JP5160045B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
この色素増感型太陽電池100は、増感色素を担持させた多孔質半導体層103が一方の面に形成された第一基板101と、透明導電層104が形成された第二基板105と、これらの間に封入された例えばゲル状電解質からなる電解質層を主な構成要素としている。
第二基板105としては、電解質層106と接する側の面には導電性を持たせるために例えば炭素や白金などからなる導電層104が設けられ、第二基板および導電層104により対極109を構成している。
そして、この封止剤107を介して2つの基板101、105を貼り合わせてセルを組み上げ、電解液の注入口110を介して、両極108、109間にヨウ素・ヨウ化物イオンなどの酸化・還元対を含む有機電解液を充填し、電荷移送用の電解質層106を形成したものが挙げられる。
O’ Regan B, Gratzel M. A low cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 1991;353:737-739
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、前記光硬化性樹脂は、前記作用極における前記第一基材の一面と対向する面に接続されてい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または2において、前記光硬化性樹脂は、前記対極の前記作用極と反対側の面上であって、外縁部も被覆するように配されてい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ないし3いずれか1項において、前記対極は導電性を有する金属板からなり、前記対極において、前記作用極と反対側の面には、該金属板と異なる金属からなる被膜が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の光電変換素子は、請求項4において、前記金属板はチタン基板であり、前記被膜は、はんだ付け可能な単一金属、または該金属を主成分とする合金からなることを特徴とする。
本発明の光電変換素子10は、導電性の第一基材11からなる対極12と、絶縁性の透明な第二基材13と、該第二基材13の一面に透明導電膜14を介して配され、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15とを備え、該多孔質酸化物半導体層15が前記第一基材11の一面と対向して配される作用極16と、前記対極11と前記作用極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。
作用極16よりも狭い面積を有する対極12と電解質層17との側面部を少なくとも被覆するように硬化性樹脂18を配することで封止しているので、封止の際の熱工程が不要となるので、電解質や増感色素の熱による劣化を防止し、優れた発電特性を有することができる。
透明導電膜14を形成する導電性金属酸化物としては、例えば、スズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2 )などが用いられる。これらの中でも、成膜が容易かつ製造コストが安価であるという観点から、ITO、FTOが好ましい。また、透明導電膜14は、ITOのみからなる単層の膜、または、ITOからなる膜にFTOからなる膜が積層されてなる積層膜であることが好ましい。
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。
このような酸化物半導体粒子としては、TiO2、SnO2、WO3、ZnO、Nb2O5、In2O3、ZrO2、Ta2O5、La2O3、SrTiO3、Y2O3、Ho2O3、Bi2O3、CeO2、Al2O3 からなる群から選択される1種または2種以上の混合物が好ましく、二酸化チタン微粒子(ナノ粒子)が特に好ましい。この二酸化チタンの平均粒径は2nm〜1000nm程度が好ましい。
このような導電性微粒子としては、カーボンを主体とする物質からなるものが挙げられ、具体例としては、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、カーボンブラックなどの粒子を例示できる。これらの物質の製造方法はいずれも公知であり、また、市販品を用いることもできる。
第一基材11としては、導電性を有する金属板が用いられるが、チタン板から構成されることが好ましい。
前記被膜19は、Cu等のはんだ付け可能な単一金属、または該金属を主成分とする合金から構成されることが好ましい。
また、前記被膜19の膜厚は、10nm〜10μmであることが好ましい。前記被膜19の膜厚を前記範囲とすることにより、折り曲げなどに対して剥離しない十分な密着性を有するものとなり、外部配線との電気的接続性をさらに向上することができる。
前記被膜19は、リード線のはんだ付けを可能とすればよく、第一基材11の全面に形成されていてもよいし、一部にのみ形成されていても構わない。
まず、透明基材(第二基材)13の一方の面の全域を覆うように透明導電膜14を形成し、透明導電性基板を作製する。
透明導電膜14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。
塗布工程とは、例えばTiO2 粉末と界面活性剤および増粘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、親水性化を図った透明導電膜14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透明導電膜14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、加圧手段を透明導電膜14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N3色素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15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15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15を透明基板上に設けてなる作用極16(窓極とも呼ぶ)を得る。
このとき、光硬化性樹脂18を、前記対極12の前記作用極16と反対側の面上であって、外縁部も被覆するように供給することが好ましい。これにより、封止性が向上し、電解質の液漏れを確実に防止することができる。
対極12の第一基板11が不透明な材料からなるので、素子全体に光を照射しても、対極側から照射すれば素子内部には光は入射せず、電解質等が光によって劣化することはない。
ガラス基板(410mm×140mm)上に、スプレー熱分解法によりITO透明導電膜を700nmの厚さに成膜した。
透明導電性基板の透明導電層上に、酸化チタン微粒子多孔質層を約6μmの厚さに形成した。そして該酸化チタン微粒子多孔質膜にN3色素(Ru(2,2’-bipyridine-4,4’-dicarboxylic acid)2(NCS)2)を担持させることで多孔質酸化物半導体層を形成し、作用極を得た。
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、対極と電解質層との側面部に硬化性樹脂として紫外線硬化性アクリル系樹脂を配して封止することで色素増感型の光電変換素子を作製した。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。
金属チタン基板上に、ニッケルからなる被膜をスパッタリング法により200nmの厚みに成膜することで対極を作製した。この対極を用いる他は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
実施例1と同様にして対極および作用極を作製した。
多孔質酸化物半導体層が上方をなすように作用極を配置し、この多孔質酸化物半導体層と金属チタン基板が対向するように、対極を作用極に重ねて設けることにより積層体が形成される。その後、積層体の側部、すなわち作用極と対極の重なった外周付近を、熱硬化性樹脂からなる封止部材で封止した。
封止部材が固化した後、積層体の空隙、すなわち作用極と対極と封止部材で囲まれた空間内に、対極に設けた注入口から電解質溶液を注入することにより光電変換素子を作製した。
ガラス基板上にFTO(フッ素ドープ酸化スズ)を成膜し、さらにその上に白金をスパッタリング法により成膜することで対極を作製した。この対極を用いる他は、比較例1と同様にして光電変換素子を作製した。
Claims (5)
- 導電性の第一基材からなる対極と、
絶縁性の透明な第二基材と、該第二基材の一面に透明導電膜を介して配され、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とを備え、該多孔質酸化物半導体層が前記第一基材の一面と対向して配される作用極と、
前記対極と前記作用極との間の少なくとも一部に配された電解質層と、から構成され、
前記第一基材は、前記第二基材よりも狭い面積を有し、前記電解質層と前記第一基材の側面部を少なくとも被覆するように光硬化性樹脂を配したことを特徴とする光電変換素子。 - 前記光硬化性樹脂は、前記作用極における前記第一基材の一面と対向する面に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記光硬化性樹脂は、前記対極の前記作用極と反対側の面上であって、外縁部も被覆するように配されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 前記対極は導電性を有する金属板からなり、前記対極において、前記作用極と反対側の面には、該金属板と異なる金属からなる被膜が配されていることを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の光電変換素子。
- 前記金属板はチタン基板であり、前記被膜は、はんだ付け可能な単一金属、または該金属を主成分とする合金からなることを特徴とする請求項4に記載の光電変換素子。
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