JP4788844B2 - 色素増感型太陽電池用電極基板及び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の基本的な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20(以下、「電極基板20」と称する。)では、透明樹脂フィルム1の片面に、第1導電層6と腐食防止層7と第2導電層8とを含む透明電極10が形成され、この透明電極10上に多孔質半導体電極15が形成されている。多孔質半導体電極15は多数の半導体微粒子15aにより形成されており、半導体微粒子15aの表面には色素17が担持されている。なお、図1においては、便宜上、色素17を1つの層として描いている。以下、電極基板20及びその製造方法について詳述する。
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、多孔質半導体電極15及び色素17それぞれの吸収波長域を考慮して、適宜選定可能である。
透明電極10は、電極基板20を用いて作製された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、多孔質半導体電極15からキャリア(電子)を受け取るもの、又は、多孔質半導体電極15にキャリア(正孔)を伝えるものであり、この透明電極10は、上記の「所望波長域」の光を概ね80%以上透過させるものであることが好ましい。
多孔質半導体電極15は、光励起された色素17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17にキャリア(正孔)を伝えることができるものであればよい。この多孔質半導体電極15は、単一成分の層とすることもできるし、混合物の層とすることもできる。更には、複数の多孔質半導体膜の積層物とすることもできる。多孔質半導体電極15の導電型は、通常、N型である。
色素17は、多孔質半導体電極15を増感させるためのものである。この色素17としては、(A)その吸収波長域が、多孔質半導体電極15の吸収波長域よりも長波長側にまで及んでいるもの、(B)多孔質半導体電極15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電極15の伝導帯端の位置よりも高いもの、(C)多孔質半導体電極15がN型半導体である場合には、多孔質半導体電極15へキャリアを注入するのに要する時間が、多孔質半導体電極15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20にはガスバリア層や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。
ガスバリア層は、電極基板20を用いて色素増感型太陽電池を作製したときに、電極基板20を通して酸素や水分が色素増感型太陽電池内に侵入すること、及び、色素増感型太陽電池で使用される電解質が電極基板20を通して外部に揮散すること、を防止するためのものであり、透明樹脂フィルム1と透明電極10との間又は透明樹脂フィルム1の背面(透明電極10が形成されている面とは反対側の面を意味する。)に設けることができる。
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3は、本発明の色素増感型太陽電池用電極基板の基本的な断面構造の他の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20A(以下、「電極基板20A」と称する。)は、99.3%よりも高純度のアルミニウムによって第1導電層6Aが形成され、かつ、図1に示した第1形態の電極基板20で形成されている腐食防止層7が当該電極基板20Aでは省略されているという点で、第1形態の電極基板20と異なる。
図4は、本発明の色素増感型太陽電池の基本的な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、上述した第1形態の電極基板20が光電極として用いられており、透明樹脂フィル22の片面に第1導電膜24と第2導電膜26とがこの順番で積層された色素増感型太陽電池用電極基板30(以下、「電極基板30」と称する。)が対極として用いられている。電極基板30に代えて、図1に示した透明電極10が透明樹脂フィルムの片面に形成され、この透明電極10上に図4に示した第2導電膜26に相当する導電膜が形成されている電極基板を用いてもよい。
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、架橋剤や光重合開始剤等が添加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35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20と電極基板30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35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。
図5は、本発明の色素増感型太陽電池の基本的な断面構造の他の例を示す概略図である。図示の色素増感型太陽電池60は、図3に示した第2形態の電極基板20Aが光電極として用いられているという点で、第1形態の色素増感型太陽電池50と異なる。この点を除けば、本形態の色素増感型太陽電池60は第1形態の色素増感型太陽電池50と同様の構成を有しているので、図5に示した構成部材のうちの電極基板20A以外の構成部材については、図4で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
(準備工程)
まず、厚さ100μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東洋紡社製のE5100)と厚さ9μmの銅箔とを、ウレタン系接着剤(Tg;20℃、平均分子量;3万)を用いたドライラミネーション加工により貼り合わせた。
まず、水に塩化ニッケルを300g/l、塩化スズを15g/l、酸性フッ化アンモニウムを56g/l、ホウ酸を30g/lの割合でそれぞれ溶解させて、ニッケル(Ni)−スズ(Sn)合金めっき浴を調製した。
腐食防止層まで形成した上記のPETフィルムをイオンプレーティング装置のチャンバー内に配置し、このPETフィルムに成膜圧力1.5×10−1Pa、アルゴンガス流量18sccm、酸素ガス流量28sccm、成膜電流値60Aの条件の下に昇華材料としての酸化インジウムスズ(ITO)を蒸着させて、ITOからなる膜厚150nmの第2導電層を形成した。この第2導電層は、腐食防止層を覆うと共に、接着剤層表面のうちで第1導電層又は腐食防止層によって覆われることなく露出したままとなっていた領域も覆っている。
上記の透明電極まで形成したPETフィルムのヨウ素電解質に対する耐性を確認するために、まず、メトキシアセトニトリルを溶媒とするヨウ素電解質溶液を調製した。このヨウ素電解質溶液は、ヨウ化リチウムを0.1mol/l、ヨウ素を0.05mol/l、ジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイドを0.3mol/l、ターシャリーブチルピリジンを0.5mol/lの割合でそれぞれ含有している。
まず、一次粒子径が15nmの酸化チタン(TiO2)微粒子(昭和電工社製のF−5)と結着剤としてのポリエステル樹脂とを、水とポリプロピレングリコールモノメチルエーテルとの混液中にホモジナイザーを用いて溶解、分散させて、前記のTiO2微粒子を20.5質量%含有し、前記の結着剤を0.3質量%含有する塗布液(スラリー)を調製した。
増感色素としてのルテニウム錯体(小島化学株式会社製)をその濃度が3×10−4mol/lとなるようにエタノールに溶解させた色素担持用塗工液を用意し、上述の多孔質半導体電極まで形成したPETフィルムをこの色素担持用塗工液中に浸漬して、液温40℃の条件下で1時間放置した。次いで、前記のPETフィルムを色素担持用塗工液から引き上げ、多孔質半導体電極に付着した色素担持用塗工液を風乾させた。これにより、多孔質半導体電極を形成している半導体微粒子(TiO2微粒子)の表面に上記の色素が坦持された。
水に塩化ニッケルを35g/l、塩化亜鉛を7g/l、クエン酸ナトリウムを118g/l、次亜リン酸ナトリウムを64g/lの割合でそれぞれ溶解させてめっき浴を調製し、このめっき浴を用いた無電解めっきによって腐食防止層を形成した以外は実施例1と同様にして、色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板B」という。)を得た。
リン酸ニッケル塩を主成分とする水溶液(リン酸ニッケル塩の濃度は10質量%)とアミノフェノール系樹脂(平均分子量;5000、アミノ含有量;50mol%)の5質量%水溶液とを混合してリン酸金属塩化成処理剤を調製し、この化成処理剤を用いた化成処理によって腐食防止層を形成した以外は実施例1と同様にして、色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板C」という。)を得た。
第1導電層の材料として厚さ12μmのアルミニウム箔(東洋アルミニウム社製、純度99.7%)を用い、腐食防止層を形成しない以外は実施例1と同様にして、PETフィルムの片面に接着剤層、第1導電層、平坦化透明層及び第2導電層からなる色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板D」という。)を形成した。この透明電極の表面抵抗値は、0.009Ω/□であった。
まず、実施例1での第2導電層の形成と同じ条件の下に、膜厚100μmのPETフィルム(東洋紡社製のE5100)の片面に第1導電膜としてのITO膜(膜厚150nm)を形成し、その上に、第2導電膜としての白金薄膜(膜厚50nm)をスパッタリング法によって形成して、図3に示した電極基板30と同様の構成を有する色素増感型太陽電池用電極基板(以下、「電極基板X」という。)を得た。
電極基板Aに代えて実施例2で作製した電極基板Bを用いた以外は実施例5と同様にして、色素増感型太陽電池を得た。この色素増感型太陽電池の性能を実施例5と同様にして求めたところ、電池特性としての変換効率は5.2%、曲線因子は0.60であった。
電極基板Aに代えて実施例3で作製した電極基板Cを用いた以外は実施例5と同様にして、色素増感型太陽電池を得た。この色素増感型太陽電池の性能を実施例5と同様にして求めたところ、電池特性としての変換効率は5.6%、曲線因子は0.63であった。
電極基板Aに代えて実施例4で作製した電極基板Dを用いた以外は実施例5と同様にして、色素増感型太陽電池を得た。この色素増感型太陽電池の性能を実施例5と同様にして求めたところ、電池特性としての変換効率は6.2%、曲線因子は0.69であった。
腐食防止層を形成しない以外は実施例1と同様にして、PETフィルムの片面に接着剤層、第1導電層、及び第2導電層からなる透明電極を形成した。そして、このPETフィルムのヨウ素電解質に対する耐性を実施例1と同条件の下に確認した。その結果、ヨウ素電解質溶液に一昼夜浸漬した後での表面抵抗値は、測定限界(106Ω/□)を超えていた。
5 接着剤層
6、6A 第1導電層
7 腐食防止層
8 第2導電層
10 透明電極
15 多孔質半導体電極
15a 半導体微粒子
17 色素
20、20A 色素増感型太陽電池用電極基板
22 透明樹脂フィルム
24 第1導電膜
26 第2導電膜
30 色素増感型太陽電池用電極基板
35 電解質層
50、60 色素増感型太陽電池
Claims (8)
- 多数の細線を組み合わせた形状を呈する金属製の第1導電層と、
ニッケル、亜鉛、金、白金、クロム、アルミニウム、カドミウム、タングステン、スズ、コバルト、鉄、チタン、マンガン若しくはジルコニウム、又はこれらの合金からなり、少なくとも前記第1導電層の外表面を覆う腐食防止層と、
前記腐食防止層を覆う金属酸化物製の第2導電層と、を含む透明電極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。
- 前記第1導電層が、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、金、銀、チタン、又はステンレスである、請求項1に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記第1導電層が、銅、ニッケル、チタン、又はステンレスである、請求項2に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記第1導電層が、銅、ニッケル、又はステンレスである、請求項3に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記透明電極が、透明樹脂フィルムの片面に形成されており、前記透明電極が、該透明樹脂フィルムの片面に形成された接着剤層を更に含み、該接着剤層によって前記第1導電層が該透明樹脂フィルムに接合されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記腐食防止層が、前記第1導電層の外表面の他に該第1導電層の下地層表面のうちで前記第1導電層によって覆われていない領域も覆っている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 前記透明電極が、クロム合金、又は酸化クロムを含む表面処理層を更に含み、該表面処理層が前記腐食防止層と前記第2導電層との間に介在している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池用電極基板を用いたことを特徴とする色素増感型太陽電池。
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