JP5282073B2 - ゲル電解質組成およびその製造方法、ならびにそれを用いた色素増感太陽電池 - Google Patents
ゲル電解質組成およびその製造方法、ならびにそれを用いた色素増感太陽電池 Download PDFInfo
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Description
ここで、R1〜R5は、同じまたは異なる置換基であり、それぞれ、水素、アルキル、ヒドロキシメチル、ビニル、またはヒドロキシルを表す。金属塩(MY)の「M」は、アルカリ群(IA)の金属カチオンであり、「Y」は、ハロゲンアニオンである。
染料溶液の調合:
アルコールと、シス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラト)−ルテニウム(II)(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II), Solaronix社により製造されたN‐719染料(ルテニウム535))を使用して、濃度が3×10-4Mのシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラト)−ルテニウム(II)染料のアルコール溶液を形成する。
ニトロゲンガス注入器を使用して、基板表面を一掃する。アセトン(acetone)が入ったビーカーの中にフッ素錫酸化物(fluorine tin oxide, FTO)導電ガラス基板を置いて、超音波清浄器(ultrasonic cleaner)を使用して20分間超音波で洗浄し、残留破片や基板上の汚染物質を除去する。次に、イソプロピルアルコール(isopropyl alcohol, IPS)が入ったビーカーの中に基板を置いて、超音波清浄器を使用して20分間超音波洗浄し、アセトンまたは他の可能な残さ油(oil residue)を除去する。それから、脱イオン水(de-ionized water)が入ったビーカーの中に基板を置いて、超音波清浄器を使用して20分間超音波洗浄する。そして、基板をニトロゲンガス注入器でブロードライする。さらに、110℃のオーブンに約10分間基板を置いて乾かし、余分な水分を除去する。洗浄したFTO導電ガラス基板に二酸化チタンペースト(titania paste, Solaronix社により製造された)を置いて、ナイフで均一な膜に切り取る。陰で乾かした後、導電ガラス基板と二酸化チタンペーストの薄膜を約450℃のオーブンの中で焼結する。こうして、厚さが約8umの電極薄膜を形成し、作用電極の製造が完成する。
作用電極を加熱板に置いて、80度に加熱する。水分を除去した後、染料(Solaronix N719)吸着のプロセスを行う。染料吸着プロセスの期間は、約24時間である。染料が光に照射されないようにして、接触効果により染料分子が分解されて、効果を下げるのを防ぐ。
洗浄されたITOガラス基板を直流スパッタ装置のホルダーに置く。ここで、仕事率を175Wに調整して、アルゴン(argon)ガスの流量を約10sccmで維持し、スパッタリング圧力を約1mTorrに設定する。スパッタリングプロセスを約10秒間行って、厚さが約30nmの白金対電極を形成する。
電解質は、電荷転送を行う媒体であり、主に、三ヨウ素イオン/ヨウ素イオン(I3 -/I-)等の酸化/還元対によって、電子を転送する。使用する溶剤は、アセトニトリル(acetonitrile, AN)であり、界面活性剤として0.5Mの4−tert−ブチルピリジン(4-tert-butylpyridine, TBP)を使用する。(I3 -/I-)は、0.6Mの1−ブチル−3−カルボキシピリジニウムヨウ化物(1-butyl-3-carboxylpyridinium iodide)と、0.03Mのヨウ素分子(I2)から成る。その後、0.1Mのグアニジンチオシアナート(guanidinium thiocyanate, GuSCN (C2H6N4SまたはCH5N3・HSCN))を加えて、光電圧を増加させる。続いて、0.1MのLiIを加える。ゲル化した後、電解質処方が得られる。上記の成分を加える順序はゲル化のプロセスに影響しないため、実際の要求および状況に応じて修正してもよい。
色素増感太陽電池はサンドイッチ構造を有し、この構造における各層の順序は、TCO/増感された(sensitized)TiO2/ゲル電解質組成/Pt/TCOである。さらに、スペーサまたは封入剤(encapsulant)として、デュポン(DuPont)社によって製造されたSurlyn(R)エチレン共重合体(ethylene copolymer)、またはSolaronix(R) SX1170-60エチレン共重合体(厚さが60ミクロンのサーモプラスト熱溶解封止シート)シリーズを使用して、TiO2作用電極と対電極とを分離し、電解質組成によって充填されるべき通路を提供する。それから、熱可塑性接着膜(thermal adhesive film)を使用して2つの電極間を接着し、電池の予備実装が完成する。
光電変換効率検出システムは、ソーラーシュミレータ(solar simulator)と、Keithley 2400多機能デジタルパワーメータとを備える。ソーラーシュミレータの仕事率を100mW/cm2に校正する。それから、ソーラーシュミレータの光源の下に実装された電池を置いて、効率測定を実行する。測定の間、Keithley 2400のスキャン電圧を−0.1〜1V、延滞時間を100ミリ秒(ms)に設定して、色素増感太陽電池(DSSC)によって生成された電流を記録し、電流対電圧(I‐V)特性曲線を獲得する。I‐V曲線から、開路電圧Voc、短絡電流Isc、最大出力電圧(Vm、Vmax)、最大出力電流(Im、Imax)を得る。公式1から、充填率(filling factor, FF)を計算することができる。FFを電極の面積で割って、電流密度対電圧曲線(J‐V曲線)を得る。別の公式2を使用して、光電変換効率(η)を計算する。ここで、Pinは、入射光出力密度である。
[例2]
[例3]
[例4]
[例5]
[例6]
[例7]
[例8]
[比較例]
102 作用電極
104 対電極
106 ゲル電解質組成
110 白金層
112、114 透明導電基板
116 金属酸化物薄膜
118 スペーサ
Claims (19)
- (a)式(1)で表される置換または非置換ピリジンと、
(b)金属塩MY(ここで、Mはアルカリ群(IA)の金属カチオンであり、Yはハロゲンアニオンである)と、
(c)ハロゲン分子と、
(d)下記の式(2)の1つで表される置換または非置換ニコチン酸と、
(e)溶剤とを含み、1つ以上のポリマーおよび低分子ゲル化剤を含まないゲル電解質組成。 - 前記置換または非置換ピリジンの含量が、約0.3M〜1.2M(モル/リットル)であり、前記金属塩MYの含量が、約0.05M〜0.2M(モル/リットル)であり、前記ハロゲン分子の含量が、約0.03M〜1.0M(モル/リットル)であり、前記置換または非置換ニコチン酸の含量が、約0.3M〜1.0M(モル/リットル)である請求項1記載のゲル電解質組成。
- (1)前記金属塩MYが金属ヨウ化物塩であり、前記ハロゲン分子がヨウ素分子である、あるいは、(2)前記金属塩MYが臭化物塩であり、前記ハロゲン分子がヨウ素分子である請求項1記載のゲル電解質組成。
- グアニジンチオシアナート(GuSCN)をさらに含む請求項1記載のゲル電解質組成。
- 前記組成が、ポリマーおよび低分子ゲル化剤を含まない請求項1記載のゲル電解質組成。
- 作用電極と、
前記作用電極に対応して配置された対電極と、
前記作用電極と前記対電極の間に配置された請求項1のゲル電解質組成とを備えた色素増感太陽電池。 - (1)前記金属塩MYが金属ヨウ化物塩であり、前記ハロゲン分子がヨウ素分子である、あるいは、(2)前記金属塩MYが臭化物塩であり、前記ハロゲン分子がヨウ素分子である請求項6記載の色素増感太陽電池。
- 前記対電極が、白金でめっきされた透明導電基板を備えた請求項6記載の色素増感太陽電池。
- 前記作用電極が、
透明導電基板と、
前記透明導電基板の表面に形成され、染料を有する金属酸化物薄膜とを備えた請求項6記載の色素増感太陽電池。 - 前記染料が、ルテニウム、オスミウム、鉄、イリニウム、白金、および亜鉛から成る群から選ばれた金属を含んだ金属錯体を含む請求項9記載の色素増感太陽電池。
- 前記染料が、非金属有機化合物を含む請求項9記載の色素増感太陽電池。
- 前記金属酸化物薄膜が、TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2、またはTixAlyOz(ここで、x=1〜3、y=1〜3、z=1〜6)を含む請求項9記載の色素増感太陽電池。
- 前記透明導電基板が、ガラス、プラスチック、または金属を含む請求項9記載の色素増感太陽電池。
- 前記組成が、ポリマーおよび低分子ゲル化剤を含まない請求項6記載の色素増感太陽電池。
- 前記請求項1のゲル電解質組成を調合する方法であって、
前記置換または非置換ニコチン酸および前記ハロゲン分子を前記溶剤に溶かして、第1溶液を形成することと、
前記金属塩MYを前記第1溶液に添加することと、
前記置換または非置換ピリジンを前記第1溶液に添加して、第2溶液を形成することと、
前記第2溶液をかき混ぜて、前記第2溶液をゲル化し、前記ゲル電解質組成を形成することとを含む方法。 - (1)前記金属塩MYが金属ヨウ化物塩であり、前記ハロゲン分子がヨウ素分子である、あるいは、(2)前記金属塩MYが臭化物塩であり、前記ハロゲン分子がヨウ素分子である請求項15記載の方法。
- 前記組成が、ポリマーおよび低分子ゲル化剤を含まない請求項15記載の方法。
- (a)式(1)で表される置換または非置換ピリジンと、
(b)金属塩MY(ここで、Mはアルカリ群(IA)の金属カチオンであり、Yはハロゲンアニオンである)と、
(c)ハロゲン分子と、
(d)下記の式(2)の1つで表される置換または非置換ニコチン酸と、
(e)溶剤とを、混合して調合され、1つ以上のポリマーおよび低分子ゲル化剤を含まないゲル電解質組成。 - 前記組成が、ポリマーおよび低分子ゲル化剤を含まない請求項18記載のゲル電解質組成。
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