太陽電池に使用される対向電極層の製作工程の概要を説明する。
ここで説明するエレクトロクロミック装置は、視認(観察)側の電極への還元電圧の印加により、電解質溶液中の金属イオンが金属に還元され、電極に析出し黒色に発色し、視認側の電極を極性反転した酸化電圧の印加により、電極上に析出している金属を金属イオンに酸化して電解質溶液に溶解させ黒色の発色を消色させることによって、表示の制御を行うことができるエレクトロクロミック型の表示装置である。
ここで説明するエレクトロクロミック装置は、電圧の印加によって酸化還元反応により可逆的に発色又は消色するエレクトロクロミック色素を使用した表示装置である。
エレクトロクロミック色素が担持される半導体多孔質層23は、エレクトロクロミック色素の高い担持機能を得るため、表面積が大きい材料により構成される。
図6(A)に示すエレクトロクロミック装置において、光電極層12aが画素に対応するよう分画されて形成され、即ち、分画の複数個からなるマトリックス状の光電極層12aが光電極基板11上に形成され、各分画上に半導体多孔質層23が形成されている。
エレクトロクロミック発色層を用いた防眩ミラーは、印加電圧によってエレクトロクロミック発色層の着色変化の程度が変化することを利用して、反射率の調整を可能として眩しさを抑えることができるミラーである。
本発明の実施例における色素増感太陽電池は図2に示す構成を有している。
フッ素をドープした酸化スズ導電層(FTO層)が光電極層12aとして形成されたガラス基板(15mm×20mm角、シート抵抗10Ω/□、日本板硝子株式会社製)(光電極基板11)を光電極とした。
上記のFTO層上に半導体多孔質層13を形成した。半導体多孔質層13を、下層に中心粒径20nmφの酸化チタン(TiO2)を15μm厚、上層に中心粒径400nmφの酸化チタン(TiO2)を5μm厚にそれぞれスクリーン印刷機を使用して塗布した後、510℃、30分間焼結処理して形成した。
図8は、本発明の実施例における、色素増感太陽電池で使用された増感色素の例を示す図である。
対向電極基板18bとして0.4mm厚のNb、Ru、Ti板を使用しそれぞれに、耐食性導電層17bとして500Å厚のCr層を形成し、このCr層に導電性触媒層16として1000Å厚のPt層を形成して、対向電極とした。Cr層及びPt層はスパッタリングによって形成した。図10、図11を含む以下の説明では、これらの対向電極を、Nb/Cr/Pt、Ru/Cr/Pt、Ti/Cr/Ptと略記する。
図9は、本発明の実施例における、色素増感太陽電池で使用された電解質溶液の組成例を示す図である。
光電極に紫外線硬化型樹脂(スリーボンド社製、31X−101系樹脂)が環状に塗布され形成されたメインシール(封止剤)14aを介して、光電極と対向電極を重ね、紫外線を照射してメインシール14aを硬化させて、光電極と対向電極を接合した。
対向電極基板18bとして0.4mm厚のアルミナ(Al2O3)板(絶縁体基板)を使用し、耐食性導電層17bとして500Å厚のCr層を形成し、このCr層に導電性触媒層16として1000Å厚のPt層を形成して対向電極とした。Cr層及びPt層はスパッタリングによって形成した。図10、図11を含む以下の説明では、この対向電極を、アルミナ/Cr/Ptと略記する。その他の構成は、実施例と同一としたので、説明は省略する。
12b〜12d…第2の電極層、14a…メインシール、14b…エンドシール、
15…電解質溶液、30…視認方向、16…導電性触媒層、
17a、17b…耐食性導電層、18a、18b…第2の基板、19…エンドシール板、
20a、20b…電解質溶液注入孔、21a、21b…引出電極、33…発色層、
23、23a〜23c…半導体多孔質層、40A、40B、40C…表示構造体
Claims (18)
- 光透過性を有する第1の基板と、
導電性及び光透過性を有し前記第1の基板上に形成された電極層と、
金属からなる第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板の間隙に充填された電解質溶液と、
この電解質溶液に対して耐腐食性を有し前記第2の基板上に形成された耐腐食性導電層と、
導電性及び触媒活性を有し前記耐腐食性導電層の面に形成された導電性触媒層と、
を有する機能性デバイス。 - 前記金属が、アルミニウム、銅、銀、金、ステンレス鋼の何れかであり、前記耐腐食性導電層が、チタン、クロム、ニッケル、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、ハステロイの何れかによって形成された、請求項1に記載の機能性デバイス。
- 前記導電性触媒層が、カーボン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、導電性高分子の何れかによって形成された、請求項2に記載の機能性デバイス。
- 前記金属が、チタン、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、ハステロイの何れかである、請求項1に記載の機能性デバイス。
- 前記耐腐食性導電層がクロム又はニッケルによって形成された、請求項4に記載の機能性デバイス。
- 前記導電性触媒層が、カーボン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、導電性高分子の何れかを含む、請求項5に記載の機能性デバイス。
- 前記電解質溶液は、酸化還元対I3 - /I- を生成するヨウ素/ヨウ化物を含む、請求項1から請求項6の何れか1項に記載の機能性デバイス。
- 前記間隙に前記電解質溶液を充填するための開口部が前記第2の基板を貫通して形成され、前記開口部の面に下層より前記耐腐食性導電層、前記導電性触媒層が形成された、請求項1から請求項6の何れか1項に記載の機能性デバイス。
- 前記第2の基板の面積は前記第1の基板の面積よりも小さく、前記電解質溶液と接する面に対向する前記第2の基板の面に接続される引出電極を有する、請求項1に記載の機能性デバイス。
- 光電変換機能、又は、画像表示機能、又は、防眩機能を有するデバイスとして構成された、請求項1から請求項9の何れか1項に記載の機能性デバイス。
- 光電変換機能を有するデバイスとして構成された機能性デバイスであり、増感色素が担持された半導体多孔質層が前記電極層の面に形成され、光吸収によって励起された前記増感色素の電子が前記半導体多孔質層へ取り出されるとともに、前記電子を失った前記増感色素が、前記電解質溶液中の還元剤によって還元される色素増感光電変換装置として構成された、請求項10に記載の機能性デバイス。
- 画像表示機能を有するデバイスとして構成された機能性デバイスであり、前記電解質溶液は、還元反応によって前記電極層に析出し発色する金属イオンを含む、請求項10に記載の機能性デバイス。
- 画像表示機能を有するデバイスとして構成された機能性デバイスであり、酸化反応又は還元反応により発色するエレクトロクロミック色素が担持された半導体多孔質層が前記電極層に形成された、請求項10に記載の機能性デバイス。
- 防眩機能を有するデバイスとして構成された機能性デバイスであり、酸化発色型又は還元発色型のエレクトロクロミック化合物を含む発色層が前記電極層の面に形成された、請求項10に記載の機能性デバイス。
- 金属からなる基板の面に電解質溶液に対して耐腐食性を有する耐腐食性導電層を形成する第1の工程と、
導電性及び触媒活性を有する導電性触媒層を前記耐腐食性導電層の面に形成する第2の工程と、
を有する、機能性デバイスの製造方法。 - 前記金属が、アルミニウム、銅、銀、金、ステンレス鋼の何れかであり、前記導電性触媒層が、チタン、クロム、ニッケル、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、ハステロイの何れかによって形成される、請求項15に記載の機能性デバイスの製造方法。
- 前記導電性触媒層が、カーボン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、導電性高分子の何れかによって形成される、請求項16に記載の機能性デバイスの製造方法。
- 前記第1の工程に先立って前記基板に前記電解質溶液を注入するための開口部を、前記基板を貫通させて形成する工程を有し、前記第1及び第2の工程によって、前記開口部の面に下層より前記耐腐食性導電層、前記導電性触媒層が形成される、請求項16に記載の機能性デバイスの製造方法。
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