JP5122121B2 - 半導体電極および色素増感型太陽電池 - Google Patents
半導体電極および色素増感型太陽電池 Download PDFInfo
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Description
1.電解液の電解質イオンからの電荷移動ができる界面の面積を大きくすること
2.多孔質層内でのイオン拡散がしやすい構造であること
3.多孔質層の導電性を高めること
4.多孔質層と基板との間に形成される下地膜(例えば酸化チタン膜)の抵抗の改善
の四つが挙げられる。
前記酸化チタン膜は、前記基板の一面から垂直方向に結晶軸が選択的に向けて成長した針状結晶を成すアナターゼ型酸化チタンであり、
前記多孔質層は、多孔質の金属酸化物に色素を吸着させたものであることを特徴とする半導体電極が提供される。
請求項2においては、前記多孔質層は、複数の層から構成されており、
前記複数の層のうち、前記酸化チタン膜側の層が、粒子径が3〜20nmのアナターゼ型酸化チタン層であり、
前記酸化チタン膜の前記針状結晶の間に少なくとも前記アナターゼ型酸化チタン層の一部が食い込むように前記多孔質層が当該酸化チタン膜に積層されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体電極が提供される。
請求項3においては、請求項1又は2記載の半導体電極を負極に用いたことを特徴とする色素増感型太陽電池が提供される。
基板11は、光を透過させる透明基板が用いられ、例えばガラス基板が好適である。透明基板としてはガラス基板以外にも、ポリカーボネイト(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、フッ素樹脂などの透明プラスチック基板を用いることができる。
基板11を構成する透明導電膜15には、下地膜となる酸化チタン膜12が形成されている。図2に示すように、酸化チタン膜12は、基板11の一面11a、即ち透明導電膜15から垂直方向Lに向けて成長した針状結晶を成すアナターゼ型の酸化チタンからなる。このような針状結晶を成すアナターゼ型の酸化チタンは、基板の一面から垂直方向に結晶軸が選択的に成長したものであり、基板面に対して成長させた針状ないし柱状の結晶構造を成す。例えばX線解析を行うと、図5に示すように全体的には主に(110)面の結晶面が非常に強く観察されるような配向した膜を示している。このサンプルでは各針状形態の結晶は主に(110)面の結晶軸の方向に成長していることが確認された。この際、各針状粒子が単結晶または多結晶のいずれでも良く、本発明における酸化チタンの膜とは、結晶配向が確認され、針状形態の組織を持つものであり、成長する結晶軸を限定するものではない。
以上のような構成の酸化チタン膜12に重ねて積層される多孔質層13は、3層構造となっており、基板11側から、下層21、中間層22および上層23の順に形成されている。
多孔質層13の下層21は、微粒子、例えば粒子径が3〜20nm程度のアナターゼ型結晶構造をもつ実密な酸化チタン層である。こうした微粒子酸化チタンからなる下層21の形成は、スクリーン印刷法やスプレー法などによりルチル型結晶構造の酸化チタン粒子のスラリーやペーストを塗布して、その後焼成して、酸化チタンの微粒子からなる下層21を形成すればよい。
多孔質層13を成す下層21の上には、中間層22が形成されている。この中間層22は、例えば、直径が30〜200nm、長さが0.5〜20μm程度の針状結晶の酸化チタンと、例えば、直径が5〜400nm程度の粒状結晶の酸化チタンとが混在する多孔質膜である。
多孔質層13を成す中間層22の上には、上層23が形成されている。この上層23は、例えば、直径が20〜400nmの粒状結晶を成すアナターゼ型酸化チタンからなり、厚みが0.1〜10μm程度の多孔質膜である。
図3に示すように、本発明の色素増感型太陽電池30は、上述したような半導体電極10、即ち、基板11の一面11aから垂直方向Lに向けて成長した針状結晶をもつ酸化チタン膜12によって、多孔質層13と基板11とが強固に結び付けられた半導体電極10を負極Mとして用いたもので、この多孔質層13に増感用の色素を吸着させて使用する。また、この負極Mに対向して正極Pを配し、この負極Mと正極Pとの間に電解液32を満たし、色素増感型太陽電池30が形成される。
エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物,3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物,
ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル化合物,
エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなどのエーテル類,
メタノール、エタノールなどのアルコール類,
エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール類,
アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物,
ジメチルスルフォキシド、スルフォランなど非プロトン極性物質
などが好ましく挙げられる。
「実施例1」
使用した基板はソーダライムガラス板に透明導電膜を形成したガラス板(日本板硝子製)を切断して厚み3mm、5cm角にしたガラス板を用いた。このガラス板にスパッタリング法により、基板面に対して垂直方向に酸化チタンの(110)面の結晶軸を結晶成長させた、針状ないし柱状の酸化チタン膜を形成した。この際、DCマグネトロンスパッター装置を用いて、ターゲットを金属Tiの外径50mm、厚み3mmのものを用いた。基板となるガラス板とターゲット間距離は1cmに設定し、10−3torrにて、アルゴンガスに酸素を5%程度加えて、100Wの投入電力にて二時間成膜した。この結果、透明導電膜を成膜したガラス基板上に図4に示すような酸化チタン膜が成長した。
η=100×(Voc×Jsc×F.F.)/P0…(A)
使用した基板は、ソーダガラス板に透明導電膜を形成したガラス板(日本板硝子製) を切断して厚み3mm、5cm角にしたガラス板を用いた。このガラス板にスパッタリング法により基板面に対して垂直方向に結晶軸が選択的に成長した、針状ないし柱状の酸化チタン膜を形成した。この酸化チタン膜はX線解析やSEMの観察から基板面に対して垂直方向に酸化チタンの(110)面の結晶軸を結晶成長させた、針状ないし柱状の酸化チタン膜であった。この際、DCマグネトロンスパッター装置を用いて、ターゲットを金属Tiの外径50mm、厚み3mmのものを用いた。基板となるガラス板とターゲット間距離は1cmに設定し、10−3torrにて、アルゴンガスに酸素を5%程度加えて、100Wの投入電力にて二時間成膜した。
使用したガラス基板はソーダガラス板に透明導電膜を形成したガラス板(日本板硝子製)を切断して厚み3mm、5cm角にしたガラス板を用いた。このガラス板にスパッタリング法により基板面に対して垂直方向に結晶軸が選択的に成長した、針状ないし柱状の酸化チタン膜を形成した。この酸化チタン膜はX線解析やSEMの観察から基板面に対して垂直方向に酸化チタンの(110)面の結晶軸を結晶成長させた、針状ないし柱状の酸化チタン膜であった。この際、DCマグネトロンスパッター装置を用いて、ターゲットを金属Tiの外径50mm、厚み3mmのものを用いた。基板となるガラス板とターゲット間距離は1cmに設定し、10−3torrにて、アルゴンガスに酸素を5%程度加えて、100Wの投入電力にて二時間成膜した。この酸化チタン膜の上にスクリーン印刷法により酸化チタンペースト(SOLARONIX 製品名:Nanoxide HT)を1μmの厚みで塗布した。塗布した膜を450℃で1時間焼成した。
使用したガラス基板はソーダガラス板に透明導電膜を形成したガラス板(日本板硝子製)を切断して厚み3mm、5cm角にしたガラス板を用いた。このガラス板にスパッター法により基板面に垂直方向に結晶軸が選択的に成長した、針状ないし柱状の酸化チタン膜を形成した。この際、DCマグネトロンスパッター装置を用いて、ターゲットを金属Tiの外径50mm、厚み3mmのものを用いた。基板となるガラス板とターゲット間距離は1cmに設定し、10−3torrにて、アルゴンガスに酸素を5%程度加えて、100Wの投入電力にて二時間成膜した。
Claims (3)
- 少なくとも一面が導電性の基板と、この基板の一面に積層された酸化チタン膜と、この酸化チタン膜に重ねて積層された多孔質層とを有する半導体電極であって、
前記酸化チタン膜は、前記基板の一面から垂直方向に結晶軸が選択的に向けて成長した針状結晶を成すアナターゼ型酸化チタンであり、
前記多孔質層は、多孔質の金属酸化物に色素を吸着させたものであることを特徴とする半導体電極。 - 前記多孔質層は、複数の層から構成されており、
前記複数の層のうち、前記酸化チタン膜側の層が、粒子径が3〜20nmのアナターゼ型酸化チタン層であり、
前記酸化チタン膜の前記針状結晶の間に少なくとも前記アナターゼ型酸化チタン層の一部が食い込むように前記多孔質層が当該酸化チタン膜に積層されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体電極。 - 請求項1又は2記載の半導体電極を負極に用いたことを特徴とする色素増感型太陽電池。
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