JP5095126B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
また、Cu−In−Se系(CIS系とも呼ぶ)などの化合物系太陽電池が開発されており、極めて高い光電変換効率を示すなど優れた特徴を有しているが、コストや環境負荷などの問題があり、やはり大幅普及への障害となっている。
このような光電変換素子は、窓側電極となる作用極と対極とで電解質を挟み込んだ構造をとっている。
また、本発明は、内部抵抗を上昇させずに逆電流を抑制して光電変換効率を向上させた光電変換素子を提供することを第二の目的とする。
本発明の請求項2に記載の光電変換素子は、請求項1において、前記非絶縁性材料は、TiO 2−x (0<x≦1)であることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の光電変換素子は、請求項1又は2において、前記非絶縁性材料の絶縁抵抗は、1×10−3Ω・cm以上、1×105 Ω・cm以下であることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の光電変換素子は、請求項1又は2において、前記逆電流防止層の厚さは、5nm以上、50nm以下であることを特徴とする。
また、本発明では、上記構成とした作用極を用いることにより、内部抵抗を上昇させずに逆電流を抑制し、ひいては光電変換効率の向上を図った光電変換素子を提供することができる。
この作用極10は、対極と対向して配され、窓極として機能する作用極であって、透明基材11と、該透明基材11の一面に配された透明導電膜12と、前記透明導電膜12に重なるように配された逆電流防止層13と、前記逆電流防止層13に重なるように配され、少なくとも一部に増感色素を担持した多孔質酸化物半導体層14と、を少なくとも備え、前記逆電流防止層13は、非絶縁性材料からなることを特徴とする。
そしてこのような作用極10を用いて光電変換素子を作製した場合、内部抵抗を上昇させずに逆電流が抑制されることで、形状因子FFが向上し、開放電圧Vocもやや上がる傾向が見られる。これにより光電変換効率を向上することができる。
このような非絶縁性材料としては、TiOx(x≠2)、特に平均組成がTiO2−x(0<x≦1)で示されるチタン酸化物であることが好ましい。
この光電変換素子20は、透明基材11と、該透明基材11の一面に配された透明導電膜12と、前記透明導電膜12に重なるように配された逆電流防止層13と、前記逆電流防止層13に重なるように配され、少なくとも一部に色素を担持した多孔質酸化物半導体層14とを備えた作用極10と、導電性基材15からなり、該基材15の一面が前記多孔質酸化物半導体層14と対向して配される対極16と、前記作用極10と前記対極16との間の少なくとも一部に配された電解質層17と、から構成される。
本発明の光電変換素子20では、作用極10において非絶縁性材料からなる逆電流防止層13が設けられているので、内部抵抗を上昇させずに逆電流を抑制することができる。これにより形状因子(FF)や開放電圧Vocを向上することができ、その結果、光電変換効率を向上することができる。
基材15がガラスや合成樹脂板などからなる場合、導電性を付与するために、その一方の面に金属、炭素などからなる薄膜(導電膜)が形成されていてもよい。導電膜としては、例えば炭素や白金などの層を、蒸着、スパッタ、塩化白金酸塗布後に熱処理を行ったものが好適に用いられるが、電極として機能するものであれば特に限定されるものではない。
この電解液をゲル化する際に用いられるゲル化剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などが挙げられる。
常温溶融性塩のカチオンとしては、四級化イミダゾリウム誘導体、四級化ピリジニウム誘導体、四級化アンモニウム誘導体などが挙げられる。
常温溶融塩のアニオンとしては、BF4 −、PF6 −、F(HF)n −、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド[N(CF3SO2)2 −]、ヨウ化物イオンなどが挙げられる。
イオン性液体の具体例としては、四級化イミダゾリウム系カチオンとヨウ化物イオンまたはビストリフルオロメチルスルホニルイミドイオンなどからなる塩類を挙げることができる。
まず、透明基材11の一方の面の全域を覆うように透明導電膜12を形成し、透明導電性基板を作製する。
透明導電膜12を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、CVD(化学気相成長)法、スプレー熱分解法(SPD法)、蒸着法などの薄膜形成法が挙げられる。
チタン酸化物膜の成膜法としては、例えば透明基材11がプラスチックのように耐熱性の低い基材である場合には、直接酸化物をスパッタする方法、また、透明基材11がガラスのように耐熱性の高い基材の場合には、Tiを成膜後、熱処理して酸化する方法が簡便な方法として挙げられる。
塗布工程とは、例えばTiO2 粉末と界面活性剤を所定の比率で混ぜ合わせてなるTiO2 コロイドのペーストを、親水性化を図った逆電流防止層13の表面に塗布するものである。その際、塗布法としては、加圧手段(例えば、ガラス棒)を用いて前記コロイドを逆電流防止層13上に押し付けながら、塗布されたコロイドが均一な厚さを保つように、加圧手段を逆電流防止層13の上空を移動させる方法が挙げられる。
色素担持用の色素溶液は、例えばアセトニトリルとt−ブタノールを容積比で1:1とした溶媒に対して極微量のN719粉末を加えて調整したものを予め準備しておく。
シャーレ状の容器内に入れた色素溶媒に、別途電気炉にて120〜150℃程度に加熱処理した多孔質酸化物半導体層14を浸した状態とし、暗所にて一昼夜(およそ20時間)浸漬する。その後、色素溶液から取り出した多孔質酸化物半導体層14は、アセトニトリルとt−ブタノールからなる混合溶液を用い洗浄する。
上述した工程により、色素担持したTiO2 薄膜からなる多孔質酸化物半導体層14を備えた作用極10(窓極とも呼ぶ)を得る。
ガラス基板(20mm×20mm)上に、スプレー熱分解法によりITO透明導電膜(10Ω/cm2)を700nmの厚さに成膜した。
ITO透明導電膜上に、プラズマガスにアルゴン(主にプラズマガス)、酸素(酸化数調整用)をそれぞれ用い、スパッタターゲットに純Ti、TiO2 、Ti2O5を用いたRFスパッタ法にて、Ti、TiO2 、Ti2O5それぞれのスパッタレートを調整しチタン酸化物(TiO、Ti3O5、TiO2 、Ti2O5、Ti2O3、Ti4O7、Ti5O6)をそれぞれ厚さ約10nmに成膜して逆電流防止層を形成した。
得られた膜はXPS(X線光電子分光分析)にて組成を測定し、酸化数がTiO2 を基準に所望の割合に得られているか確認した。
得られた作用極と対極との間に電解質を介在させて積層し、色素増感型の光電変換素子(発電部面積9mm×5mm)を作製した。電解質には、メトキシアセトニトリルを溶媒とした揮発系電解液を用いた。
実験例1と同様に、ガラス基板上に成膜したITO透明導電膜上に、アルゴンプラズマによるRFスパッタ法でTiを成膜した後、大気中で300〜600℃の範囲で熱処理し、熱処理条件をそれぞれ調整することにより(例えばTi2O3の場合450℃×15分、TiO2 の場合600℃×30分など)、チタン酸化物(TiO、TiO2 、Ti3O5、Ti2O3、Ti4O7、Ti5O6)からなる逆電流防止層を形成した。
実験例1と同様にして、逆電流防止層上に多孔質酸化物半導体層を形成して作用極を作製し、この作用極を用いて光電変換素子を作製した。
ITO透明導電膜上に逆電流防止層を形成しなかったこと以外は、実験例1と同様にして作用極を作製し、この作用極を用いて光電変換素子を作製した。
以上の結果から、非絶縁性材料からなる逆電流防止層を設けることで、内部抵抗を上昇させずに逆電流を抑制できることがわかった。これにより形状因子が向上し、光電変換効率を向上できることがわかった。
Claims (4)
- 窓極として機能する作用極と、少なくとも一部に電解質層を介して該作用極と対向して配される対極とを備えてなる光電変換素子であって、前記作用極は、
透明基材と、該透明基材の一面に配された透明導電膜と、
前記透明導電膜に重なるように配された逆電流防止層と、
前記逆電流防止層に重なるように配され、少なくとも一部に増感色素を担持した多孔質酸化物半導体層と、を少なくとも備え、
前記電解質層を構成する電解質の状態は、液体、またはゲルであり、
前記逆電流防止層は、TiO x (x≠2)の組成を持つ非絶縁性材料からなることを特徴とする光電変換素子。 - 前記非絶縁性材料は、TiO 2−x (0<x≦1)であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記非絶縁性材料の絶縁抵抗は、1×10−3Ω・cm以上、1×105 Ω・cm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。
- 前記逆電流防止層の厚さは、5nm以上、50nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。
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