JP4824197B2 - Photoelectrode and dye-sensitized solar cell provided with the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電極及びこれをこれを備えた色素増感型太陽電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
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からその実用化が期待されている。
【0003】
従来の色素増感型太陽電池おいては、半導体電極に含有される増感色素の吸収係数が小さいことから、赤外〜近赤外の波長領域の光は半導体電極に入射しても当該半導体電極内において十分に吸収されずに透過してしまい、光電変換反応の進行に寄与していなかった。
【0004】
そのため、色素増感型太陽電池の実用化に向けて、光電極における光電変換効率を向上させ、電池のエネルギー変換効率を向上させるための様々な検討が行われている。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(1)で表される。また、下記式(1)中、P0は入射光強度[mWcm-2]、Vocは開放電圧[V]、Iscは短絡電流密度[mAcm-2]、F.F.は曲線因子(Fill Factor)を示す。
η=100×(Voc×Isc×F.F.)/P0…(1)
【0005】
上記の検討としては、例えば、特開平10−255863号公報には、平均粒径が例えば80nm以下である小さな半導体粒子を構成材料とする半導体電極(光吸収粒子層)の電解質溶液に接する側の面上に、平均粒径が例えば200〜500nmである大きな半導体粒子を構成材料とする層(光反射粒子層)を設けて光電極を構成し、当該半導体電極に入射する入射光を散乱させることにより、その吸収効率を向上させることを意図した色素増感型太陽電池が提案されている。
【0006】
また、特開2000−106222号公報には、半導体電極内に粒径の大きな半導体粒子(平均粒径;10〜300nm)と、粒径の小さな半導体粒子(平均粒径;10nm以下)とを混在させて当該半導体電極に入射する入射光を散乱させることにより、その吸収効率を向上させることを意図した色素増感型太陽電池が提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らは、上記の特開平10−255863号公報の光電極を備えた色素増感型太陽電池及び特開2000−106222号公報に記載の光電極を備えた色素増感型太陽電池のいずれであっても、光電極を構成する半導体電極において十分な入射光の吸収効率が得られておらず、電池として十分なエネルギー変換効率を得ることができず未だ不十分であるということを見出した。
【0008】
すなわち、上記の二つの公報に記載の色素増感型太陽電池は、いずれにおいても大きな半導体結晶粒子による光散乱の結果、大きな半導体粒子がない場合に比べて半導体電極内を通過する光路長は長くなり光の利用率は増加するが、あくまで散乱現象を利用しているため、一部はどうしても半導体電極を通過してしまうという問題があった。
【0009】
特に、上記の二つの公報に記載の色素増感型太陽電池のように、半導体電極に球形の大きな半導体粒子が混入されていると、半導体電極において吸収されずに透過してしまう入射光の割合が大きくなり、その結果、半導体電極内での光の閉じ込め効果が小さくなり、入射光吸収効率が小さくなっていた。また、大きな半導体結晶粒子が多くなると、色素が吸着する半導体表面の総表面積が減って光吸収率が減少してしまい、かえってエネルギー変換効率が低下してしまうという問題もあった。
【0010】
更に、上記の二つの公報に記載の色素増感型太陽電池はいずれにおいても半導体電極中に形成される細孔の大きさが小さく、増感色素を半導体電極中に吸着させる際に該電極内部にまで十分に吸着させることが困難であり、また時間がかかっていた。更に、半導体電極中に形成される細孔の大きさが小さいため、電池の発電中において反応物質の効率のよい供給を行なうことが困難であり、反応物質の拡散律速に基づく抵抗成分(過電圧成分)が大きくなり、光電変換効率が低下してしまうという問題があった。
【0011】
また、従来の色素増感型太陽電池は、光電極を構成する半導体電極において、発電中の漏れ電流の発生を十分に防止できていなかった。大きな漏れ電流の発生は式(1)中の電池の開放電圧Vocの大きな低下を招くので、漏れ電流の発生を十分に抑制できなければ、高いエネルギー変換効率を有する電池を構成することができなくなる。
【0012】
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、優れた光電変換効率を有する光電極及び優れたエネルギー変換効率を有する色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
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、光電極を構成する半導体電極を少なくとも複数の層からなる構成とし、各層における色素吸着密度を、透明電極に最も近い位置に配置される層から透明電極に対して最も遠い位置に配置される層にかけて減少させること、及び/又は、各層における酸化物半導体の比表面積を透明電極に最も近い位置に配置される層から透明電極に対して最も遠い位置に配置される層にかけて減少させることにより、光電変換反応を効率よく進行させることが可能な電極構造を構築できることを見出し、本発明に到達した。
【0014】
すなわち、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であって、半導体電極が色素を含む複数の層から構成されており、複数の層の各層は酸化物半導体粒子で構成される多孔質膜からなり、各層における多孔質膜の単位体積当たりの色素吸着密度が、透明電極に最も近い位置に配置される最内部の層から透明電極に対して最も遠い位置に配置される最外部の層にかけて減少していること、を特徴とする光電極を提供する。
【0015】
本発明の光電極は、半導体電極中の色素吸着密度が半導体電極の受光面から半導体電極の電解質に接することになる面(以下、裏面という)にかけた半導体の厚み方向に沿って徐々に減少させた構造を有しているので、半導体電極内でも透明電極に近い領域において優先的に光電変換反応を行うことができる。そのため、半導体電極内において、光電変換反応により生成し酸化物半導体中を透明電極に向けて移動する電子の損失量を効率よく低減することができる。すなわち、電子の伝導抵抗成分を低減することができるとともに、酸化物半導体粒子の表面において電子がI3 -(実質的にはI2)と反応しI-を生成する反応の発生(漏れ電流の発生)の頻度を低減させることができる。これにより、優れた光電変換効率を得ることができる。
【0016】
ここで、本発明において、「各層における色素吸着密度が、透明電極に最も近い位置に配置される最内部の層から透明電極に対して最も遠い位置に配置される最外部の層にかけて減少している」状態とは、一端に位置する最内部の層の色素吸着密度が他端に位置する最外部の層の色素吸着密度よりも最終的に小さくなっており、複数の層を全体としてみた場合に各層の色素吸着密度が最内部の層から最外部の層にかけて概略的に減少している状態を示す。
【0017】
例えば、最内部の層から最外部の層にかけて色素吸着密度が単調に減少している状態であってもよい。また、例えば、最内部の層と最外部の層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の色素吸着密度が同じ値をとる状態であってもよい。更に、最内部の層と最外部の層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の色素吸着密度を比較した場合、最外部の層の側に位置する層の色素吸着密度が最内部の層の側に位置する層の色素吸着密度よりも大きい場合があってもよい。ただし、半導体電極における光電変換反応をより効率よく進行させる観点から、最内部の層から最外部の層にかけて色素吸着密度が単調に減少している状態、又は、最内部の層と最外部の層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の色素吸着密度が同じ値をとる状態が好ましい。
【0018】
また、本発明の光電極においては、最内部の層における色素吸着密度が1×10-13〜1×10-11mol/cm3であり、かつ、最内部の層における色素吸着密度と最外部の層における色素吸着密度との差が1×10-14〜9.9×10-12mol/cm3であること、が好ましい。これにより、半導体電極内における光電変換効率をより精密に向上させることができる。
【0019】
ここで、最内部の層における色素吸着密度が1×10-13mol/cm3未満であると、電極内の増感色素量が減少するおそれがある。一方、最内部の層における色素吸着密度が1×10-11mol/cm3を超えると、入射光は吸収されるものの有効に電子注入される増感色素量が減少するおそれがある。また、最内部の層における色素吸着密度と最外部の層における色素吸着密度との差が1×10-14mol/cm3未満であると、透明電極に近い半導体電極の領域において電子注入する増感色素量が減少するため電池特性が低下するおそれがある。一方、この差が9.9×10-12mol/cm3を超えると、電極中の全増感色素量が減少するおそれがある。
【0020】
そして、上記と同様の観点から、最内部の層における色素吸着密度は2×10-13〜5×10-12mol/cm3であることがより好ましく、4×10-13〜2×10-12mol/cm3であることが更に好ましい。また、最内部の層における色素吸着密度と最外部の層における色素吸着密度との差は5×10-14〜4.9×10-12mol/cm3であることがより好ましく、1×10-13〜1.9×10- 12mol/cm3であることが更に好ましい。
【0021】
更に、本発明の光電極においては、各層における酸化物半導体の比表面積の平均値が最内部の層から最外部の層にかけて減少していることが好ましい。各層における酸化物半導体の比表面積の平均値を上記の条件を満たすように調節することは、各層における色素吸着密度を最内部の層から最外部の層にかけて減少させるための手法の一つであり、この場合には、半導体電極内の透明電極に近い領域において優先的に光電変換反応を行うとともに、半導体電極内の透明電極から遠い領域において漏れ電流の発生をより確実に低減することができる。
【0022】
ここで、本発明において、「各層における酸化物半導体の比表面積の平均値が最内部の層から最外部の層にかけて減少している」状態とは、前述の各層における色素吸着密度の場合と同様に、一端に位置する最外部の層の酸化物半導体の比表面積の平均値が他端に位置する最内部の層の酸化物半導体の比表面積の平均値よりも最終的に小さくなっており、複数の層を全体としてみた場合に各層の酸化物半導体の比表面積の平均値が最内部の層から最外部の層にかけて概略的に減少している状態を示す。
【0023】
この場合にも、例えば、最内部の層から最外部の層にかけて酸化物半導体の比表面積の平均値が単調に減少している状態であってもよい。また、例えば、最内部の層と最外部の層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の酸化物半導体の比表面積の平均値が同じ値をとる状態であってもよい。更に、最内部の層と最外部の層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の酸化物半導体の比表面積の平均値を比較した場合、最外部の層の側に位置する層の酸化物半導体の比表面積の平均値が最内部の層の側に位置する層の酸化物半導体の比表面積の平均値よりも大きい場合があってもよい。ただし、半導体電極における光電変換反応をより効率よく進行させる観点から、最内部の層から最外部の層にかけて酸化物半導体の比表面積の平均値が単調に減少している状態、又は、最内部の層と最外部の層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の酸化物半導体の比表面積の平均値が同じ値をとる状態が好ましい。
【0024】
また、この場合、最内部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値が20〜500m2/gであり、かつ、最内部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値と最外部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値との差が3〜480m2/gであることが好ましい。これにより、半導体電極内における光電変換効率をより精密に向上させることができる。
【0025】
ここで、最内部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値が20m2/g未満であると、電極内の増感色素量が減少するおそれがある。一方、最内部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値が500m2/gを超えると入射光は吸収されるものの有効に電子注入される増感色素量が減少するおそれがある。また、最内部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値と最外部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値との差が3m2/g未満であると、透明電極に近い半導体電極の領域において電子注入する増感色素量が減少するため電池特性が低下するおそれがある。一方、この差が480m2/gを超えると、電極中の全増感色素量が減少するとなるおそれがある。
【0026】
そして、上記と同様の観点から、最外部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値は10〜250m2/gであることがより好ましく20〜100m2/gであることが更に好ましい。また、最外部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値と最内部の層における酸化物半導体の比表面積の平均値との差は5〜240m2/gであることがより好ましく10〜90m2/gであることが更に好ましい。
【0027】
なお、本発明の光電極において、半導体電極を構成する各層の色素吸着密度を前述の条件を満たすように調節する方法としては、各層における酸化物半導体の比表面積の平均値をそれぞれ上記の条件を満たすように調節することの他に、各層の空隙率を調節して空隙率を透明電極に最も近い最内部の層から最も遠い最外部の層にかけて大きくしていく方法と、各層ごとの細孔径分布の最大値又は細孔径分布の平均値を色素吸着密度の条件を満たすように調節する方法とがある。
【0028】
また、本発明は、受光面を有する半導体電極と当該半導体電極の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、光電極が前述した本発明の光電極であることを特徴とする色素増感型太陽電池を提供する。このように、前述した本発明の光電極を用いることにより、優れたエネルギー変換効率を有する色素増感型太陽電池を構成することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の光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。
【0030】
図1は、本発明の光電極の好適な一実施形態を示す模式断面図である。また、図2は、図1に示した領域100の部分の模式拡大断面図である。更に、図3は、図1に示した光電極を備えた色素増感型太陽電池を示す模式断面図である。
【0031】
図1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。また、図3に示す色素増感型太陽電池20は、主として、図1に示した光電極10と、対極CEと、スペーサー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。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。
【0032】
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L10によって半導体電極2内において電子を発生させる。そして、半導体電極2内において発生した電子は、透明電極1に集められて外部に取り出される。
【0033】
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1及び図3の透明電極1は、ガラス基板等の透明基板4の半導体電極2の側に光を透過させるための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。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コートガラス等が挙げられる。また、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4上に設けたものでもよい。
【0034】
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。
【0035】
図1及び図2に示すように、半導体電極2は、酸化物半導体粒子で構成される多孔質膜からなる3つの層から構成されている。すなわち、半導体電極2は、透明電極1に最も近い位置に配置される最内部の層21と、透明電極1に対して最も遠い位置に配置される最外部の層22と、最内部の層21と最外部の層22との間に配置される内部層23とから構成されている。
【0036】
そして、3つの層のそれぞれにおける色素吸着密度を比較すると、各層ごとの色素吸着密度は最内部の層21から最外部の層22にかけて減少している。この光電極10においては、上記の構造を有する半導体電極2を備えることにより、当該半導体電極2内における光電変換効率の向上が図られている。
【0037】
ここで、3つの層のそれぞれの構造が上記の色素吸着密度の条件に従って形成されている場合、最内部の層21における色素吸着密度は好ましくは1×10-13〜1×10-11mol/cm3となるように調節されており、最内部の層21における色素吸着密度と最外部の層22における色素吸着密度との差は好ましくは1×10-14〜9.9×10-12mol/cm3となるように調節されている。
【0038】
各層ごと色素吸着密度を上記の条件を満たすように調節する方法の一つとしては、各層における酸化物半導体の比表面積の平均値を前述のように調節する方法がある。
【0039】
ここで、3つの層のそれぞれの色素吸着密度が各層の酸化物半導体の比表面積の平均値の条件に従って形成されている場合、最内部の層21における酸化物半導体の比表面積の平均値は好ましくは20〜500m2/gとなるように調節されており、最内部の層21における酸化物半導体の比表面積の平均値と最外部の層22における酸化物半導体の比表面積の平均値との差は好ましくは3〜480m2/gとなるように調節されている。
【0040】
そして、各層における酸化物半導体の比表面積の平均値を調節する方法としては、各層を構成する酸化物半導体粒子の平均粒径を調節する方法がある。ここで、各層を構成する酸化物半導体粒子の平均粒径を調節する場合、各層ごとの酸化物半導体粒子の平均粒径を最内部の層21から最外部の層22にかけて増加させることにより調節するようにする。
【0041】
そして、この場合には、最外部の層22における酸化物半導体粒子P3の平均粒径は50〜500nmであることが好ましく、70〜400nmであることがより好ましい。また、最外部の層22における酸化物半導体粒子P3の平均粒径と最内部の層21における酸化物半導体粒子P1の平均粒径との差は20〜300nmであることが好ましく、25〜250nmであることがより好ましい。
【0042】
最外部の層における酸化物半導体粒子の平均粒径が50nm未満であると、入射光は吸収されるものの有効に電子注入される増感色素量が減少するおそれがある。一方、最外部の層における酸化物半導体粒子の平均粒径が500nmを超えると、電極内の増感色素量が減少するとなるおそれがある。また、最外部の層における酸化物半導体粒子の平均粒径と最内部の層における酸化物半導体粒子の平均粒径との差が10nm未満であると、透明電極に近い半導体電極の領域において電子注入する増感色素量が減少するため電池特性が低下するとなるおそれがある。一方、この差が400nmを超えると、電極中の全増感色素量が減少するおそれがある。
【0043】
そして、図2は、半導体電極2の各層を構成する酸化物半導体粒子(P1及びP3)の粒径を制御することにより、各層の色素吸着密度を上記の条件を満たすように調節した場合の一例を示している。
【0044】
以下、この場合について説明する。図2に示す半導体電極2の最内部の層21は、主として、平均粒径の小さな酸化物半導体粒子P1とこの酸化物半導体粒子P1の表面に吸着された増感色素P2とから構成されている。また、内部層23及び最外部の層22は、主として、酸化物半導体粒子P1と、この酸化物半導体粒子P1よりも平均粒径の大きな酸化物半導体粒子P3と、これら酸化物半導体粒子P1及び酸化物半導体粒子P3の表面に吸着された増感色素P2とから構成されている。
【0045】
ここで、酸化物半導体粒子P1の平均粒径は好ましくは5〜100nmとなるように調節されている。また、酸化物半導体粒子P3の平均粒径は好ましくは100nmよりも大きくなるように調節されている。そして、最外部の層22における酸化物半導体粒子P1と酸化物半導体粒子P3との合量に対する酸化物半導体粒子P3の配合割合は、内部層23における酸化物半導体粒子P1と酸化物半導体粒子P3との合量に対する酸化物半導体粒子P3の配合割合よりも大きくなるように調節されている。
【0046】
その結果、各層ごとの酸化物半導体粒子の平均粒径は最内部の層21から最外部の層22にかけて増加することになる。そして、更にその結果、各層ごとの色素吸着密度は最内部の層21から最外部の層22にかけて減少することになる。なお、この光電極10の場合には、最内部の層21には、酸化物半導体粒子P3は実質的に含有されていない。
【0047】
上記酸化物半導体粒子P1及び酸化物半導体粒子P3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。
【0048】
また、半導体電極2の第一の半導体層5及び第二の半導体層6に含有させる増感色素P2は特に限定されるものではなく、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よい。この増感色素P2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−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,メタロシアニン系色素,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。
【0049】
また、半導体電極2の厚みは、3〜50μmであることが好ましく、5〜30μmであることがより好ましく、6〜18μmであることが更に好ましい。半導体電極の厚みが3μm未満となると、色素吸着量が少なくなり光を有効に吸収できなくなる傾向が大きくなる。一方、半導体電極の厚みが50μmを超えると、電気抵抗が大きくなり半導体に注入されたキャリアの損失量が多くなるとともに、イオン拡散抵抗が増大して、光励起されて半導体への電子注入を果した後の色素に対するI-からの電子注入によってI3 -の対極への搬出が阻害され、電池の出力特性が低下する傾向が大きくなる。
【0050】
また、対極CEは、特に限定されるものではなく、例えば、シリコン太陽電池、液晶パネル等に通常用いられている対極と同じものを用いてよい。例えば、前述の透明電極1と同じ構成を有するものであってもよく、透明電極1と同様の透明導電膜3上にPt等の金属薄膜電極を形成し、金属薄膜電極を電解質Eの側に向けて配置させるものであってもよい。また、透明電極1の透明導電膜3に白金を少量付着させたものであってもよく、白金などの金属薄膜、炭素などの導電性膜などであってもよい。
【0051】
更に、電解質Eの組成も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ないが、I-/I3 -等の酸化還元種を含むヨウ素系レドックス溶液が好ましく用いられる。具体的には、I-/I3 -系の電解質はヨウ素のアンモニウム塩あるいはヨウ化リチウムとヨウ素を混合したものなどを用いることができる。その他、Br-/Br3 -系、キノン/ハイドロキノン系などのレドックス電解質をアセトニトリル、炭酸プロピレン、エチレンカーボネートなどの電気化学的に不活性な溶媒(およびこれらの混合溶媒)に溶かしたものも使用できる。
【0052】
また、スペーサー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。
【0053】
次に、図1に示した光電極10及び図3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。
【0054】
先ず、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方法を用いて形成することができる。
【0055】
次に、透明電極1の透明導電膜3上に半導体電極2の各層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、酸化チタン等の半導体粒子P1を分散させた最内部の層21を形成するための分散液を調製する。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P1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。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。
【0056】
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の最内部の層21(多孔質半導体膜)を形成する。このときの焼成温度は常圧では300〜800℃が好ましい。焼成温度が300℃未満であると酸化物半導体粒子P1間の固着、基板への付着力が弱くなり十分な強度がでなくなるおそれがある。焼成温度が800℃を超えると酸化物半導体粒子P1間の固着が進み、半導体電極2(多孔質半導体膜)の表面積が小さくなるおそれがある。
【0057】
また、半導体粉末を透明電極1の透明導電膜3上に加圧圧着することで焼成温度を低下させたり、焼成工程を省略することもできる。
【0058】
次に、最内部の層21上に内部層23を形成する場合には、例えば、上記の最内部の層21を形成するための分散液に、所定量の酸化物半導体粒子P3を更に添加させた組成を有する分散液を調製する以外は、上述した最内部の層21を形成する方法と同様にして内部層23を形成することができる。更に、内部層23上に最外部の層22を形成する場合にも、例えば、上記の最内部の層21を形成するための分散液に、所定量の酸化物半導体粒子P3を更に添加させた組成を有する分散液を調製する以外は、上述した最内部の層21を形成する方法と同様にして内部層23上に最外部の層22を形成することができる。
【0059】
次に、半導体電極2中に浸着法等の公知の方法により増感色素P2を含有させる。増感色素P2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。各層を形成し増感色素を吸着させる工程を色素溶液の濃度や溶媒を変える等して繰り返すことで電極の各層の色素吸着密度を調節することもできる。
【0060】
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。
【0061】
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方法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。
【0062】
このようにして光電極10を作製した後は、公知の方法により対極CEを作製し、これと光電極10と、スペーサーSを図1に示すように組み上げて、内部に電解質Eを充填し、色素増感型太陽電池20を完成させる。
【0063】
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。
【0064】
例えば、上記の実施形態においては、各層ごとの色素吸着密度を最内部の層21から最外部の層22にかけて減少させる方法として各層ごとの酸化物半導体粒子の平均粒径を最内部の層21から最外部の層22にかけて増加させることにより調節する方法を採用した場合について説明したが、本発明において、各層ごとの色素吸着密度を最内部の層21から最外部の層22にかけて減少させる具体的な方法は特に限定されない。
【0065】
例えば、半導体電極の複数の層の各層に平均粒径の異なる1種類の酸化物半導体粒子を含有させることにより調節してもよく、半導体電極の複数の層の各層毎にそれぞれ平均粒径の異なる少なくとも2種の酸化物半導体粒子を含有させることにより調節してもよく、半導体電極の複数の層の少なくとも1つの層に平均粒径の異なる少なくとも2種の酸化物半導体粒子を含有させることにより調節してもよい。
【0066】
具体的には、例えば、図4に示すように、半導体電極2の最内部の層21にも酸化物半導体粒子P3が含まれており、各層における酸化物半導体粒子P1と酸化物半導体粒子P3との合量に対する酸化物半導体粒子P3の配合割合が、最内部の層21から最外部の層22にかけて増加している構成でもよい。
【0067】
また、例えば、図5に示すように、半導体電極2の最外部の層22を構成する半導体材料が1種類の酸化物半導体粒子P3のみであり、最内部の層21を構成する半導体材料が1種類の酸化物半導体粒子P1のみであり、内部層23を構成する半導体材料が2種類の酸化物半導体粒子P1及びP3であってもよい。
【0068】
更に、例えば、図6に示すように、半導体電極2の最内部の層21を構成する半導体材料が1種類の酸化物半導体粒子P1のみであり、内部層23を構成する半導体材料が1種類の酸化物半導体粒子P3のみであり、最外部の層22を構成する半導体材料が酸化物半導体粒子P3よりも大きな平均粒径を有する1種類の酸化物半導体粒子P4のみである構成でもよい。
【0069】
また、例えば、図7に示すように、半導体電極2の最内部の層21、内部層23及び最外部の層22をそれぞれ構成する半導体材料が1種類の酸化物半導体粒子P1であり、各層をそれぞれ構成する酸化物半導体粒子P1に吸着させる増感色素の吸着量を、最内部の層21から最外部の層22にかけて減少させるように調節した構成でもよい。
【0070】
更に、例えば、図8に示すように、半導体電極2の最内部の層21及び内部層23を構成する半導体材料が2種類の酸化物半導体粒子P1とP3であり、最内部の層21と内部層23とにおいて、酸化物半導体粒子P1及びP3の合量に対する酸化物半導体粒子P3の配合割合が最内部の層21から内部層23にかけて増加しており、最外部の層22を構成する半導体材料が酸化物半導体粒子P3よりも大きな平均粒径を有する1種類の酸化物半導体粒子P4のみである構成でもよい。
【0071】
例えば、上記の実施形態においては、3層の構造を有する半導体電極を備えた光電極及びこれを備える色素増感型太陽電池について説明したが、本発明の光電極及び色素増感型太陽電池はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の光電極は、図9に示す光電極14のように、4層以上の層から構成された半導体電極2を備える構成を有していてもよい。例えば、図7に示す光電極14の半導体電極2は、最内部の層21と最外部の層22と、最内部の層21と最外部の層22との間に配置される内部層23及び24とから構成されている。そして、この場合、半導体電極2の4つの層のそれぞれにおける色素吸着密度が最内部の層21から最外部の層22にかけて減少するように調節されている。また、2層の構造を有する半導体電極(図示せず)を備える構成を有していてもよい。
【0072】
また、上記の実施形態においては、半導体電極の各層ごとの色素吸着密度を調節する方法として、各層を構成する酸化物半導体粒子の粒径を調節する方法を用いる場合について説明したが、本発明において、半導体電極の各層ごと色素吸着密度調節する方法は特に限定されるものではない。
【0073】
半導体電極の各層ごと色素吸着密度調節する方法の他の方法としては、各層ごとの細孔径分布の最大値又は細孔径分布の平均値を調節する方法と、各層の空隙率を調節する方法とがある。
【0074】
先ず、各層ごとの細孔径分布の最大値又は細孔径分布の平均値を調節する方法について説明する。
【0075】
各層ごとの細孔径分布の最大値又は細孔径分布の平均値を調節する場合、各層ごとの細孔径分布の最大値のそれぞれにおける細孔径分布の最大値又は細孔径分布の平均値を比較すると、各層ごとの細孔径分布の最大値又は細孔径分布の平均値は最内部の層21から最外部の層22にかけて増加させるように調節する。
【0076】
そして、最外部の層22における細孔径分布の最大値は好ましくは10〜1000nmとなるように調節し、最外部の層22における細孔径分布の最大値と最内部の層21における細孔径分布の最大値との差は好ましくは3〜990nmとなるように調節する。或いは、最外部の層22における細孔径分布の平均値は好ましくは10〜500nmとなるように調節するようにし、最外部の層における細孔径分布の平均値と最内部の層21における細孔径分布の平均値との差は好ましくは3〜490nmとなるように調節するようにする。
【0077】
最外部の層22における細孔径分布の最大値が10nm未満であると、最外部の層22における単位体積当たりの比表面積が増加し入射光は吸収されるものの有効に電子注入される増感色素量が減少するおそれがある。一方、最外部の層21における細孔径分布の最大値が1000nmを超えると、最外部の層21における単位体積当たりの比表面積が減少し電極内の増感色素量が減少するおそれがある。また、最外部の層22における細孔径分布の最大値と最内部の層22における細孔径分布の最大値との差が3nm未満であると、透明電極に近い半導体電極の領域において電子注入する増感色素量が減少するため電池特性が低下するおそれがある。一方、この差が990nmを超えると、電極中の全増感色素量が減少するおそれがある。
【0078】
そして、上記と同様の観点から、最外部の層22における細孔径分布の最大値は10〜500nmであることがより好ましく12〜300nmであることが更に好ましい。また、最外部の層22における細孔径分布の最大値と最内部の層21における細孔径分布の最大値との差は3〜500nmであることがより好ましく5〜300nmであることが更に好ましい。
【0079】
一方、前述の各層における細孔径分布の最大値の場合と同様の観点から、最外部の層22における細孔径分布の平均値が10〜500nmであり、かつ、最外部の層22における細孔径分布の平均値と最内部の層21における細孔径分布の平均値との差が3〜490nmであることが好ましい。これにより、半導体電極内における光電変換効率をより精密に向上させることができる。そして、この場合にも、最外部の層22における細孔径分布の平均値は12〜300nmであることがより好ましく12〜200nmであることが更に好ましい。また、最外部の層22における細孔径分布の平均値と最内部の層21における細孔径分布の平均値との差は3〜300nmであることがより好ましく5〜200nmであることが更に好ましい。
【0080】
なお、半導体電極の各層の細孔径分布の最大値或いは細孔径分布の平均値を求めるための細孔径分布曲線は、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、各層を構成する多孔質膜と同様の多孔質材料を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法あるいは重量法によりその吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットし、吸着等温線を得る。細孔径分布曲線は、この吸着等温線を用い、Cranston-Inklay法、Dollimore-Heal法、BJH法等の計算法により求めることができる。また、水銀圧入法を用いて、高圧の水銀を試料の細孔内に圧入することにより細孔分布曲線を求めることもできる。
【0081】
次に、各層の空隙率を調節する方法について説明する。この方法は、半導体電極の各層作製する際に、各層を形成するための酸化物半導体粒子を含むスラリー又はペースト酸化物半導体粒子以外の物質を所定量混入しておき、これを最終的に除去することにより前述の各層における色素吸着密度の条件を満たす細孔(空隙)を形成する方法であり、各層の空隙率を透明電極に最も近い最内部の層から最も遠い最外部の層にかけて大きくしていく方法である。
【0082】
このような細孔を形成する方法としては、より具体的には、例えば、半導体電極を作製する方法として各層の酸化物半導体膜を形成するための酸化物半導体粒子を含むスラリー又はペーストを透明電極等に塗布又は印刷し、その後、乾燥させて更に熱処理する方法を用いる場合に、スラリー又はペースト中に、熱処理により酸化反応等を進行させて除去することができる物質(例えば、ポリエチレングリコール等の有機物)を添加しておき、これを熱処理により除去する方法がある。この場合、熱処理により除去することができる物質の添加量を調節することにより、半導体電極の各層ごとの細孔径分布を制御することができる。
【0083】
また、他の細孔を形成する方法として、上述の半導体電極の作製方法を用いる場合に、熱処理により除去することができる物質のかわりに熱処理では除去できない物資を上述のスラリー又はペーストに所定量添加しておき、熱処理した後の半導体電極から除去する方法もある。具体的には、例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの塩類を上述のスラリー又はペーストに添加しておき、熱処理後に水で塩類を溶出させる方法がある。更に、他の細孔を形成する方法として、上述の半導体電極の作製方法を用いる場合に、酸やアルカリなどにより溶出できる微粒子を所定量添加しておき、熱処理後に該微粒子を除去する方法もある。
【0084】
また、他の細孔を形成する方法として、半導体電極を作製した後或いは半導体電極の各層を作製する度ごとに、半導体電極の各層を構成する酸化物半導体の一部を溶解等によって除去する方法もある。この場合の除去方法としては、例えば、酸化剤を含む溶液で酸化物半導体の一部を溶解させる方法がある。また、酸化剤を含む溶液を用いるかわりに、半導体電極の各層を構成する酸化物半導体の一部を溶液中で電気化学的に溶解させる方法、又は、半導体電極の各層を構成する酸化物半導体の一部を光を照射した溶液中で光電気化学的に溶解させる方法がある。
【0085】
このような細孔を形成する方法を用いることにより、例えば、図10に示すように、最内部の層21と最外部の層22とを有する光電極を構成することができる。すなわち、図10に示す半導体電極2の最内部の層21及び最外部の層22は、ともに増感色素P2が吸着した1種類の酸化物半導体粒子P1のみで構成されているが、最内部の層21中の酸化物半導体粒子P1間に形成される空隙部分R21の大きさが、最外部の層22中の酸化物半導体粒子P1間に形成される空隙部分R22の大きさよりも小さくなるように形成されている。ここで、この場合にも半導体電極2は3層以上の構成を有していてもよい。
【0086】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の光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。
【0087】
(実施例1)
以下に示す手順により、図1に示した光電極10と同様の構成を有する光電極を作製し、更に、この光電極を用いて図3に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成を有する5×20mmのスケールの色素増感型太陽電池を作製した。
【0088】
オートクレーブ内に、Tiを含む化学種(チタンアルコキシド)、イオン交換水、pH調製剤(硝酸、アンモニア等)を入れ、所定の反応条件下において、Tiを含む化学種の加水分解反応を進行させ、次いで、得られるTiO2粒子の結晶化を進行させることにより、平均粒径が27nmのTiO2粒子(アナターゼ、以下、P27という)を含むコロイド溶液(以下、コロイド溶液1という)を調製した。次に、オートクレーブ内における反応条件を変えたこと以外は上記コロイド溶液1と同様の手順により、平均粒径が128nmのTiO2粒子(アナターゼ、以下、P128という)を含むコロイド溶液(以下、コロイド溶液2という)、平均粒径が112nmのTiO2粒子(アナターゼ、以下、P112という)を含むコロイド溶液(以下、コロイド溶液3という)、平均粒径が198nmのTiO2粒子(アナターゼ、以下、P198という)を含むコロイド溶液(以下、コロイド溶液4という)を調製した。なお、これらのコロイド溶液1〜4に含まれるTiO2粒子の平均粒径は、光散乱光度計(大塚電子社製)をもちいて、レーザー光の動的光散乱を解析することにより求めた。
【0089】
次に、コロイド溶液1〜4のそれぞれに対して溶媒希釈や溶媒除去を施すことによりTiO2粒子の濃度を調製し、更に、セルロース系の粘度調整剤を加えることにより以下に示すペーストを調製した。
【0090】
すなわち、コロイド溶液1を使用してP27のみを含むペースト(P27の含有量;12質量%、以下、ペースト1という)、コロイド溶液1及びコロイド溶液4を使用してP27とP198との質量比をP27:P198=7:3としたペースト(以下、ペースト2という)、コロイド溶液1及びコロイド溶液4を使用してP27とP198との質量比をP27:P198=1:1としたペースト(以下、ペースト3という)、コロイド溶液1及びコロイド溶液3を使用してP27とP112との質量比をP27:P112=3:7としたペースト(以下、ペースト4という)、コロイド溶液1及びコロイド溶液3を使用してP27とP112との質量比をP27:P112=1:1としたペースト(以下、ペースト5という)、コロイド溶液2を使用してP128のみを含むペースト(P128の含有量;12質量%、以下、ペースト6という)、コロイド溶液4を使用してP198のみを含むペースト(P198の含有量;12質量%、以下、ペースト7という)、をそれぞれ調製した。
【0091】
一方、ガラス基板4(透明導電性ガラス)上にフッ素ドープされたSnO2導電膜3(膜厚;700nm)を形成した透明電極1(厚さ;1.1mm)を準備した。
【0092】
そして、ペースト1を最内部の層21の形成に用い、ペースト2を内部層23の形成に用い、ペースト3を最外部の層22の形成に用いた。すなわち、このSnO2導電膜3上に、上述のペースト1をスクリーン印刷し、次いで乾燥させた。その後、大気中、450℃の条件のもとで30分間焼成した。更に、ペースト2及びペースト3を用いてこのスクリーン印刷と焼成とを繰り返すことにより、SnO2導電膜上に図1に示す半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成し、増感色素を含有していない光電極を作製した。
【0093】
その後、半導体電極の裏面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。次に、この溶液に半導体電極を浸漬し、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12を完成させた。
【0094】
なお、この半導体電極について、受光面の面積;10cm2、半導体電極の厚さ;12μm、最内部の層21の層厚;4μm、内部層23の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21内の色素吸着密度;1.50×10-12mol/cm3、最内部の層21内の酸化物半導体の比表面積の平均値;83m2/g、内部層23内の色素吸着密度;1.13×10-12mol/cm3、内部層23内の酸化物半導体の比表面積の平均値;62m2/g、最外部の層22内の色素吸着密度;1.06×10-12mol/cm3、最外部の層22内の酸化物半導体の比表面積の平均値;52m2/gであった。
【0095】
ここで、各層における色素吸着密度は以下の2つの方法を用いて測定した。1つめの色素吸着密度の測定方法は以下の手順により行った。すなわち、膜厚と表面積が既知の各層を構成する酸化物半導体膜に増感色素を吸着させた後、増感色素を溶出させることが可能な所定量の溶液に浸して酸化物半導体膜に吸着した色素を溶出させた。この増感色素の溶液の吸光スペクトルを測定し、この吸光度とあらかじめ求めた増感色素のモル吸光係数から色素濃度を求め、酸化物半導体膜の体積で除すことにより酸化物半導体膜の色素吸着密度を算出した。なお、本発明においては半導体電極は複数の層が積層されて構成されているため、一層ごとに削り落として各層ごとの色素吸着密度を算出した。
【0096】
2つめの色素吸着密度の測定方法は以下の手順により行った。すなわち、2次イオン質量分析計を用いて、酸化物半導体膜を透明電極の表面から該表面の法線方向にイオンスパッターしながら、酸化物半導体膜の構成元素と増感色素の構成元素の濃度比を求めることで、各層ごとの色素吸着密度の分布を調べた。酸化物半導体膜の構成元素と増感色素の構成元素の濃度比としてTiとRuとの元素比を求め、更にスパッター速度を求めることで、各層ごとの色素吸着密度を測定した。
【0097】
そして、上記の2つの測定方法を適宜組み合わせて色素吸着密度を求めた。
【0098】
また、各層における酸化物半導体の比表面積の平均値は以下のように測定した。すなわち、同一条件で塗布(スクリーン印刷)して更に熱処理した後の半導体電極の各層を構成する多孔質の酸化物半導体膜を削り落として粉末としたものを試料とし、ガス吸着測定装置(Quantachrome社製、「AUTOSORB」)を用いて窒素吸着法によりこの試料に関する等温吸着線を得て、BJH法で計算し求めた。なお、異なる構造の層を積層した場合も各層をダイヤモンド砥石などで平面研削し、各層ごとの粉末を回収して同様に測定・解析して細孔径分布曲線を求め、比表面積の平均値を求めた。
【0099】
(実施例2)
半導体電極の製造を以下のようにして行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により図1に示した光電極10及び図3に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成を有する光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。
【0100】
すなわち、実施例1において調製したペースト2を最内部の層21の形成に用い、ペースト3を内部層23の形成に用い、ペースト7を最外部の層22の形成に用いたこと以外は、実施例1と同様手順により、透明電極1上に図1に示す半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。
【0101】
なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm、最内部の層21の層厚;4μm、内部層23の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21内の色素吸着密度;1.13×10-12mol/cm3、最内部の層21内の酸化物半導体の比表面積の平均値;62m2/g、内部層23内の色素吸着密度;1.06×10-12mol/cm3、内部層23内の酸化物半導体の比表面積の平均値;62m2/g、最外部の層22内の色素吸着密度;0.36×10-12mol/cm3、最外部の層22内の酸化物半導体の比表面積の平均値;20m2/gであった。
【0102】
(実施例3)
半導体電極の製造を以下のようにして行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により図1に示した光電極10及び図3に示した色素増感型太陽電池20と同様の構成を有する光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。
【0103】
すなわち、実施例1において調製したペースト4を最内部の層21の形成に用い、ペースト5を内部層23の形成に用い、ペースト6を最外部の層22の形成に用いたこと以外は、実施例1と同様手順により、透明電極1上に図1に示す半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。
【0104】
なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm、最内部の層21の層厚;4μm、内部層23の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21内の色素吸着密度;1.20×10-12mol/cm3、最内部の層21内の酸化物半導体の比表面積の平均値;66m2/g、内部層23内の色素吸着密度;0.98×10-12mol/cm3、内部層23内の酸化物半導体の比表面積の平均値;54m2/g、最外部の層22内の色素吸着密度;0.42×10-12mol/cm3、最外部の層22内の酸化物半導体の比表面積の平均値;23m2/gであった。
【0105】
(実施例4)
実施例1において調製したコロイド溶液1に8質量%のポリエチレングリコール(平均分子量;20000)を添加したスラリー(以下、スラリー1という)を調製した。同様に、コロイド溶液1に25質量%のポリエチレングリコールを添加したスラリー(以下、スラリー2という)と、40質量%のポリエチレングリコールを添加したスラリー(以下、スラリー3という)を調製した。
【0106】
そして、スラリー1をバーコート法で透明電極1上に塗布し、乾燥させた後に450℃で焼成し最内部の層21を形成した。次に、スラリー2を内部層23の形成に用いるとともに、スラリー3を最外部の層22の形成に用いて最内部の層21の形成と同様の手順により、内部層23と最外部の層22とを形成した。
【0107】
そして、実施例1と同様の手順により、透明電極1上に図1に示す半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm、最内部の層21の層厚;4μm、内部層23の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21の色素吸着密度;1.15×10-12mol/cm3、内部層23の色素吸着密度;1.02×10-12mol/cm3、最外部の層22の色素吸着密度;0.95×10-12mol/cm3、最内部の層21の空隙率;51%、内部層23の空隙率;54%、最外部の層22の空隙率;60%であった。
【0108】
(実施例5)
実施例1において調製したコロイド溶液1とコロイド溶液4を使用してP27:P198=5:5とした溶液に8質量%のポリエチレングリコール(平均分子量;20000)を添加したスラリー(以下、スラリー4という)を調製した。同様にして、上記のコロイド溶液に25質量%のポリエチレングリコールを添加したスラリー(以下、スラリー5という)と、40質量%のポリエチレングリコールを添加したスラリー(以下、スラリー6という)を調製した。
【0109】
そして、スラリー4をバーコート法で透明電極1上に塗布し、乾燥させた後に450℃で焼成し最内部の層21を形成した。次に、スラリー5を内部層23の形成に用いるとともに、スラリー6を最外部の層22の形成に用いて最内部の層21の形成と同様の手順により、内部層23と最外部の層22とを形成した。
【0110】
そして、実施例1と同様の手順により、透明電極1上に図1に示す半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm、最内部の層21の層厚;4μm、内部層23の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21の色素吸着密度;1.08×10-12mol/cm3、内部層23の色素吸着密度;0.88×10-12mol/cm3、最外部の層の色素吸着密度;0.72×10-12mol/cm3、最内部の層21の空隙率;56%、内部層23の空隙率;58%、最外部の層22の空隙率;63%であった。
(実施例6)
実施例4において調製したスラリー1をバーコート法で透明電極1上に塗布し、乾燥させた後に450℃で焼成し最内部の層21を形成した。次に、スラリー3を最外部の層22の形成に用いて最内部の層21の形成と同様の手順により最外部の層22を形成した。
【0111】
そして、実施例1と同様の手順により、透明電極1上に図10に示した半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;8μm、最内部の層21の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21の色素吸着密度;1.15×10-12mol/cm3、最外部の層22の色素吸着密度;0.95×10-12mol/cm3、最内部の層21の空隙率;51%、最外部の層22の空隙率;60%であった。
【0112】
(実施例7)
実施例5において調製したスラリー4をバーコート法で透明電極1上に塗布し、乾燥させた後に450℃で焼成し最内部の層21を形成した。次に、スラリー6を最外部の層22の形成に用いて最内部の層21の形成と同様の手順により最外部の層22を形成した。
【0113】
そして、実施例1と同様の手順により、透明電極1上に図8に示した半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;8μm、最内部の層21の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21の色素吸着密度;1.08×10-12mol/cm3、最外部の層の色素吸着密度;0.72×10-12mol/cm3、最内部の層21の空隙率;56%、最外部の層22の空隙率;63%であった。
【0114】
(比較例1)
実施例1において調製したペースト1のみを用いて1つの層のみからなる半導体電極(受光面の面積;1.0cm2、層厚;12μm、層内の色素吸着密度;1.50×10-12mol/cm3、層内の酸化物半導体の比表面積の平均値;82m2/g)を作製したこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。なお、この場合、ペースト1の透明電極1上への印刷、乾燥、焼成は3回繰り返すことにより行った。
【0115】
(比較例2)
実施例1に用いたペースト2のみを用いて1つの層のみからなる半導体電極(受光面の面積;1.0cm2、層厚;12μm、層内の色素吸着密度;1.13×10-12mol/cm3、層内の酸化物半導体の比表面積の平均値;62m2/g)を作製したこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。なお、この場合、ペースト2の透明電極1上への印刷、乾燥、焼成は3回繰り返すことにより行った。
【0116】
(比較例3)
半導体電極の製造を以下のようにして行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。
【0117】
すなわち、実施例1において調製したペースト7を最内部の層21の形成に用い、ペースト3を内部層23の形成に用い、ペースト2を最外部の層22の形成に用いたこと以外は、実施例1と同様手順により、透明電極1上に図1に示す半導体電極2と同様の構成の半導体電極を形成した。
【0118】
なお、この半導体電極について、受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm、最内部の層21の層厚;4μm、内部層23の層厚;4μm、最外部の層22の層厚;4μmであり、最内部の層21内の色素吸着密度;0.36×10-12mol/cm3、最内部の層21内の酸化物半導体の比表面積の平均値;20m2/g、内部層23内の色素吸着密度;1.06×10-12mol/cm3、内部層23内の酸化物半導体の比表面積の平均値;52m2/g、最外部の層22内の色素吸着密度;1.13×10-12mol/cm3、最外部の層22内の酸化物半導体の比表面積の平均値;62m2/gであった。
【0119】
(比較例4)
実施例4に用いたスラリー1のみを用いて実施例4と同様の手順により1つの層のみからなる半導体電極(受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm)を作製したこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。なお、この場合、スラリー1の透明電極1上への塗布、乾燥、焼成は3回繰り返すことにより行った。また、この半導体電極について、半導体電極の酸化物半導体膜からなる層の色素吸着密度;1.15×10-12mol/cm3、空隙率;51%であった。
【0120】
(比較例5)
実施例5に用いたスラリー4のみを用いて実施例4と同様の手順により1つの層のみからなる半導体電極(受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;12μm)を作製したこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。なお、この場合、スラリー1の透明電極1上への塗布、乾燥、焼成は3回繰り返すことにより行った。また、この半導体電極について、半導体電極の酸化物半導体膜からなる層の色素吸着密度;1.08×10-12mol/cm3、空隙率;56%であった。
【0121】
(比較例6)
実施例4に用いたスラリー1のみを用いて実施例4と同様の手順により1つの層のみからなる半導体電極(受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;8μm)を作製したこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。なお、この場合、スラリー1の透明電極1上への塗布、乾燥、焼成は2回繰り返すことにより行った。また、この半導体電極について、半導体電極の酸化物半導体膜からなる層の色素吸着密度;1.15×10-12mol/cm3、空隙率;51%であった。
【0122】
(比較例7)
実施例5に用いたスラリー4のみを用いて実施例4と同様の手順により1つの層のみからなる半導体電極(受光面の面積;1.0cm2、半導体電極の厚さ;8μm)を作製したこと以外は、実施例1と同様の手順により光電極及び色素増感型太陽電池を作製した。なお、この場合、スラリー4の透明電極1上への塗布、乾燥、焼成は2回繰り返すことにより行った。また、この半導体電極について、半導体電極の酸化物半導体膜からなる層の色素吸着密度;1.08×10-12mol/cm3、空隙率;56%であった。
【0123】
[電池特性試験]
電池特性試験を行ない、実施例1〜実施例7、比較例1〜比較例7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。電池特性試験は、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(AM−1.5)を通したキセノンランプから100mW/cm2の疑似太陽光を照射することにより行った。I−Vテスターを用いて電流−電圧特性を測定し、漏れ電流(I/mA・cm-2)、開放電圧(Voc/V)、短絡電流(Isc/mA・cm-2)、曲線因子(F.F.)及びエネルギー変換効率(η/%)を求めた。
【0124】
実施例1〜実施例7、比較例1〜比較例7の各色素増感型太陽電池について得られた電池特性試験の結果を表1に示す。
【0125】
【表1】
【0126】
表1に示した結果から明らかなように、実施例1〜実施例7の色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率ηは、それぞれに対応する比較例1〜比較例7の色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率ηよりも高い値を示すことが確認された。
【0127】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、優れた光電変換効率を有する光電極を構成することができる。また、この光電極を用いることにより、優れたエネルギー変換効率を有する色素増感型太陽電池を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電極の好適な一実施形態を示す模式断面図である。
【図2】図1に示した領域100の部分の模式拡大断面図である。
【図3】図1に示した光電極を備えた色素増感型太陽電池を示す模式断面図である。
【図4】図1に示した光電極の半導体電極の内部構造の他の形態を示す模式断面図である。
【図5】図1に示した光電極の半導体電極の内部構造の更に他の形態を示す模式断面図である。
【図6】図1に示した光電極の半導体電極の内部構造の更に他の形態を示す模式断面図である。
【図7】図1に示した光電極の半導体電極の内部構造の更に他の形態を示す模式断面図である。
【図8】図1に示した光電極の半導体電極の内部構造の更に他の形態を示す模式断面図である。
【図9】図1に示した光電極の他の実施形態を示す模式断面図である。
【図10】図1に示した光電極の半導体電極の内部構造の更に他の形態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
1…透明電極、2…半導体電極、3…透明導電膜、4…基板、10,11,12,13,14…光電極,20…色素増感型太陽電池、21…最内部の層、22…最外部の層、63…内部層、100…光電極10の部分領域、CE…対極、E…電解質、F1,F2,F3,…受光面、F22…半導体電極2の裏面、L10…入射光、P1…酸化物半導体粒子、P2…増感色素、P3…酸化物半導体粒子、P4…酸化物半導体粒子、R21,R22…細孔(空隙)部分、S…スペーサー。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectrode and a dye-sensitized solar cell including the photoelectrode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various developments of solar cells have been promoted with increasing interest in global warming and energy problems. Among such solar cells, dye-sensitized solar cells are expected to be put to practical use because they are inexpensive and can be manufactured by a relatively simple process.
[0003]
In conventional dye-sensitized solar cells, since the absorption coefficient of the sensitizing dye contained in the semiconductor electrode is small, even if light in the infrared to near-infrared wavelength region is incident on the semiconductor electrode, the semiconductor It penetrated without being sufficiently absorbed in the electrode, and did not contribute to the progress of the photoelectric conversion reaction.
[0004]
For this reason, various studies for improving the photoelectric conversion efficiency in the photoelectrode and improving the energy conversion efficiency of the battery have been conducted for practical application of the dye-sensitized solar cell. The energy conversion efficiency η (%) of the dye-sensitized solar cell is represented by the following formula (1). In the following formula (1), P0Is the incident light intensity [mWcm-2], VocIs the open circuit voltage [V], IscIs the short-circuit current density [mAcm-2], FF shows a fill factor.
η = 100 × (Voc× Isc× F.F.) / P0... (1)
[0005]
As for the above examination, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-255863, a semiconductor electrode (light absorbing particle layer) having a small semiconductor particle having an average particle diameter of, for example, 80 nm or less as a constituent material is in contact with the electrolyte solution. On the surface, a layer (light reflecting particle layer) made of large semiconductor particles having an average particle diameter of 200 to 500 nm, for example, is provided to constitute a photoelectrode, and incident light incident on the semiconductor electrode is scattered. Thus, a dye-sensitized solar cell intended to improve the absorption efficiency has been proposed.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-106222 discloses a semiconductor electrode in which semiconductor particles having a large particle size (average particle size: 10 to 300 nm) and semiconductor particles having a small particle size (average particle size: 10 nm or less) are mixed. Thus, a dye-sensitized solar cell intended to improve the absorption efficiency by scattering incident light incident on the semiconductor electrode has been proposed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventors have disclosed a dye-sensitized solar cell provided with the photoelectrode described in JP-A-10-255863 and a dye-sensitized solar cell provided with the photoelectrode described in JP-A-2000-106222. In any of the batteries, sufficient incident light absorption efficiency is not obtained in the semiconductor electrode constituting the photoelectrode, and sufficient energy conversion efficiency as a battery cannot be obtained, which is still insufficient. I found.
[0008]
That is, in the dye-sensitized solar cells described in the above two publications, as a result of light scattering by the large semiconductor crystal particles, the optical path length passing through the semiconductor electrode is longer than when there is no large semiconductor particle. Although the utilization rate of the light increases, there is a problem that a part of the light passes through the semiconductor electrode because it uses the scattering phenomenon.
[0009]
In particular, as in the dye-sensitized solar cell described in the above two publications, the ratio of incident light that is transmitted without being absorbed by the semiconductor electrode when large semiconductor particles having a spherical shape are mixed in the semiconductor electrode. As a result, the light confinement effect in the semiconductor electrode is reduced, and the incident light absorption efficiency is reduced. In addition, when the number of large semiconductor crystal particles increases, the total surface area of the semiconductor surface to which the dye is adsorbed decreases, resulting in a decrease in light absorption rate.
[0010]
Further, in any of the dye-sensitized solar cells described in the above two publications, the size of the pores formed in the semiconductor electrode is small, and when the sensitizing dye is adsorbed in the semiconductor electrode, It was difficult to sufficiently adsorb to a sufficient time, and it took time. Furthermore, since the size of the pores formed in the semiconductor electrode is small, it is difficult to efficiently supply the reactant during power generation of the battery, and the resistance component (overvoltage component) based on the diffusion rate limiting of the reactant ) Increases and the photoelectric conversion efficiency decreases.
[0011]
Moreover, the conventional dye-sensitized solar cell cannot sufficiently prevent the occurrence of leakage current during power generation in the semiconductor electrode constituting the photoelectrode. The generation of a large leakage current is caused by the open circuit voltage V of the battery in equation (1).ocTherefore, if the generation of leakage current cannot be sufficiently suppressed, a battery having high energy conversion efficiency cannot be configured.
[0012]
This invention is made | formed in view of the subject which the said prior art has, and aims at providing the dye-sensitized solar cell which has the photoelectrode which has the outstanding photoelectric conversion efficiency, and the outstanding energy conversion efficiency. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventors have configured the semiconductor electrode constituting the photoelectrode to be composed of at least a plurality of layers, and set the dye adsorption density in each layer to the position closest to the transparent electrode. Decreasing from the disposed layer to the layer disposed farthest from the transparent electrode, and / or the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer from the layer disposed closest to the transparent electrode to the transparent electrode It has been found that an electrode structure capable of efficiently proceeding the photoelectric conversion reaction can be constructed by reducing the layer to the layer farthest from the position, and the present invention has been achieved.
[0014]
That is, the present invention is a photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface and a transparent electrode disposed adjacently on the light receiving surface, and the semiconductor electrode is composed of a plurality of layers containing a dye. Each of the plurality of layers is composed of a porous film composed of oxide semiconductor particles, and the innermost layer in which the dye adsorption density per unit volume of the porous film in each layer is located closest to the transparent electrode To the outermost layer disposed at the farthest position with respect to the transparent electrode.
[0015]
In the photoelectrode of the present invention, the dye adsorption density in the semiconductor electrode is gradually decreased along the thickness direction of the semiconductor from the light receiving surface of the semiconductor electrode to the surface that contacts the electrolyte of the semiconductor electrode (hereinafter referred to as the back surface). Therefore, the photoelectric conversion reaction can be preferentially performed in a region close to the transparent electrode even in the semiconductor electrode. Therefore, the loss amount of electrons generated by the photoelectric conversion reaction and moving in the oxide semiconductor toward the transparent electrode in the semiconductor electrode can be efficiently reduced. That is, the conduction resistance component of electrons can be reduced, and at the surface of the oxide semiconductor particles,Three -(Essentially I2) And I-The frequency of occurrence of a reaction that generates (leakage current) can be reduced. Thereby, the outstanding photoelectric conversion efficiency can be obtained.
[0016]
Here, in the present invention, “the dye adsorption density in each layer decreases from the innermost layer arranged at the position closest to the transparent electrode to the outermost layer arranged at the position farthest from the transparent electrode. Is the state where the dye adsorption density of the innermost layer located at one end is finally smaller than the dye adsorption density of the outermost layer located at the other end, and when multiple layers are viewed as a whole 3 shows a state in which the dye adsorption density of each layer is generally decreased from the innermost layer to the outermost layer.
[0017]
For example, the dye adsorption density may be monotonically decreasing from the innermost layer to the outermost layer. Further, for example, among the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer, the dye adsorption density of some adjacent layers may have the same value. Further, among the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer, when comparing the dye adsorption density of some adjacent layers, the dye of the layer located on the outermost layer side The adsorption density may be larger than the dye adsorption density of the layer located on the innermost layer side. However, from the viewpoint of allowing the photoelectric conversion reaction in the semiconductor electrode to proceed more efficiently, the dye adsorption density monotonically decreases from the innermost layer to the outermost layer, or the innermost layer and the outermost layer. Among the layers disposed between the two layers, a state in which the dye adsorption density of some adjacent layers has the same value is preferable.
[0018]
In the photoelectrode of the present invention, the dye adsorption density in the innermost layer is 1 × 10.-13~ 1x10-11mol / cmThreeAnd the difference between the dye adsorption density in the innermost layer and the dye adsorption density in the outermost layer is 1 × 10-14~ 9.9 × 10-12mol / cmThreeIs preferable. Thereby, the photoelectric conversion efficiency in a semiconductor electrode can be improved more precisely.
[0019]
Here, the dye adsorption density in the innermost layer is 1 × 10-13mol / cmThreeIf it is less than the range, the amount of the sensitizing dye in the electrode may be reduced. On the other hand, the dye adsorption density in the innermost layer is 1 × 10-11mol / cmThreeIf it exceeds 1, the incident light is absorbed, but there is a possibility that the amount of the sensitizing dye that is effectively electron-injected decreases. Further, the difference between the dye adsorption density in the innermost layer and the dye adsorption density in the outermost layer is 1 × 10.-14mol / cmThreeIf it is less than the range, the amount of the sensitizing dye that injects electrons in the region of the semiconductor electrode close to the transparent electrode decreases, so that the battery characteristics may be deteriorated. On the other hand, this difference is 9.9 × 10-12mol / cmThreeIf it exceeds, the total amount of sensitizing dye in the electrode may be reduced.
[0020]
From the same viewpoint as described above, the dye adsorption density in the innermost layer is 2 × 10.-13~ 5x10-12mol / cmThreeMore preferably, 4 × 10-13~ 2x10-12mol / cmThreeMore preferably. The difference between the dye adsorption density in the innermost layer and the dye adsorption density in the outermost layer is 5 × 10.-14~ 4.9 × 10-12mol / cmThreeMore preferably, 1 × 10-13~ 1.9 × 10- 12mol / cmThreeMore preferably.
[0021]
Furthermore, in the photoelectrode of the present invention, it is preferable that the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer decreases from the innermost layer to the outermost layer. Adjusting the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer so as to satisfy the above conditions is one method for reducing the dye adsorption density in each layer from the innermost layer to the outermost layer. In this case, the photoelectric conversion reaction is preferentially performed in a region near the transparent electrode in the semiconductor electrode, and the generation of leakage current can be more reliably reduced in the region far from the transparent electrode in the semiconductor electrode.
[0022]
Here, in the present invention, the state that “the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer decreases from the innermost layer to the outermost layer” is the same as in the case of the dye adsorption density in each layer described above. In addition, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor of the outermost layer located at one end is finally smaller than the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor of the innermost layer located at the other end, When a plurality of layers are viewed as a whole, the average value of the specific surface areas of the oxide semiconductors of the respective layers is schematically reduced from the innermost layer to the outermost layer.
[0023]
Also in this case, for example, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor may monotonously decrease from the innermost layer to the outermost layer. For example, among the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer, the average value of the specific surface areas of the oxide semiconductors of some adjacent layers is the same value. Also good. Furthermore, when the average value of the specific surface areas of the oxide semiconductors of some adjacent layers among the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer is compared, the outermost layer side The average value of the specific surface area of the oxide semiconductor of the layer located in the layer may be larger than the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor of the layer located on the innermost layer side. However, from the viewpoint of more efficiently proceeding the photoelectric conversion reaction in the semiconductor electrode, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor monotonously decreases from the innermost layer to the outermost layer, or the innermost Of the layers arranged between the outermost layer and the outermost layer, it is preferable that the average value of the specific surface areas of the oxide semiconductors of some adjacent layers be the same.
[0024]
In this case, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the innermost layer is 20 to 500 m.2The difference between the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the innermost layer and the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the outermost layer is 3 to 480 m.2/ G is preferable. Thereby, the photoelectric conversion efficiency in a semiconductor electrode can be improved more precisely.
[0025]
Here, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the innermost layer is 20 m.2If it is less than / g, the amount of sensitizing dye in the electrode may be reduced. On the other hand, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the innermost layer is 500 m.2If it exceeds / g, incident light is absorbed, but the amount of sensitizing dye that is effectively injected with electrons may decrease. The difference between the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the innermost layer and the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the outermost layer is 3 m.2If it is less than / g, the amount of sensitizing dye that injects electrons in the region of the semiconductor electrode close to the transparent electrode decreases, so that the battery characteristics may deteriorate. On the other hand, this difference is 480m2If it exceeds / g, the total amount of sensitizing dye in the electrode may be reduced.
[0026]
From the same viewpoint as described above, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the outermost layer is 10 to 250 m.2/ G is more preferably 20 to 100 m2More preferably, it is / g. The difference between the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the outermost layer and the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the innermost layer is 5 to 240 m.2/ G is more preferably 10 to 90 m2More preferably, it is / g.
[0027]
In the photoelectrode of the present invention, as a method of adjusting the dye adsorption density of each layer constituting the semiconductor electrode so as to satisfy the above-mentioned conditions, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer is set to the above-mentioned conditions. In addition to adjusting so as to fill, the method of adjusting the porosity of each layer to increase the porosity from the innermost layer closest to the transparent electrode to the outermost layer farthest, and the pore size for each layer There is a method of adjusting the maximum value of the distribution or the average value of the pore size distribution so as to satisfy the condition of the dye adsorption density.
[0028]
The present invention also includes a photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface, a transparent electrode disposed adjacent to the light receiving surface of the semiconductor electrode, and a counter electrode. Provided is a dye-sensitized solar cell disposed opposite to an electrolyte, wherein the photoelectrode is the above-described photoelectrode of the present invention. Thus, the dye-sensitized solar cell which has the outstanding energy conversion efficiency can be comprised by using the photoelectrode of this invention mentioned above.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the photoelectrode 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.
[0030]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of the photoelectrode of the present invention. FIG. 2 is a schematic enlarged sectional view of a portion of the
[0031]
A
[0032]
The dye-sensitized
[0033]
The structure of the transparent electrode 1 is not specifically limited, The transparent electrode mounted in a normal dye-sensitized solar cell can be used. For example, the transparent electrode 1 in FIGS. 1 and 3 has a configuration in which a so-called transparent
[0034]
As the
[0035]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
[0036]
When the dye adsorption density in each of the three layers is compared, the dye adsorption density for each layer decreases from the
[0037]
Here, when the structure of each of the three layers is formed in accordance with the condition of the dye adsorption density described above, the dye adsorption density in the
[0038]
One method for adjusting the dye adsorption density for each layer so as to satisfy the above conditions is a method for adjusting the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer as described above.
[0039]
Here, when the dye adsorption density of each of the three layers is formed in accordance with the condition of the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor of each layer, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the
[0040]
And as a method of adjusting the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer, there is a method of adjusting the average particle size of the oxide semiconductor particles constituting each layer. Here, when adjusting the average particle diameter of the oxide semiconductor particles constituting each layer, the average particle diameter of the oxide semiconductor particles for each layer is adjusted by increasing from the
[0041]
In this case, the average particle size of the oxide semiconductor particles P3 in the
[0042]
If the average particle size of the oxide semiconductor particles in the outermost layer is less than 50 nm, the incident light is absorbed, but the amount of sensitizing dye that is effectively electron-injected may be reduced. On the other hand, when the average particle diameter of the oxide semiconductor particles in the outermost layer exceeds 500 nm, the amount of sensitizing dye in the electrode may be reduced. Further, when the difference between the average particle diameter of the oxide semiconductor particles in the outermost layer and the average particle diameter of the oxide semiconductor particles in the innermost layer is less than 10 nm, electron injection is performed in the region of the semiconductor electrode close to the transparent electrode Since the amount of the sensitizing dye to be reduced decreases, the battery characteristics may be deteriorated. On the other hand, if this difference exceeds 400 nm, the total amount of sensitizing dye in the electrode may be reduced.
[0043]
FIG. 2 shows an example in which the dye adsorption density of each layer is adjusted to satisfy the above conditions by controlling the particle size of the oxide semiconductor particles (P1 and P3) constituting each layer of the
[0044]
Hereinafter, this case will be described. The
[0045]
Here, the average particle diameter of the oxide semiconductor particles P1 is preferably adjusted to be 5 to 100 nm. The average particle diameter of the oxide semiconductor particles P3 is preferably adjusted to be larger than 100 nm. And the compounding ratio of the oxide semiconductor particle P3 with respect to the total amount of the oxide semiconductor particle P1 and the oxide semiconductor particle P3 in the
[0046]
As a result, the average particle diameter of the oxide semiconductor particles for each layer increases from the
[0047]
The oxide semiconductor particles P1 and the oxide semiconductor particles P3 are not particularly limited, and known oxide semiconductors and the like can be used. As an oxide semiconductor, for example, TiO2, ZnO, SnO2, Nb2OFive, In2OThree, WOThree, ZrO2, La2OThree, Ta2OFive, SrTiOThree, BaTiOThreeEtc. can be used.
[0048]
Moreover, the sensitizing dye P2 contained in the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6 of the
[0049]
Moreover, it is preferable that the thickness of the
[0050]
Further, the counter electrode CE is not particularly limited, and for example, the same counter electrode as that normally used for a silicon solar cell, a liquid crystal panel, or the like may be used. For example, it may have the same structure as the transparent electrode 1 described above, a metal thin film electrode such as Pt is formed on the transparent
[0051]
Furthermore, the composition of 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.-/ IThree -An iodine redox solution containing a redox species such as the above is preferably used. Specifically, I-/ IThree -As the system electrolyte, an ammonium salt of iodine or a mixture of lithium iodide and iodine can be used. Other, Br-/ BrThree -A quinone / hydroquinone redox electrolyte dissolved in an electrochemically inert solvent (and mixed solvent thereof) such as acetonitrile, propylene carbonate, and ethylene carbonate can also be used.
[0052]
The constituent material of the spacer S is not particularly limited, and for example, silica beads or the like can be used.
[0053]
Next, an example of a manufacturing method of the
[0054]
First, when the transparent electrode 1 is manufactured, the fluorine-doped SnO described above on the
[0055]
Next, as a method of forming each layer of the
[0056]
Then, after drying, the innermost layer 21 (porous semiconductor film) of the
[0057]
Moreover, the firing temperature can be lowered by pressing the semiconductor powder on the transparent
[0058]
Next, when the
[0059]
Next, the sensitizing dye P2 is contained in the
[0060]
The surface oxidation treatment for removing impurities that inhibit the photoelectric conversion reaction contained in the
[0061]
Other methods for forming the
[0062]
After producing the
[0063]
The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
[0064]
For example, in the above embodiment, as a method of decreasing the dye adsorption density for each layer from the
[0065]
For example, each of the plurality of layers of the semiconductor electrode may be adjusted by containing one kind of oxide semiconductor particles having different average particle sizes, and each of the plurality of layers of the semiconductor electrode has a different average particle size. Adjustment may be made by including at least two kinds of oxide semiconductor particles, and adjustment may be made by containing at least two kinds of oxide semiconductor particles having different average particle diameters in at least one of the plurality of layers of the semiconductor electrode. May be.
[0066]
Specifically, for example, as shown in FIG. 4, the
[0067]
For example, as shown in FIG. 5, the semiconductor material constituting the
[0068]
Furthermore, for example, as shown in FIG. 6, the semiconductor material constituting the
[0069]
Further, for example, as shown in FIG. 7, the semiconductor material constituting each of the
[0070]
Further, for example, as shown in FIG. 8, the semiconductor materials constituting the
[0071]
For example, in the above-described embodiment, the photoelectrode including the semiconductor electrode having a three-layer structure and the dye-sensitized solar cell including the semiconductor electrode have been described. However, the photoelectrode and the dye-sensitized solar cell of the present invention are It is not limited to this. For example, the photoelectrode of the present invention may have a configuration including the
[0072]
In the above embodiment, the method of adjusting the particle size of the oxide semiconductor particles constituting each layer has been described as the method for adjusting the dye adsorption density for each layer of the semiconductor electrode. The method for adjusting the dye adsorption density for each layer of the semiconductor electrode is not particularly limited.
[0073]
Other methods for adjusting the dye adsorption density for each layer of the semiconductor electrode include a method for adjusting the maximum value of the pore size distribution or the average value of the pore size distribution for each layer, and a method for adjusting the porosity of each layer. is there.
[0074]
First, a method for adjusting the maximum value of the pore size distribution or the average value of the pore size distribution for each layer will be described.
[0075]
When adjusting the maximum value of the pore size distribution for each layer or the average value of the pore size distribution, comparing the maximum value of the pore size distribution or the average value of the pore size distribution in each of the maximum value of the pore size distribution for each layer, The maximum value of the pore size distribution for each layer or the average value of the pore size distribution is adjusted so as to increase from the
[0076]
The maximum value of the pore size distribution in the
[0077]
When the maximum value of the pore size distribution in the
[0078]
From the same viewpoint as described above, the maximum value of the pore diameter distribution in the
[0079]
On the other hand, from the same viewpoint as in the case of the maximum value of the pore diameter distribution in each layer described above, the average value of the pore diameter distribution in the
[0080]
In addition, the pore diameter distribution curve for obtaining the maximum value of the pore diameter distribution or the average value of the pore diameter distribution of each layer of the semiconductor electrode can be obtained by the method described below. That is, a porous material similar to the porous film constituting each layer is cooled to a liquid nitrogen temperature (−196 ° C.), nitrogen gas is introduced, and the adsorption amount is obtained by a constant volume method or a gravimetric method, and then introduced. The nitrogen gas pressure is gradually increased, and the amount of nitrogen gas adsorbed against each equilibrium pressure is plotted to obtain an adsorption isotherm. The pore diameter distribution curve can be obtained by a calculation method such as Cranston-Inklay method, Dollimore-Heal method, BJH method using this adsorption isotherm. Further, the pore distribution curve can be obtained by injecting high-pressure mercury into the pores of the sample by using a mercury intrusion method.
[0081]
Next, a method for adjusting the porosity of each layer will be described. In this method, when each layer of a semiconductor electrode is manufactured, a predetermined amount of a substance other than slurry or paste oxide semiconductor particles containing oxide semiconductor particles for forming each layer is mixed and finally removed. This is a method of forming pores (voids) that satisfy the condition of the dye adsorption density in each layer described above, and the porosity of each layer is increased from the innermost layer closest to the transparent electrode to the outermost layer farthest. It is a way to go.
[0082]
More specifically, as a method for forming such pores, for example, as a method for producing a semiconductor electrode, a slurry or paste containing oxide semiconductor particles for forming an oxide semiconductor film of each layer is used as a transparent electrode. Substances that can be removed by advancing an oxidation reaction or the like by heat treatment in a slurry or paste when using a method of applying or printing to the substrate, then drying and further heat-treating (for example, organic matter such as polyethylene glycol) There is a method of removing the above by heat treatment. In this case, the pore size distribution for each layer of the semiconductor electrode can be controlled by adjusting the amount of the substance that can be removed by the heat treatment.
[0083]
In addition, when using the above-described method for forming a semiconductor electrode as a method for forming other pores, a predetermined amount of material that cannot be removed by heat treatment is added to the above slurry or paste instead of the material that can be removed by heat treatment. There is also a method of removing from the semiconductor electrode after the heat treatment. Specifically, for example, there is a method in which salts such as potassium chloride and sodium chloride are added to the above slurry or paste and the salts are eluted with water after the heat treatment. Furthermore, as another method for forming pores, there is a method in which a predetermined amount of fine particles that can be eluted by acid or alkali are added and the fine particles are removed after heat treatment when the above-described method for producing a semiconductor electrode is used. .
[0084]
In addition, as another method of forming pores, a method of removing a part of an oxide semiconductor constituting each layer of the semiconductor electrode by dissolving or the like after the semiconductor electrode is manufactured or each time each layer of the semiconductor electrode is manufactured There is also. As a removing method in this case, for example, there is a method of dissolving a part of the oxide semiconductor with a solution containing an oxidizing agent. Further, instead of using a solution containing an oxidant, a method of electrochemically dissolving a part of an oxide semiconductor constituting each layer of the semiconductor electrode in the solution, or an oxide semiconductor constituting each layer of the semiconductor electrode There is a method of photoelectrochemically dissolving a part in a solution irradiated with light.
[0085]
By using such a method of forming pores, for example, as shown in FIG. 10, a photoelectrode having an
[0086]
【Example】
Hereinafter, the photoelectrode 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.
[0087]
Example 1
A photoelectrode having the same configuration as that of the
[0088]
In the autoclave, a chemical species containing Ti (titanium alkoxide), ion-exchanged water, a pH adjuster (nitric acid, ammonia, etc.) is added, and under a predetermined reaction condition, a hydrolysis reaction of the chemical species containing Ti proceeds. The resulting TiO2By proceeding crystallization of the particles, TiO with an average particle size of 27 nm2A colloid solution (hereinafter referred to as colloid solution 1) containing particles (anatase, hereinafter referred to as P27) was prepared. Next, TiO having an average particle diameter of 128 nm was obtained by the same procedure as that of the colloid solution 1 except that the reaction conditions in the autoclave were changed.2Colloidal solution (hereinafter referred to as colloidal solution 2) containing particles (anatase, hereinafter referred to as P128), TiO having an average particle size of 112 nm2Colloidal solution (hereinafter referred to as colloid solution 3) containing particles (anatase, hereinafter referred to as P112), TiO having an average particle diameter of 198 nm2A colloidal solution (hereinafter referred to as colloid solution 4) containing particles (anatase, hereinafter referred to as P198) was prepared. TiO contained in these colloidal solutions 1 to 42The average particle diameter of the particles was determined by analyzing dynamic light scattering of laser light using a light scattering photometer (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).
[0089]
Next,
[0090]
That is, the paste containing only P27 using the colloid solution 1 (P27 content; 12 mass%, hereinafter referred to as paste 1), the colloid solution 1 and the
[0091]
On the other hand, SnO doped with fluorine on the glass substrate 4 (transparent conductive glass)2A transparent electrode 1 (thickness: 1.1 mm) on which a conductive film 3 (film thickness: 700 nm) was formed was prepared.
[0092]
Then, paste 1 was used for forming the
[0093]
Then, the pigment | dye was made to adsorb | suck to the back surface of a semiconductor electrode as follows. First, a ruthenium complex [cis-Di (thiocyanato) -N, N'-bis (2,2'-bipyridyl-4,4'dicarboxylic acid) -ruthenium (II)]] is used as a sensitizing dye, and an ethanol solution thereof is used. (Sensitizing dye concentration; 3 × 10-Fourmol / L) was prepared. Next, the semiconductor electrode was immersed in this solution and allowed to stand under a temperature condition of 80 ° C. for 20 hours. Thereby, the sensitizing dye was adsorbed inside the
[0094]
In addition, about this semiconductor electrode, the area of a light-receiving surface; 10 cm2The thickness of the semiconductor electrode: 12 μm, the layer thickness of the
[0095]
Here, the dye adsorption density in each layer was measured using the following two methods. The first dye adsorption density was measured by the following procedure. That is, after the sensitizing dye is adsorbed to the oxide semiconductor film constituting each layer whose thickness and surface area are known, the sensitizing dye is adsorbed to the oxide semiconductor film by being immersed in a predetermined amount of solution capable of eluting the sensitizing dye. The dye was eluted. The absorption spectrum of the solution of this sensitizing dye is measured, the dye concentration is determined from the absorbance and the molar absorption coefficient of the sensitizing dye determined in advance, and divided by the volume of the oxide semiconductor film to absorb the dye on the oxide semiconductor film. Density was calculated. In addition, in this invention, since the semiconductor electrode was comprised by laminating | stacking several layers, it was shaved off for every layer and the pigment | dye adsorption density for every layer was computed.
[0096]
The second dye adsorption density was measured by the following procedure. That is, the concentration of the constituent element of the oxide semiconductor film and the constituent element of the sensitizing dye while ion sputtering the oxide semiconductor film from the surface of the transparent electrode in the normal direction of the surface using a secondary ion mass spectrometer By calculating the ratio, the distribution of the dye adsorption density for each layer was examined. The dye adsorption density of each layer was measured by obtaining the element ratio of Ti and Ru as the concentration ratio of the constituent elements of the oxide semiconductor film and the constituent elements of the sensitizing dye, and further determining the sputtering rate.
[0097]
Then, the dye adsorption density was determined by appropriately combining the above two measurement methods.
[0098]
Moreover, the average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in each layer was measured as follows. That is, a porous oxide semiconductor film constituting each layer of the semiconductor electrode after application (screen printing) under the same conditions and further heat treatment was scraped off to form a powder, and a gas adsorption measuring device (Quantachrome) The isotherm adsorption line for this sample was obtained by the nitrogen adsorption method using “AUTOSORB”), and calculated by the BJH method. Even when layers with different structures are laminated, each layer is surface ground with a diamond grindstone, etc., and the powder for each layer is collected and measured and analyzed in the same manner to obtain a pore diameter distribution curve, and an average value of specific surface areas is obtained. It was.
[0099]
(Example 2)
Except that the semiconductor electrode was manufactured as follows, the same configuration as that of the
[0100]
That is, except that the
[0101]
In addition, about this semiconductor electrode, the area of a light-receiving surface; 1.0 cm2The thickness of the semiconductor electrode: 12 μm, the layer thickness of the
[0102]
(Example 3)
Except that the semiconductor electrode was manufactured as follows, the same configuration as that of the
[0103]
That is, except that the
[0104]
In addition, about this semiconductor electrode, the area of a light-receiving surface; 1.0 cm2The thickness of the semiconductor electrode: 12 μm, the layer thickness of the
[0105]
(Example 4)
A slurry (hereinafter referred to as “slurry 1”) in which 8% by mass of polyethylene glycol (average molecular weight; 20000) was added to the colloidal solution 1 prepared in Example 1 was prepared. Similarly, a slurry in which 25% by mass of polyethylene glycol was added to colloid solution 1 (hereinafter referred to as slurry 2) and a slurry in which 40% by mass of polyethylene glycol was added (hereinafter referred to as slurry 3) were prepared.
[0106]
The slurry 1 was applied onto the transparent electrode 1 by a bar coating method, dried, and then fired at 450 ° C. to form the
[0107]
Then, a semiconductor electrode having the same configuration as the
[0108]
(Example 5)
A slurry in which 8% by mass of polyethylene glycol (average molecular weight; 20000) was added to the solution in which P27: P198 = 5: 5 using the colloid solution 1 and the
[0109]
Then, the
[0110]
Then, a semiconductor electrode having the same configuration as the
(Example 6)
The slurry 1 prepared in Example 4 was applied onto the transparent electrode 1 by a bar coating method, dried, and then fired at 450 ° C. to form the
[0111]
Then, a semiconductor electrode having the same configuration as the
[0112]
(Example 7)
The
[0113]
A semiconductor electrode having the same configuration as the
[0114]
(Comparative Example 1)
A semiconductor electrode composed of only one layer using only the paste 1 prepared in Example 1 (light receiving surface area; 1.0 cm)2, Layer thickness: 12 μm, dye adsorption density in the layer: 1.50 × 10-12mol / cmThreeThe average value of the specific surface area of the oxide semiconductor in the layer; 82 m2/ G), a photoelectrode and a dye-sensitized solar cell were prepared by the same procedure as in Example 1. In this case, printing, drying, and firing of the paste 1 on the transparent electrode 1 were performed by repeating three times.
[0115]
(Comparative Example 2)
A semiconductor electrode consisting of only one layer using only the
[0116]
(Comparative Example 3)
A photoelectrode and a dye-sensitized solar cell were produced by the same procedure as in Example 1 except that the semiconductor electrode was produced as follows.
[0117]
That is, except that the paste 7 prepared in Example 1 was used for forming the
[0118]
In addition, about this semiconductor electrode, the area of a light-receiving surface; 1.0 cm2The thickness of the semiconductor electrode: 12 μm, the layer thickness of the
[0119]
(Comparative Example 4)
Using only the slurry 1 used in Example 4, a semiconductor electrode consisting of only one layer (the area of the light receiving surface; 1.0 cm) by the same procedure as in Example 42A photoelectrode and a dye-sensitized solar cell were prepared by the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the semiconductor electrode; 12 μm) was prepared. In this case, the application, drying, and firing of the slurry 1 on the transparent electrode 1 were repeated three times. Moreover, about this semiconductor electrode, the pigment | dye adsorption density of the layer which consists of an oxide semiconductor film of a semiconductor electrode; 1.15 * 10-12mol / cmThreePorosity: 51%.
[0120]
(Comparative Example 5)
Using only the
[0121]
(Comparative Example 6)
Using only the slurry 1 used in Example 4, a semiconductor electrode consisting of only one layer (the area of the light receiving surface; 1.0 cm) by the same procedure as in Example 42A photoelectrode and a dye-sensitized solar cell were produced by the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the semiconductor electrode; 8 μm) was produced. In this case, the application, drying, and firing of the slurry 1 onto the transparent electrode 1 were performed twice. Moreover, about this semiconductor electrode, the pigment | dye adsorption density of the layer which consists of an oxide semiconductor film of a semiconductor electrode; 1.15 * 10-12mol / cmThreePorosity: 51%.
[0122]
(Comparative Example 7)
Using only the
[0123]
[Battery characteristics test]
A battery characteristic test was performed, and the energy conversion efficiency η of the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7 was measured. The battery characteristic test was performed using a solar simulator (trade name; “WXS-85-H type” manufactured by Wacom) and 100 mW / cm from a xenon lamp through an AM filter (AM-1.5).2It was performed by irradiating the simulated sunlight. Current-voltage characteristics are measured using an IV tester, and leakage current (I / mA · cm-2), Open circuit voltage (Voc / V), short circuit current (Isc / mA · cm)-2), Fill factor (F.F.) and energy conversion efficiency (η /%).
[0124]
Table 1 shows the results of battery characteristic tests obtained for the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7.
[0125]
[Table 1]
[0126]
As is clear from the results shown in Table 1, the energy conversion efficiencies η of the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 7 are the dye-sensitized solars of Comparative Examples 1 to 7 corresponding to each. It was confirmed that the value was higher than the energy conversion efficiency η of the battery.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a photoelectrode having excellent photoelectric conversion efficiency can be configured. Moreover, the dye-sensitized solar cell which has the outstanding energy conversion efficiency can be comprised by using this photoelectrode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of a photoelectrode of the present invention.
FIG. 2 is a schematic enlarged cross-sectional view of a portion of a
3 is a schematic sectional view showing a dye-sensitized solar cell including the photoelectrode shown in FIG. 1. FIG.
4 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the internal structure of the semiconductor electrode of the photoelectrode shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing still another form of the internal structure of the semiconductor electrode of the photoelectrode shown in FIG.
6 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the internal structure of the semiconductor electrode of the photoelectrode shown in FIG. 1. FIG.
7 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the internal structure of the semiconductor electrode of the photoelectrode shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the internal structure of the semiconductor electrode of the photoelectrode shown in FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the photoelectrode shown in FIG.
10 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the internal structure of the semiconductor electrode of the photoelectrode shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transparent electrode, 2 ... Semiconductor electrode, 3 ... Transparent electrically conductive film, 4 ... Board |
Claims (5)
前記半導体電極は、増感色素の吸着した粒径が略同一の酸化物半導体粒子からなり、
前記半導体電極が色素を含む複数の層から構成されており、
前記複数の層の各層は前記酸化物半導体粒子で構成される多孔質膜からなり、
前記各層における前記多孔質膜の単位体積当たりの色素吸着密度が、前記透明電極に最も近い位置に配置される最内部の層から前記透明電極に対して最も遠い位置に配置される最外部の層にかけて減少していること、を特徴とする光電極。A photoelectrode having a semiconductor electrode having a light receiving surface and a transparent electrode disposed adjacent to the light receiving surface,
The semiconductor electrode is composed of oxide semiconductor particles having substantially the same particle size on which a sensitizing dye is adsorbed,
The semiconductor electrode is composed of a plurality of layers containing a dye,
Each of said plurality of layers is a porous membrane composed of the oxide semiconductor particles,
The outermost layer in which the dye adsorption density per unit volume of the porous film in each layer is located farthest from the innermost layer arranged at the position closest to the transparent electrode. A photoelectrode characterized by decreasing over the period.
前記光電極が請求項1〜4の何れかに記載の光電極であ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 of the semiconductor electrode, and a counter electrode, the semiconductor electrode and the counter electrode being interposed via an electrolyte A dye-sensitized solar cell disposed opposite to each other,
The said photoelectrode is a photoelectrode in any one of Claims 1-4, The dye-sensitized solar cell characterized by the above-mentioned.
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