JP5096755B2 - 色素増感太陽電池 - Google Patents
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Description
このような色素増感太陽電池の基本原理は、特許文献1に開示されているように、以下の通りである。まず、色素増感太陽電池に光が照射されると、金属酸化物半導体多孔質層表面に吸着された増感色素が光を吸収し、色素分子内の電子が励起され、電子が半導体へ渡される。これにより、光電極側で電子が発生し、この電子が電気回路を通じて、正電極に移動する。そして、正電極に移動した電子は、電解質層を通じて光電極に戻る。このような過程が繰り返されることで、電気エネルギーが生じる。
また、特許文献3には、透明基板と光電変換層との間に、酸化チタン、酸化亜鉛等の半導体からなる逆電子注入防止層を形成することにより、界面導電性の向上を図り、逆電子の移動を抑制することが可能な色素増感太陽電池が開示されている。
しかしながら、特許文献2及び特許文献3の方法では、下塗り層や逆電子注入防止層を形成する際に、半導体を結晶化させるため、500℃程度の高温で加熱する必要があり、基板として樹脂フィルムを用いた場合は、これらの方法を用いることはできなかった。
本発明において、非結晶性とは、X線回折装置等の結晶構造解析装置を用いて、回折光の強度を測定し、縦軸を回折光強度、横軸を回折角としたスペクトルにおいて、顕著なピークが確認できないことをいう。なお、上記結晶構造解析装置としては、X線回折装置のほか、電子線回折装置、中性子回折装置等を用いることができる。
本発明者らは鋭意検討した結果、逆電流防止層の材質として非結晶性の酸化チタンを用いることで、透明電極から電解質への電子移動を抑制することができ、かつ、短絡電流密度の低下についても効果的に防止することが可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。
上記樹脂フィルム基板としては、入射する光を妨げず、適度の強度を有するものであれば特に限定されず、例えば、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、ポリスルフォン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、環状ポリオレフィン等の耐熱性を有する透明性樹脂からなるものが挙げられる。
上記樹脂フィルム基板の厚みの好ましい下限は100μm、好ましい上限は3mmである。厚みを上記範囲内とすることで、適当な剛性と柔軟性をもたせることが可能となる。
上記有機色素としては、上記金属酸化物半導体多孔質層と強固に吸着させるための官能基を有するものが好ましい。上記官能基としては例えば、カルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等が挙げられる。
上記金属酸化物半導体多孔質層が形成された樹脂フィルム基板を浸漬する際の浸漬時間の好ましい下限は5分、好ましい上限は5時間である。5分未満であると、色素溶液が金属酸化物半導体多孔質層の内部まで充分に浸透しないことがあり、5時間を超えると、金属酸化物半導体多孔質層への色素の吸着量が多くなりすぎ、使用後に色素の脱落が発生したり、電解質液の浸透を阻害してセル特性の低下や劣化を招いたりすることがある。
このように酸化還元電解質をイオン性液体に溶解した溶液を用いることにより、電解質液が金属酸化物半導体多孔質層の内部まで浸透しやすくなるとともに、金属酸化物半導体多孔質層に吸着させた色素が脱離しにくくなる。
なお、上記イオン性液体とは、常温で液体状態である正負イオンの塩のこという。上記イオン性液体は、蒸気圧が極めて低く、室温では実質的に殆ど蒸発しないことから、有機溶剤のように、揮発によって電解質液の組成が変化して、セル特性が低下したり、封止材を腐食して電解質液の漏出したりする等の問題がない。
(1)逆電流防止層の形成
厚さ1.1mmのガラス基板にITO膜を製膜した透明電極基板に、低温スパッタリング法により厚さ25nmの逆電流防止層を製膜した。なお、スパッタリングは、Tiターゲットを用い、スパッタリング装置(アルパック社製、SBH−5215RD)を使用することにより行った。
逆電流防止層を塗布した試料に、X線回折装置(理学電機社製、RINT2500VHF)を用いて、40kV、300mAの条件で発生させたX線を20分照射し、縦軸に回折X線強度I、横軸に回折角2θをプロットした。得られたスペクトルを図2に示す。図2のスペクトルについて、ピークの有無を確認したところ、顕著なピークは認められなかった。従って、形成された逆電流防止層は、非晶性であることが確認された。
得られた透明電極基板をカットし、マスクテープを貼り付けた後、UV洗浄機を用いて5分間前処理を行った。次いで、逆電流防止層上に、スピンコーター用いて金属酸化物微粒子分散液(昭和電工社製、チタニアゾルSP210)を塗布し、120℃で1時間乾燥させて、厚さ5μmの膜を形成した(電極面積:2cm2)。
アセトニトリル:t−ブタノール=1:1(容積比)の溶媒に、有機色素D149(三菱製紙社製)を加えて5.0×10−4Mの色素溶液を調整した。なお、凝集防止のため、色素溶液に共吸着剤としてケノデオキシコール酸を1.0×10−3Mを添加した。
そして、得られた基板を120℃で10分間乾燥させた後、色素溶液に入れて、室温で1時間浸漬させることにより、金属酸化物半導体光電極を得た。
正電極としてPETフィルム基板にITOをスパッタリングした後、更に白金を担時したフィルムを用い、光電極と対極との間にイオン性液体を溶媒として用いた電解液を注入し、重ね合わせ部分を樹脂で封止して色素増感太陽電池セルを作製した。
(1)逆電流防止層の形成
厚さ200μmのPENフィルムにITO膜を製膜した透明電極基板に、低温スパッタリング法により厚さ25nmの逆電流防止層を製膜した。なお、スパッタリングは、Tiターゲットを用い、スパッタリング装置(アルパック社製、SBH−5215RD)を使用することにより行った。
なお、得られた逆電流防止層について、実施例1の場合と同様にX線回折装置を用いて結晶性評価を行ったところ、顕著なピークは認められなかった。従って、形成された逆電流防止層は、非晶性であることが確認された。
得られた透明電極基板をカットし、マスクテープを貼り付けた後、UV洗浄機を用いて5分間前処理を行った。次いで、逆電流防止層上に、スピンコーター用いて金属酸化物微粒子分散液(昭和電工社製、チタニアゾルSP210)を塗布し、120℃で1時間乾燥させて、厚さ5μmの膜を形成した(電極面積:2cm2)。
アセトニトリル:t−ブタノール=1:1(容積比)の溶媒に、有機色素D149(三菱製紙社製)を加えて5.0×10−4Mの色素溶液を調整した。なお、凝集防止のため、色素溶液に共吸着剤としてケノデオキシコール酸を1.0×10−3Mを添加した。
そして、得られた基板を120℃で10分間乾燥させた後、色素溶液に入れて、室温で1時間浸漬させることにより、金属酸化物半導体光電極を得た。
正電極としてPETフィルム基板にITOをスパッタリングした後、更に白金を担時したフィルムを用い、光電極と対極との間にイオン性液体を溶媒として用いた電解液を注入し、重ね合わせ部分を樹脂で封止して色素増感太陽電池セルを作製した。
逆電流防止層を形成しなかった以外は、実施例1と同様にして色素増感太陽電池セルを作製した。
実施例1の(1)において、下記の方法で逆電流防止層を形成した以外は、実施例1と同様にして色素増感太陽電池セルを作製した。
まず、チタンテトライソプロポキシド60gを500mLの無水エタノールで希釈し、攪拌しながら、ジエタノールアミン20gと水5gを添加することにより、塗工液を調製した。次いで、調製した塗工液をディップコーティング法により透明電極基板に塗布した。これを室温で乾燥したのち、室温から500℃の温度にまで昇温速度50℃/分以下で加熱昇温して焼成することにより厚さ0.2μmの逆電流防止層を形成した。
なお、得られた逆電流防止層について、実施例1の場合と同様にX線回折装置を用いて結晶性評価を行ったところ、図2に示すスペクトルが得られた。図2のスペクトルについて、ピークの有無を確認したところ、無数のピークが認められた。従って、形成された逆電流防止層は、結晶性であることが確認された。
逆電流防止層を形成しなかった以外は、実施例2と同様にして色素増感太陽電池セルを作製した。
実施例2において、有機色素D149の代わりに、Ru錯体色素N719を使用した以外は、実施例2と同様にして色素増感太陽電池セルを作製した。
比較例3において、有機色素D149の代わりに、Ru錯体色素N719を使用した以外は、実施例2と同様にして色素増感太陽電池セルを作製した。
(光電変換特性)
実施例及び比較例で得られた色素増感太陽電池セルについて、光源強度が1SUN(100mW/cm2)であるソーラーシミュレータを用い、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、曲線因子(FF;フィルファクター)及び光電変換効率(η)を測定した。結果を表1に示した。
2 逆電流防止層
3 透明電極
4 透明基板
Claims (4)
- 色素増感太陽電池用光電極と、電解質層と、正電極とをこの順で有する色素増感太陽電池であって、
前記色素増感太陽電池用光電極は、透明基板、透明電極、逆電流防止層及び金属酸化物半導体多孔質層がこの順で積層されており、
前記逆電流防止層は、酸化チタンからなり、スパッタリング法で形成されたものであり、
X線回折を用いて、縦軸を回折光強度、横軸を回折角として測定したスペクトルにおいて、顕著なピークが確認できないものであり、
前記電解質層は、溶媒としてイオン性液体を含有する
ことを特徴とする色素増感太陽電池。 - 透明基板は、樹脂フィルム基板であることを特徴とする請求項1記載の色素増感太陽電池。
- 逆電流防止層は、厚さが5nm〜1μmであることを特徴とする請求項1又は2記載の色素増感太陽電池。
- 金属酸化物半導体多孔質層には、増感色素として有機色素が担持されていることを特徴とする請求項1、2又は3記載の色素増感太陽電池。
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