JP4984440B2 - Metal oxide film and dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、真空蒸着法により作製した多孔質金属酸化物膜および金属酸化物膜を電極として用い、その電極に色素を吸着させ、対極との間に電解質を挟んだ構造の色素増感太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell having a structure in which a porous metal oxide film and a metal oxide film produced by a vacuum deposition method are used as electrodes, a dye is adsorbed on the electrodes, and an electrolyte is sandwiched between the electrodes. It is about.
色素増感太陽電池は、透明導電膜上に色素が吸着した多孔質の金属酸化物半導体を形成した光電極、及び、触媒となる導電膜からなる対向電極、及び電荷輸送層から構成され、電荷輸送層を介して光電極及び対向電極を重ねることにより製造され、その原理は半導体表面に適当な色素が存在することで、半導体自身の吸収波長ではない波長領域から光の応答が得られるという、いわゆる分光増感現象を応用したものである。これまでに800〜900nmまでの光を吸収する色素や、この色素をより多く吸着させるための多孔質金属酸化物半導体の発明により、アモルファスシリコン太陽電池に匹敵する光電変換効率を示すことが知られている。(例えば、特許文献1参照)さらにこのタイプの太陽電池は従来の単結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、化合物半導体太陽電池と比較して低コストで作製できる可能性を有しており、次世代の太陽電池として注目を集めている。 A dye-sensitized solar cell is composed of a photoelectrode in which a porous metal oxide semiconductor having a dye adsorbed on a transparent conductive film, a counter electrode made of a conductive film serving as a catalyst, and a charge transport layer. Manufactured by overlapping the photoelectrode and the counter electrode through the transport layer, the principle is that the presence of a suitable dye on the semiconductor surface, the light response can be obtained from a wavelength region that is not the absorption wavelength of the semiconductor itself, This is an application of the so-called spectral sensitization phenomenon. So far, it has been known that a pigment that absorbs light of 800 to 900 nm and a porous metal oxide semiconductor for adsorbing more of this pigment exhibit photoelectric conversion efficiency comparable to that of an amorphous silicon solar cell. ing. (For example, refer to Patent Document 1) Further, this type of solar cell has the potential to be manufactured at a lower cost than conventional single crystal silicon solar cells, amorphous silicon solar cells, and compound semiconductor solar cells. It is attracting attention as a generation solar cell.
今後、色素増感太陽電池を実用化するためには更なる光電変換効率の向上が必要とされる。効率を向上させるためには、金属酸化物半導体膜の光吸収効率を高め、より大きい短絡電流密度を得ることが挙げられる。光吸収効率を高めるためには膜の表面積を大きくして膜表面への吸着量を多くすること、また色素の吸収係数が低い長波長の光を膜内で効率良く散乱させて光吸収のロスを減らすこと、また半導体膜の抵抗値を低減させる必要がある。これらの条件を満たすため、これまで様々な多孔質膜が検討されてきた。 In the future, in order to put the dye-sensitized solar cell into practical use, further improvement in photoelectric conversion efficiency is required. In order to improve the efficiency, it is possible to increase the light absorption efficiency of the metal oxide semiconductor film and obtain a larger short-circuit current density. In order to increase the light absorption efficiency, the surface area of the film should be increased to increase the amount of adsorption to the film surface, and long wavelength light with a low dye absorption coefficient can be efficiently scattered within the film, resulting in a loss of light absorption. It is necessary to reduce the resistance of the semiconductor film. In order to satisfy these conditions, various porous membranes have been studied so far.
多孔質金属酸化物半導体は、一般的にゾルゲル法やスプレー法といった液相法により作製されてきた。液相法で得られる膜は一般的に10〜50nm程度の微粒子の集合体からなり、粒子のサイズを選択することで長波長領域の光を効率用散乱させ、光の吸収効率を向上させるなど、様々な高性能化がはかられてきた、しかしながら、これらの膜は粒子間の電荷移動抵抗が存在するため、酸化物微粒子界面などでロスが生じるという問題があった。このため、膜の作製後、同じ物質の前駆体等を用いて粒子間のネッキングを行うなどの処理が行われてきたが、抜本的な改良には至っていない。 A porous metal oxide semiconductor has generally been produced by a liquid phase method such as a sol-gel method or a spray method. Films obtained by the liquid phase method are generally composed of aggregates of fine particles of about 10 to 50 nm, and by selecting the size of the particles, light in the long wavelength region is scattered for efficiency, and the light absorption efficiency is improved. However, various performance enhancements have been attempted. However, these films have a problem that loss occurs at the oxide fine particle interface and the like due to the existence of charge transfer resistance between particles. For this reason, after the production of the film, treatments such as necking between particles using a precursor of the same substance have been performed, but no drastic improvement has been achieved.
近年、これらの問題を解決するため、真空蒸着法により斜め柱状構造からなる多孔質膜を形成し、これを用いて色素増感太陽電池を作製する試みが行われてきた(例えば、非特許文献1参照)。しかし、変換効率は従来の液相法のものと比較して劣るものであった。 In recent years, in order to solve these problems, attempts have been made to form a dye-sensitized solar cell by forming a porous film having an oblique columnar structure by vacuum deposition (for example, non-patent literature). 1). However, the conversion efficiency was inferior to that of the conventional liquid phase method.
下記に特許文献および非特許文献を記す。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、酸化物間の粒界がなく、連
続した構造を有する金属酸化物膜、また光電変換の際の電子移動に適した構造を有する金属酸化物を真空蒸着法で作製し、その作製プロセスにおいて成膜時の圧力を変化させることで得られる構造体のサイズを制御し、金属酸化物膜を電極として用い、その電極に色素を吸着させ、対極との間に電解質を挟んだ構造の光電変換効率の高い色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has a metal oxide film having a continuous structure without a grain boundary between oxides, and a structure suitable for electron transfer during photoelectric conversion. The metal oxide film is produced by vacuum deposition, and the size of the structure obtained by changing the pressure during film formation is controlled in the production process. The metal oxide film is used as an electrode, and a dye is applied to the electrode. An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell having a high photoelectric conversion efficiency having a structure in which an electrolyte is sandwiched between adsorbed electrodes and a counter electrode.
請求項1に記載の発明は、基材上に、緻密な金属酸化物層(1)と、柱状構造を有する金属酸化物層(2)を有してなる金属酸化物膜であって、前記金属酸化物層(2)が、柱の太さが1μmより大きい柱状構造を有し、かつ膜厚が1〜5μmの範囲内である金属酸化物層(2a)と、柱の太さが0.01〜1μmの範囲内である柱状構造を有し、かつ膜厚が5〜15μmの範囲内である金属酸化物層(2b)からなることを特徴とする金属酸化物膜である。
また、請求項2に記載の発明は、前記金属酸化物膜が、前記金属酸化物層(1)、前記柱の太さが0.01〜1μmの範囲内である柱状構造を有し、かつ膜厚が5〜15μmの範囲内である金属酸化物層(2b)、前記柱の太さが1μmより大きい柱状構造を有し、かつ膜厚が1〜5μmの範囲内である金属酸化物層(2a)の順に連続的に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の金属酸化物膜である。
The invention described in claim 1 is a metal oxide film comprising a dense metal oxide layer (1) and a metal oxide layer (2) having a columnar structure on a substrate, The metal oxide layer (2) has a columnar structure in which the column thickness is larger than 1 μm, and the thickness of the column is 0 to 5 μm, and the column thickness is 0 It is a metal oxide film characterized by comprising a metal oxide layer (2b) having a columnar structure in the range of 0.01 to 1 μm and a film thickness in the range of 5 to 15 μm.
The invention according to claim 2 is characterized in that the metal oxide film has the columnar structure in which the thickness of the metal oxide layer (1) and the column is in a range of 0.01 to 1 μm, and Metal oxide layer (2b) having a thickness in the range of 5 to 15 μm, metal oxide layer having a columnar structure in which the thickness of the column is larger than 1 μm and a thickness in the range of 1 to 5 μm 2. The metal oxide film according to claim 1, wherein the metal oxide film is continuously formed in the order of (2a).
請求項3に記載の発明は、波長が350〜900nmの範囲における全光線透過率が20%〜80%であり、かつ波長が600〜900nmの範囲における全光線透過率に対する拡散透過率の割合(ヘイズ)が80%以上であることを特徴とする請求項1、2いずれか1項に記載の金属酸化物膜である。 In the invention according to claim 3 , the total light transmittance in a wavelength range of 350 to 900 nm is 20% to 80%, and the ratio of diffuse transmittance to the total light transmittance in a wavelength range of 600 to 900 nm ( 3. The metal oxide film according to claim 1 , wherein the haze is 80% or more.
請求項4に記載の発明は、前記金属酸化物層(1)および金属酸化物層(2)が、チタン、ニオブ、亜鉛、錫のうち少なくとも一つの金属を含むことを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の金属酸化物膜である。 The invention according to claim 4 is characterized in that the metal oxide layer (1) and the metal oxide layer (2) contain at least one metal of titanium, niobium, zinc and tin. It is a metal oxide film of any one of -3 .
請求項5に記載の発明は、前記基材と金属酸化物層(1)の間に透明導電層を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属酸化物膜である。 Invention of Claim 5 has a transparent conductive layer between the said base material and a metal oxide layer (1), The metal oxide film of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. It is.
請求項6に記載の発明は、請求項5記載の金属酸化物膜上に、色素が吸着した金属酸化物膜、電解質、対向電極、透明導電層が順次形成されてなることを特徴とする色素増感太陽電池である。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a dye comprising: a metal oxide film adsorbed with a dye, an electrolyte, a counter electrode, and a transparent conductive layer sequentially formed on the metal oxide film according to the fifth aspect. It is a sensitized solar cell.
本発明によれば、真空成膜により作製する多孔質金属酸化物膜において、成膜時の圧力、基板の温度といった成膜条件を変えることで、様々な構造を有する多孔質金属酸化物膜を得ることができ、その構造を最適化することにより、高い変換効率を有する色素増感太陽電池を提供することができる。 According to the present invention, in a porous metal oxide film produced by vacuum film formation, porous metal oxide films having various structures can be obtained by changing film formation conditions such as pressure during film formation and substrate temperature. The dye-sensitized solar cell having high conversion efficiency can be provided by optimizing the structure.
以下に、本発明の一実施例としての実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の金属酸化物膜の層構成の一例を示す模式断面図である。図2は、本発明の色素増感太陽電池の層構成の一例を示す模式断面図である。本発明においては、図1に示すように、基材上に、緻密な金属酸化物層(1)と、柱状構造を有する金属酸化物層(2)を有してなる金属酸化物膜3である。そして、上記金属酸化物層(2)が、柱の太さが1μmより大きい柱状構造を有し、かつ膜厚が1〜5μmの範囲内である金属酸化物層2aと、柱の太さが0.01〜1μmの範囲内である柱状構造を有し、かつ膜厚が5〜1
5μmの範囲内である金属酸化物層2bからなり、さらに基材と金属酸化物膜の間に透明導電層2を設けることができる。
Hereinafter, an embodiment as an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the layer structure of the metal oxide film of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the layer structure of the dye-sensitized solar cell of the present invention. In the present invention, as shown in FIG. 1, a metal oxide film 3 having a dense metal oxide layer (1) and a metal oxide layer (2) having a columnar structure on a substrate is used. is there. The metal oxide layer (2) has a columnar structure in which the column thickness is larger than 1 μm, and the thickness of the column is in the range of 1 to 5 μm. It has a columnar structure in the range of 0.01 to 1 μm, and the film thickness is 5 to 1.
The transparent conductive layer 2 can be provided between the base material and the metal oxide film.
基材1としては、透明な公知の材料を用いることができるが、例えばポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース、ポリイミド等のプラスチックフィルム、あるいはガラスを用いることができる。 As the substrate 1, a transparent known material can be used. For example, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene sulfide, polyethersulfone, polyolefin, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, triacetylcellulose, polyimide, and the like. A plastic film or glass can be used.
また、図2のような構成の太陽電池を作製する場合、一方の基材1は透明である必要があるが、他方は透明でもそうでなくても良い。このような基材は、必要に応じて表面がコロナ処理、プラズマ処理、薬品処理などによって改質されたものであってもよい。このとき、基材の表面の粗さによって、真空蒸着法で成膜する際の膜の成長の形態が変化するが、何ら問題はなく、粗さを制御することにより逆に膜の密度を変化させることができる。金属酸化物膜を色素増感太陽電池用の電極として用いた場合、適切な表面粗さの基材を用いることで、体積当たりの表面積が大きく、かつ、膜内での光散乱が多い膜が作製できる。 Moreover, when producing the solar cell of a structure like FIG. 2, one base material 1 needs to be transparent, but the other does not need to be transparent. Such a substrate may have a surface modified by corona treatment, plasma treatment, chemical treatment, or the like, if necessary. At this time, depending on the roughness of the surface of the substrate, the form of film growth during film formation by vacuum deposition changes, but there is no problem, and the density of the film changes conversely by controlling the roughness. Can be made. When a metal oxide film is used as an electrode for a dye-sensitized solar cell, a film having a large surface area per volume and a large amount of light scattering in the film can be obtained by using a substrate having an appropriate surface roughness. Can be made.
本発明では基材と金属酸化物膜の間に透明導電層2を設けることができる。透明導電層2としては、公知の可視光領域の吸収が少なく導電性のある透明導電材料を用いることができるが、錫をドープした酸化インジウム(ITO)、フッ素やインジウムなどをドープされた酸化スズ、アルミニウムやガリウムなどをドープした酸化亜鉛等が好ましい。また、この透明導電膜についても、前述同様凹凸のある表面を持たせることで、金属酸化物膜の形状を変化させることができる。 In the present invention, the transparent conductive layer 2 can be provided between the substrate and the metal oxide film. As the transparent conductive layer 2, a known transparent conductive material with little absorption in the visible light region can be used. Indium oxide doped with tin (ITO), tin oxide doped with fluorine, indium, or the like Zinc oxide doped with aluminum, gallium or the like is preferable. Moreover, also about this transparent conductive film, the shape of a metal oxide film can be changed by giving the uneven surface like the above.
透明導電層2の形成方法としては真空蒸着法、反応性蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマCVD法等の真空成膜プロセスや、ディッピング法、スピンコーティング法、ロールコーティング法、スクリーン印刷法、スプレー法など等の液相コーティング法により作製することができるが、いかなる成膜方法であっても構わない。真空成膜法を用いる場合は、後述する金属酸化物層とインラインで成膜できるため、好適である。 The method for forming the transparent conductive layer 2 includes vacuum deposition processes such as vacuum deposition, reactive deposition, ion beam assisted deposition, sputtering, ion plating, plasma CVD, dipping, spin coating, The film can be produced by a liquid phase coating method such as a roll coating method, a screen printing method, or a spray method, but any film forming method may be used. In the case of using a vacuum film formation method, it can be formed in-line with a metal oxide layer described later, which is preferable.
本発明において、金属酸化物膜3は、様々なものを用いることができる。具体的には亜鉛、ニオブ、錫、チタン、バナジウム、インジウム、タングステン、タンタル、ジルコニウム、モリブデン、マンガン、鉄、銅、ニッケル、イリジウム、ロジウム、クロム、ルテニウムの酸化物があげられる。また、SrTiO3、CaTiO3、BaTiO3、MgTiO3、SrNb2O6のようなペロブスカイト、またこれらの複合酸化物または酸化物混合物なども使用することができる。また、色素増感太陽電池用のn型半導体として用いる場合、色素の励起準位より高い準位に伝導帯が存在し、且つ励起準位に近い位置に伝導帯が存在する場合、発電の際に色素からの電子注入の効率が高くなるため、上記の物質の中でも特にTiO2、Nb2O5、ZnO、SnO2を用いるのが好ましい。 In the present invention, various metal oxide films 3 can be used. Specific examples include oxides of zinc, niobium, tin, titanium, vanadium, indium, tungsten, tantalum, zirconium, molybdenum, manganese, iron, copper, nickel, iridium, rhodium, chromium, and ruthenium. In addition, perovskites such as SrTiO 3 , CaTiO 3 , BaTiO 3 , MgTiO 3 , SrNb 2 O 6 , composite oxides or oxide mixtures thereof can also be used. When used as an n-type semiconductor for a dye-sensitized solar cell, if a conduction band exists at a level higher than the excitation level of the dye and a conduction band exists at a position close to the excitation level, Among these substances, TiO 2 , Nb 2 O 5 , ZnO, and SnO 2 are preferably used because the efficiency of electron injection from the dye is increased.
本発明における金属酸化物膜3の構造は、図1に示すような柱状の構造体が集合したものからなっており、それぞれの構造体は粒界がなく、連続した構造を有することを特徴としている。この膜を色素増感太陽電池用の電極として用いた場合、金属酸化物膜3は一般的に表面積が大きいため、図2に記載の色素4を多く吸着させることができ、光の吸収効率を高めることができる。また、それぞれの構造体が粒界を有していないため、電荷移動の際の抵抗が非常に小さい。このような理由から金属酸化物3を色素増感太陽電池用の電極として用いた場合、大きな光電流を得ることができる。 The structure of the metal oxide film 3 in the present invention is composed of a collection of columnar structures as shown in FIG. 1, and each structure has no grain boundary and has a continuous structure. Yes. When this film is used as an electrode for a dye-sensitized solar cell, since the metal oxide film 3 generally has a large surface area, a large amount of the dye 4 shown in FIG. 2 can be adsorbed, and the light absorption efficiency can be increased. Can be increased. Moreover, since each structure does not have a grain boundary, the resistance at the time of charge transfer is very small. For these reasons, when the metal oxide 3 is used as an electrode for a dye-sensitized solar cell, a large photocurrent can be obtained.
本発明における金属酸化物膜3の膜厚は、色素増感太陽電池として用いる場合、3μm以下の場合は色素の吸着量が少なく、十分な光電流を得ることができないため、これ以上であることが好ましい。また、膜厚が20μm以上になると、金属酸化物膜の抵抗値が大きくなり、また色素から酸化物の伝導帯に注入された電子が、色素や電解液と再結合する確率が高くなるため、好ましくない。よって3μm〜20μm程度の膜厚が好適である。但、色素増感太陽電池以外の用途に用いる場合はこの限りではない。 When used as a dye-sensitized solar cell, the thickness of the metal oxide film 3 in the present invention is more than 3 μm or less because the dye adsorption amount is small and a sufficient photocurrent cannot be obtained. Is preferred. In addition, when the film thickness is 20 μm or more, the resistance value of the metal oxide film is increased, and the electrons injected from the dye into the conduction band of the oxide are more likely to recombine with the dye or the electrolyte. It is not preferable. Therefore, a film thickness of about 3 μm to 20 μm is suitable. However, this does not apply when used for applications other than dye-sensitized solar cells.
色素増感太陽電池用の電極として用いる場合、金属酸化物膜3の表面積は大きいほどよい。体積あたりの表面積が大きいほど、体積あたりの色素の吸着量が多くなり、より小さい面積で大きな電流値を得ることができる。表面積の指針として、投影面積に対する実際の表面積の値を用いると、この値が500倍以上、好ましくは700倍以上であることが好ましい。また、金属酸化物膜3と透明導電層2の界面に表面積の小さい緻密な層を設けることで、層間の電子移動が効率良く行われ、また電解液と透明導電層の間の逆電子移動を抑制することができる。緻密層の投影面積に対する実際の面積の値は、100倍以下が好適である。またこの緻密な層は厚すぎると電子をトラップしてしまうので、適度な膜厚が必要である。好ましくは1μm以下、さらに好ましくは500nm以下であるものが良い。 When used as an electrode for a dye-sensitized solar cell, the larger the surface area of the metal oxide film 3, the better. As the surface area per volume increases, the amount of dye adsorbed per volume increases, and a large current value can be obtained in a smaller area. When the actual surface area value relative to the projected area is used as a guide for the surface area, this value is preferably 500 times or more, and more preferably 700 times or more. Also, by providing a dense layer with a small surface area at the interface between the metal oxide film 3 and the transparent conductive layer 2, electron transfer between the layers can be performed efficiently, and reverse electron transfer between the electrolytic solution and the transparent conductive layer can be performed. Can be suppressed. The actual area value with respect to the projected area of the dense layer is preferably 100 times or less. Moreover, since this dense layer traps electrons if it is too thick, it needs an appropriate film thickness. The thickness is preferably 1 μm or less, more preferably 500 nm or less.
本発明の金属酸化物膜3の光透過率は、特に制限するものではないが、全光透過率が波長350nm〜900nmの範囲において20%〜80%であることが好ましい。また、(拡散透過率)/(全光透過率)で定義されるヘイズの値が大きいと、色素増感太陽電池用電極として用いた場合、色素を半導体膜表面に吸着させた際の光吸収効率が向上するため、好適である。具体的には波長350nm〜900nmの範囲において60%以上、さらに好ましくは80%以上が良い。また、ヘイズと吸収率のこのような相関は近赤外、赤外といった長波長領域において顕著に見られるため、80%以上のヘイズ率を示す波長領域が600nm〜900nmの近赤外、赤外領域を含むとさらに好ましい。長波長領域での光散乱を大きくするためには、柱状構造の場合、より太い柱が必要となる、柱の太さは1μm以上ある場合、ヘイズ率が高く好適である。また、柱が太い層の厚みは、膜のヘイズ率と、表面積を考慮すると1μm以上5μm以下が好適である。また、柱の太さを膜厚方向に徐々に変化させていくことも可能である。 The light transmittance of the metal oxide film 3 of the present invention is not particularly limited, but the total light transmittance is preferably 20% to 80% in the wavelength range of 350 nm to 900 nm. In addition, when the haze value defined by (diffuse transmittance) / (total light transmittance) is large, when used as an electrode for a dye-sensitized solar cell, light absorption when the dye is adsorbed on the surface of the semiconductor film This is preferable because the efficiency is improved. Specifically, it is 60% or more, more preferably 80% or more in the wavelength range of 350 nm to 900 nm. In addition, since such a correlation between haze and absorptance is prominently observed in a long wavelength region such as near infrared and infrared, a near infrared and infrared wavelength region having a haze ratio of 80% or more is 600 nm to 900 nm. More preferably, it includes a region. In order to increase light scattering in the long wavelength region, in the case of a columnar structure, a thicker column is required. When the column thickness is 1 μm or more, the haze ratio is high, which is preferable. Further, the thickness of the layer having a thick column is preferably 1 μm or more and 5 μm or less in consideration of the haze ratio and surface area of the film. It is also possible to gradually change the thickness of the column in the film thickness direction.
本発明において得られる柱状構造からなる金属酸化物膜の作製法としては、化学エッチングや膜の自己組織化といった手法や、真空蒸着法が考えられる。この中でも真空蒸着法は成膜レート、成膜圧力、蒸発物質の入射角などの条件を変えることにより、膜の構造を制御することができ、ゆえに表面積や入射光の散乱性を制御することができるため好適である。以下、この条件について詳しく説明する。 As a method for producing a metal oxide film having a columnar structure obtained in the present invention, a method such as chemical etching or self-organization of a film, or a vacuum deposition method can be considered. Among these, the vacuum deposition method can control the structure of the film by changing the conditions such as the film formation rate, film formation pressure, and the incident angle of the evaporated substance, and therefore can control the surface area and the scattering property of incident light. This is preferable because it is possible. Hereinafter, this condition will be described in detail.
図3において基材7の法線と蒸着源8の置かれている面の法線のなす角度αがある場合、シャドウイング効果により、斜め柱状構造が得られることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。角度αが大きくなるとシャドウイング効果は顕著になり、体積あたりの表面積は大きくなるが、αがさらに大きくなると、空隙の占める割合が多くなるため、体積あたりの表面積は小さくなる。このように、体積あたりの表面積は、αに対して極大値をとる。角度を制御することにより、様々な表面積の膜を作製することができる。 In FIG. 3, when there is an angle α formed by the normal of the substrate 7 and the normal of the surface on which the vapor deposition source 8 is placed, it is known that an oblique columnar structure can be obtained by the shadowing effect (for example, Non-patent document 1). As the angle α increases, the shadowing effect becomes remarkable and the surface area per volume increases. However, when α increases further, the proportion of voids increases, so the surface area per volume decreases. Thus, the surface area per volume takes a maximum value with respect to α. By controlling the angle, films with various surface areas can be produced.
蒸着時の圧力は蒸発粒子の平均自由行程に大きく影響するため、成膜レート、膜の多孔性に大きく影響する。反応性蒸着の場合は導入する酸素ガスの流量で圧力を調整することができる。柱状構造からなる多孔質膜を作製する場合、圧力が低いと膜に到達する蒸発粒子が多くなるために緻密で柱の太い膜が形成され、高い場合は空隙が多く柱の細い膜ができる。膜の密度が低くなるにつれ、体積あたりの表面積は大きくなるが、空隙が多くなりすぎると、体積あたりの表面積は小さくなる。この場合も角度の場合と同様で、成膜時の
圧力に対して体積あたりの表面積は極大値をとる。このように、成膜時の圧力を変化させることで、様々な表面積を有し、また様々な太さの柱を持つ柱状構造を形成することができる。
Since the pressure during vapor deposition greatly affects the mean free path of the evaporated particles, it greatly affects the film formation rate and the film porosity. In the case of reactive vapor deposition, the pressure can be adjusted by the flow rate of the introduced oxygen gas. When a porous film having a columnar structure is produced, if the pressure is low, the amount of evaporated particles reaching the film increases, so that a dense and thick film is formed. If the pressure is high, a film having many voids and a thin column is formed. As the density of the film decreases, the surface area per volume increases, but if the number of voids increases, the surface area per volume decreases. In this case, as in the case of the angle, the surface area per volume takes a maximum value with respect to the pressure during film formation. Thus, by changing the pressure during film formation, a columnar structure having various surface areas and columns with various thicknesses can be formed.
蒸着時の基材の温度は蒸着粒子の基材上での拡散に影響する。基材の温度が高いと、粒子の基材上での平均拡散距離が大きくなり、基材の温度が低いと、粒子の基板上での平均拡散距離が小さくなり、膜の空隙が多くなる。また、蒸着源の温度を加熱や電子ビームなどにより変えることにより、膜の密度を変えることも可能である。このように様々な条件を変えることで、様々な構造、様々な表面積の膜を得ることができる。また、成膜中に条件を変化させることにより、膜の深さ方向に対して構造を徐々に変化させたり、表面積を変化させることも可能である。また真空蒸着により作製された膜の空隙に粒子を充填させても何ら問題は無く、さらに大きな表面積を有する膜を得ることができる。 The temperature of the substrate during vapor deposition affects the diffusion of vapor deposition particles on the substrate. When the temperature of the base material is high, the average diffusion distance of the particles on the base material increases, and when the temperature of the base material is low, the average diffusion distance of the particles on the substrate decreases and the voids of the film increase. It is also possible to change the density of the film by changing the temperature of the vapor deposition source by heating or electron beam. By changing various conditions in this way, films having various structures and various surface areas can be obtained. Further, by changing the conditions during film formation, the structure can be gradually changed or the surface area can be changed in the depth direction of the film. Moreover, there is no problem even if the voids of the film produced by vacuum deposition are filled with particles, and a film having a larger surface area can be obtained.
上記の真空蒸着法で作製された金属酸化物膜は基板加熱を行わない場合、アモルファスであることが多い。色素増感太陽電池用の電極として用いる場合、金属酸化物はアモルファスでは伝導性が低く、結晶化させる必要がある。このため真空蒸着により成膜した膜はほとんどの物質の場合、成膜後に400℃以上の熱処理を行う必要がある。熱処理を行うと、隣接したそれぞれの構造体が凝集するため、膜の表面積が小さくなる。このため、熱処理条件の最適化により、できるだけ凝集を抑える必要がある。結晶化させるための手法としては、熱処理のほかにも、プラズマ処理、コロナ処理、UV処理、薬品処理など、任意の方法があげられる。また、熱による焼成や圧縮機を用いた加圧処理、レーザアニーリングなど、任意の手段を用いて後処理することもできる。 The metal oxide film produced by the above vacuum deposition method is often amorphous when the substrate is not heated. When used as an electrode for a dye-sensitized solar cell, the metal oxide is amorphous when it is amorphous and needs to be crystallized. For this reason, in the case of almost all substances deposited by vacuum deposition, it is necessary to perform a heat treatment at 400 ° C. or higher after the deposition. When the heat treatment is performed, adjacent structures are aggregated, so that the surface area of the film is reduced. For this reason, it is necessary to suppress aggregation as much as possible by optimizing the heat treatment conditions. As a method for crystallization, in addition to heat treatment, any method such as plasma treatment, corona treatment, UV treatment, and chemical treatment can be used. Further, post-processing can be performed using any means such as baking by heat, pressurization using a compressor, or laser annealing.
次に、本発明における金属酸化物膜を色素増感太陽電池用の電極として用いた場合について詳述する。図2に示す本発明の色素増感太陽電池10は、基材1、透明導電層2、金属酸化物膜3、および半導体膜3に担持された色素4、さらには金属酸化物膜3のクラックを満たすように形成された電解質層5、導電性触媒層6、透明導電層2、基材1より形成されている。 Next, the case where the metal oxide film in the present invention is used as an electrode for a dye-sensitized solar cell will be described in detail. The dye-sensitized solar cell 10 of the present invention shown in FIG. 2 includes a base material 1, a transparent conductive layer 2, a metal oxide film 3, a dye 4 supported on the semiconductor film 3, and a crack in the metal oxide film 3. The electrolyte layer 5, the conductive catalyst layer 6, the transparent conductive layer 2, and the substrate 1 are formed so as to satisfy the above.
本発明における色素4として、例えば、ルテニウム‐トリス、ルテニウム‐ビス型の遷移金属錯体、またはフタロシアニンやポルフィリン、シアニジン色素、メロシアニン色素、ローダミン色素、クマリン色素、ロダニン色素などの有機色素が挙げられる。これらの色素は、吸光係数が大きくかつ繰り返しの酸化還元に対して安定であることが好ましい。また、上記色素は半導体上に化学的に吸着すると、半導体への電子移動が効率良く行われるため、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミド基、アミノ基、カルボニル基、ホスフィン基などの官能基を有することが好ましい。 Examples of the dye 4 in the present invention include ruthenium-tris, ruthenium-bis type transition metal complexes, or organic dyes such as phthalocyanine, porphyrin, cyanidin dye, merocyanine dye, rhodamine dye, coumarin dye, and rhodanine dye. These dyes preferably have a large extinction coefficient and are stable against repeated redox. In addition, when the above dye is chemically adsorbed on a semiconductor, electron transfer to the semiconductor is efficiently performed, so that a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an amide group, an amino group, a carbonyl group, a phosphine group, etc. It preferably has a functional group.
本発明における電解質層5としては、溶媒としてアセトニトリル、プロピオニトリルやエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートのようなニトリル系、カーボネート系の極性溶媒に対して、ヨウ素および金属、有機物などのヨウ化物塩を溶解させた酸化還元系を含む溶液を用いることができる。しかしながら、これらの溶液は実際にセルを作製する際において、液漏れや溶媒の蒸発による性能の低下が懸念される。このような劣化の可能性を回避するために、溶液をゲル中に担持させたゲル状電解質やp型半導体を含む固体状電荷輸送層を用いることができる。 As the electrolyte layer 5 in the present invention, iodine, metals, organic compounds and other iodide salts are dissolved in acetonitrile, propionitrile, nitriles such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and carbonates as polar solvents. A solution containing a redox system can be used. However, there is a concern that these solutions may deteriorate in performance due to liquid leakage or solvent evaporation when cells are actually produced. In order to avoid the possibility of such deterioration, a solid charge transport layer containing a gel electrolyte in which a solution is supported in a gel or a p-type semiconductor can be used.
固体状電荷輸送層に用いることのできる材料の具体例としては、トリフェニルアミン、ジフェニルアミン、フェニレンジアミンなどの芳香族アミン化合物、ナフタレン、アントラセンなどの縮合多環炭化水素、アゾベンゼンなどのアゾ化合物、スチルベンなどの芳香環をエチレン結合やアセチレン結合で連結した構造を有する化合物、アミノ基で置換されたヘテロ芳香環化合物、ポルフィリン類、フタロシアン類、キノン類、テトラシアノキノ
ジメタン類、ジシアノキノンジイミン類、テトラシアノエチレン、ビオローゲン類、ジチオール金属錯体などが挙げられる。また、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性高分子なども用いることができる。これらの有機ホール輸送材料は結晶性のものとアモルファスのものがあるが、アモルファスのものは色素との界面が結晶性のものと比較して均一な場合が多く、電荷分離が均一に起こるため、好適である。また、その他固体状電荷輸送層に用いることのできる材料として、CuI、AgI、TiI、およびその他の金属ヨウ化物、CuBr、CuSCNなどがある。また、ポリアルキレンエーテルなどの高分子ゲルにヨウ化物塩、ヨウ素等を抱含させて用いてもよい。これらの材料は、必要に応じて任意に組み合わせて用いることができる。
Specific examples of materials that can be used for the solid charge transport layer include aromatic amine compounds such as triphenylamine, diphenylamine, and phenylenediamine, condensed polycyclic hydrocarbons such as naphthalene and anthracene, azo compounds such as azobenzene, and stilbene. Compounds having a structure in which aromatic rings such as ethylene bonds or acetylene bonds are connected, heteroaromatic compounds substituted with amino groups, porphyrins, phthalocyanines, quinones, tetracyanoquinodimethanes, dicyanoquinone diimines , Tetracyanoethylene, viologens, dithiol metal complexes and the like. In addition, conductive polymers such as polypyrrole, polyaniline, and polythiophene can also be used. These organic hole transport materials are crystalline and amorphous, but the amorphous one has a more uniform interface with the dye than the crystalline one, and charge separation occurs uniformly. Is preferred. Other materials that can be used for the solid charge transport layer include CuI, AgI, TiI, and other metal iodides, CuBr, CuSCN, and the like. Further, an iodide salt, iodine or the like may be included in a polymer gel such as polyalkylene ether. These materials can be used in any combination as required.
本発明における電解質層5の形成方法としては、マイクログラビアコーティング、ディップコーティング、スクリーンコーティング、スピンコーティング等を用いることができる。固体電解質またはp型半導体を用いる場合には、任意の溶媒を用いた溶液にした後、上記方法を用いて塗工し、基材を任意の温度に加熱して溶媒を蒸発させるなどにより形成する。 As a method for forming the electrolyte layer 5 in the present invention, microgravure coating, dip coating, screen coating, spin coating, or the like can be used. In the case of using a solid electrolyte or p-type semiconductor, after forming a solution using an arbitrary solvent, coating is performed using the above method, and the substrate is heated to an arbitrary temperature to evaporate the solvent. .
本発明における導電性触媒層6としては、任意の導電性材料を用いることができ、白金や金、銀、銅などの金属、もしくは炭素などが挙げられる。これらを形成する際には、透明導電層5と同様の真空成膜法、あるいはこれら材料の微粒子をペーストにしたものをコーティングする方法を用いることができる。 As the conductive catalyst layer 6 in the present invention, any conductive material can be used, and examples thereof include metals such as platinum, gold, silver, and copper, or carbon. When these are formed, a vacuum film forming method similar to that of the transparent conductive layer 5 or a method of coating a paste made of fine particles of these materials can be used.
また、本発明における色素増感太陽電池においては透明導電層2と金属酸化物膜3との間に短絡防止層を設けることができる。これにより、電解質とアノードの短絡電流を低減することができる。特に、固体のp型半導体を電解質として用いる場合はこの層が必須である。短絡防止層としては可視光を透過し、伝導帯のエネルギー準位が金属酸化物膜3のそれに近い値を持つn型半導体であれば特に制限はない。 Moreover, in the dye-sensitized solar cell in this invention, a short circuit prevention layer can be provided between the transparent conductive layer 2 and the metal oxide film 3. Thereby, the short circuit current of an electrolyte and an anode can be reduced. In particular, this layer is essential when a solid p-type semiconductor is used as the electrolyte. The short-circuit prevention layer is not particularly limited as long as it is an n-type semiconductor that transmits visible light and has a conduction band energy level close to that of the metal oxide film 3.
短絡防止層の形成方法としては、透明導電層2の場合と同様に真空成膜プロセスや、液相コーティング法により作製することができる。真空成膜プロセスを用いる場合、透明導電層2、短絡防止層7、金属酸化物層3は大気開放することなく真空下でインライン成膜が可能である。 As a method for forming the short-circuit prevention layer, it can be produced by a vacuum film formation process or a liquid phase coating method as in the case of the transparent conductive layer 2. When using the vacuum film formation process, the transparent conductive layer 2, the short-circuit prevention layer 7, and the metal oxide layer 3 can be formed in-line under vacuum without being exposed to the atmosphere.
本発明の半導体膜は、色素増感太陽電池のみの応用に何ら限定されるものではなく、光触媒を応用したデバイス、エレクトロクロミックデバイスなどの電極材料など、様々な用途に用いることができる。 The semiconductor film of the present invention is not limited to application only to dye-sensitized solar cells, and can be used for various applications such as devices using photocatalysts and electrode materials such as electrochromic devices.
以下、本発明の半導体膜を色素増感太陽電池に応用した例を挙げて具体的実施例について説明する。 Hereinafter, specific examples will be described with reference to examples in which the semiconductor film of the present invention is applied to a dye-sensitized solar cell.
<実施例1>
図2の層構成の色素増感太陽電池10を次のように作製した。基材1としてガラス(Corning7059、1mm厚)を使用し、この上に透明導電層2としてフッ素ドープ酸化錫(FTO)を大気圧プラズマCVD法により形成した。得られた透明導電性基材上に、金属酸化物膜3として酸化チタンを真空蒸着法により作製した、この時の蒸着条件は、図3において基材7の法線と蒸着源8の置かれている面の法線のなす角度α=45°、成膜圧力0.1〜0.5Pa、基材温度25℃とした。得られた膜について、比表面積測定、SEM観察を行ったところ、膜は柱状の構造体からなり、投影面積に対する実際の表面積が1000、柱の太さが800nmであり、膜厚は11μmであることがわかった。このとき、波長が350〜900nmの範囲における全光線透過率は40%〜80%であ
り、且つ波長が600〜900nmの範囲における全光線透過率に対する拡散透過率の割合は80%以上であった得られた積層体を、電熱炉を用いて450℃で30分間焼成した。得られた積層体を、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムのエタノール溶液に浸漬することにより、色素を吸着させた。色素4として、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムを担持した後、エタノール洗浄、及び乾燥を行った。以下の操作を乾燥アルゴン雰囲気下で行った。電荷輸送層5として0.4MのTPAI(テトラプロピルアンモニウムヨーダイド)、0.05MのI2、メトキシアセトニトリルからなる電解質を酸化チタン膜3上に形成した。更に、対向電極として上記と同様にして形成した基材1、透明導電層2よりなる積層体を用意し、この上に真空蒸着法により成膜した白金を導電性触媒層6として形成することにより対向電極を作製し、導電性触媒層6と電荷輸送層5を重ね合わせるように固定した後、側面を接着剤で封止することにより色素増感太陽電池を作製した。
<Example 1>
The dye-sensitized solar cell 10 having the layer configuration of FIG. 2 was produced as follows. Glass (Corning 7059, 1 mm thickness) was used as the substrate 1, and fluorine-doped tin oxide (FTO) was formed thereon as the transparent conductive layer 2 by the atmospheric pressure plasma CVD method. On the obtained transparent conductive substrate, titanium oxide was produced as a metal oxide film 3 by a vacuum deposition method. The deposition conditions at this time are as follows: the normal line of the substrate 7 and the deposition source 8 in FIG. The angle α formed by the normal line of the surface is 45 °, the film forming pressure is 0.1 to 0.5 Pa, and the substrate temperature is 25 ° C. When the specific surface area measurement and SEM observation were performed on the obtained film, the film was composed of a columnar structure, the actual surface area with respect to the projected area was 1000, the column thickness was 800 nm, and the film thickness was 11 μm. I understood it. At this time, the total light transmittance in the wavelength range of 350 to 900 nm was 40% to 80%, and the ratio of the diffuse transmittance to the total light transmittance in the wavelength range of 600 to 900 nm was 80% or more. The obtained laminate was fired at 450 ° C. for 30 minutes using an electric furnace. The obtained laminate was immersed in an ethanol solution of bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium to adsorb the dye. After supporting bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium as the dye 4, it was washed with ethanol and dried. The following operations were performed under a dry argon atmosphere. An electrolyte made of 0.4 M TPAI (tetrapropylammonium iodide), 0.05 M I 2 and methoxyacetonitrile was formed on the titanium oxide film 3 as the charge transport layer 5. Furthermore, by preparing a laminate composed of the base material 1 and the transparent conductive layer 2 formed in the same manner as described above as the counter electrode, and forming platinum as a conductive catalyst layer 6 by depositing platinum thereon by a vacuum deposition method. After preparing the counter electrode and fixing the conductive catalyst layer 6 and the charge transport layer 5 so as to overlap each other, the side surface was sealed with an adhesive to prepare a dye-sensitized solar cell.
以上で得られた色素増感太陽電池の電流‐電圧特性を測定したところ、A.M.1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を用いた時、短絡電流JSC=15mA/cm2、開放電圧Voc=0.77V、フィルファクターFF=0.63で光電変換効率はη=7.3%であった。 The current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell obtained above were measured. M.M. When using pseudo sunlight of 1.5 and 100 mW / cm 2 , the short-circuit current J SC = 15 mA / cm 2 , the open circuit voltage Voc = 0.77 V, the fill factor FF = 0.63, and the photoelectric conversion efficiency is η = 7 3%.
<実施例2>
図2の層構成の色素増感太陽電池10を作製した。基材1、透明導電層2を実施例1と同様な手法で作製し、金属酸化物膜3として酸化チタンを真空蒸着法により作製した、この時の蒸着条件は、図3において基材7の法線と蒸着源8の置かれている面の法線のなす角度α=45°、成膜圧力0.1〜0.5Pa、基材温度25℃とした。得られた膜について、比表面積測定、SEM観察を行ったところ、膜は柱状の構造体からなり、投影面積に対する実際の表面積が1000、柱の太さが800nmの層が基材表面から膜厚方向に7μm、その上に投影面積に対する実際の表面積が600、柱の太さが1.5μmの層が3μmの層が存在することがわかった。このとき、波長が350〜900nmの範囲における全光線透過率は30%〜80%であり、且つ波長が600〜900nmの範囲における全光線透過率に対する拡散透過率の割合が85%以上であった。得られた積層体を、電熱炉を用いて450℃で30分間焼成した。得られた積層体を、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムのエタノール溶液に浸漬することにより、色素を吸着させた。色素4として、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムを担持した後、エタノール洗浄、及び乾燥を行った。以下の操作を乾燥アルゴン雰囲気下で行った。電荷輸送層5として0.4MのTPAI(テトラプロピルアンモニウムヨーダイド)、0.05MのI2、メトキシアセトニトリルからなる電解質を酸化チタン膜3上に形成した。更に、対向電極として上記と同様にして形成した基材1、透明導電層2よりなる積層体を用意し、この上に真空蒸着法により成膜した白金を導電性触媒層6として形成することにより対向電極を作製し、導電性触媒層6と電荷輸送層5を重ね合わせるように固定した後、側面を接着剤で封止することにより色素増感太陽電池を作製した。
<Example 2>
A dye-sensitized solar cell 10 having the layer configuration of FIG. 2 was produced. The base material 1 and the transparent conductive layer 2 were produced in the same manner as in Example 1, and titanium oxide was produced as the metal oxide film 3 by a vacuum vapor deposition method. The angle α formed by the normal and the normal of the surface on which the vapor deposition source 8 is placed is 45 °, the film forming pressure is 0.1 to 0.5 Pa, and the substrate temperature is 25 ° C. When the specific surface area measurement and SEM observation were performed on the obtained film, the film was composed of a columnar structure, and the actual surface area with respect to the projected area was 1000, and the thickness of the column was 800 nm. It was found that there was a layer of 7 μm in the direction, an actual surface area with respect to the projected area of 600 μm, and a layer with a column thickness of 1.5 μm of 3 μm. At this time, the total light transmittance in the wavelength range of 350 to 900 nm was 30% to 80%, and the ratio of the diffuse transmittance to the total light transmittance in the wavelength range of 600 to 900 nm was 85% or more. . The obtained laminate was fired at 450 ° C. for 30 minutes using an electric furnace. The obtained laminate was immersed in an ethanol solution of bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium to adsorb the dye. After supporting bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium as the dye 4, it was washed with ethanol and dried. The following operations were performed under a dry argon atmosphere. An electrolyte made of 0.4 M TPAI (tetrapropylammonium iodide), 0.05 M I 2 and methoxyacetonitrile was formed on the titanium oxide film 3 as the charge transport layer 5. Furthermore, by preparing a laminate composed of the base material 1 and the transparent conductive layer 2 formed in the same manner as described above as the counter electrode, and forming platinum as a conductive catalyst layer 6 by depositing platinum thereon by a vacuum deposition method. After preparing the counter electrode and fixing the conductive catalyst layer 6 and the charge transport layer 5 so as to overlap each other, the side surface was sealed with an adhesive to prepare a dye-sensitized solar cell.
以上で得られた色素増感太陽電池の電流‐電圧特性を測定したところ、A.M.1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を用いた時、短絡電流JSC=17mA/cm2、開放電圧Voc=0.77V、フィルファクターFF=0.66で光電変換効率はη=8.6%であった。 The current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell obtained above were measured. M.M. When using pseudo sunlight of 1.5 and 100 mW / cm 2 , the short-circuit current J SC = 17 mA / cm 2 , the open circuit voltage Voc = 0.77 V, the fill factor FF = 0.66, and the photoelectric conversion efficiency is η = 8 It was 6%.
<実施例3>
図2の層構成の色素増感太陽電池10を作製した。基材1、透明導電層2を実施例1と同様な手法で作製し、金属酸化物膜3として酸化チタンを真空蒸着法により作製した、この時の蒸着条件は、図3において基材7の法線と蒸着源8の置かれている面の法線のなす
角度α=45°、成膜圧力0.1〜0.5Pa、基材温度25℃とした。得られた膜について、比表面積測定、SEM観察を行ったところ、膜は柱状の構造体からなり、投影面積に対する実際の表面積が80、柱の太さが5μmの層が基材表面から膜厚方向に500nm、その上に投影面積に対する実際の表面積が1000、柱の太さが800nmの層が基材表面から膜厚方向に7μm、その上に投影面積に対する実際の表面積が600、柱の太さが1.5μmの層が3μmの層が存在することがわかった。波長が350〜900nmの範囲における全光線透過率が30%〜80%であり、且つ波長が600〜900nmの範囲における全光線透過率に対する拡散透過率の割合が85%以上得られた積層体を、電熱炉を用いて450℃で30分間焼成した。得られた積層体を、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムのエタノール溶液に浸漬することにより、色素を吸着させた。色素4として、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムを担持した後、エタノール洗浄、及び乾燥を行った。以下の操作を乾燥アルゴン雰囲気下で行った。電荷輸送層5として0.4MのTPAI(テトラプロピルアンモニウムヨーダイド)、0.05MのI2、メトキシアセトニトリルからなる電解質を酸化チタン膜3上に形成した。更に、対向電極として上記と同様にして形成した基材1、透明導電層2よりなる積層体を用意し、この上に真空蒸着法により成膜した白金を導電性触媒層6として形成することにより対向電極を作製し、導電性触媒層6と電荷輸送層5を重ね合わせるように固定した後、側面を接着剤で封止することにより色素増感太陽電池を作製した。
<Example 3>
A dye-sensitized solar cell 10 having the layer configuration of FIG. 2 was produced. The base material 1 and the transparent conductive layer 2 were produced in the same manner as in Example 1, and titanium oxide was produced as the metal oxide film 3 by a vacuum vapor deposition method. The angle α formed by the normal and the normal of the surface on which the vapor deposition source 8 is placed is 45 °, the film forming pressure is 0.1 to 0.5 Pa, and the substrate temperature is 25 ° C. When the specific surface area measurement and SEM observation were performed on the obtained film, the film was composed of a columnar structure, and the actual surface area with respect to the projected area was 80 and the thickness of the column was 5 μm from the substrate surface. A layer with an area of 500 nm in the direction and an actual surface area with respect to the projected area of 1000 and a column thickness of 800 nm is 7 μm from the substrate surface in the film thickness direction, and an actual surface area with respect to the projected area of 600 is It was found that a layer having a thickness of 1.5 μm and a layer having a thickness of 3 μm existed. A laminate in which the total light transmittance in a wavelength range of 350 to 900 nm is 30% to 80%, and the ratio of the diffuse transmittance to the total light transmittance in a wavelength range of 600 to 900 nm is 85% or more. Then, it was baked at 450 ° C. for 30 minutes using an electric furnace. The obtained laminate was immersed in an ethanol solution of bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium to adsorb the dye. After supporting bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium as the dye 4, it was washed with ethanol and dried. The following operations were performed under a dry argon atmosphere. An electrolyte made of 0.4 M TPAI (tetrapropylammonium iodide), 0.05 M I 2 and methoxyacetonitrile was formed on the titanium oxide film 3 as the charge transport layer 5. Furthermore, by preparing a laminate composed of the base material 1 and the transparent conductive layer 2 formed in the same manner as described above as the counter electrode, and forming platinum as a conductive catalyst layer 6 by depositing platinum thereon by a vacuum deposition method. After preparing the counter electrode and fixing the conductive catalyst layer 6 and the charge transport layer 5 so as to overlap each other, the side surface was sealed with an adhesive to prepare a dye-sensitized solar cell.
以上で得られた色素増感太陽電池の電流‐電圧特性を測定したところ、A.M.1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を用いた時、短絡電流JSC=17mA/cm2、開放電圧Voc=0.78V、フィルファクターFF=0.68で光電変換効率はη=9%であった。 The current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell obtained above were measured. M.M. When using pseudo sunlight of 1.5 and 100 mW / cm 2 , the short-circuit current J SC = 17 mA / cm 2 , the open circuit voltage Voc = 0.78 V, the fill factor FF = 0.68, and the photoelectric conversion efficiency is η = 9 %Met.
<比較例1>
図2の層構成の色素増感太陽電池10を作製した。基材1、透明導電層2を実施例1と同様な手法で作製し、金属酸化物膜3として酸化チタンを真空蒸着法により作製した、この時の蒸着条件は、図3において基材7の法線と蒸着源8の置かれている面の法線のなす角度α=45°、成膜圧力0.1〜0.5Pa、基材温度25℃とした。得られた膜について、比表面積測定、SEM観察を行ったところ、膜は柱状の構造体からなり、投影面積に対する実際の表面積が800、柱の太さが2μmであり、膜厚は11μmであった。このとき、波長が350〜900nmの範囲における全光線透過率が20%〜80%であり、且つ波長が600〜900nmの範囲における全光線透過率に対する拡散透過率の割合が50%以上70%未満であった。得られた積層体を、電熱炉を用いて450℃で30分間焼成した。得られた積層体を、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムのエタノール溶液に浸漬することにより、色素を吸着させた。色素4として、ビス(4,4−ジカルボキシ−2,2−ビピリジル)ジチオシアネートルテニウムを担持した後、エタノール洗浄、及び乾燥を行った。以下の操作を乾燥アルゴン雰囲気下で行った。電荷輸送層5として0.4MのTPAI(テトラプロピルアンモニウムヨーダイド)、0.05MのI2、メトキシアセトニトリルからなる電解質を酸化チタン膜3上に形成した。更に、対向電極として上記と同様にして形成した基材1、透明導電層2よりなる積層体を用意し、この上に真空蒸着法により成膜した白金を導電性触媒層6として形成することにより対向電極を作製し、導電性触媒層6と電荷輸送層5を重ね合わせるように固定した後、側面を接着剤で封止することにより色素増感太陽電池を作製した。
<Comparative Example 1>
A dye-sensitized solar cell 10 having the layer configuration of FIG. 2 was produced. The base material 1 and the transparent conductive layer 2 were produced in the same manner as in Example 1, and titanium oxide was produced as the metal oxide film 3 by a vacuum vapor deposition method. The angle α formed by the normal and the normal of the surface on which the vapor deposition source 8 is placed is 45 °, the film forming pressure is 0.1 to 0.5 Pa, and the substrate temperature is 25 ° C. When the specific surface area measurement and SEM observation were performed on the obtained film, the film was composed of a columnar structure, the actual surface area with respect to the projected area was 800, the column thickness was 2 μm, and the film thickness was 11 μm. It was. At this time, the total light transmittance in the wavelength range of 350 to 900 nm is 20% to 80%, and the ratio of the diffuse transmittance to the total light transmittance in the wavelength range of 600 to 900 nm is 50% or more and less than 70%. Met. The obtained laminate was fired at 450 ° C. for 30 minutes using an electric furnace. The obtained laminate was immersed in an ethanol solution of bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium to adsorb the dye. After supporting bis (4,4-dicarboxy-2,2-bipyridyl) dithiocyanate ruthenium as the dye 4, it was washed with ethanol and dried. The following operations were performed under a dry argon atmosphere. An electrolyte made of 0.4 M TPAI (tetrapropylammonium iodide), 0.05 M I 2 and methoxyacetonitrile was formed on the titanium oxide film 3 as the charge transport layer 5. Furthermore, by preparing a laminate composed of the base material 1 and the transparent conductive layer 2 formed in the same manner as described above as the counter electrode, and forming platinum as a conductive catalyst layer 6 by depositing platinum thereon by a vacuum deposition method. After preparing the counter electrode and fixing the conductive catalyst layer 6 and the charge transport layer 5 so as to overlap each other, the side surface was sealed with an adhesive to prepare a dye-sensitized solar cell.
以上で得られた色素増感太陽電池の電流‐電圧特性を測定したところ、A.M.1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を用いた時、短絡電流JSC=14mA/cm2、開放電圧Voc=0.75V、フィルファクターFF=0.63で光電変換効率はη=6.6%
であった。
The current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell obtained above were measured. M.M. When using pseudo sunlight of 1.5, 100 mW / cm 2 , the short-circuit current J SC = 14 mA / cm 2 , the open circuit voltage Voc = 0.75 V, the fill factor FF = 0.63, and the photoelectric conversion efficiency is η = 6 .6%
Met.
実施例1および2、比較例1の結果より、柱状構造の多孔質金属酸化物膜において、柱の太さを1μm以下にすることで、その膜を用いて作製した色素増感太陽電池が高い変換効率を示すことがわかった。また、柱の太い層を膜表面側に設けることで、膜の600〜900nmの波長領域におけるヘイズ率が増加し、変換効率が向上することがわかった。また、膜の基材側に緻密な層を設けることでも同様に変換効率の向上が確認された。 From the results of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, in the porous metal oxide film having a columnar structure, the thickness of the column is 1 μm or less, so that the dye-sensitized solar cell manufactured using the film is high. It was found to show conversion efficiency. It was also found that by providing a thick layer of pillars on the film surface side, the haze ratio in the wavelength region of 600 to 900 nm of the film increases and the conversion efficiency improves. Moreover, the improvement of conversion efficiency was confirmed similarly by providing a dense layer on the substrate side of the film.
1・・・基材
(1)・・・緻密な金属酸化物層
2・・・透明導電層
(2)・・・柱状構造を有する金属酸化物層
2a・・・柱の太さが1μmより大きい柱状構造を有し、かつ膜厚が1〜5μmの範囲内である金属酸化物層
2b・・・柱の太さが0.01〜1μmの範囲内である柱状構造を有し、かつ膜厚が5〜15μmの範囲内である金属酸化物層
3・・・金属酸化物膜
4・・・色素
5・・・電解質層
6・・・導電性触媒層
7・・・基材
8・・・蒸着源
10・・・色素増感太陽電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base material (1) ... Dense metal oxide layer 2 ... Transparent conductive layer (2) ... Metal oxide layer which has columnar structure 2a ... Column thickness is from 1 micrometer Metal oxide layer having a large columnar structure and a film thickness in the range of 1 to 5 μm 2b... Having a columnar structure in which the thickness of the column is in the range of 0.01 to 1 μm and the film Metal oxide layer 3 ... metal oxide film 4 ... dye 5 ... electrolyte layer 6 ... conductive catalyst layer 7 ... substrate 8 ...・ Vapor deposition source 10 ... Dye-sensitized solar cell
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