JP5143476B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
非特許文献1〜3にはコバルト錯体を酸化還元対に用いた提案がなされている。微弱光条件下では、ヨウ素系酸化還元対と同等の性能を示すとあるが、分子サイズが大きいために酸化還元対の移動速度が遅く、擬似太陽光照射条件では性能が半分程度に低下する。また、ヨウ素に対してコバルト錯体は高価であり、実用的とは言えない。
J.Phys.Chem.B、105,10461−10464(2001) Chem.Eur.J.9,3756−3763(2003) J.Am.Chem.Soc.,124,11215−11222(2002) J.Phys.Chem.B、105,6867−6873(2001) J.Am.Chem.Soc.,126,7164−7165(2004)
電極基体8を構成する透明基体1は、可視光を透過するものが使用でき、透明なガラスが好適に利用できる。また、ガラス表面を加工して入射光を散乱させるようにしたものも使用できる。また、ガラスに限らず、光を透過するものであればプラスチック板やプラスチックフィルム等も使用できる。
透明導電膜2としては、可視光を透過して、かつ導電性を有するものが使用できる。このような材料としては、例えば金属酸化物が挙げられる。特に限定はされないが、例えばフッ素をドープした酸化スズ(以下、「FTO」と略記する。)や、酸化インジウム、酸化スズと酸化インジウムの混合体(以下、「ITO」と略記する。)、アンチモンをドープした酸化スズ、酸化亜鉛などが好適に用いることができる。
多孔質金属酸化物半導体3としては、特に限定はされないが、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどが挙げられ、特に二酸化チタン、さらにはアナターゼ型二酸化チタンが好適である。
増感色素4としては、太陽光により励起されて前記金属酸化物半導体3に電子注入できるものであればよく、一般的に光電変換素子に用いられている色素を用いることができるが、変換効率を向上させるためには、その吸収スペクトルが太陽光スペクトルと広波長域で重なっていて、耐光性が高いことが望ましい。
電解質層5は、本発明においては電解質層5が酸化還元対として下記一般式(1)で表される化合物を含んだものである。
Aの具体例としては、C6〜C12アリール基、C1〜C12ヘテロアリール基、C1〜C12ヘテロシクリル基、C6〜C30アルキルアリール基を有する化合物が挙げられる。
−、CnF2n+1SO2N(−)(CF2)n−等が挙げられる。(Phはフェニル基、Meはメチル基を表し、m、nはそれぞれ1から48の整数である。以下同様である)。
対向電極9は、電極基材7の表面に触媒層6が形成された構造をしている。該電極基材7は、触媒層6の支持体兼集電体として用いられるため、表面部分に導電性を有していることが好ましい。
中でも、チオフェン、テトラデシルチオフェン、イソチアナフテン、3−フェニルチオフェン、3,4−エチレンジオキシチオフェン及びそれらの誘導体などが好ましく使用でき、特に3,4−エチレンジオキシチオフェン、ヒドロキシメチル−3,4−エチレンジオキシチオフェン、アミノメチル−3,4−エチレンジオキシチオフェン等を好ましく使用することができる。なお、チオフェン化合物を1種又は2種以上用いて導電性高分子触媒層6を形成してもよい。
[多孔質金属酸化物半導体の作製]
ガラスからなる透明基体1上にフッ素をドープしたSnO2からなる透明導電膜を真空蒸着により形成した透明導電膜2上に、以下の方法で多孔質金属酸化物半導体層3を形成した。
増感色素4として、一般にN719dyeと呼ばれるビス(4−カルボキシ−4’−テトラブチルアンモニウムカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ジイソチオシアネートルテニウム錯体(Solaronix社製)を使用した。前記多孔質酸化チタン半導体電極を色素濃度0.4mmol/Lの無水エタノール溶液中に浸漬し、遮光下1晩静置した。その後無水エタノールにて余分な色素を洗浄してから風乾することで太陽電池の半導体電極を作製した。
次に、電解質層5を構成する電解液を調製した。溶媒として3−メトキシプロピオニトリルを用い、それに0.05mol/Lのビス(5−メチル−1,3,4−チアジアゾリル)2−ジスルフィド、0.6mol/Lの5−メチル−2−メルカプト−1,3,4−チアジアゾール:テトラブチルアンモニウム塩を溶かすことにより作製した。なお、上記の化合物は市販の材料もしくは市販の材料から公知の方法や下記に示す合成例に従い合成したものを用いた。
対向電極9として、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(以下PEDOT)対極を使用した。電極基材7としてFTO被膜付きガラス(旭硝子株式会社製、〜10Ω/□)を用い、有機溶媒中で超音波洗浄した電極基材7に、3,4−エチレンジオキシチオフェン、トリス−p−トルエンスルホン酸鉄(III)、ジメチルスルホキシドを1:8:1の重量比でn−ブタノールに溶解させた反応溶液をスピンコート法にて塗布した。スピンコートの回転条件は2000rpmで30秒の条件で行い、溶液における3,4-エチレンジオキシチオフェンの濃度は0.48Mであった。続いて、溶液を塗布した電極基板を110℃に保持した恒温槽に入れ、5分間加熱させることで重合後、メタノールで洗浄することで対向電極9を作製した。作製したPEDOT薄膜の膜厚はそれぞれ約0.3μmであった。
前記のように作製した対向電極9に電気ドリルで1mmφの電解液注入孔を適当な位置に2個設けたのち、前記のように作製した透明導電膜2を具備した透明基体1上の酸化チタン膜3からなる電極基体8(作用極)と、対向電極9の間に熱可塑性シート(ハイミラン1652、三井・デュポンポリケミカル社製、膜厚30μm)を挟み、熱圧着する事により両電極を接着した。次に、前記のように作製した電解液を電解液注入孔から毛管現象にて両電極間に含浸させた後、電解液注入孔上に1mm厚のガラス板を置き、その上にUVシール剤(スリーボンド社製の試作品、31X−101)を塗布し、UV光を100mW/cm2の強度で30秒照射することで封止を実施し、太陽電池を作製した。
電解質層5の溶媒として、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを使用した以外は実施例1と同様に太陽電池を作製した。
電解質層5として、3−メトキシプロピオニトリルを溶媒として用い、それに0.05mol/Lのヨウ素、0.6mol/Lの1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを溶かしたものを使用した以外は実施例1と同様に太陽電池を作製した。
電解質層5として、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを溶媒として用い、それに0.05mol/Lのヨウ素、0.6mol/Lの1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを溶かしたものを使用した以外は実施例1と同様に太陽電池を作製した。
対向電極9として、スパッタ法によりITO導電性ガラス上にスパッタ法によりPtを蒸着したPt対極(ジオマテック製)を使用した以外は比較例1と同様に太陽電池を作製した。
対向電極9として、スパッタ法によりITO導電性ガラス上にスパッタ法によりPtを蒸着したPt対極(ジオマテック製)を使用した以外は実施例1と同様に太陽電池を作製した。
作製した太陽電池の評価を以下の手法で実施した。性能評価には、AMフィルターを具備したキセノンランプのソーラーシュミレーターXES−502S(関西科学機械株式会社製)にて、AM1.5Gのスペクトル調整後、100mW/cm2の照射条件下で、ポテンシオスタットによる負荷特性(I−V特性)を評価した。太陽電池の評価値は、開放電圧Voc(V)、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、形状因子FF(−)、変換効率η(%)が挙げられるが、最終的な太陽電池の性能の良否は、変換効率ηの大小で評価した。その結果を表1に示す。
5mmol/Lのビス(5−メチル−1,3,4−チアジアゾリル)2−ジスルフィド、60mmol/Lの5−メチル−2−メルカプト−1,3,4−チアジアゾール:テトラブチルアンモニウム塩を3−メトキシプロピオニトリルに溶かした溶液(実施例3)と、5mmol/Lのヨウ素、60mmol/Lの1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを3−メトキシプロピオニトリルに溶かした溶液(比較例5)を作製し、紫外可視分光光度計(UV−2100、(株)島津製作所製)により吸収スペクトルを測定し比較を行った。その結果を図2に示す。
市販のガラス基板の表面に銀ペースト(京都エレックス株式会社製、商品名DD−1050)をスクリーン印刷法で10μm程度の膜厚、1mm幅で印刷塗布し、500℃で30分加熱することでガラス基板上に銀線を形成した。銀線上の一部にそれぞれ参考例、比較例2で使用した電解液とヨウ素系電解液を塗布し、25℃で8時間静置した。その後、電解液をふき取り外観及び銀線端間の抵抗を比較したところ、比較例2で使用したヨウ素系電解液は銀線の腐食および抵抗の上昇が見られたが、参考例で使用した電解液は外見および抵抗の変化は見られなかった。
本発明の酸化還元対の合成例を以下に示すが、合成法はこれに限定されるものではなく、公知の材料、合成法を使用して作製することができる。
5−メチル−2−メルカプト−1,3,4−チアジアゾール1モル当量と炭酸カリウム0.5モル当量をメタノールに溶かし、攪拌しながら炭酸カリウムが溶けてなくなるまで(約2.5時間)超音波バス処理を行う。その後、ろ紙を使用して固形物を除き、溶媒をロータリーエバポレーターにより留去し、生じた白色固形物をジクロロメタンで洗浄後、真空乾燥することで5−メチル−2−メルカプト−1,3,4−チアジアゾールカリウム塩を合成した。上記の反応収率は70%であった。
上記の手法で作成した5−メチル−2−メルカプト−1,3,4−チアジアゾールカリウム塩1モル当量を水に溶解させた後、ヨウ素0.5モル当量を加え、ヨウ素が溶解するまで溶液を攪拌する。その後、生じた白色沈殿をろ過により採取し、水で洗浄した後、24時間真空乾燥することで酸化還元対の酸化体化合物であるビス(5−メチル−1,3,4−チアジアゾリル)2−ジスルフィドを得た。反応収率は30%であった。なお、上記各合成例で示した各材料は市販の材料を用いた。
2・・・透明導電膜
3・・・多孔質金属酸化物半導体(層)
4・・・増感色素
5・・・電解質層
6・・・触媒層
7・・・電極基材
8・・・電極基体
9・・・対向電極
10・・・光電変換素子
Claims (1)
- 半導体電極と、対向電極と、これら半導体電極と対向電極との間に保持された電解質層とを備えた光電変換素子であって、
前記電解質層が、溶媒としての3−メトキシプロピオニトリルに、ビス(5−メチル−1,3,4−チアジアゾリル)2−ジスルフィドと5−メチル−2−メルカプト−1,3,4−チアジアゾール塩とからなる酸化還元対を含有し、
前記対向電極が、3,4−エチレンジオキシチオフェン又はその誘導体の重合物からなり、ドーパントとしてパラトルエンスルホン酸が添加された導電性高分子触媒を含有する
ことを特徴とする光電変換素子。
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