JP5175498B2 - 光電変換素子、光電変換素子の製造方法および電子機器 - Google Patents
光電変換素子、光電変換素子の製造方法および電子機器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5175498B2 JP5175498B2 JP2007199450A JP2007199450A JP5175498B2 JP 5175498 B2 JP5175498 B2 JP 5175498B2 JP 2007199450 A JP2007199450 A JP 2007199450A JP 2007199450 A JP2007199450 A JP 2007199450A JP 5175498 B2 JP5175498 B2 JP 5175498B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- electron transport
- photoelectric conversion
- transport layer
- conversion element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Description
これに代わる次世代の太陽電池として開発され、製造コストが安く、また、製造エネルギーが少ないとされる色素増感太陽電池が提案されている。
例えば、特許文献1には、半導体層(電子輸送層)を酸化チタンの多結晶材料で構成してなる色素増感太陽電池が提案されている。酸化チタンの多結晶材料表面には、色素が吸着しており、色素で発生した電子は、半導体層を介して電極に移動する。これにより、2つの電極間に電位差が生じる。
かかる問題点に対し、入射する光を反射する光反射層を備えたことにより、光電変換効率の向上を図る試みがなされている。
ところが、この光反射層によって、電解液中においてキャリアの移動を担うレドックスイオンの移動が妨げられるという問題が生じる。このため、レドックスイオンと色素との間の接触機会が減少し、光電変換効率を十分に高めることができない。
本発明の光電変換素子は、第1の電極と、
該第1の電極と対向して設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に位置する電子輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記第2の電極との間に位置し、レドックスイオンを含む電解液を含む電解質層と、を有し、
前記電子輸送層は、そのうちの前記電解質側の部分であって金属酸化物を主成分とする半導体材料よりなる複数の繊維状物が三次元的に組み合わされてなる網目状構造を有し前記レドックスイオンが通過可能な多孔質部と、前記多孔質部以外の部分であって前記繊維状物の平均繊維径よりも平均粒径の小さい粒子の集合体で構成された緻密質部とで構成されており、
前記繊維状物は、平均繊維径が1μm以下であり、かつ、繊維径が5μm以上のものを実質的に含まないものであることを特徴とする。
これにより、緻密質部は、密度が高くなるとともに、表面積が大きくなる。その結果、緻密質部には、より多くの色素を担持させることができる。そして、色素の担持量が多い緻密質部に対して、レドックスイオンがより多く接触することができる。その結果、より高い光電変換効率を実現し得る光電変換素子が得られる。
また、金属酸化物は、大気中でも安定的に存在することができ、かつ安価である。このため、金属酸化物を半導体材料として用いることにより、長寿命かつ安価な光電変換素子を得ることができる。
また、これにより、多孔質部の内部および表面に、レドックスイオンがより確実に通過するのに十分な大きさの空孔が形成される。その結果、レドックスイオンと色素層との接触機会がより多くなる。
また、これにより、多孔質部の内部および表面に、複数の空孔がほぼ均一に分布する。これにより、電子輸送層の全体にわたってムラなく光電変換がなされることとなる。その結果、電子輸送層において、光電変換に寄与しない部分を減少させることができ、光電変換素子の光電変換効率をより高めることができる。
これにより、光を、電子輸送層内により効率よく閉じ込めることができる。その結果、光電変換に供される光の光量がより増大し、光電変換素子の光電変換効率を高めることができる。
これにより、多孔質部は、緻密質部に対して直接接触することができるので、これらの間の電子移動が円滑になされる。
本発明の光電変換素子では、前記多孔質部は、金属酸化物またはその前駆体を用いて、前記緻密質部に接合されていることが好ましい。
これにより、緻密質部と多孔質部との接合界面において電子移動度が著しく低下するのを防止しつつ、緻密質部と多孔質部とをより強固に接合することができる。このため、長期にわたって界面剥離を防止し得る信頼性の高い電子輸送層が得られる。
これにより、緻密質部と多孔質部との比率を最適化して、電子輸送層における光吸収率を十分に高めることができる。その結果、光電変換に供される光の光量がより増大し、光電変換素子の光電変換効率を高めることができる。
これにより、レドックスイオンの移動を妨げることなく、レドックスイオンが多孔質部の内部を円滑に移動することができる。
本発明の光電変換素子では、前記電解液中の前記レドックスイオンは、実質的にI3 −およびI−であることが好ましい。
これにより、光電変換素子の光電変換効率をより高めることができる。
これにより、電解液のキャリア移動の効率が特に高いものとなり、光電変換素子の光電変換効率を特に高めることができる。
該第1の電極と対向して設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に位置し、そのうちの前記電解質側の部分であって金属酸化物を主成分とする半導体材料よりなる複数の繊維状物が三次元的に組み合わされてなる網目状構造を有する多孔質部と、前記多孔質部以外の部分であって前記繊維状物の平均繊維径よりも平均粒径の小さい粒子の集合体で構成された緻密質部とで構成された電子輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記第2の電極との間に位置し、レドックスイオンを含む電解液を含む電解質層と、を備え、
前記多孔質部は、前記レドックスイオンが通過可能なものであり、前記繊維状物は、平均繊維径が1μm以下であり、かつ繊維径が5μm以上のものを実質的に含まないものである光電変換素子の製造方法であって、
前記第1の電極の一方の面上に、前記緻密質部を形成する段階と、
前記緻密質部上に前記多孔質部を形成して、前記電子輸送層を形成する段階と、
前記電子輸送層に接触するように、前記色素層を形成する段階と、
前記電子輸送層および前記色素層を介して、前記第1の電極と反対側に前記第2の電極を配置する段階と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に、前記電解液を充填し、前記電解質層を形成する段階と、を有することを特徴とする。
本発明の電子機器は、本発明の光電変換素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
以下、本発明の光電変換素子を太陽電池に適用した場合を一例に説明する。
<光電変換素子>
≪第1実施形態≫
まず、太陽電池の第1実施形態について説明する。
図1に示す太陽電池1は、基板2上に設けられた第1の電極3と、第1の電極3と対向して設置された、対向基板7に支持された第2の電極(対向電極)6と、これらの電極3、6間において、第1の電極3側に位置する電子輸送層4と、電子輸送層4と接触する色素層Dと、電子輸送層4と第2の電極6との間に位置し、色素層Dに接触する電解質層5とを有している。また、各電極3、6間の縁部全周にわたって、隔壁8が設けられている。そして、各電極3、6と隔壁8とで画成された空間内に、電子輸送層4、色素層Dおよび電解質層5が設けられている。
このような太陽電池1では、光が入射すると、主に色素層Dにおいて、電子が励起され、電子(e−)と正孔(h+)とが発生する。このうち、電子は、電子輸送層4へ、正孔は、電解質層5へ移動し、第1の電極3と第2の電極6との間に、電位差(光起電力)が生じて、外部回路10に電流(光励起電流)が流れる。
本実施形態では、基板2および対向基板7は、第1の電極3、電子輸送層4、色素層D、および第2の電極6を支持するためのものであり、平板状の部材で構成されている。
本実施形態にかかる太陽電池1は、図1に示すように、基板2および後述する第1の電極3側から、例えば、太陽光等の光(以下、単に「光」と言う。)を入射させて(照射して)使用するものである。このため、基板2および第1の電極3は、それぞれ、好ましくは実質的に透明(無色透明、着色透明または半透明)とされる。これにより、光を、後述する色素層Dに効率よく到達させることができる。
このうち、基板2および対向基板7の各構成材料は、特に樹脂材料であるのが好ましい。樹脂材料は、柔軟性に富んでいるため、太陽電池1の柔軟性を高めることができる。また、樹脂材料は、軽量なため、太陽電池1の可搬性や製造容易性を高めることもできる。
さらに、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートがより好ましい。これらの樹脂材料は、比較的耐熱性および耐薬品性に優れているため、かかる樹脂材料で構成された基板は、太陽電池1を製造する際の熱処理や液相プロセスにおいて優れた耐久性を有する。
基板2および対向基板7の各平均厚さは、それぞれ、その構成材料、太陽電池1の用途等により適宜設定され、特に限定されないが、例えば、次のように設定することができる。
基板2上(基板2の一方の面側)には、第1の電極3が設けられている。この第1の電極3は、後述する色素層Dで発生した電子を、電子輸送層4を介して受け取り、これに接続された外部回路10へ伝達する。
第1の電極3の構成材料としては、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素原子を含有する酸化錫(FTO)、酸化インジウム(InO2)、酸化錫(SnO2)のような金属酸化物材料、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルまたはこれらを含む合金のような金属材料、黒鉛のような炭素材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて(例えば、複数層の積層体等として)用いることができる。
第1の電極3を金属酸化物材料(透明導電性金属酸化物材料)で構成する場合、その平均厚さは、0.05〜5μm程度であるのが好ましく、0.1〜1.5μm程度であるのがより好ましい。また、第1の電極3を金属材料や炭素材料で構成する場合、その平均厚さは、0.01〜1μm程度であるのが好ましく、0.03〜0.1μm程度であるのがより好ましい。
また、第1の電極3は、このような櫛歯状の電極と、層状の電極とを組み合わせて(例えば、積層等して)用いることもできる。
電子輸送層4は、少なくとも、色素層Dで発生した電子を輸送する機能を有するものである。このため、電子輸送層4は、電子輸送材料で構成されている。
このような電子輸送層4は、図1および図2に示すように、第1の電極3側の部分が電子輸送材料の粒状体410の集合体(以下、「緻密質部」と言う。)41で構成されており、電解質層5側の部分が電子輸送材料の針状体(繊維状物)420の集合体(以下、「多孔質部」と言う。)42で構成されている。
ここで、緻密質部41および多孔質部42は、いずれも、色素dを担持するための多数の空孔を有しているが、本明細書では、これらを、その空孔の割合(体積率)に基づいて区別するものとする。すなわち、緻密質部41は、多孔質部42に比べて相対的に緻密質であることから「緻密質部」と言い、多孔質部42は、緻密質部41に比べて相対的に多孔質であることから「多孔質部」と言うものとする。
ここで、電子輸送材料は、電子を輸送する機能を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、半導体材料、金属材料等が挙げられる。
また、二酸化チタンは、その結晶構造が安定しているので、二酸化チタンを主材料とする半導体材料では、過酷な環境下に曝された場合でも、経年変化(劣化)が少なく、安定した性能が長期間継続して得られるという利点を有する。
さらに、二酸化チタンとしては、結晶構造がアナターゼ型のものを主成分とするもの、ルチル型のものを主成分とするもの、アナターゼ型のものとルチル型のものとの混合物のいずれであってもよい。
電子輸送材料の粒状体(粒子)410は、その形状が比較的球形に近いものである。このような粒状体410は、製造が容易であるとともに、複数の粒状体410を集合させたときの密度が高くなり易い。このため、緻密質部41は、表面積が大きくなる。その結果、緻密質部41には、より多くの色素dを担持させることができる。
このような粒状体410の平均粒径は、特に限定されないが、1nm〜1μm程度であるのが好ましく、5〜50nm程度であるのがより好ましい。これにより、粒状体410の製造容易性を維持しつつ、より表面積の大きい緻密質部41を構成することができる。
また、緻密質部41の平均厚さは、特に限定されないが、3〜30μm程度であるのが好ましく、5〜20μm程度であるのがより好ましい。緻密質部41の平均厚さを前記範囲内とすることにより、緻密質部41の機能が十分に発揮されるとともに、緻密質部41が厚すぎて電気抵抗成分が増大してしまうのを防止することができる。
ここで、針状体420は、その平均繊維径が1μm以下であるのが好ましく、0.7μm以下であるのがより好ましい。また、実質的に5μm以上の繊維径をもつ繊維が存在しないことが好ましい。
ここで、実質的に60μm以下の繊維長を有する繊維が存在しないとは、任意の点を中心とした2000倍の電子顕微鏡観察において、繊維の両端が観察されないことを指す。繊維長が60μm以下の繊維が含まれると、多孔質部42の内部および表面に、レドックスイオン51が通過するための空孔の割合が小さくなるため好ましくない。
また、多孔質部42の平均厚さは、特に限定されないが、1〜15μm程度であるのが好ましく、3〜10μm程度であるのがより好ましい。多孔質部42の平均厚さを前記範囲内とすることにより、多孔質部42の機能が十分に発揮されるとともに、多孔質部42が厚すぎて電気抵抗成分が増大するのを防止することができる。
ここで、多孔質部42の光反射率は、緻密質部41の光反射率より大きいのが好ましい。これにより、光を電子輸送層4内により効率よく閉じ込めることができる。これは、すなわち、緻密質部41を透過した光を、多孔質部42によって緻密質部41側に効率よく反射させることができるので、緻密質部41における光吸収率が向上することによるものである。その結果、光電変換に供される光の光量がより増大し、太陽電池1の光電変換効率を高めることができる。
このような多孔質部42の平均厚さは、緻密質部41の平均厚さの10〜80%程度であるのが好ましく、20〜70%程度であるのがより好ましい。多孔質部42の平均厚さを前記範囲内に設定することにより、緻密質部41と多孔質部42との比率を最適化して、電子輸送層4における光吸収率を十分に高めることができる。
なお、多孔質部42は、図1および図2に示すように、緻密質部41に一体的に固着されている。これにより、多孔質部42は、緻密質部41に対して直接接触することができるので、これらの間の電子移動が円滑になされる。すなわち、多孔質部42と緻密質部41との間の界面において、電子移動が妨げられるのを抑制することができる。
この色素dは、前述したように、受光により、電子と正孔とを発生する機能を有し、図2に示すように、粒状体410および針状体420の表面に担持されている。これにより、色素dで発生した電子を効率よく電子輸送層4に受け渡すことができる。
ここで、顔料としては、例えば、フタロシアニン系顔料、アゾ系顔料、アントラキノン系顔料、アゾメチン系顔料、キノフタロン系顔料、イソインドリン系顔料、ニトロソ系顔料、ペリノン系顔料、キナクリドン系顔料、ペリレン系顔料、ピロロピロール系顔料、ジオキサジン系顔料のような有機顔料、炭素系顔料、クロム酸塩系顔料、硫化物系顔料、酸化物系顔料、水酸化物系顔料、フェロシアン化物系顔料、ケイ酸塩系顔料、リン酸塩系顔料のような無機顔料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
このうち、液体状の電解液は、例えば、I/I3系、Br/Br3系、Cl/Cl3系、F/F3系のようなハロゲン系、キノン/ハイドロキノン系等のレドックス電解質(酸化還元物質:電解質成分)の1種または2種以上を組み合わせたものを、例えば各種水、アセトニトリル、エチレンカーボネート、炭酸プロピレン、ポリエチレングリコール等の溶媒(または、これらの混合溶媒)に溶解した電解質溶液で構成することができる。
電解液中のレドックスイオン51の濃度(含有率)は、特に限定されないが、0.1〜25wt%程度であるのが好ましく、0.5〜15wt%程度であるのがより好ましい。
このゲル基材としては、例えば、主として熱可塑性樹脂で構成されるもの、主として熱硬化性樹脂で構成されるもの、主として共重合体で構成されるもの、主としてシロキサン結合を有する化合物で構成されるもの等を用いることができ、さらに、これらのうちの任意の2種以上を組み合わせて用いることもできる。
また、熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂(PI)、エポキシ樹脂、石炭酸樹脂、尿素樹脂等が挙げられる。
また、シロキサン結合を有する化合物としては、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリアルキルフェニルシロキサン、シリコン原子の一部が他の金属原子(例えば、アルミニウム、チタン等)と置換したポリメタロシロキサン等が挙げられる。
電解質層5上(第1の電極3と反対側)には、第1の電極3に対向する第2の電極6が設けられている。
なお、第2の電極6の平均厚さは、その構成材料、太陽電池1の用途等により適宜設定され、特に限定されない。
このような太陽電池1は、例えば、次のようにして製造することができる。
この第1の電極3は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、印刷法等により形成することができる。
[2]次に、第1の電極3上に、電子輸送層4を形成する。
[2−1]まず、第1の電極3上に、複数の粒状体410を分散媒に分散させてなる分散液を塗布する。これにより、第1の電極3上に、図3(b)に示すように、液状被膜411を形成することができる。
この際の塗布法には、例えば、スピンコート法、ディップコート法、スキージ印刷法、スクリーン印刷法、液滴吐出法等の方法が用いられる。
液状被膜中の分散媒を除去する方法としては、例えば、自然乾燥による方法、空気、窒素ガス等の気体を吹き付ける方法、凍結乾燥による方法、比較的低温での熱処理による方法等により行うことができる。
熱処理の温度は、例えば、粒状体410が酸化チタン粒子である場合、300〜700℃程度であるのが好ましく、400〜600℃程度であるのがより好ましい。
また、熱処理の時間は、熱処理の温度に応じて若干異なるが、1〜180分程度が好ましく、5〜60分程度がより好ましい。
このようにして、図3(c)に示す粒状体410の集合体、すなわち緻密質部41が得られる。この緻密質部41は、前述したように、内部および表面に多数の空孔を有しているため、より多量の色素を担持することができる。このため、光電変換効率の高い太陽電池1が得られる。
次いで、この溶液を繊維状に成形しつつ、緻密質部41上に供給する。この成形・供給方法は特に限定されないが、図4(d)に示すようなエレクトロスピニング法を用いるのが好ましい。エレクトロスピニング法は、電気的な引力を利用して、溶液を微細な繊維状に引き伸ばすことにより、溶液を繊維状に成形する方法である。
このようなエレクトロスピニング法によれば、溶液を非常に微細な繊維状に効率よく成形することができる。その結果、最終的には、微細な繊維状の粒子を効率よく製造することができる。
次いで、繊維状に成形された溶液421に対して図4(e)に示すように熱処理を施すことにより、溶液中の電子輸送材料の前駆体を反応(例えば、加水分解、重縮合等)させる。これにより、繊維状の電子輸送材料、すなわち針状体420を作製する。
ここで、電子輸送材料の前駆体としては、例えば、電子輸送材料として酸化チタンを用いた場合には、チタンテトライソプロポキシド(TPT)、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラブトキシド等の有機チタン化合物を用いることができる。
また、熱処理の時間は、熱処理の温度に応じて若干異なるが、1〜180分程度が好ましく、5〜60分程度がより好ましい。
なお、必要に応じて、得られた電子輸送層4を加圧して、緻密質部41と多孔質部42とを圧着するようにしてもよい。これにより、緻密質部41と多孔質部42との間の圧着強度が向上し、これらの界面における剥離をより確実に防止することができるようになる。
電子輸送層4に色素液を接触させる方法としては、例えば、図5(g)に示すように、色素液D1中に電子輸送層4を備えた基板2を浸漬する方法(浸漬法)、電子輸送層4に色素液をシャワー状に供給する方法(噴霧法)等を用いることができるが、特に、浸漬法が好ましい。この浸漬法によれば、電子輸送層4に対して色素をムラなく、かつ効率よく担持させることができる。
色素液D1中に浸漬した電子輸送層4には、必要に応じて、色素液D1の乾燥を行う。
色素液D1の乾燥は、前述の分散媒を除去する方法と同様の方法により行うことができる。
この第2の電極6は、前記第1の電極3と同様の方法により形成することができる。
[5]次に、図5(h)に示すように、第2の電極6を備えた対向基板7を、第1の電極3と第2の電極6とが対向するように配置する。そして、第1の電極3と第2の電極6との間の縁部の全周にわたって隔壁8を設ける。これにより、第1の電極3、第2の電極6および隔壁8で画成された液密な空間9を得る。
なお、隔壁8の一部には、空間9と空間9の外部とに連通する貫通孔(図示せず)を設けるようにする。
また、隔壁8は、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤のような各種接着剤、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂のような各種樹脂材料等により構成される。
続いて、隔壁8の構成材料により、前記貫通孔を封止する。
なお、電解液をゲル状とする場合、ゲル化剤を含む電解液を空間9に注入した後、ゲル化剤の作用により電解液をゲル化すればよい。
以上のようにして、太陽電池(本発明の光電変換素子)1が製造される。
なお、図1では、電子輸送層4が緻密質部41と多孔質部42とに分かれているが、電子輸送層4の全部が多孔質部42で構成されていてもよい。このような場合でも、電子輸送層4の内部および表面に形成された空孔をレドックスイオン51が通過することができる。このため、太陽電池1におけるキャリア移動度が高くなり、光電変換効率の向上という効果を奏することができる。
次に、太陽電池の第2実施形態について説明する。
図6は、本発明の光電変換素子を太陽電池に適用した場合の第2実施形態を模式的に示す縦断面図、図7および図8は、図6に示す太陽電池の製造方法を説明するための模式図である。
本実施形態にかかる太陽電池1は、図6に示すように、緻密質部41と多孔質部42とを被覆部43で覆うことによって固定・接合してなる電子輸送層4を有する以外は、前記第1実施形態と同様である。
かかる金属酸化物としては、例えば、前記第1実施形態において半導体材料として用いられる各種金属酸化物が挙げられる。
また、金属酸化物の前駆体としては、例えば、加水分解や重縮合等の化学反応に伴って金属酸化物を生成するような材料が挙げられ、具体的には、金属アルコキシドや四塩化チタン等を用いることができる。
まず、図7(a)に示すように、電子輸送材料の前駆体を含む溶液421を繊維状に成形しつつ、別途用意した回収用基板305上に供給する。この成形・供給方法としては、例えば、図7(a)に示すようなエレクトロスピニング法が好ましい。また、電子輸送材料の前駆体としては、例えば、前記第1実施形態に挙げた有機チタン化合物を用いることができる。
ノズル302と回収用基板305との間に高電圧(例えば、数kV〜数10kV程度)を印加すると、電気的な引力によって、ノズル302の溶液421が回収用基板305へと高速で噴射される。これにより、回収用基板305上に繊維構造体422が形成される。
次いで、図7(c)に示すように、剥離した繊維構造体422に熱処理を施す。これにより、繊維状の電子輸送材料、すなわち、針状体420で構成された多孔質部42を作製することができる。なお、この熱処理の条件は、前記第1実施形態と同様である。
一方、前記第1実施形態と同様にして、基板2上に第1の電極3を形成するとともに、第1の電極3上に緻密質部41を形成する。
次いで、図8(e)に示すように、緻密質部41と多孔質部42の積層体に対して、半導体材料の前駆体を含む溶液423を浸透させる。なお、この浸透の方法は、特に限定されないが、浸漬法、噴霧法のほか、図8(e)に示すように、積層体に対して溶液423を滴下する方法等が挙げられる。
以上のようにして、本実施形態にかかる太陽電池(本発明の光電変換素子)1に用いられる電子輸送層4が製造される。
以上のように、本実施形態では、回収用基板305を用いることにより、基板2や第1の電極3が高温に曝されるのを避けることができる。これにより、繊維構造体422に対して、より高温での熱処理が可能となるため、熱処理条件の幅を広げることができるようになる。その結果、針状体420のネッキングの程度を幅広く制御することができ、光電変換効率の向上を図ることができる。
本発明の電子機器は、このような太陽電池1を備えるものである。
以下、図9および図10に基づいて、本発明の電子機器について説明する。
図9は、本発明の電子機器を適用した電卓を示す平面図、図10は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)を示す斜視図である。
図9に示す構成では、太陽電池設置部104には、太陽電池1が5つ直列に接続されて配置されている。
図10に示す携帯電話機200は、本体部201と、本体部201の前面に設けられた表示部202、複数の操作ボタン203、受話口204、送話口205および太陽電池設置部206とを備えている。
以上、本発明の光電変換素子、電子輸送層の製造方法、光電変換素子の製造方法および電子機器を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、光電変換素子および電子機器を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。
また、本発明の光電変換素子では、光の入射方向は、図示のものとは異なり、逆方向からであってもよい。すなわち、光の入射方向は、任意である。
また、本発明の電子輸送層の製造方法および光電変換素子の製造方法では、それぞれ、任意の目的の工程が1または2以上追加されていてもよい。
1.太陽電池(光電変換素子)の製造
(実施例1)
次のようにして、図1に示す太陽電池(光電変換素子)を製造した。
[2A]そして、FTO膜上に、電子輸送層の緻密質部を形成するために用いる液状材料を調製した。これは、次のようにして行った。
まず、平均粒径20nmの略球状の二酸化チタン(アナターゼ、触媒化成工業製)粉末を含む分散液(ペースト)を用意した。そして、スキージ印刷法により、この分散液をFTO膜上に塗布し、液状被膜を形成した。
[4A]次に、チタンテトラノルマルブトキシド(和光純薬工業株式会社製、一級)1重量部に、酢酸(和光純薬工業株式会社製、特級)1.23重量部を添加し、均一な溶液を得た。この溶液にイオン交換水1重量部を攪拌しながら添加することにより溶液中にゲルが生成した。生成したゲルは、更に攪拌を続けることにより解離し、透明な溶液を調製することが出来た。
次いで、この繊維状物を空気雰囲気下で電気炉を用いて600℃まで10時間で昇温し、その後600℃で2時間保持することにより、二酸化チタンで構成された網目状構造をなす多孔質部を得た。平均繊維径は300nmであり、繊維長100μm以下の繊維は観察されなかった。
また、得られた多孔質部は、前記工程[3A]で得られた緻密質部に比べて、光反射率が高いものであった。
[6A]次に、色素としてcis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium(N719)を、アセトニトリルとt−ブチルアルコールとを容積比で1:1となるように混合した溶媒中に溶解し、色素溶液を調製した。なお、色素溶液中のN719色素の濃度(含有率)は、0.3mMとした。
次いで、色素溶液中に前記[1A]〜[5A]で作製した電子輸送層付きガラス基板を浸漬し、暗所で12時間放置した後、取り出した。
そして、取り出したガラス基板をエタノールで洗浄した後、室温にて乾燥させた。これにより、電子輸送層中に色素を担持させた。
[7A]次に、FTO膜(平均厚さ1μm)と白金膜とをこの順で備えてなるガラス基板(対向基板、平均厚さ1mm)を用意した。
[8A]次に、白金膜と電子輸送層とが対向するように、2つのガラス基板を所定間隔を開けて配置し、一部を除いて縁部をエポキシ系接着剤で封止した。
また、多孔質部に形成された空孔のサイズは、このレドックスイオンのイオン径に対して、300〜1000倍であった。
[10A]次に、封止しなかった部分をエポキシ系接着剤で封止し、太陽電池を得た。
まず、前記工程[1A]〜[3A]と同様にして、FTO膜上に緻密質部を形成した。
次いで、チタンテトラノルマルブトキシド(和光純薬工業株式会社製、一級)1重量部に、酢酸(和光純薬工業株式会社製、特級)1.23重量部を添加し均一な溶液を得た。この溶液にイオン交換水1重量部を攪拌しながら添加することにより溶液中にゲルが生成した。生成したゲルは、更に攪拌を続けることにより解離し、透明な溶液を調製することが出来た。
次いで、回収用基板より繊維構造体を剥離し、剥離した繊維構造体を空気雰囲気下で電気炉を用いて600℃まで10時間で昇温し、その後600℃で2時間保持することにより、二酸化チタンで構成された網目状構造をなす多孔質部を得た。平均繊維径は300nmであり、繊維長100μm以下の繊維は観察されなかった。
次いで、前記工程[6A]〜[10A]と同様にして太陽電池を得た。
前記工程[4A]〜[5A]を省略した以外は、前記実施例1と同様にして太陽電池を得た。すなわち、これにより、多孔質部を省略した太陽電池を得た。
なお、前記工程[2A]で形成する液状被膜の厚さを厚くすることにより、前記工程[3A]で形成される緻密質部の厚さを15μmとした。
前記工程[4A]を、以下の工程[4B]で置き換えた以外は、前記実施例1と同様にして太陽電池を得た。
[4B]次に、平均粒径400nmの略球状の二酸化チタン(アナターゼ、触媒化成工業製)粉末を含む分散液(ペースト)を用意した。そして、スキージ印刷法により、この分散液をFTO膜上に塗布し、液状被膜を形成した。
次いで、この液状被膜を450℃で加熱することにより、液状被膜の分散媒を除去し、平均厚さ5μmの多孔質部を得た。
各実施例および各比較例で製造した太陽電池の電流−電圧特性を、それぞれ、ソーラーシミュレータによるAM1.5(100mW/cm2)の条件下でI−Vテスターを用いて測定した。そして、各太陽電池の開放電圧、短絡電流、形状因子(フィルファクタ)および光電変換効率を求めた。
また、光電変換効率は、照射する光エネルギーに対する、出力される電気エネルギーの割合である。
測定結果を表1に示す。
特に、実施例1で得られた太陽電池は、光電変換効率とともに形状因子も最も高い値を示した。
Claims (10)
- 第1の電極と、
該第1の電極と対向して設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に位置する電子輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記第2の電極との間に位置し、レドックスイオンを含む電解液を含む電解質層と、を有し、
前記電子輸送層は、そのうちの前記電解質側の部分であって金属酸化物を主成分とする半導体材料よりなる複数の繊維状物が三次元的に組み合わされてなる網目状構造を有し前記レドックスイオンが通過可能な多孔質部と、前記多孔質部以外の部分であって前記繊維状物の平均繊維径よりも平均粒径の小さい粒子の集合体で構成された緻密質部とで構成されており、
前記繊維状物は、平均繊維径が1μm以下であり、かつ、繊維径が5μm以上のものを実質的に含まないものであることを特徴とする光電変換素子。 - 前記電子輸送層のうち、前記多孔質部の光反射率は、前記緻密質部の光反射率より大きい請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記多孔質部は、前記緻密質部に固着している請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 前記多孔質部は、金属酸化物またはその前駆体を用いて、前記緻密質部に接合されている請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 前記多孔質部の平均厚さは、前記緻密質部の平均厚さの10〜80%である請求項1ないし4のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記多孔質部が有する空孔のサイズは、前記レドックスイオンのイオン径の30〜30000倍である請求項1ないし5のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記電解液中の前記レドックスイオンは、実質的にI3 −およびI−である請求項1ないし6のいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記電解液において、I3 −の含有率をA[mol/L]とし、I−の含有率をB[mol/L]としたとき、A/(A+B)は0.3〜0.6である請求項7に記載の光電変換素子。
- 第1の電極と、
該第1の電極と対向して設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に位置し、そのうちの前記電解質側の部分であって金属酸化物を主成分とする半導体材料よりなる複数の繊維状物が三次元的に組み合わされてなる網目状構造を有する多孔質部と、前記多孔質部以外の部分であって前記繊維状物の平均繊維径よりも平均粒径の小さい粒子の集合体で構成された緻密質部とで構成された電子輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記第2の電極との間に位置し、レドックスイオンを含む電解液を含む電解質層と、を備え、
前記多孔質部は、前記レドックスイオンが通過可能なものであり、前記繊維状物は、平均繊維径が1μm以下であり、かつ繊維径が5μm以上のものを実質的に含まないものである光電変換素子の製造方法であって、
前記第1の電極の一方の面上に、前記緻密質部を形成する段階と、
前記緻密質部上に前記多孔質部を形成して、前記電子輸送層を形成する段階と、
前記電子輸送層に接触するように、前記色素層を形成する段階と、
前記電子輸送層および前記色素層を介して、前記第1の電極と反対側に前記第2の電極を配置する段階と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に、前記電解液を充填し、前記電解質層を形成する段階と、を有することを特徴とする光電変換素子の製造方法。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載の光電変換素子を備えることを特徴とする電子機器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007199450A JP5175498B2 (ja) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法および電子機器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007199450A JP5175498B2 (ja) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法および電子機器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009037779A JP2009037779A (ja) | 2009-02-19 |
JP5175498B2 true JP5175498B2 (ja) | 2013-04-03 |
Family
ID=40439521
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007199450A Expired - Fee Related JP5175498B2 (ja) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法および電子機器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5175498B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5252488B2 (ja) * | 2008-07-14 | 2013-07-31 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 半導体電極およびこれを用いた色素増感型光電気化学セル |
KR100997843B1 (ko) * | 2008-08-29 | 2010-12-01 | 주식회사 솔켐 | 전기방사법에 의해 제조된 고분자 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지 소자 및 이의 제조방법 |
JP5334646B2 (ja) * | 2009-03-31 | 2013-11-06 | 日本バイリーン株式会社 | 色素増感型太陽電池用電極及び色素増感型太陽電池 |
JP2011034726A (ja) * | 2009-07-30 | 2011-02-17 | Nitto Denko Corp | 色素増感型太陽電池用電極および色素増感型太陽電池 |
JP5571930B2 (ja) * | 2009-10-05 | 2014-08-13 | ローム株式会社 | 光電変換素子 |
JP2011233507A (ja) * | 2010-04-05 | 2011-11-17 | Osaka Gas Co Ltd | 多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板 |
CN102569943B (zh) * | 2010-12-13 | 2015-04-15 | 依诺特生物能量控股公司 | 有机负电极以及具有该有机负电极的电池 |
JP5377788B1 (ja) * | 2013-03-30 | 2013-12-25 | 株式会社フジクラ | 色素増感太陽電池素子 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003123860A (ja) * | 2001-10-19 | 2003-04-25 | Nec Corp | 光電変換素子及び光電変換素子の製造方法 |
JP5029015B2 (ja) * | 2004-10-15 | 2012-09-19 | 株式会社ブリヂストン | 色素増感型金属酸化物半導体電極及びその製造方法並びに色素増感型太陽電池 |
KR100666477B1 (ko) * | 2005-06-16 | 2007-01-11 | 한국과학기술연구원 | 산화티타늄 나노로드 및 그의 제조방법 |
JP2007018951A (ja) * | 2005-07-11 | 2007-01-25 | Teijin Dupont Films Japan Ltd | 色素増感型太陽電池用電極 |
JP5021914B2 (ja) * | 2005-07-15 | 2012-09-12 | 帝人デュポンフィルム株式会社 | 色素増感型太陽電池用電極 |
WO2008007448A1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-01-17 | Teijin Dupont Films Japan Limited | Dye-sensitized solar cell, and electrode and laminated film therefor |
JP5209216B2 (ja) * | 2007-01-23 | 2013-06-12 | 帝人デュポンフィルム株式会社 | 色素増感型太陽電池用電極およびその製造方法 |
-
2007
- 2007-07-31 JP JP2007199450A patent/JP5175498B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009037779A (ja) | 2009-02-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5175498B2 (ja) | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法および電子機器 | |
JP4201035B2 (ja) | 電池素子および電子機器 | |
KR100839371B1 (ko) | 염료감응 태양전지 | |
JP5033813B2 (ja) | 光電変換素子 | |
JP4579935B2 (ja) | 光電変換素子および電子機器 | |
JP4785672B2 (ja) | 色素増感太陽電池用色素および色素増感太陽電池 | |
JP5163849B2 (ja) | 光電変換素子の製造方法、光電変換素子および電子機器 | |
JP2007095682A (ja) | 積層型光起電素子およびその製造方法 | |
JP2006236960A (ja) | 色素増感太陽電池及びその製造方法 | |
JP5493369B2 (ja) | 下地層形成用組成物、下地層の製造方法、光電極の製造方法及び太陽電池の製造方法 | |
JP4887694B2 (ja) | 光電変換素子およびその製造方法ならびに光電変換素子モジュールならびに電子機器ならびに移動体ならびに発電システムならびにディスプレイおよびその製造方法 | |
Keothongkham et al. | Electrochemically deposited polypyrrole for dye-sensitized solar cell counter electrodes | |
JP4925605B2 (ja) | 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置 | |
JP4277639B2 (ja) | 光電変換素子モジュール | |
JP4696452B2 (ja) | 光電変換素子 | |
JP4836473B2 (ja) | 光電変換装置およびその製造方法ならびに光発電装置 | |
JP2002175843A (ja) | 光電極及びこれを用いた光化学電池 | |
JP4897226B2 (ja) | 色素増感型太陽電池および色素増感型太陽電池モジュール | |
JP4696459B2 (ja) | モジュール集合体 | |
JP2010015830A (ja) | 光電変換素子 | |
JP2005093252A (ja) | 光電変換素子モジュール | |
JP2013140701A (ja) | カーボン対極及びこのカーボン対極を備えた色素増感太陽電池 | |
KR101408888B1 (ko) | 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 | |
JP2012156070A (ja) | 色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法および色素増感太陽電池 | |
TWI389372B (zh) | 含觸媒之電極的形成方法及其應用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100326 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121002 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121126 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121211 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130107 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |