JP5308661B2 - Catalyst electrode for dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素増感太陽電池の触媒電極、及びそれを備えた色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode of a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell including the same.
近年、半導体層に可視光域を吸収させる増感色素を担持させた色素増感型太陽電池が検討されている。この色素増感型太陽電池は、使用する材料が安価であること、比較的シンプルなプロセスで製造できること等の利点からその実用化が期待されている。
上記の色素増感型太陽電池は、可視光を吸収して励起した増感色素から半導体電極に電子が注入され、集電体を通して外部に電流が取り出される。一方、増感色素の酸化体は電解質中の酸化還元対により還元されて再生する。酸化された酸化還元対は、半導体電極に対向して設置された触媒電極表面で還元されてサイクルが一周する。
色素増感型太陽電池に従来用いられている触媒電極としては、電極基体上に、塩化白金酸を塗布、熱処理したものや、白金を蒸着した白金触媒電極が知られている。この触媒電極においては、電解質中の酸化還元対(例えば、I3 ー/I-等)の酸化体を還元体に還元する還元反応(I3 -をI-に還元する還元反応)を速やかに進行させることが可能な電極特性を有するものが求められている。In recent years, dye-sensitized solar cells in which a sensitizing dye that absorbs a visible light region is supported on a semiconductor layer have been studied. This dye-sensitized solar cell is expected to be put to practical use because of the advantages that it is inexpensive and can be manufactured by a relatively simple process.
In the dye-sensitized solar cell, electrons are injected into the semiconductor electrode from the sensitizing dye excited by absorbing visible light, and current is taken out through the current collector. On the other hand, the oxidized form of the sensitizing dye is reduced and regenerated by a redox pair in the electrolyte. The oxidized redox pair is reduced on the surface of the catalyst electrode placed opposite to the semiconductor electrode, and the cycle goes around.
Known catalyst electrodes conventionally used in dye-sensitized solar cells include those obtained by applying chloroplatinic acid on a substrate and heat-treating it, and platinum catalyst electrodes obtained by depositing platinum. In this catalyst electrode, oxidation-reduction pair in the electrolyte (e.g., I 3 over / I -, etc.) an oxidant reduction reaction for reducing the reduction of the (I 3 - - The I reduction reaction reduced to) promptly What has the electrode characteristic which can be advanced is calculated | required.
しかしながら、電解質は実用を考慮して高粘度化やゲル化などが検討されているが、上記に示したような白金触媒電極を備えた色素増感型太陽電池において、電解質の高粘度化にともない酸化還元対であるヨウ素の拡散が該太陽電池内の電子移動反応の律速過程となっており、太陽電池特性を低下させてしまうという問題があった。このため、触媒電極表面でのヨウ素還元反応を速やかに進行させるためには膜厚を厚く、かつ、凹凸を形成させて表面積を拡大させる必要があり、その結果白金使用量が増加し、または製造プロセスが煩雑になり製造コストが高くなるという問題があった。さらに、白金は、水あるいは酸素存在下電解質として一般的に用いられている有機溶媒中に溶解することが知られており、その使用は安定性の面からも問題があった。 However, in view of practical use, electrolytes have been studied for higher viscosity and gelation. However, in the dye-sensitized solar cell provided with the platinum catalyst electrode as described above, the electrolyte is increased in viscosity. The diffusion of iodine, which is a redox couple, is the rate-limiting process of the electron transfer reaction in the solar cell, and there is a problem that the solar cell characteristics are deteriorated. For this reason, in order to rapidly proceed the iodine reduction reaction on the surface of the catalyst electrode, it is necessary to increase the surface area by increasing the film thickness and forming irregularities, resulting in an increase in the amount of platinum used or production. There is a problem that the process becomes complicated and the manufacturing cost increases. Furthermore, it is known that platinum dissolves in an organic solvent generally used as an electrolyte in the presence of water or oxygen, and its use has a problem in terms of stability.
特許文献1には、含窒素複素環化合物からなる正極(触媒電極)を用いた、安価で簡便な構成の太陽電池が開示されている。該方法によればポリアニリンまたは、ポリピロール等を被覆した電極と二酸化チタンを被覆した電極を密着させることでpn接合を形成し、太陽光に敏感な太陽電池としている。また、両電極上に増感色素をドープさせることで可視光領域まで感光域を広げることができるとされている。
しかしながら、この含窒素複素環化合物を用いた太陽電池においては、含窒素複素環化合物をp型半導体として光励起させつつも、電解質を介在させてキャリアを輸送する手法を用いており、前述の色素増感型太陽電池における白金を用いた触媒電極に比べても著しく発生光電流が低く、その実用化は困難であった。Patent Document 1 discloses a solar cell having an inexpensive and simple configuration using a positive electrode (catalyst electrode) made of a nitrogen-containing heterocyclic compound. According to this method, a pn junction is formed by bringing an electrode coated with polyaniline or polypyrrole or the like and an electrode coated with titanium dioxide into close contact, and a solar cell sensitive to sunlight is obtained. It is also said that the photosensitive region can be expanded to the visible light region by doping a sensitizing dye on both electrodes.
However, in the solar cell using this nitrogen-containing heterocyclic compound, a method of transporting carriers through an electrolyte is used while photoexciting the nitrogen-containing heterocyclic compound as a p-type semiconductor. Compared with the catalyst electrode using platinum in the sensitive solar cell, the generated photocurrent was remarkably low, and its practical use was difficult.
特許文献2には、導電性材料の多孔質層で形成された背面電極(触媒電極)を用いた染料増感光起電力セル、すなわち色素増感型太陽電池が開示されている。該特許における背面電極は、その多孔性によって拡大された表面積を有し、その結果電解質との電子交換に関して高い触媒効率を達成すると記載されている。
この特許文献2には、前記多孔質層を形成する導電性材料の一種として、導電性セラミック粒子とともに導電性有機ポリマー、すなわち導電性高分子が例示されている。これら導電性粒子には、金属粉末、グラファイト粉末、カーボンブラック、プラチナ族金属の触媒性堆積を選択肢として有しているとされ、その後背面電極に分散すると記載されている。すなわち、導電性高分子に関しては、担体として作用しており、触媒を施すことができる。これらの中でもグラファイト粉末とカーボンブラックとの組合せが、腐食抵抗性と酸化還元対に対する電気触媒作用を有しており、優れている旨が記載されており、優れた触媒作用を有する理由としては、カーボンブラックの非常に大きな表面積によるものと記載されている。また、これらの紛末を凝集及び固着させるために接着剤が必要とされ、該接着剤としては二酸化チタンを焼結させることで好適に利用できる旨記載されている。
しかしながら、この特許文献2における触媒電極の作製方法は、接着剤が必要とされる上に作製工程も煩雑で、その上熱処理が必要とされ、製造プロセス及び製造コストの面で大変不利である。また、接着剤として例示されている二酸化チタンは触媒能を有しておらず、電極体積あたりの触媒能を低下させてしまっている。また、導電性高分子の利用に関し、前述のように導電性高分子自体を該還元反応の触媒としては利用してはおらず、触媒性物質の堆積が求められるなど、カーボンブラック等に比べ劣った性能しか発現していない。さらに、導電性高分子を用いた場合、接着工程における焼成により導電性高分子の電導度が低下してしまうため、該作製方法にはそもそも適した材料とは言えない。一方、金属を触媒として堆積させた場合においても、現状の酸化還元対として最もよく使用されているI-/I3 -系では、ヨウ素による金属の腐食は免れ得ない。一方で、白金などの貴金属ではコスト問題はまったく解決できていない。カーボンを触媒とした場合、白金よりも触媒能が低いため触媒層はより厚くしなければならず、上記酸化還元対の拡散の問題がより深刻に影響してしまう。However, the method for producing a catalyst electrode in
特許文献3には、モノマーを重合させると同時に形成される有機膜からなるホール集電電極(触媒電極)を使用した色素増感型太陽電池が開示されている。
この特許文献3によると、従来の触媒電極形成方法に比べ、簡潔な工程で安価にホール集電電極を作製でき、製造プロセス及び製造コストの面で有利な色素増感型太陽電池を提供し得るが、電池特性の面では従来の白金を用いた触媒電極を使用した色素増感型太陽電池と同程度の性能である。
触媒電極表面でのヨウ素還元反応を速やかに進行させるためには、上述の白金を用いた触媒電極と同様に、表面積を増大させる必要があるものの、該特許文献3で例示されているホール集電体作製方法は、モノマーを含む溶液をスピンコート法により塗布した後、加熱処理することで重合を進行させる方法である。すなわち、該作製方法では、所望の高表面積の触媒電極を得ることはできず、これ以上の性能向上は望めない。Patent Document 3 discloses a dye-sensitized solar cell using a hole current collecting electrode (catalyst electrode) made of an organic film formed simultaneously with polymerization of a monomer.
According to Patent Document 3, a hole-collecting electrode can be produced at a low cost by a simple process as compared with a conventional catalyst electrode forming method, and a dye-sensitized solar cell advantageous in terms of manufacturing process and manufacturing cost can be provided. However, in terms of battery characteristics, the performance is comparable to that of a conventional dye-sensitized solar cell using a catalyst electrode using platinum.
In order to rapidly advance the iodine reduction reaction on the surface of the catalyst electrode, the surface area of the hole must be increased as in the case of the above-described catalyst electrode using platinum. The body preparation method is a method in which polymerization is advanced by applying a solution containing a monomer by spin coating and then heat-treating the solution. That is, in this production method, a catalyst electrode having a desired high surface area cannot be obtained, and further improvement in performance cannot be expected.
また、前記作製方法では、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を熱処理により重合することが記載されているが、熱処理では製造コストが上昇してしまう。また、該材料は白金よりも安価ではあるが、実用性を考慮した場合、依然として高価であるとともに、現状ではその供給元も限られている。さらに、熱処理を施すため、プラスチックやフィルムなどを電極機体として使用できない。
また、特許文献3においては、複数の素子(電池)が共通の電気絶縁性の透明基板上に形成され、さらに該複数の素子を直列接続した構造についても言及しているが、例示された作製方法としては、基板上に直接重合させて形成した場合、物理的手法によりお互いが接触しない様にストライプ状に切り離して用いるとある。また、他の方法としては、別途重合・膜化した後剥離して作製した自立膜を用いるとあり、共に作業が煩雑で実用には向いていない。Moreover, although the said manufacturing method describes superposing | polymerizing poly (3,4-ethylene dioxythiophene) by heat processing, manufacturing cost will raise by heat processing. Moreover, although this material is cheaper than platinum, when practicality is considered, it is still expensive and the supply source is also limited at present. Furthermore, since heat treatment is performed, plastic or film cannot be used as an electrode body.
Further, in Patent Document 3, a plurality of elements (batteries) are formed on a common electrically insulating transparent substrate, and a structure in which the plurality of elements are connected in series is also referred to. As a method, when it is formed by directly polymerizing on a substrate, it is used by separating it into stripes so as not to contact each other by a physical method. Another method is to use a self-supporting film that is separately polymerized and filmed and then peeled off, both of which are cumbersome and are not suitable for practical use.
特許文献4には、触媒活性を有する対電極を持つ光電気化学電池(色素増感型太陽電池)が開示されている。この特許文献4によれば、該対電極の触媒活性を有する表面が、少なくとも1つの重合体、または、少なくとも一つの重合体塩、あるいは、その両方を有し、当該重合体または重合体塩が、電解液のレドックス系により、固有の導電性の重合体になる旨が記載されている。
特許文献4においては、従来の技術として、対電極として炭素層が使用されている光電気化学電池を紹介し、炭素の触媒活性は乏しいため表面積を大きくするか、触媒活性を持たせる必要があると記載している。しかしながら、該文献では、具体的な触媒活性を有する物質が明記されず、また実施例も挙げられてはない。
一方、対電極の作製方法として、特許文献4には、基材上に導電性層を作成し、次に被覆を作成するとの記載がある。導電性層としては、重合体、または、重合体塩、あるいは、その両方によるとされ、該重合体もしくは重合体塩としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンのいずれかをベースとする重合体とされている。
特許文献4にはまた、対電極の表面が触媒活性を有しているとの記載とともに、触媒活性を有する表面が、ポリエチレン・ジオキシチオフェンを含むか、または完全にポリエチレン・ジオキシチオフェンから成ることが望ましいとの記載がある。したがって、導電性層上に被覆されたポリエチレン・ジオキシチオフェンが触媒活性を有する物質と言えるが、前記特許文献3と同様にコスト面で大きな問題が残されている。Patent Document 4 discloses a photoelectrochemical cell (a dye-sensitized solar cell) having a counter electrode having catalytic activity. According to Patent Document 4, the surface having the catalytic activity of the counter electrode has at least one polymer, or at least one polymer salt, or both, and the polymer or polymer salt is In addition, it is described that a redox system of an electrolytic solution results in an inherently conductive polymer.
In Patent Document 4, as a conventional technique, a photoelectrochemical cell in which a carbon layer is used as a counter electrode is introduced. Since the catalytic activity of carbon is poor, it is necessary to increase the surface area or to have catalytic activity. It is described. However, this document does not specify a substance having a specific catalytic activity, nor does it give an example.
On the other hand, as a method for producing the counter electrode, Patent Document 4 describes that a conductive layer is formed on a substrate and then a coating is formed. The conductive layer is based on a polymer and / or a polymer salt, and the polymer or polymer salt is a polymer based on any one of polyaniline, polypyrrole, and polythiophene. Yes.
Patent Document 4 also describes that the surface of the counter electrode has catalytic activity, and the surface having catalytic activity contains polyethylene dioxythiophene or consists entirely of polyethylene dioxythiophene. There is a description that it is desirable. Therefore, although polyethylene dioxythiophene coated on the conductive layer can be said to be a substance having catalytic activity, a large problem in terms of cost remains as in Patent Document 3.
非特許文献1には、イオン液体電解質とポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)対極を用いた色素増感太陽電池が記載されている。該文献においては、PEDOT対極の作製方法として、ポリスチレンスルホン酸アニオンをドーパントとしたPEDOT粒子の分散水溶液を、導電性ガラス上にスピンコートして成膜、乾燥後さらに熱処理する工程を繰り返していると記載されている。
この作製方法は煩雑であるとともに、熱処理も行なうため製造コストが高いという問題点がある。しかも、スピンコート法では、実用化時における素子のパターニングを行なうことは困難である。加えて、粒子を積層するだけでは粒子間の接触が不十分なため、十分な導電性は得られないという問題や、物理的な耐久性が低い、表面積の調整が困難であるという問題点もあった。
特許文献5には、導電性ポリアニリン分散液から形成された導電性基板を用いた色素増感太陽電池が開示されている。
種々の技術が提案されているが、依然としてより安価な製造コストとプロセスで作製でき、かつ優れた電池特性を示す色素増感型太陽電池が求められている。Non-Patent Document 1 describes a dye-sensitized solar cell using an ionic liquid electrolyte and a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) counter electrode. In this document, as a method for producing a PEDOT counter electrode, a process of spin-coating a dispersed aqueous solution of PEDOT particles having a polystyrene sulfonate anion as a dopant on a conductive glass, drying, and further heat-treating is repeated. Have been described.
This manufacturing method is complicated and has a problem that the manufacturing cost is high because heat treatment is also performed. Moreover, it is difficult to perform patterning of elements at the time of practical use by the spin coating method. In addition, there is a problem that sufficient electrical conductivity cannot be obtained because the contact between the particles is insufficient by simply laminating the particles, and that the physical durability is low and the adjustment of the surface area is difficult. there were.
Various techniques have been proposed, but there is a need for a dye-sensitized solar cell that can be produced with a lower manufacturing cost and process and that exhibits excellent battery characteristics.
本発明は上記した実情に鑑み、色素増感型太陽電池用の触媒電極であって、安価な材料および簡便な製造方法により作製でき、かつ、電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することのできる、耐久性に優れた触媒電極を提供することを目的とする。
本発明の目的はまた、色素増感型太陽電池において電解質層を介して半導体電極に対向配置する用途に向けた多孔性触媒電極を製造するにあたって、バインダーなどを用いることなく安価な材料により簡便に操作性よく、かつ小エネルギーにて電極特性に優れた該電極を製造する方法を提供することである。本発明の目的はまた、集電体との密着性及び集電性に優れ、かつ大きな表面積を有し、電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することのできる、耐久性に優れた色素増感型太陽電池用の多孔性触媒電極を提供することである。
本発明の目的はまた、安価な材料および簡便な製造方法により作製でき、かつ、従来よりも薄い膜厚においても電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することができる優れた触媒電極を提供することである。
本発明の目的はさらに、上記触媒電極を備え、優れた光電変換効率を有する色素増感型太陽電池を提供することであり、所望によっては透明性のある色素増感型太陽電池を提供することである。In view of the above-described circumstances, the present invention is a catalyst electrode for a dye-sensitized solar cell, which can be produced by an inexpensive material and a simple manufacturing method, and can quickly produce an oxidant of a redox pair contained in an electrolyte. An object of the present invention is to provide a catalyst electrode excellent in durability that can be reduced to a low level.
The object of the present invention is also to easily manufacture a porous catalyst electrode for use in a dye-sensitized solar cell facing the semiconductor electrode via an electrolyte layer, by using an inexpensive material without using a binder. An object of the present invention is to provide a method for producing an electrode having good operability and excellent electrode characteristics with small energy. The object of the present invention is also excellent in adhesion and current collection with a current collector, having a large surface area, and capable of rapidly reducing an oxidant of a redox pair contained in an electrolyte. It is an object of the present invention to provide a porous catalyst electrode for a dye-sensitized solar cell excellent in the above.
The object of the present invention is also excellent in that it can be produced by an inexpensive material and a simple manufacturing method, and can quickly reduce the oxidant of the redox couple contained in the electrolyte even in a thinner film thickness than before. It is to provide a catalytic electrode.
Another object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell having the above catalyst electrode and having excellent photoelectric conversion efficiency, and to provide a transparent dye-sensitized solar cell if desired. It is.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、色素増感型太陽電池用の触媒電極において、導電性高分子、例えばアニリンもしくはアニリン誘導体の重合物、もしくはアニリンとアニリン誘導体の2種以上のコモノマーによるコポリマーを用いた導電性高分子層を含む電極が、酸化還元対の酸化体を速やかに還元することができる触媒電極となることを見出した。
本発明者らはまた、電極基体上に電解重合により導電性高分子層を形成させることにより触媒電極を安価に簡便に作製でき、かつそのように作られた導電性高分子層は、薄い膜厚においても酸化還元対の酸化体を速やかに還元することができ、所望により透明性を持たせることもできる触媒電極となることを見出した。
本発明者らはさらに、触媒電極の構造として、集電体兼支持体として働く電極基体上に緻密な導電性高分子層を形成した上で、該緻密な導電性高分子層上に、電極の作用部分として多孔性の導電性高分子層を設けた、3層以上の構造を形成させることにより、より電極特性と耐久性に優れた触媒電極が得られることを見出した。As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that in a catalyst electrode for a dye-sensitized solar cell, a conductive polymer such as a polymer of aniline or an aniline derivative, or an aniline and aniline derivative. It has been found that an electrode including a conductive polymer layer using a copolymer of two or more kinds of comonomers can be a catalyst electrode that can rapidly reduce an oxidized form of a redox couple.
The inventors of the present invention can also easily produce a catalyst electrode at a low cost by forming a conductive polymer layer by electrolytic polymerization on an electrode substrate, and the conductive polymer layer thus produced is a thin film. It has been found that the oxide of the redox couple can be rapidly reduced even in the thickness, and the catalyst electrode can be made transparent as desired.
Furthermore, the present inventors further formed a dense conductive polymer layer on an electrode substrate serving as a current collector / support as a structure of the catalyst electrode, and then formed an electrode on the dense conductive polymer layer. It has been found that a catalyst electrode having more excellent electrode characteristics and durability can be obtained by forming a structure of three or more layers provided with a porous conductive polymer layer as an active part.
従って、本発明は、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを有する色素増感型太陽電池において、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される触媒電極であって、電極基体上に、導電性高分子層を有することを特徴とする触媒電極である。
上記導電性高分子を形成するモノマーとして、芳香族アミン化合物があり、さらに具体的にアニリンおよびアニリン誘導体がある。該アニリン誘導体の例としてアニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、及びN-メチルアニリンなどがある。該アニリン誘導体の別の例として、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどがある。上記導電性高分子を形成する別のモノマーとして、チオフェン化合物が挙げられる。チオフェン化合物にはチオフェン及びチオフェン誘導体が含まれ、該チオフェン誘導体として、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、3-メチルチオフェン、3-ブチルチオフェン、3-オクチルチオフェンなどがある。上記導電性高分子を形成する別のモノマーとして、ピロール、ピロール誘導体、フラン、ピリジン、ベンゼンなどが挙げられる。該ピロール誘導体には3-メチルピロール、3-ブチルピロール、3-オクチルピロールなどがある。Therefore, the present invention provides a dye-sensitized solar cell having a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action and an electrolyte layer containing a chemical species that serves as a redox pair, with the electrolyte layer interposed therebetween. The catalyst electrode is disposed opposite to the semiconductor electrode, and has a conductive polymer layer on the electrode substrate.
Examples of the monomer that forms the conductive polymer include aromatic amine compounds, and more specifically, aniline and aniline derivatives. Examples of the aniline derivative include anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, and N-methylaniline. Other examples of the aniline derivative include trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline, and halogenated aniline. A thiophene compound is mentioned as another monomer which forms the said conductive polymer. Thiophene compounds include thiophene and thiophene derivatives, such as tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3-phenylthiophene, 3,4-ethylenedioxythiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3 -Octylthiophene. Examples of another monomer that forms the conductive polymer include pyrrole, pyrrole derivatives, furan, pyridine, and benzene. Examples of the pyrrole derivative include 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole, and 3-octylpyrrole.
本発明はまた、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを少なくとも有する色素増感型太陽電池において、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される触媒電極であって、電極基体と、該電極基体上に電気化学的な重合により形成された導電性高分子層を少なくとも含んでいることを特徴とする触媒電極である。
本発明はまた、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを少なくとも有する色素増感型太陽電池において、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される触媒電極の製造方法であって、電極基体上に電気化学的な重合により導電性高分子層を形成させることを含む、触媒電極の製造方法である。The present invention also provides a dye-sensitized solar cell having at least a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action and an electrolyte layer containing a chemical species serving as a redox pair, with the electrolyte layer interposed therebetween. The catalyst electrode is disposed opposite to the semiconductor electrode, and includes at least an electrode base and a conductive polymer layer formed by electrochemical polymerization on the electrode base. It is.
The present invention also provides a dye-sensitized solar cell having at least a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action and an electrolyte layer containing a chemical species serving as a redox pair, with the electrolyte layer interposed therebetween. A method for producing a catalyst electrode disposed opposite to the semiconductor electrode, the method comprising forming a conductive polymer layer on the electrode substrate by electrochemical polymerization.
上記の電気化学的な重合による導電性高分子を形成するモノマーとして、下記式で示される芳香族アミン化合物がある。
上記芳香族アミン化合物として、アニリン、アニシジン、トルイジン、フェニレンアジアミンなどがある。As a monomer for forming the conductive polymer by the above electrochemical polymerization, there is an aromatic amine compound represented by the following formula.
Examples of the aromatic amine compound include aniline, anisidine, toluidine, and phenylenediamine.
上記の電気化学的な重合による導電性高分子を形成するモノマーとして、下記一般式(1)または(2)で表される芳香族アミン化合物がある。
上記の電気化学的な重合による導電性高分子を形成するモノマーとして、また、下記一般式(3)で示されるチオフェン化合物が挙げられる。
該チオフェン化合物として、チオフェン、3-メチルチオフェン、3-ブチルチオフェン、3-オクチルチオフェン、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などが挙げられる。Examples of the monomer that forms the conductive polymer by electrochemical polymerization include a thiophene compound represented by the following general formula (3).
Examples of the thiophene compound include thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-octylthiophene, tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3-phenylthiophene, and 3,4-ethylenedioxythiophene.
本発明はさらに、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを有する色素増感型太陽電池において、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される多孔性触媒電極であって、電極基体表面上に、導電性高分子を形成するモノマーを緻密に重合させてなる導電性高分子層を有し、前記導電性高分子層上に、電極の作用部分として、導電性高分子を形成するモノマーを重合させてなる多孔質導電性高分子層を有する、多孔性触媒電極である。
本発明はさらに、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを有する色素増感型太陽電池において、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される多孔性触媒電極の製造方法であって、(a)電極基体表面上に、導電性高分子を形成するモノマーを緻密に重合させてなる導電性高分子層を形成させる工程、及び
(b)前記導電性高分子層上に、電極の作用部分として、導電性高分子を形成するモノマーを重合させてなる多孔質導電性高分子層を形成させる工程、を含む多孔性触媒電極の製造方法である。The present invention further provides a dye-sensitized solar cell having a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action, and an electrolyte layer containing a chemical species that serves as a redox pair, via the electrolyte layer. A porous catalyst electrode disposed opposite to the semiconductor electrode, the electrode having a conductive polymer layer formed by densely polymerizing a monomer that forms a conductive polymer on the surface of the electrode substrate; It is a porous catalyst electrode having a porous conductive polymer layer obtained by polymerizing a monomer that forms a conductive polymer as a working part of the electrode on the molecular layer.
The present invention further provides a dye-sensitized solar cell having a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action, and an electrolyte layer containing a chemical species that serves as a redox pair, via the electrolyte layer. A method for producing a porous catalyst electrode disposed opposite to a semiconductor electrode, wherein (a) a conductive polymer layer is formed on a surface of an electrode substrate by densely polymerizing a monomer that forms a conductive polymer. And a step of causing
(b) a step of forming a porous conductive polymer layer obtained by polymerizing a monomer that forms a conductive polymer on the conductive polymer layer as an active part of the electrode. It is a manufacturing method.
上記の緻密に重合させてなる導電性高分子層又は多孔質導電性高分子層の該導電性高分子を形成するモノマーとして、芳香族化合物が挙げられる。芳香族化合物の具体例として、ピロール、ピロール誘導体、チオフェン、チオフェン誘導体、アニリン、アニリン誘導体、フラン、ピリジン、ベンゼン等が挙げられる。また、これら芳香族化合物の水素原子の一部を炭素数8までのアルキル基、アルコキシ基又はアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、ニトロ基、アミノ基、カルボキシル基、スルホ基、またはホスホニウム基で置換した化合物を用いても構わない。ピロール誘導体の具体例として、3-メチルピロール、3-ブチルピロール、3-オクチルピロールなどがあり、チオフェン誘導体の例として、3-メチルチオフェン、3-ブチルチオフェン、3-オクチルチオフェン、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などがあり、アニリン誘導体の例としてアニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンアジアミン、ヒドロキシアニリン、N-メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどがある。 An aromatic compound is mentioned as a monomer which forms this conductive polymer of the conductive polymer layer or porous conductive polymer layer formed by the above-mentioned dense polymerization. Specific examples of the aromatic compound include pyrrole, pyrrole derivatives, thiophene, thiophene derivatives, aniline, aniline derivatives, furan, pyridine, benzene and the like. In addition, a part of hydrogen atoms of these aromatic compounds may be an alkyl group having up to 8 carbon atoms, an alkoxy group or an aryl group, a cyano group, a thiocyano group, a halogen group, a nitro group, an amino group, a carboxyl group, a sulfo group, or a phosphonium. A compound substituted with a group may be used. Specific examples of the pyrrole derivative include 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole, and 3-octylpyrrole. Examples of the thiophene derivative include 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-octylthiophene, tetradecylthiophene, There are isothianaphthene, 3-phenylthiophene, 3,4-ethylenedioxythiophene, and examples of aniline derivatives are anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N-methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline , Cyanoaniline, and halogenated aniline.
本発明はさらに、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を少なくとも含む電解質層と、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される触媒電極とを少なくとも有する色素増感型太陽電池であって、該触媒電極が、上記の触媒電極である、色素増感型太陽電池に向けられている。
本発明の色素増感型太陽電池の実施態様の一例として、複数の半導体電極が触媒電極に対向配置される集積型の色素増感型太陽電池があり、詳しくは、2以上の半導体電極が電解質層を介して、1つの触媒電極に対向して配置されていて、該触媒電極において少なくとも半導体電極と対向している部分に導電性高分子層が存在する、色素増感型太陽電池がある。The present invention further includes a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action, an electrolyte layer containing at least a chemical species serving as a redox pair, and the semiconductor electrode disposed opposite to the electrolyte layer. A dye-sensitized solar cell having at least a catalyst electrode, the catalyst electrode being directed to the dye-sensitized solar cell which is the catalyst electrode.
As an example of the embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention, there is an integrated dye-sensitized solar cell in which a plurality of semiconductor electrodes are arranged to face a catalyst electrode. Specifically, two or more semiconductor electrodes are electrolytes. There is a dye-sensitized solar cell in which a conductive polymer layer is present at least in a portion of the catalyst electrode facing the semiconductor electrode, which is disposed to face one catalyst electrode through the layer.
本発明によれば、電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することのできる触媒電極、およびこれを備え、耐久性に優れた光電変換効率を有する色素増感型太陽電池を提供することができる。本発明の触媒電極において、還元反応速度を増大させることができる理由については未解明である。しかしながら、ポリアニリン骨格が有する酸化還元対の酸化体に対する還元触媒能が著しく高いことに加え、さらに、芳香族アミン化合物、例えばアニリン誘導体をモノマーとするホモポリマー又はコポリマー、もしくはアニリンとアニリン以外の芳香族アミン化合物(例えばアニリン誘導体)をコモノマーとするコポリマーを使用することにより、ポリアニリン単独よりも反応活性が向上したことから、導電性高分子の電荷密度や立体的な効果が影響しているものと考えられる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the catalyst electrode which can reduce | restore the oxidation body of the oxidation reduction pair contained in electrolyte rapidly, and a dye-sensitized solar cell provided with this and having the photoelectric conversion efficiency excellent in durability are provided. Can be provided. The reason why the reduction reaction rate can be increased in the catalyst electrode of the present invention is unclear. However, in addition to the remarkably high reduction catalytic ability of the redox couple of the polyaniline skeleton with respect to the oxidized form, an aromatic amine compound, for example, a homopolymer or copolymer using an aniline derivative as a monomer, or an aromatic other than aniline and aniline By using a copolymer with an amine compound (for example, an aniline derivative) as a comonomer, the reaction activity is improved compared to polyaniline alone, so the charge density and steric effect of the conductive polymer are considered to have an effect. It is done.
また、アニリン以外の芳香族アミン化合物、例えばアニリン誘導体を用いることで、立体的に、もしくは導電性高分子の還元電位をシフトさせることにより還元反応に伴うドーパントの脱離反応を抑制し、長期間光電変換効率を維持できるため、より耐久性が向上したと本発明者らは考える。
このようなアニリンおよびアニリン誘導体の重合工程は、酸化剤と反応させる化学重合、または、電気化学的に酸化重合するなど、非常に簡便かつ安価な方法で製造できる利点も有している。さらに、アニリンおよびアニリン誘導体を重合した場合、フィブリル状の多孔質膜が得られ易く、大きな表面積を確保できたことも該還元反応速度の増大に結びついたと考えられる。In addition, by using an aromatic amine compound other than aniline, such as an aniline derivative, the elimination potential of the dopant accompanying the reduction reaction can be suppressed sterically or by shifting the reduction potential of the conductive polymer. The present inventors consider that the durability is further improved because the photoelectric conversion efficiency can be maintained.
Such a polymerization step of aniline and aniline derivatives also has an advantage that it can be produced by a very simple and inexpensive method such as chemical polymerization in which an oxidant is reacted or electrochemical oxidation polymerization. Further, when aniline and an aniline derivative are polymerized, it is considered that a fibrillated porous membrane can be easily obtained and that a large surface area can be secured, which also leads to an increase in the reduction reaction rate.
さらに、触媒電極の導電性高分子層の形成に、電気化学的な酸化重合を採用することにより、室温大気雰囲気下において導電性高分子の重合を電気的に制御できるため、電極基体の任意の部分に選択的に導電性高分子膜を形成することができる、膜厚の調整が容易であるなどパターニング性に優れ、簡便で操作性よく、また、時間当たりの作製量も多く、かつ安価な製造コストで再現性良く導電性高分子層を備えた触媒電極を製造することができる。さらに、バインダーなど、本質的には電極特性を低下させるような添加剤を用いることなく電極を形成できるため、体積当たりの触媒活性の向上につながっている。
また、チオフェン化合物などの比較的酸化電位が高いモノマーを用いた場合でも、電気化学的に容易に酸化重合を行なう利点もある。
本発明の触媒電極において、電気化学的な酸化重合による導電性高分子層を備えたことにより、還元反応速度を増大させることができる理由としては次のようなことが考えられる。電気化学的に重合を行なうことにより生成する導電性高分子層は、酸化剤等を用いて化学的重合方法により形成させた場合よりも導電性に優れている上に、多孔質状態で形成されるため表面積が大きくなり、酸化還元対との電子授受を効率よく行なうことができる。特に、上述のようにアニリンおよびアニリン誘導体においては、電気化学的な重合法により特に容易に多孔質となるため有利である。
このように、本発明の触媒電極は、厚さが比較的薄くても電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することができ、高い性能を維持しながら導電性高分子層の厚みを従来よりも薄くすることができるため、透明性を付与することができるとともに、製造コストを低減することができる。Furthermore, by adopting electrochemical oxidative polymerization for the formation of the conductive polymer layer of the catalyst electrode, it is possible to electrically control the polymerization of the conductive polymer in a room temperature air atmosphere. A conductive polymer film can be selectively formed on the part, the film thickness can be easily adjusted, and the patterning is excellent, simple and easy to operate, and the production amount per hour is large and inexpensive. A catalyst electrode including a conductive polymer layer can be manufactured with good reproducibility at a manufacturing cost. Furthermore, since an electrode can be formed without using an additive such as a binder that essentially lowers electrode characteristics, the catalyst activity per volume is improved.
Further, even when a monomer having a relatively high oxidation potential such as a thiophene compound is used, there is an advantage that the oxidative polymerization can be easily performed electrochemically.
The reason why the catalyst electrode of the present invention can increase the reduction reaction rate by including the conductive polymer layer by electrochemical oxidative polymerization is considered as follows. The conductive polymer layer produced by electrochemical polymerization is superior in conductivity to the case where it is formed by a chemical polymerization method using an oxidizing agent or the like, and is formed in a porous state. Therefore, the surface area is increased, and electron exchange with the redox couple can be performed efficiently. In particular, as described above, aniline and aniline derivatives are advantageous because they become porous easily by an electrochemical polymerization method.
As described above, the catalyst electrode of the present invention can quickly reduce the oxidized form of the redox couple contained in the electrolyte even when the thickness is relatively thin, and the conductive polymer layer while maintaining high performance. Therefore, transparency can be imparted and the manufacturing cost can be reduced.
さらに本発明の方法に従って、集電体兼支持体として働く電極基体上に緻密な導電性高分子層を形成した上で、該緻密な導電性高分子層上に、電極の作用部分として多孔質の導電性高分子層を設けた、3層以上の構造を形成させることにより、集電体との密着性及び集電性に優れ、電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することのできる多孔性触媒電極を製造することができる。
上記の3層以上の構造を形成させた触媒電極において、電導度が高く、電極特性の優れた電極が得られる理由については以下のように考えられる。
すなわち、モノマーを緻密に重合することで高い導電性を有した高分子層を、電極の作用部分となる多孔質導電性高分子層と集電体として機能する電極基体との間に設けることにより、該電極作用部分と該電極基体との密着性を高めることが可能となり、該多孔質導電性高分子の電導性や集電性、さらには耐久性を向上させることができる。さらに、該電極基体表面の全体を高電導度の導電性高分子で被覆することで、電極にかかる電位が安定化するとともに、局所的な電界集中を緩和することで酸化還元対の酸化体を速やかに還元できることなどが挙げられる。
また、上述のように電極の作用部分を多孔質状態とすることで電極特性の向上に寄与できる。Further, according to the method of the present invention, a dense conductive polymer layer is formed on an electrode substrate serving as a current collector / support, and then the porous conductive layer is formed on the dense conductive polymer layer as a working part of the electrode. By forming a structure of three or more layers provided with a conductive polymer layer, it has excellent adhesion to the current collector and current collection, and quickly reduces the oxidant of the redox couple contained in the electrolyte. A porous catalyst electrode can be produced.
The reason why an electrode having a high conductivity and excellent electrode characteristics can be obtained in the catalyst electrode having the above three-layer structure is considered as follows.
That is, by providing a polymer layer having high conductivity by densely polymerizing the monomer between the porous conductive polymer layer serving as the active part of the electrode and the electrode substrate functioning as a current collector. Thus, it becomes possible to improve the adhesion between the electrode action portion and the electrode substrate, and to improve the conductivity, current collection, and durability of the porous conductive polymer. Furthermore, by covering the entire surface of the electrode substrate with a conductive polymer having high conductivity, the potential applied to the electrode is stabilized, and the oxidant of the redox pair is reduced by reducing local electric field concentration. It can be reduced quickly.
Moreover, it can contribute to the improvement of an electrode characteristic by making the action | operation part of an electrode into a porous state as mentioned above.
以下、本発明を実施するための最良の形態について適宜、図面を参照しながら、詳細に説明する。
図1は、本発明の色素増感型太陽電池の一例を表す断面模式図である。その色素増感型太陽電池において、透明基体2とその上に形成された透明導電膜3からなる電極基体1の表面に、多孔質金属酸化物半導体層4が形成され、さらに該多孔質金属酸化物半導体層4の表面には、増感色素層5が吸着されている。そして、電解質層6を介して、本発明の触媒電極7が対向して設置されている。
図2は、本発明の触媒電極の一例を表す断面模式図であって、触媒電極7が、支持体兼集積体として機能する電極基体8と、その表面上にある導電性高分子層9とからなる。図3は本発明の触媒電極の一例を表す断面模式図であって、触媒電極7において、支持体兼集電体として機能する電極基体8の表面上に、導電性高分子を形成するモノマーを緻密に重合させてなる導電性高分子層10、及びその緻密な導電性高分子層10の上に、電極の作用部分として、多孔質の導電性高分子層11が備えられている。Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the dye-sensitized solar cell of the present invention. In the dye-sensitized solar cell, a porous metal oxide semiconductor layer 4 is formed on the surface of an electrode substrate 1 comprising a
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the catalyst electrode of the present invention, in which the
以下、本発明の色素増感型太陽電池の各構成材料について、好適な形態を説明する。
[透明基体]
電極基体1を構成する透明基体2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、半透明なすりガラス状のものも使用できる。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。
透明基体2の厚さは、太陽電池の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、例えばガラスやプラスチックなどを用いた場合では、実使用時の耐久性を考慮して1mm〜1cm程度であり、フレキシブル性が必要とされ、プラスチックフィルムなどを使用した場合は、1μm〜1mm程度である。Hereinafter, a suitable form is demonstrated about each structural material of the dye-sensitized solar cell of this invention.
[Transparent substrate]
As the
The thickness of the
[透明導電膜]
透明導電膜3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、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。)、酸化亜鉛などが好適に用いることができる。また、分散させるなどの処理により可視光が透過すれば、不透明な導電性材料を用いることもできる。このような材料としては炭素材料や金属が挙げられる。炭素材料としては、特に限定はされないが、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブやフラーレンなどが挙げられる。また、金属としては、特に限定はされないが、例えば白金、金、銀、ルテニウム、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金などが挙げられる。したがって、透明導電膜3としては、上述の導電性材料のうち少なくとも1種類以上からなる導電材料を、透明基体2の表面に設けて形成することができる。あるいは透明基体2を構成する材料の中へ上記導電性材料を組み込んで、透明基体と透明導電膜を一体化して電極基体1とすることも可能である。[Transparent conductive film]
As the transparent conductive film 3, a material that transmits visible light and has conductivity can be used, and examples of such a material include metal oxide. Although not particularly limited, for example, tin oxide doped with fluorine (hereinafter abbreviated as “FTO”), indium oxide, a mixture of tin oxide and indium oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), and oxidation. Zinc or the like can be suitably used. In addition, an opaque conductive material can be used as long as visible light is transmitted through a treatment such as dispersion. Such materials include carbon materials and metals. Although it does not specifically limit as a carbon material, For example, graphite (graphite), carbon black, glassy carbon, a carbon nanotube, fullerene, etc. are mentioned. Further, the metal is not particularly limited, and examples thereof include platinum, gold, silver, ruthenium, copper, aluminum, nickel, cobalt, chromium, iron, molybdenum, titanium, tantalum, and alloys thereof. Therefore, the transparent conductive film 3 can be formed by providing a conductive material composed of at least one of the above-described conductive materials on the surface of the
透明基体2上に透明導電膜3を形成する方法として、金属酸化物を形成する場合は、ゾルゲル法や、スパッタやCVDなどの気相法、分散ペーストのコーティングなどがある。また、不透明な導電性材料を使用する場合は、紛体などを、透明なバインダーなどとともに固着させる方法が挙げられる。
透明基体と透明導電膜を一体化させるには、透明基体の成型時に導電性のフィラーとして上記導電膜材料を混合させるなどがある。
透明導電膜3の厚さは、用いる材料により導電性が異なるため特には限定されないが、一般的に使用されるFTO被膜付ガラスでは、0.01μm〜5μmであり、好ましくは0.1μm〜1μmである。また、必要とされる導電性は、使用する電極の面積により異なり、広い電極ほど低抵抗であることが求められるが、一般的に100Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下、より好ましくは5Ω/□以下である。
透明基体及び透明導電膜から構成される電極基体1、又は透明基体と透明導電膜とを一体化した電極基体1の厚さは、上述のように太陽電池の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、一般的に1μm〜1cm程度である。As a method for forming the transparent conductive film 3 on the
In order to integrate the transparent substrate and the transparent conductive film, the conductive film material may be mixed as a conductive filler when the transparent substrate is molded.
The thickness of the transparent conductive film 3 is not particularly limited because the conductivity varies depending on the material to be used, but is generally 0.01 μm to 5 μm, preferably 0.1 μm to 1 μm in the FTO-coated glass. It is. Further, the required conductivity varies depending on the area of the electrode to be used, and a wider electrode is required to have a lower resistance, but is generally 100Ω / □ or less, preferably 10Ω / □ or less, more preferably 5Ω. / □ or less.
The thickness of the electrode substrate 1 composed of a transparent substrate and a transparent conductive film, or the electrode substrate 1 in which the transparent substrate and the transparent conductive film are integrated varies depending on the shape and use conditions of the solar cell as described above, and thus is particularly limited. Generally, it is about 1 μm to 1 cm.
[多孔質金属酸化物半導体]
多孔質金属酸化物半導体4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。また、電気抵抗値を下げるため、金属酸化物の粒界は少ないことが望ましい。また、増感色素をより多く吸着させるために、当該半導体層は多孔質になっていることが望ましく、具体的には10〜200m2/gが望ましい。また、増感色素の吸光量を増加させるため、使用する酸化物の粒径に幅を持たせて光を散乱させることが望ましい。
このような多孔質金属酸化物半導体は、特に限定されず既知の方法で透明導電膜3上に設けることができる。例えば、ゾルゲル法や、分散体ペーストの塗布、また、電析や電着させる方法がある。
このような半導体層の厚さは、用いる酸化物により最適値が異なるため特には限定されないが、0.1μm〜50μm、好ましくは5〜30μmである。[Porous metal oxide semiconductor]
Examples of the porous metal oxide semiconductor 4 include, but are not limited to, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and the like. Particularly, titanium dioxide and further anatase type titanium dioxide are preferable. Further, it is desirable that the metal oxide has few grain boundaries in order to reduce the electric resistance value. In order to adsorb more sensitizing dye, the semiconductor layer is preferably porous, specifically 10 to 200 m 2 / g. Further, in order to increase the light absorption amount of the sensitizing dye, it is desirable to scatter the light by making the particle diameter of the oxide to be used wide.
Such a porous metal oxide semiconductor is not particularly limited and can be provided on the transparent conductive film 3 by a known method. For example, there are a sol-gel method, dispersion paste application, electrodeposition and electrodeposition.
The thickness of such a semiconductor layer is not particularly limited because the optimum value varies depending on the oxide used, but is 0.1 μm to 50 μm, preferably 5 to 30 μm.
[増感色素]
増感色素層5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層4に電子注入できるものであればよく、一般的に色素増感型太陽電池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。特に限定はされないが、ルテニウム錯体、特にルテニウムポリピリジン系錯体が望ましく、さらに望ましいのは、Ru(L)2(X)2で表されるルテニウム錯体が望ましい。ここでLは4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン、もしくはその4級アンモニウム塩、およびカルボキシル基が導入されたポリピリジン系配位子であり、また、XはSCN、Cl、CNである。例えばビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ジイソチオシアネートルテニウム錯体などが挙げられる。
他の色素としては、ルテニウム以外の金属錯体色素、例えば鉄錯体、銅錯体などが挙げられる。さらに、シアン系色素、ポルフィリン系色素、ポリエン系色素、クマリン系色素、シアニン系色素、スクアリン酸系色素、スチリル系色素、エオシン系色素などの有機色素が挙げられる。これらの色素には、該金属酸化物半導体層への電子注入効率を向上させるため、該金属酸化物半導体層との結合基を有していることが望ましい。該結合基としては、特に限定はされないが、カルボキシル基、スルホン酸基などが望ましい。[Sensitizing dye]
The sensitizing
Examples of other dyes include metal complex dyes other than ruthenium, such as iron complexes and copper complexes. Further examples include organic dyes such as cyan dyes, porphyrin dyes, polyene dyes, coumarin dyes, cyanine dyes, squaric acid dyes, styryl dyes, and eosin dyes. These dyes preferably have a bonding group with the metal oxide semiconductor layer in order to improve the efficiency of electron injection into the metal oxide semiconductor layer. The linking group is not particularly limited, but a carboxyl group, a sulfonic acid group and the like are desirable.
多孔質金属酸化物半導体4へ増感色素を吸着させる方法は、特には限定されるものではなく、例としては、室温条件、大気圧下において、色素を溶解させた溶液中に多孔質金属酸化物半導体4を形成させた電極基体1を浸漬する方法が挙げられる。浸漬時間は、使用する半導体、色素、溶媒の種類、色素の濃度により、半導体層に均一に色素の単分子膜が形成されるよう、適宜調整することが望ましい。なお、吸着を効果的に行なうには加熱下での浸漬を行なえばよい。
増感色素を溶解するために用いる溶媒の例としては、エタノールなどのアルコール類、アセトニトリルなどの窒素化合物、アセトンなどのケトン類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、クロロホルムなどのハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチルなどのエステル類などが挙げられる。溶液中の色素濃度は、使用する色素及び溶媒の種類により適宜調整することが望ましい。例えば、5×10-5mol/L以上の濃度が望ましい。The method for adsorbing the sensitizing dye to the porous metal oxide semiconductor 4 is not particularly limited. For example, the porous metal oxide is dissolved in a solution in which the dye is dissolved at room temperature and atmospheric pressure. A method of immersing the electrode substrate 1 on which the physical semiconductor 4 is formed may be mentioned. It is desirable that the immersion time is appropriately adjusted so that a monomolecular film of the dye is uniformly formed on the semiconductor layer depending on the type of the semiconductor, the dye, the solvent, and the concentration of the dye used. In addition, what is necessary is just to perform the immersion under a heating in order to perform adsorption | suction effectively.
Examples of the solvent used to dissolve the sensitizing dye include alcohols such as ethanol, nitrogen compounds such as acetonitrile, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether, halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, Examples thereof include aliphatic hydrocarbons such as hexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, and esters such as ethyl acetate. It is desirable that the dye concentration in the solution is appropriately adjusted according to the type of dye and solvent used. For example, a concentration of 5 × 10 −5 mol / L or more is desirable.
[電解質層]
電解質層6は、支持電解質と、酸化された増感色素を還元することのできる酸化還元対、およびそれらを溶解させる溶媒からなる。この溶媒としては、特に限定はされないが、非水性有機溶媒、常温溶融塩、水やプロトン性有機溶媒などから任意に選択でき、例えばアセトニトリルやジメチルホルムアミド、エチルメチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルイミド、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、炭酸プロピレンなどが挙げられ、中でもメトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、炭酸プロピレンなどを好適に用いることができる。また、溶媒をゲル化して用いることもできる。
支持電解質として、リチウム塩やイミダゾリウム塩、4級アンモニウム塩などが挙げられる。[Electrolyte layer]
The
Examples of the supporting electrolyte include lithium salts, imidazolium salts, and quaternary ammonium salts.
酸化還元対としては、一般的に電池や太陽電池などにおいて使用することのできるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ハロゲン二原子分子とハロゲン化物塩との組み合わせ、チオシアン酸アニオンとチオシアン酸二分子の組み合わせ、ポリピリジルコバルト錯体や、ハイドロキノンなどの有機レドックスなどが挙げられる。この中では、特にヨウ素分子とヨウ化物との組み合わせが好適である。
支持電解質、酸化還元対などは、其々用いる溶媒、半導体電極および色素などにより最適な濃度が異なるため、特には限定されないが、1mmol/L〜5mol/L程度である。
電解質層にはさらに添加剤として、t−ブチルピリジン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、水などを添加することができる。The oxidation-reduction pair is not particularly limited as long as it can be generally used in a battery or a solar battery. For example, a combination of a halogen diatomic molecule and a halide salt, a thiocyanate anion and Examples include a combination of two thiocyanate molecules, a polypyridyl cobalt complex, and organic redox such as hydroquinone. Among these, a combination of iodine molecules and iodide is particularly preferable.
The supporting electrolyte, the redox couple, and the like are not particularly limited because the optimum concentration differs depending on the solvent, the semiconductor electrode, the dye, and the like used, but is about 1 mmol / L to 5 mol / L.
Further, t-butylpyridine, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide, water, and the like can be added to the electrolyte layer as additives.
[触媒電極−電極基体]
触媒電極7は、電極基体8の表面に導電性高分子層9が形成された構造をしている。あるいは、触媒電極7は、電極基体8の表面に、導電性高分子を形成するモノマーを緻密に重合させてなる導電性高分子層10を有した構造をしている。
該電極基体8は、触媒電極の支持体兼集電体として用いられるため、また、該電極基体表面に導電性高分子層を電気化学的に重合させる場合には、少なくとも導電性高分子層を形成させる表面部分は導電性を有していればならない。
このような材質としては、例えば導電性を有する金属や金属酸化物、炭素材料や導電性高分子などが好適に用いられる。金属としては、例えば白金、金、銀、ルテニウム、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金などが挙げられる。炭素材料としては、特に限定はされないが、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンなどが挙げられる。また、FTO、ITO、酸化インジウム、酸化亜鉛などの金属酸化物を用いた場合、透明または半透明であるため増感色素層への入射光量を増加させることができ、好適に用いることができる。[Catalyst electrode-electrode substrate]
The
Since the
As such a material, for example, a conductive metal or metal oxide, a carbon material, a conductive polymer, or the like is preferably used. Examples of the metal include platinum, gold, silver, ruthenium, copper, aluminum, nickel, cobalt, chromium, iron, molybdenum, titanium, tantalum, and alloys thereof. Although it does not specifically limit as a carbon material, For example, graphite (graphite), carbon black, glassy carbon, a carbon nanotube, fullerene etc. are mentioned. Moreover, when metal oxides, such as FTO, ITO, an indium oxide, and zinc oxide, are used, since it is transparent or translucent, the incident light quantity to a sensitizing dye layer can be increased, and it can use it conveniently.
また、少なくとも該電極基体の表面が導電性を有するように処理すれば、例えばガラスやプラスチックなどの絶縁体を用いても構わない。このような絶縁体に導電性を保持させる処理方法としては、上記の導電性材料にて、該絶縁性材料表面の一部もしくは全面を被覆する方法、例えば金属を用いる場合、メッキや電析などの溶液法、また、スパッタ法や真空蒸着等の気相法が挙げられ、金属酸化物を用いる場合はゾルゲル法などを用いることができる。また、上記導電性材料の粉末などを一種もしくは複数用いて、絶縁性材料と混和させるなどの方法が挙げられる。
さらに、本発明では電極基体8として絶縁性材料を用いた場合でも、該基体上に直接後述の導電性高分子層を設けることができ、その場合、該導電性高分子層が単独で集電体と触媒との双方の機能を果たすことになる。In addition, an insulator such as glass or plastic may be used as long as at least the surface of the electrode substrate is treated. As a treatment method for maintaining conductivity in such an insulator, a method of covering a part or the whole surface of the insulating material with the above-described conductive material, for example, when using a metal, plating, electrodeposition, etc. And a gas phase method such as sputtering or vacuum deposition. When a metal oxide is used, a sol-gel method or the like can be used. In addition, one or more of the above conductive material powders may be used and mixed with an insulating material.
Furthermore, in the present invention, even when an insulating material is used as the
また、該電極基体の形状は、触媒電極として用いる色素増感太陽電池の形状に応じて変更することができるため特には限定されず、板状としてもフィルム状で湾曲できるものでも構わない。さらに、該電極基体は透明でも不透明でも構わないが、増感色素層への入射光量を増加させることができるため、また、場合によっては意匠性が向上できるため透明または半透明であることが望ましい。電極基体として一般的には、FTO被膜付ガラスやITO膜付PENフィルムが用いられているが、用いる材料により導電性が異なるため、電極基体の厚さについて特には限定されない。例えば、FTO被膜付ガラスでは、0.01μm〜5μmであり、好ましくは0.1μm〜1μmである。また、必要とされる導電性は、使用する電極の面積により異なり、広い電極ほど低抵抗であることが求められるが、一般的に100Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下、より好ましくは5Ω/□以下である。
電極基体8の厚さは、上述のように太陽電池の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、一般的に1μm〜1cm程度である。The shape of the electrode substrate is not particularly limited because it can be changed according to the shape of the dye-sensitized solar cell used as the catalyst electrode, and may be a plate shape or a film shape that can be curved. Further, the electrode substrate may be transparent or opaque. However, it is desirable that the electrode substrate be transparent or translucent because the amount of light incident on the sensitizing dye layer can be increased and, in some cases, the design can be improved. . Generally, glass with an FTO film or a PEN film with an ITO film is used as the electrode substrate, but the conductivity is different depending on the material used, and therefore the thickness of the electrode substrate is not particularly limited. For example, in the FTO-coated glass, the thickness is 0.01 μm to 5 μm, preferably 0.1 μm to 1 μm. Further, the required conductivity varies depending on the area of the electrode to be used, and a wider electrode is required to have a lower resistance, but is generally 100Ω / □ or less, preferably 10Ω / □ or less, more preferably 5Ω. / □ or less.
The thickness of the
[触媒電極−導電性高分子層]
本発明の触媒電極における導電性高分子層9は、電解質層中に含まれる酸化還元対の酸化体を還元する触媒として機能する。導電性高分子層9は電子移動反応を効率良く行えるように多孔質の状態で存在することが好ましい。
導電性高分子層9に含まれる導電性高分子は、1種以上のホモポリマー、1種以上のコポリマー、又は1種以上のホモポリマーと1種以上のコポリマーの混合物であってよい。
本発明の触媒電極における導電性高分子層9に含まれる導電性高分子を形成するモノマーとして、下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族アミン化合物、下記一般式(3)で表されるチオフェン化合物、及び下記一般式(4)で表されるピロール化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーが挙げられる。
The
The conductive polymer contained in the
As a monomer which forms the conductive polymer contained in the
該芳香族アミン化合物を用いるに当たっては、それらが重合した高分子が導電性を有していれば特に限定されないが、ある芳香族アミン化合物単独での高分子膜が導電性を有さずとも、アニリンもしくは、他の芳香族アミン化合物とのコポリマーとすることで導電性を有していればよい。該導電性高分子層9を構成するポリマーは、ホモポリマーでもコポリマーでもよく、そのモノマー成分として、芳香族アミン化合物を1種又は2種以上用いて導電性高分子層を形成することができる。
When using the aromatic amine compound, it is not particularly limited as long as the polymer polymerized by them has conductivity, but even if the polymer film of a certain aromatic amine compound alone does not have conductivity, What is necessary is just to have electroconductivity by setting it as a copolymer with aniline or another aromatic amine compound. The polymer constituting the
上記芳香族アミン化合物の例として、アニリン及びアニリン誘導体がある。さらに具体的にアニリン、アニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、N−メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどが挙げられる。中でもアニシジン、トルイジン、フェニレンジアミン、アニリンが好ましく使用される。中でもアニリンが特に好ましく使用され、モノマーとして少なくともアニリンが重合して形成されたポリマーが挙げられ、とりわけモノマーとしてアニリンを単独で用いたポリアニリンがコストも安くかつ触媒能も高いことから好適に利用できる。あるいはアニリンとアニリン以外の芳香族化合物をモノマーとしたコポリマーも好ましく使用され、例えばアニリンとアニリン誘導体とのコポリマー、さらに具体的にはアニリンと、アニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、N−メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン及びハロゲン化アニリンから選ばれるコモノマーとのコポリマーが挙げられる。
複数種の芳香族アミン化合物を用いるとき、それらの比率は特に限定されないが、モル比で芳香族アミン化合物のうち一方を100として、他方を3以上の割合で重合することが適当である。例えばアニリン及びアニリン誘導体を用いるとき、モル比でアニリン及びアニリン誘導体のうち一方を100として他方を3以上の割合で重合することが一般的に適当である。Examples of the aromatic amine compound include aniline and aniline derivatives. More specifically, examples include aniline, anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N-methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline, and halogenated aniline. Of these, anisidine, toluidine, phenylenediamine and aniline are preferably used. Among them, aniline is particularly preferably used, and examples thereof include polymers formed by polymerizing at least aniline as a monomer. In particular, polyaniline using aniline alone as a monomer can be suitably used because of its low cost and high catalytic ability. Alternatively, a copolymer using aniline and an aromatic compound other than aniline as a monomer is also preferably used. For example, a copolymer of aniline and an aniline derivative, more specifically, aniline and anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N- Mention may be made of copolymers with comonomers selected from methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline and halogenated anilines.
When a plurality of types of aromatic amine compounds are used, their ratios are not particularly limited, but it is appropriate to polymerize the aromatic amine compounds in a molar ratio of 100 for one and 3 or more for the other. For example, when aniline and an aniline derivative are used, it is generally appropriate to polymerize the aniline and aniline derivative in a molar ratio of 100 with one being 100 and the other being 3 or more.
上記チオフェン化合物の例として、チオフェン及びチオフェン誘導体が挙げられ、さらに具体的にチオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−オクチルチオフェン、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、及び3,4−エチレンジオキシチオフェンなどがある。特に3,4−エチレンジオキシチオフェンを好ましく使用することができる。
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層を形成してもよい。チオフェン化合物は酸化電位が高いため、電気化学的な酸化重合による形成が好適に利用できる。Examples of the thiophene compounds include thiophene and thiophene derivatives, more specifically thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-octylthiophene, tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3-phenylthiophene, and There are 3,4-ethylenedioxythiophene and the like. In particular, 3,4-ethylenedioxythiophene can be preferably used.
The conductive polymer layer may be formed using one or more thiophene compounds. Since the thiophene compound has a high oxidation potential, formation by electrochemical oxidative polymerization can be suitably used.
上記ピロール化合物として、ピロール及びピロール誘導体が挙げられ、ピロール誘導体としては特に3位に炭素原子数1〜8のアルキル基を有するものが挙げられる。ピロール化合物の具体例として、ピロール、3−メチルピロール、3−ブチルピロール及び3−オクチルピロールなどがある。ピロール化合物を1種又は2種以上用いて導電性高分子層を形成してもよい。
導電性高分子を形成するモノマー成分は、重合した膜としての電導度が10-9S/cm以上を示すものが望ましい。Examples of the pyrrole compound include pyrrole and pyrrole derivatives, and examples of the pyrrole derivative include those having an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms at the 3-position. Specific examples of the pyrrole compound include pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole and 3-octylpyrrole. The conductive polymer layer may be formed using one or more pyrrole compounds.
The monomer component that forms the conductive polymer preferably has a conductivity of 10 −9 S / cm or more as a polymerized film.
また、電導度を向上させるために導電性高分子層にドーパントを添加することが望ましい。ドーパントは公知の材料、例えば、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、ヨウ素、臭素、塩素等のハロゲンアニオン、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、メタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等のアルキル基置換有機スルホン酸アニオン、カンファースルホン酸等の環状スルホン酸アニオン、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ベンゼンジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のベンゼンモノまたはジスルホン酸アニオン、2−ナフタレンスルホン酸、1,7−ナフタレンジスルホン酸等の1〜3個のスルホン酸基を有する、アルキル基置換または無置換ナフタレンスルホン酸アニオン、アントラセンスルホン酸、アントラキノンスルホン酸、アルキルビフェニルスルホン酸、ビフェニルジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のビフェニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリイミド、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合体等の高分子スルホン酸アニオン、置換または無置換の芳香族スルホン酸アニオン、ビスサルチレートホウ素、ビスカテコレートホウ素等のホウ素化合物アニオン、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸アニオン等が挙げられる。これらのドーパントは単独でも2種以上を併用してもよい。 Further, it is desirable to add a dopant to the conductive polymer layer in order to improve conductivity. The dopant is a known material, for example, a halide anion such as hexafluoroline, hexafluoroarsenic, hexafluoroantimony, tetrafluoroboron, perchloric acid, a halogen anion such as iodine, bromine, chlorine, hexafluoroline, hexafluoroarsenic, hexa Halide anions such as fluoroantimony, tetrafluoroboron and perchloric acid, alkyl group-substituted organic sulfonate anions such as methanesulfonic acid and dodecylsulfonic acid, cyclic sulfonic acid anions such as camphorsulfonic acid, benzenesulfonic acid and paratoluenesulfone 1 to 3 sulfo groups such as acid, dodecylbenzenesulfonic acid, alkyl group-substituted or unsubstituted benzenemono- or disulfonic acid anion, 2-naphthalenesulfonic acid, 1,7-naphthalenedisulfonic acid, etc. Alkyl group-substituted or unsubstituted naphthalene sulfonate anion, anthracene sulfonic acid, anthraquinone sulfonic acid, alkyl biphenyl sulfonic acid, biphenyl disulfonic acid, etc. having an acid group, substituted or unsubstituted biphenyl sulfonic acid ion, polystyrene sulfonic acid, Polymeric sulfonate anions such as sulfonated polyether, sulfonated polyester, sulfonated polyimide, naphthalene sulfonate formalin condensate, substituted or unsubstituted aromatic sulfonate anions, bissaltylate boron, biscatecholate boron, etc. Examples thereof include boron compound anions or heteropolyacid anions such as molybdophosphoric acid, tungstophosphoric acid, and tungstomolybdophosphoric acid. These dopants may be used alone or in combination of two or more.
ドーパントの脱離を抑制する観点から、ドーパントは無機アニオンよりも有機酸アニオンであることが望ましく、熱分解などが起きにくいものであることが望ましい。
また、導電性高分子膜表面を多孔質化することで、酸化還元対の還元反応を効率よく行なうことができるため、上記ドーパントのうち、緻密な表面になりやすい高分子状有機酸アニオンよりも、単分子有機酸アニオンであることが望ましい。From the viewpoint of suppressing the desorption of the dopant, the dopant is preferably an organic acid anion rather than an inorganic anion, and it is desirable that the thermal decomposition or the like hardly occur.
In addition, by making the surface of the conductive polymer film porous, the reduction reaction of the redox couple can be efficiently performed. Therefore, among the above dopants, the polymer organic acid anion is more likely to be a dense surface. A monomolecular organic acid anion is desirable.
導電性高分子層9は、上記ドーパントのうち、下記一般式(5)〜(8)で表されるベンゼンスルホン酸、およびナフタレンスルホン酸化合物、およびそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも1種類をドーパントとして含有することが特に望ましい。
この式(5)〜(8)で表される化合物が好ましい理由について、詳細は不明であるが、これらのドーパントを用いた場合、多孔質化による物理的強度の低下を防ぎながら高電導度を達成することができるためと考察している。The
The reason why the compounds represented by the formulas (5) to (8) are preferable is not clear, but when these dopants are used, high conductivity is prevented while preventing a decrease in physical strength due to porosity. It is considered that it can be achieved.
ドーパントとして、ヨウ素アニオン及び/又はポリヨウ化物アニオンもまた、好ましく使用できる。この理由についての詳細は不明であるが、本発明者らは下記のように考察している。すなわち、本発明における導電性高分子中に含有したこれらアニオンは、導電性高分子の高電導度を発現するドーパントとして機能するとともに、電解質中の酸化還元対とGrothus機構(実用化に向けた色素増感太陽電池, pp13, 2003, 株式会社NTS に記載)による電荷移動を行うことができ、より容易に電解質への電荷移動を行うことができるため高い触媒能が得られると考えられる。
ドーパントとして例えばLiI、HIなどを使用することでヨウ素アニオン(I-)を提供することができる。また、ポリヨウ化物アニオンは、例えばI3 -やI5 -などの形態であって、ヨウ素(I2)とI-を溶解して共存させることで提供できる。As the dopant, iodine anions and / or polyiodide anions can also be preferably used. Although details about this reason are unclear, the present inventors consider as follows. That is, these anions contained in the conductive polymer in the present invention function as dopants that develop the high conductivity of the conductive polymer, and the redox couple in the electrolyte and Grothus mechanism (a dye for practical use). Sensitized solar cell, pp13, 2003, described in NTS Co., Ltd.), and it is considered that high catalytic ability can be obtained because charge transfer to the electrolyte can be performed more easily.
For example, iodine anion (I − ) can be provided by using LiI, HI or the like as a dopant. The polyiodide anion is in the form of, for example, I 3 − or I 5 − and can be provided by dissolving and coexisting iodine (I 2 ) and I − .
導電性高分子層におけるドーパントの使用量は、使用するドーパント種により最適値が異なるため特に限定されないが、好ましくは5〜60質量%、さらに好ましくは10〜45質量%である。
このようなドーパントは導電性高分子層を形成させる際に、適宜の段階で使用することができ、例えば導電性高分子の形成に用いるモノマーと共存させておくことができる。また、導電性高分子層の形成後に、該導電性高分子にドーパント溶液に含浸させるなどの方法により、ドープさせることもできる。The amount of dopant used in the conductive polymer layer is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of dopant used, but is preferably 5 to 60% by mass, and more preferably 10 to 45% by mass.
Such a dopant can be used at an appropriate stage when the conductive polymer layer is formed. For example, it can coexist with a monomer used for forming the conductive polymer. Further, after the formation of the conductive polymer layer, it can be doped by a method such as impregnating the conductive polymer with a dopant solution.
導電性高分子層9は、電極基体8上に形成される。該導電性高分子層9の形成方法としては、例えば、導電性高分子を溶解させた溶液から成膜する方法が挙げられる。該溶液に用いる溶媒としては導電性高分子化合物を溶解できるものであれば特に制限はされないが、例えばトルエン、キシレン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、酢酸ブチルなどが挙げられ、特にN−メチル−2−ピロリドンが好適に利用できる。
また、導電性高分子粉末を、分散液、ペーストもしくはエマルジョン、もしくは高分子溶液、又はバインダーを含む混合物形態に処理した後に、該電極基体上へスクリーン印刷、スプレー塗布、刷毛塗り、浸漬などにより形成させる方法も可能である。The
In addition, after the conductive polymer powder is processed into a dispersion, paste or emulsion, polymer solution, or mixture containing a binder, it is formed on the electrode substrate by screen printing, spray coating, brush coating, dipping, etc. The method of making it possible is also possible.
また、導電性高分子層の他の形成方法として、電解重合法もしくは化学重合法が好適に利用できる。化学重合法は、酸化剤を用いて、上記に例示したような導電性高分子を形成するモノマー(以下、単に「導電性高分子モノマー」とも称する。)を酸化重合させる方法である。一方、電解重合法は、上記したような導電性高分子モノマーを含む溶液中で電気化学的に酸化を行うことにより金属などの電極上に導電性高分子の膜を形成する方法である。
導電性高分子層9は、より大きな表面積を有する多孔質状態であることが望ましいため、導電性高分子を溶解させた溶液から塗布・成膜する方法よりも、導電性高分子モノマーを含む溶液と電極基体8を接触させた状態で、該モノマーを化学的に酸化重合する方法を用いることができる。さらに、電気化学的に酸化重合する方法(電解重合法)は、室温大気雰囲気下において導電性高分子の重合を電気的に制御することが可能であるため、パターニング性や生産性、コストなどの面から、特に好ましく使用できる。Further, as another method for forming the conductive polymer layer, an electrolytic polymerization method or a chemical polymerization method can be suitably used. The chemical polymerization method is a method in which an oxidant is used to oxidize and polymerize a monomer that forms a conductive polymer as exemplified above (hereinafter also simply referred to as “conductive polymer monomer”). On the other hand, the electrolytic polymerization method is a method of forming a conductive polymer film on an electrode such as a metal by electrochemically oxidizing in a solution containing the conductive polymer monomer as described above.
Since it is desirable that the
化学重合法に用いられる酸化剤としては、ヨウ素、臭素、ヨウ化臭素、二酸化塩素、ヨウ素酸、過ヨウ素酸、亜塩素酸等のハロゲン化物、五フッ化アンチモン、五塩化リン、五フッ化リン、塩化アルミニウム、塩化モリブデン等の金属ハロゲン化物、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、無水クロム酸、第二鉄塩、第二銅塩等の高原子価金属塩、硫酸、硝酸、トリフルオロメタン硫酸等のプロトン酸、三酸化硫黄、二酸化窒素等の酸素化合物、過酸化水素、過硫酸アンモニウム、過ホウ酸ナトリウム等のペルオキソ酸またはその塩、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸またはその塩などがあり、これらの少なくとも1種を用いることができる。 The oxidizing agent used in the chemical polymerization method includes iodine, bromine, bromine iodide, chlorine dioxide, iodic acid, periodic acid, chlorous acid and other halides, antimony pentafluoride, phosphorus pentachloride, phosphorus pentafluoride. , Metal halides such as aluminum chloride, molybdenum chloride, permanganate, dichromate, chromic anhydride, ferric salt, cupric salt and other high-valent metal salts, sulfuric acid, nitric acid, trifluoromethanesulfuric acid Protonic acids such as oxygen compounds such as sulfur trioxide and nitrogen dioxide, peroxo acids such as hydrogen peroxide, ammonium persulfate and sodium perborate or salts thereof, There are heteropolyacids or salts thereof, and at least one of them can be used.
上記の化学重合法は大量生産向きであるものの、導電性高分子モノマーを含有する溶液中で酸化剤と作用させると、得られる高分子は粒子状もしくは塊状の形態になってしまい、所望の多孔性を発現させ、電極形状に成型することは困難である。したがって、電極基体を導電性高分子モノマーもしくは酸化剤のどちらかを含む溶液に浸漬するか、それらに該溶液を塗布した後、続いてもう一方の成分を溶解させた溶液に浸漬もしくは塗布するなどして、上記電極基体表面で重合が進行するようにし、導電性高分子を形成させることが望ましい。また、酸化剤を含む溶液に浸漬、もしくは該溶液を塗布した後、モノマーの蒸気に曝すことで重合を行う方法も利用できる。 Although the above chemical polymerization method is suitable for mass production, when the polymer is reacted with an oxidant in a solution containing a conductive polymer monomer, the resulting polymer is in the form of particles or lumps, resulting in a desired porosity. It is difficult to express the properties and form the electrode shape. Therefore, the electrode substrate is immersed in a solution containing either the conductive polymer monomer or the oxidizing agent, or after applying the solution to them, the electrode substrate is subsequently immersed or applied in a solution in which the other component is dissolved. Thus, it is desirable that the polymerization proceeds on the surface of the electrode substrate to form a conductive polymer. Further, it is also possible to use a method in which polymerization is carried out by immersing in a solution containing an oxidant or applying the solution and then exposing it to monomer vapor.
また、別途作製した導電性高分子粒子分散液やペーストなどを用いて、電極基体もしくは導電膜付きの電極基体表面に導電性高分子膜を形成後、上記化学重合を行って導電性高分子粒子を成長させる方法を行うこともできる。 In addition, using a separately prepared conductive polymer particle dispersion or paste, a conductive polymer film is formed on the surface of the electrode substrate or the electrode substrate with the conductive film, and then subjected to the above chemical polymerization to form conductive polymer particles. A method of growing can also be performed.
一方、電解重合法は、比較的電導度の高い導電性高分子を膜状で得ることができ、かつ、その合成方法も簡便であるため、電極材料の作製方法として好適に利用できる。電解重合を電極基体もしくは導電膜付きの電極基体上に直接行っても、別途電解重合により作製した多孔性導電性高分子膜を剥離した後、使用する電極基体もしくは導電膜付きの電極基体上に張り合わせても構わない。 On the other hand, since the electropolymerization method can obtain a conductive polymer having a relatively high conductivity in the form of a film and the synthesis method is simple, it can be suitably used as a method for producing an electrode material. Even if the electropolymerization is directly performed on the electrode substrate or the electrode substrate with the conductive film, after the porous conductive polymer film separately prepared by the electropolymerization is peeled off, the electrode polymerization substrate or the electrode substrate with the conductive film is used. It does not matter if they are pasted together.
電解重合法に用いられる電解重合溶媒としては、導電性高分子モノマーを溶解でき、導電性高分子モノマーの電解重合電位においても、安定していれば特に限定はされないが、例えば、水、アセトニトリルなどのニトリル系、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール、アセトンなどのケトン系、プロピレンカルボナートなどのカルボナート系、テトラヒドロフランなどを用いることができる。またこれらは単独、もしくは2種以上の混合溶媒として用いることもできる。前記のうち、ある程度の極性を有した有機溶媒、例えば、アセトニトリル、メタノール、プロピレンカルボナート、テトラヒドロフランなどが好適に利用できる。さらに、前記ドーパントを添加する場合は、ドーパントも溶解できることが望ましい。 The electropolymerization solvent used in the electropolymerization method is not particularly limited as long as it can dissolve the conductive polymer monomer and is stable even in the electropolymerization potential of the conductive polymer monomer. For example, water, acetonitrile, etc. Nitriles, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, ketones such as acetone, carbonates such as propylene carbonate, tetrahydrofuran and the like can be used. These may be used alone or as a mixed solvent of two or more. Of the above, organic solvents having a certain degree of polarity, such as acetonitrile, methanol, propylene carbonate, tetrahydrofuran and the like, can be suitably used. Furthermore, when adding the said dopant, it is desirable that a dopant can also be melt | dissolved.
電解重合条件としては、予め上記導電性高分子モノマーを溶解させた電解重合液中に、前記集電体を浸漬させ、同じ電解溶液中に設置した対向電極との間に任意の電圧を印加することで重合を進行させる。このときの導電性高分子モノマー濃度としては、導電性高分子モノマーの種類により最適値が異なるため特には限定されないが、一般的に0.01mol/L〜10mol/Lの範囲が適当であり、0.05〜3mol/Lの範囲がしばしば用いられる。また、ドーパントを共存させる場合は、ドーパントの濃度としては、導電性高分子モノマー濃度に対して1/10〜100倍の範囲が適当であって、1/3〜20倍の範囲がしばしば用いられる。また、重合する際の印加電流密度としては、導電性高分子モノマーの種類により最適値が異なるため特には限定されないが、0.01mA/cm2〜100mA/cm2の範囲が適当であって、多くの場合1mA/cm2〜10mA/cm2の範囲が用いられる。As the electropolymerization conditions, the current collector is immersed in an electropolymerization solution in which the conductive polymer monomer is dissolved in advance, and an arbitrary voltage is applied between the counter electrode placed in the same electrolysis solution. Polymerization proceeds. The conductive polymer monomer concentration at this time is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of the conductive polymer monomer, but generally a range of 0.01 mol / L to 10 mol / L is appropriate. A range of 0.05 to 3 mol / L is often used. In the case of coexisting a dopant, the concentration of the dopant is suitably in the range of 1/10 to 100 times the conductive polymer monomer concentration, and often in the range of 1/3 to 20 times. . The applied current density at the time of polymerization is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of conductive polymer monomer, but a range of 0.01 mA / cm 2 to 100 mA / cm 2 is appropriate, many range for 1mA / cm 2 ~10mA / cm 2 is used.
本発明の触媒電極における導電性高分子層9の厚さは、その多孔質の程度によって必要とされる膜厚が異なるが、一般に5nm〜5μmの範囲が適当であり、好ましくは100nm〜3μmである。
本発明の触媒電極における導電性高分子層9の比表面積は、使用するモノマーにより最適値が異なるため特に限定されないが、通常はN2-BET比表面積で0.1m2/g以上であり、より好ましくは5m2/g以上が適当であり、さらに10m2/g以上であることが望ましい。The required thickness of the
The specific surface area of the
[多層触媒電極−緻密な導電性高分子層及び多孔質導電性高分子層]
触媒電極の導電性高分子層は、図3に示すように、電極基体8上に、緻密な導電性高分子層10及び多孔性導電性高分子層11を形成させた3層以上の構造からなる触媒電極とすることがより好ましい。
この場合、緻密な導電性高分子層10は、導電性高分子層11の多孔質化により低下する電極基体8との密着性・集電性を改善、もしくはより向上させる働きをするものである。従って、緻密な導電性高分子層10は導電性を有することが必須であるが、直接触媒として機能しなくとも構わない。緻密な導電性高分子層10のポリマーを形成するモノマーは、後述する多孔性導電性高分子層11のポリマーを形成するモノマーとは同一のものであっても異なるものであってもよい。また、緻密な導電性高分子層10のポリマーは、単一のモノマーから形成されたホモポリマー又はそれらの混合物であってもよく、また2種以上のモノマーからなるコポリマー又はその混合物であってもよく、ホモポリマーとコポリマーの混合物であってもよい。
すなわち、緻密な導電性高分子層10は1種以上のホモポリマー、1種以上のコポリマー、または1種以上のホモポリマーと1種以上のコポリマーの混合物を含むことができ、また、緻密な導電性高分子層10と多孔質導電性高分子層11とは、同一又は異なるポリマーを含むことができる。[Multilayer catalyst electrode-dense conductive polymer layer and porous conductive polymer layer]
As shown in FIG. 3, the conductive polymer layer of the catalyst electrode has a structure of three or more layers in which a dense
In this case, the dense
That is, the dense
緻密な導電性高分子層10において、導電性高分子を形成するモノマーの具体例としては、特に限定されないが、一般的には芳香族化合物が挙げられる。さらに、該芳香族化合物モノマーとして、下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族アミン化合物、下記一般式(3)で表されるチオフェン化合物、下記一般式(4)で表されるピロール化合物、フラン、ピリジン、及びベンゼンなどからなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーが挙げられる。
これら芳香族化合物の水素原子の一部を炭素原子数8までのアルキル基、アルコキシ基又はアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、ニトロ基、アミノ基、カルボキシル基、スルホ基、またはホスホニウム基で置換した化合物を用いても構わない。
Some of the hydrogen atoms of these aromatic compounds are alkyl groups, alkoxy groups or aryl groups having up to 8 carbon atoms, cyano groups, thiocyano groups, halogen groups, nitro groups, amino groups, carboxyl groups, sulfo groups, or phosphonium groups. You may use the compound substituted by.
上記芳香族アミン化合物の例として、アニリン及びアニリン誘導体があり、上記チオフェン化合物の例としてチオフェン及びチオフェン誘導体が挙げられ、上記ピロール化合物として、ピロール及びピロール誘導体が挙げられ、ピロール誘導体として特に3位に炭素原子数1〜8のアルキル基を有するものが挙げられる。
これらの中でも、導電性の高い導電性高分子ポリマーを形成できるピロール及びピロール誘導体、チオフェン及びチオフェン誘導体、並びにアニリン及びアニリン誘導体が好ましく使用される。
好ましいピロール化合物の例として、ピロール、3−メチルピロール、3−ブチルピロール、及び3−オクチルピロールなどがあり、これらのうちから少なくとも1種を用いることができる。好ましいチオフェン化合物の例として、チオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−オクチルチオフェン、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、及び3,4−エチレジオキシチオフェンが挙げられる。これらのうちから少なくとも1種を用いることができる。特に3,4−エチレジオキシチオフェンが好ましい。
好ましい芳香族アミン化合物の例として、アニリン、アニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、N-メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどが挙げられ、これらのうちから少なくとも1種を用いることができる。Examples of the aromatic amine compound include aniline and aniline derivatives. Examples of the thiophene compound include thiophene and thiophene derivatives. Examples of the pyrrole compound include pyrrole and pyrrole derivatives. What has a C1-C8 alkyl group is mentioned.
Among these, pyrrole and pyrrole derivatives, thiophene and thiophene derivatives, and aniline and aniline derivatives that can form a conductive polymer having high conductivity are preferably used.
Examples of preferred pyrrole compounds include pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole, and 3-octylpyrrole, and at least one of them can be used. Examples of preferred thiophene compounds include thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-octylthiophene, tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3-phenylthiophene, and 3,4-ethylenedioxythiophene. At least one of these can be used. In particular, 3,4-ethylenedioxythiophene is preferable.
Examples of preferred aromatic amine compounds include aniline, anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N-methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline, and halogenated aniline. Can be used.
例えば、電解重合により形成されるポリピロール膜などは緻密である場合が多く、緻密な導電性高分子層10に好適である。一方、電解重合により形成されるポリアニリンは、多孔質になりやすい傾向があるため、多孔質導電性高分子層11に好適である。
これらの導電性高分子層のポリマーを形成するモノマー成分は、重合した膜としての電導度が10-9S/cm以上を示すものが望ましい。For example, a polypyrrole film formed by electrolytic polymerization is often dense and is suitable for the dense
The monomer component forming the polymer of the conductive polymer layer is preferably one having a conductivity of 10 −9 S / cm or more as a polymerized film.
緻密な導電性高分子層10の形成方法として、例えば、導電性高分子を溶解させた溶液から成膜する方法が挙げられる。該溶液に用いる溶媒としては導電性高分子化合物を溶解できるものであれば特に制限はされないが、例えばトルエン、キシレン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、酢酸ブチルなどが挙げられ、特にN−メチル−2−ピロリドンが好適に利用できる。
また、導電性高分子粉末を、分散液、ペーストもしくはエマルジョン、もしくは高分子溶液、又はバインダーを含む混合物形態に処理した後に、電極基体上へスクリーン印刷、スプレー塗布、刷毛塗り、浸漬などにより形成させる方法も可能である。Examples of a method for forming the dense
In addition, after the conductive polymer powder is processed into a dispersion, paste or emulsion, polymer solution, or mixture containing a binder, it is formed on the electrode substrate by screen printing, spray coating, brush coating, dipping, or the like. A method is also possible.
電極基体8に密着させる緻密な導電性高分子層10の他の形成方法として、電解重合法や化学重合法など重合方法を使用することもできる。該重合方法は、用いる導電性高分子モノマーの種類により適切な方法を選択することが可能である。
電解重合法は、重合条件により多孔質化・緻密化の制御ができるため好適に利用できる。より緻密に導電性高分子層10を形成させる条件としては、形成させる導電性高分子の種類や電極基体の材質により最適な重合条件が異なるため、特には限定されないが、以下に一般的な例を記す。
例えば、電解重合法に用いられる電解重合溶媒としては、導電性高分子モノマーを溶解でき、モノマーの電解重合電位においても、安定していれば特に限定はされないが、例えば、水、アセトニトリルなどのニトリル系、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール、アセトンなどのケトン系、プロピレンカルボナートなどのカルボナート系、テトラヒドロフランなどを用いることができる。またこれらは単独、もしくは2種以上の混合溶媒として用いることもできる。前記のうち、ある程度の極性を有した有機溶媒、例えば、アセトニトリル、メタノール、プロピレンカルボナート、テトラヒドロフランなどが好適に利用できる。さらに、ドーパントを添加する場合は、ドーパントも溶解できることが望ましい。As another method for forming the dense
The electrolytic polymerization method can be suitably used because it can control the porosity and densification depending on the polymerization conditions. The conditions for forming the
For example, the electropolymerization solvent used in the electropolymerization method is not particularly limited as long as the conductive polymer monomer can be dissolved and the electropolymerization potential of the monomer is stable. For example, nitriles such as water and acetonitrile can be used. System, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, ketones such as acetone, carbonates such as propylene carbonate, tetrahydrofuran and the like can be used. These may be used alone or as a mixed solvent of two or more. Of the above, organic solvents having a certain degree of polarity, such as acetonitrile, methanol, propylene carbonate, tetrahydrofuran and the like, can be suitably used. Furthermore, when adding a dopant, it is desirable that the dopant can also be dissolved.
また、電解重合条件としては、予め上記導電性高分子モノマーを溶解させた電解重合液中に、前記集電体を浸漬させ、同じ電解溶液中に設置した対向電極との間に任意の電圧を印加することで重合を進行させる。一般的には酸化重合が起きる範囲内で、電解電流密度または電解電位を小さく、また反応温度を低下させた方がより緻密化するため好ましい。このときのモノマー濃度としては、モノマーの種類により最適値が異なるため特には限定されないが、一般的に0.01mol/L〜10mol/Lの範囲が望ましい。また、重合する際の印加電流密度としては、モノマーの種類により最適値が異なるため特には限定されないが、0.01mA/cm2〜100mA/cm2の範囲であることが望ましい。また、重合する際の温度は、重合が進行する範囲内の温度で、かつ電解液が沸騰・固化せず、導電性高分子モノマーやドーパントが溶解する範囲内である必要があるが、50℃以下、特に室温以下であることが好ましい。In addition, as an electropolymerization condition, the current collector is immersed in an electropolymerization solution in which the conductive polymer monomer is dissolved in advance, and an arbitrary voltage is applied between the counter electrode placed in the same electrolysis solution. Polymerization proceeds by application. In general, it is preferable to reduce the electrolytic current density or the electrolytic potential within the range where oxidative polymerization occurs, and to lower the reaction temperature, because the densification becomes more precise. The monomer concentration at this time is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of monomer, but is generally in the range of 0.01 mol / L to 10 mol / L. The applied current density at the time of polymerization is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of monomer, but it is preferably in the range of 0.01 mA / cm 2 to 100 mA / cm 2 . Further, the temperature at the time of polymerization needs to be within the range in which the polymerization proceeds and within the range in which the electrolytic polymer does not boil and solidify and the conductive polymer monomer or dopant is dissolved, In particular, the temperature is particularly preferably room temperature or lower.
また、重合方法としては化学重合法も好適に利用できる。この場合、導電性高分子モノマーを含有する溶液中で酸化剤を作用させると、得られる高分子は粒子状もしくは塊状の形態になってしまい、電極形状に成型することは困難である。したがって、電極基体を導電性高分子モノマーもしくは酸化剤のどちらかを含む溶液に浸漬するか、それらに該溶液を塗布した後、続いてもう一方の成分を溶解させた溶液に浸漬もしくは塗布するなどして、上記電極基体表面で重合が進行するようにし、導電性高分子層を形成させることが望ましい。 Moreover, a chemical polymerization method can also be suitably used as the polymerization method. In this case, when an oxidizing agent is allowed to act in a solution containing a conductive polymer monomer, the resulting polymer is in the form of particles or lumps, and it is difficult to mold it into an electrode shape. Therefore, the electrode substrate is immersed in a solution containing either the conductive polymer monomer or the oxidizing agent, or after applying the solution to them, the electrode substrate is subsequently immersed or applied in a solution in which the other component is dissolved. Thus, it is desirable that the polymerization proceeds on the surface of the electrode substrate to form a conductive polymer layer.
しかし、より緻密に導電性高分子層10を形成させるには、上記のように導電性高分子のモノマーを含む溶液と電極基体8を接触させた状態で、モノマーを化学的に酸化重合する方法よりも、化学重合法により調製した導電性高分子を任意の溶媒に溶解させることにより導電性高分子溶液を作製し、該導電性高分子溶液をスピンコートやバーコート法、または刷毛塗りやスプレー塗布、インクジェット法などで塗布・乾燥させることで緻密かつ均一に導電性高分子層10を形成することがより望ましい。
However, in order to form the
また、電導度を向上させるために導電性高分子層10にドーパントを添加することが望ましい。ドーパントは特に限定されず、上記の導電性高分子層9で説明したような公知のドーパントを利用できる。ドーパントの例としてヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、ヨウ素、臭素、塩素等のハロゲンアニオン、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、メタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等のアルキル基置換有機スルホン酸アニオン、カンファースルホン酸等の環状スルホン酸アニオン、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ベンゼンジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のベンゼンモノまたはジスルホン酸アニオン、2−ナフタレンスルホン酸、1,7−ナフタレンジスルホン酸等の1〜3個のスルホン酸基を有する、アルキル基置換または無置換ナフタレンスルホン酸アニオン、アントラセンスルホン酸、アントラキノンスルホン酸、アルキルビフェニルスルホン酸、ビフェニルジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のビフェニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリイミド、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合体等の高分子スルホン酸アニオン、置換または無置換の芳香族スルホン酸アニオン、ビスサルチレートホウ素、ビスカテコレートホウ素等のホウ素化合物アニオン、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸アニオン等が挙げられる。これらのドーパントは単独でも2種以上を併用してもよい。
Further, it is desirable to add a dopant to the
ドーパントの脱離を抑制するため、ドーパントは無機アニオンよりも有機酸アニオンであることが望ましく、熱分解などが起きにくいものが望ましい。さらに、より緻密にかつ高い電導度を持ち密着性を向上させた高分子膜を形成させるため、上記のドーパントのうち、単分子アニオンよりも高分子状アニオン、特に高分子状有機酸アニオンが望ましく、より詳しくは、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリイミドなどの高分子スルホン酸アニオンを用いることが望ましい。
緻密な導電性高分子層10におけるドーパントの使用量は、使用するドーパント種により最適値が異なるため特に限定されないが、好ましくは5〜60質量%、さらに好ましくは10〜45質量%である。
このようなドーパントは導電性高分子層を形成させる際に、適宜の段階で使用することができ、例えば導電性高分子の形成に使用するモノマーと共存させておくことができる。電解重合にてドーパントを共存させる場合、ドーパントの濃度としては、モノマー濃度に対して1/10〜100倍の範囲が望ましい。In order to suppress the desorption of the dopant, the dopant is preferably an organic acid anion rather than an inorganic anion, and is preferably one that is less susceptible to thermal decomposition. Furthermore, in order to form a polymer film with higher density and higher electrical conductivity and improved adhesion, among the above dopants, a polymeric anion, particularly a polymeric organic acid anion, is preferable to a monomolecular anion. More specifically, it is desirable to use a polymer sulfonate anion such as polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, sulfonated polyester, sulfonate polyether, and sulfonate polyimide.
The amount of dopant used in the dense
Such a dopant can be used at an appropriate stage when the conductive polymer layer is formed. For example, it can coexist with a monomer used for forming the conductive polymer. When the dopant is allowed to coexist in the electropolymerization, the dopant concentration is preferably in the range of 1/10 to 100 times the monomer concentration.
緻密な導電性高分子層10の厚みとしては特に限定はされないが、厚すぎると該導電性高分子層10の応力が強くなるため、また、特に電解液などと併せて使用する条件では、該導電性高分子層10へ電解質のドーピング、電解液溶媒の膨潤などのため、電極基体8より剥離しやすくなるため、さらには電気抵抗値も嵩んでくることから薄いことが望ましい。したがって、電極の使用目的・条件に併せて適宜変更することが望ましく、緻密な導電性高分子層10は多孔質導電性高分子層11よりも薄いことが望ましい。
該導電性高分子層10の厚さは一般的に、5nm〜5μm程度が適当であり、好ましくは1μm以下が望ましい。
電極基体8上に、緻密な導電性高分子層10及び多孔性導電性高分子層11を形成させた3層以上の構造からなる触媒電極における、該緻密な導電性高分子層10の比表面積は、使用するモノマーにより最適値が異なるため特に限定されないが、通常はN2-BET比表面積で一般的に0.1m2/g以上であり、多孔性導電性高分子層11よりも比表面積が小さいことが望ましく、具体的には5m2/g以下が望ましい。The thickness of the dense
In general, the thickness of the
Specific surface area of the dense
一方、多孔質導電性高分子層11は、電解質層中に含まれる酸化還元対の酸化体を還元する触媒として機能するため、多孔性導電性高分子層11の構成成分や形成方法は、一般的には上述の導電性高分子層9に準じたものでよい。
多孔質導電性高分子層11が導電性と触媒機能を有していれば、該導電性高分子を構成するモノマーは特に限定されない。多孔質導電性高分子層11のポリマーは、単一のモノマーから形成されたホモポリマー又はそれらの混合物であってもよく、また2種以上のモノマーからなるコポリマー又はその混合物であってもよく、ホモポリマーとコポリマーの混合物であってもよい。すなわち、緻密な導電性高分子層11は1種以上のホモポリマー、1種以上のコポリマー、または1種以上のホモポリマーと1種以上のコポリマーの混合物を含むことができる。
多孔質導電性高分子層11は、多孔質化させる導電性高分子と、触媒として働く導電性高分子とを併用することで構成されてもよい。On the other hand, since the porous
As long as the porous
The porous
多孔質導電性高分子層11において、導電性高分子を形成するモノマーの具体例としては、特に限定されないが、一般的には芳香族化合物が挙げられる。さらに、該芳香族化合物モノマーとして、上記一般式(1)又は(2)で表される芳香族アミン化合物、上記一般式(3)で表されるチオフェン化合物、上記一般式(4)で表されるピロール化合物、フラン、ピリジン、及びベンゼンなどからなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーが挙げられる。これらの中で芳香族アミン化合物、チオフェン化合物及びピロール化合物が特に好ましく使用できる。
これら芳香族化合物の水素原子の一部を炭素原子数8までのアルキル基、アルコキシ基又はアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、ニトロ基、アミノ基、カルボキシル基、スルホ基、またはホスホニウム基で置換した化合物を用いても構わない。In the porous
Some of the hydrogen atoms of these aromatic compounds are alkyl groups, alkoxy groups or aryl groups having up to 8 carbon atoms, cyano groups, thiocyano groups, halogen groups, nitro groups, amino groups, carboxyl groups, sulfo groups, or phosphonium groups. You may use the compound substituted by.
上記芳香族アミン化合物の例として、アニリン及びアニリン誘導体があり、上記チオフェン化合物の例としてチオフェン及びチオフェン誘導体が挙げられ、上記ピロール化合物として、ピロール及びピロール誘導体が挙げられ、ピロール誘導体として特に3位に炭素原子数1〜8のアルキル基を有するものが挙げられる。
これらの中でも、導電性の高い導電性高分子ポリマーを形成できるピロール及びピロール誘導体、チオフェン及びチオフェン誘導体、並びにアニリン及びアニリン誘導体が好ましく使用される。
好ましいピロール化合物の例として、ピロール、3−メチルピロール、3−ブチルピロール、及び3−オクチルピロールなどがあり、これらのうちから少なくとも1種を用いることができる。好ましいチオフェン化合物の例として、チオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−オクチルチオフェン、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、及び3,4−エチレジオキシチオフェンが挙げられる。これらのうちから少なくとも1種を用いることができる。特に3,4−エチレジオキシチオフェンが好ましい。Examples of the aromatic amine compound include aniline and aniline derivatives. Examples of the thiophene compound include thiophene and thiophene derivatives. Examples of the pyrrole compound include pyrrole and pyrrole derivatives. What has a C1-C8 alkyl group is mentioned.
Among these, pyrrole and pyrrole derivatives, thiophene and thiophene derivatives, and aniline and aniline derivatives that can form a conductive polymer having high conductivity are preferably used.
Examples of preferred pyrrole compounds include pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole, and 3-octylpyrrole, and at least one of them can be used. Examples of preferred thiophene compounds include thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-octylthiophene, tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3-phenylthiophene, and 3,4-ethylenedioxythiophene. At least one of these can be used. In particular, 3,4-ethylenedioxythiophene is preferable.
好ましい芳香族アミン化合物の例として、アニリン、アニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、N-メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどが挙げられ、これらのうちから少なくとも1種を用いることができる。例えば、モノマーとして少なくともアニリンを用い、ポリアニリン、又はアニリンとアニリン以外の芳香族化合物をモノマーとしたコポリマーとしてもよい。例えばアニリンとアニリン誘導体とのコポリマー、さらに具体的にはアニリンと、アニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、N−メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン及びハロゲン化アニリンから選ばれるコモノマーとのコポリマーが挙げられる。
これらの導電性高分子層のポリマーを形成するモノマー成分は、重合した膜としての電導度が10-9S/cm以上を示すものが望ましい。Examples of preferred aromatic amine compounds include aniline, anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N-methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline, and halogenated aniline. Can be used. For example, at least aniline may be used as a monomer, and polyaniline or a copolymer using an aromatic compound other than aniline and aniline as a monomer may be used. For example, a copolymer of aniline and an aniline derivative, more specifically, selected from aniline and anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N-methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline and halogenated aniline. Copolymers with comonomers are mentioned.
The monomer component forming the polymer of the conductive polymer layer is preferably one having a conductivity of 10 −9 S / cm or more as a polymerized film.
多孔質導電性高分子層11の形成方法として、例えば、導電性高分子を溶解させた溶液から成膜する方法が挙げられる。該溶液に用いる溶媒としては導電性高分子化合物を溶解できるものであれば特に制限はされないが、例えばトルエン、キシレン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、酢酸ブチルなどが挙げられ、特にN−メチル−2−ピロリドンが好適に利用できる。
また、導電性高分子粉末を、分散液、ペーストもしくはエマルジョン、もしくは高分子溶液、又はバインダーを含む混合物形態に処理した後に、電極基体上へスクリーン印刷、スプレー塗布、刷毛塗り、浸漬などにより形成させる方法も可能である。Examples of a method for forming the porous
In addition, after the conductive polymer powder is processed into a dispersion, paste or emulsion, polymer solution, or mixture containing a binder, it is formed on the electrode substrate by screen printing, spray coating, brush coating, dipping, or the like. A method is also possible.
多孔質導電性高分子層11の形成方法としてまた、化学重合法を用いることができる。化学重合法を用いる場合は、導電性高分子モノマーを含有する溶液中で酸化剤と作用させると、得られる高分子は粒子状もしくは塊状の形態になってしまい、求めるような多孔質を発現し、電極形状に成型することは困難である。したがって、緻密な導電性高分子層10を形成させた電極基体8を、導電性高分子モノマーもしくは酸化剤のどちらかを含む溶液に浸漬、もしくは該溶液を塗布した後、続いてもう一方の成分を溶解させた溶液に浸漬もしくは塗布するなど、緻密な導電性高分子層10の表面にて重合が進行するようにし、該導電性高分子層10上に多孔質導電性高分子層11を形成させることが望ましい。また、酸化剤を含む溶液に浸漬、もしくは該溶液を塗布した後、モノマーの蒸気に曝すことで重合を行なう方法も好適に利用できる。
A chemical polymerization method can also be used as a method for forming the porous
多孔質導電性高分子層11の形成にはまた、電解重合法を用いることができる。このとき、前記緻密な導電性高分子層10上に直接電解重合を行なうことができる。
また、別途作製した多孔質導電性高分子膜を前記導電性高分子層10上に載せ、導電性高分子層10に追加で重合することで張り合わせても構わない。
また、別途作製した導電性高分子粒子を共存させながら電解重合を行なうと、より短時間で多孔質化した導電性高分子層11を形成することもできる。An electrolytic polymerization method can also be used to form the porous
Alternatively, a separately prepared porous conductive polymer film may be placed on the
In addition, when the electropolymerization is performed in the presence of separately prepared conductive polymer particles, the
導電性高分子層11は、より大きな表面積を有する多孔質状態であることが望ましいため、上記のように溶解させた溶液から塗布・成膜する方法よりも、導電性高分子のモノマーを含む溶液と緻密な導電性高分子層10を形成させた電極基体8とを接触させた状態で、モノマーを化学的に酸化重合する方法が好ましい。さらに、電気化学的に酸化重合する方法(電解重合法)は、室温大気雰囲気下において導電性高分子の重合を電気的に制御することが可能であるため、パターニング性や生産性、コストなどの面から、該電解重合法が特に好ましく用いられる。
多孔質導電性高分子層11を形成するにあたって採用する化学重合法又は電解重合法の材料や条件は、上述の導電性高分子層9で説明した材料や条件に準じて選択することができる。Since the
The material and conditions of the chemical polymerization method or the electrolytic polymerization method employed in forming the porous
多孔質導電性高分子層11を形成するにあたって、化学重合法に用いられる酸化剤としては、ヨウ素、臭素、ヨウ化臭素、二酸化塩素、ヨウ素酸、過ヨウ素酸、亜塩素酸等のハロゲン化物、五フッ化アンチモン、五塩化リン、五フッ化リン、塩化アルミニウム、塩化モリブデン等の金属ハロゲン化物、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、無水クロム酸、第二鉄塩、第二銅塩等の高原子価金属塩、硫酸、硝酸、トリフルオロメタン硫酸等のプロトン酸、三酸化硫黄、二酸化窒素等の酸素化合物、過酸化水素、過硫酸アンモニウム、過ホウ酸ナトリウム等のペルオキソ酸またはその塩、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸またはその塩などがあり、これらの少なくとも1種を用いることができる。
In forming the porous
多孔質導電性高分子層11を形成するにあたって、電解重合法に用いられる電解重合溶媒としては、導電性高分子モノマーを溶解でき、導電性高分子モノマーの電解重合電位においても、安定していれば特に限定はされないが、例えば、水、アセトニトリルなどのニトリル系、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール、アセトンなどのケトン系、プロピレンカルボナートなどのカルボナート系、テトラヒドロフランなどを用いることができる。またこれらは単独、もしくは2種以上の混合溶媒として用いることもできる。前記のうち、ある程度の極性を有した有機溶媒、例えば、アセトニトリル、メタノール、プロピレンカルボナート、テトラヒドロフランなどが好適に利用できる。さらに、ドーパントを添加する場合は、ドーパントも溶解できることが望ましい。
In forming the porous
該ドーパントとしては、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、ヨウ素、臭素、塩素等のハロゲンアニオン、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、メタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等のアルキル基置換有機スルホン酸アニオン、カンファースルホン酸等の環状スルホン酸アニオン、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ベンゼンジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のベンゼンモノまたはジスルホン酸アニオン、2−ナフタレンスルホン酸、1,7−ナフタレンジスルホン酸等の1〜3個のスルホン酸基を有する、アルキル基置換または無置換ナフタレンスルホン酸アニオン、アントラセンスルホン酸、アントラキノンスルホン酸、アルキルビフェニルスルホン酸、ビフェニルジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のビフェニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリイミド、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合体等の高分子スルホン酸アニオン、置換または無置換の芳香族スルホン酸アニオン、ビスサルチレートホウ素、ビスカテコレートホウ素等のホウ素化合物アニオン、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸アニオン等が挙げられる。これらのドーパントは単独でも2種以上を併用してもよい。 Examples of the dopant include hexafluoroline, hexafluoroarsenic, hexafluoroantimony, tetrafluoroboron, halide anions such as perchloric acid, halogen anions such as iodine, bromine, and chlorine, hexafluoroline, hexafluoroarsenic, hexafluoroantimony, Halogenated anions such as tetrafluoroboron and perchloric acid, alkyl group-substituted organic sulfonic acid anions such as methanesulfonic acid and dodecylsulfonic acid, cyclic sulfonic acid anions such as camphorsulfonic acid, benzenesulfonic acid, paratoluenesulfonic acid, dodecyl Alkyl group substituted or unsubstituted benzene mono- or disulfonic acid anion such as benzenesulfonic acid and benzenedisulfonic acid, 1 to 3 sulfonic acid groups such as 2-naphthalenesulfonic acid and 1,7-naphthalenedisulfonic acid Alkyl group-substituted or unsubstituted naphthalene sulfonate anion, anthracene sulfonate, anthraquinone sulfonate, alkyl biphenyl sulfonate, biphenyl disulfonate, etc., alkyl group-substituted or unsubstituted biphenyl sulfonate, polystyrene sulfonate, sulfonated poly High molecular sulfonate anions such as ether, sulfonated polyester, sulfonated polyimide, naphthalene sulfonate formalin condensate, boron compound anions such as substituted or unsubstituted aromatic sulfonate anions, bissaltylate boron and biscatecholate boron Or heteropoly acid anions such as molybdophosphoric acid, tungstophosphoric acid, tungstomolybdophosphoric acid, and the like. These dopants may be used alone or in combination of two or more.
ドーパントの脱離を抑制するため、ドーパントは無機アニオンよりも有機酸アニオンであることが望ましく、熱分解などが起きにくいものが望ましい。
電極の作用部分である多孔性導電性高分子層11のドーパントとしては、多孔性を発現させるため、前記のドーパントのうち、スルホン酸基を1〜3分子有する低分子スルホン酸アニオンを用いることが望ましい。そのような低分子スルホン酸としては、置換もしくは無置換のスルホン酸基数1〜3置換ナフタレンスルホン酸アニオン、または、置換または無置換ベンゼンスルホン酸アニオンなどが挙げられる。
例えば下記一般式(5)〜(8)で表されるベンゼンスルホン酸、およびナフタレンスルホン酸化合物、およびそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも1種類をドーパントとして含有することが特に望ましい。
As a dopant of the porous
For example, it is particularly desirable to contain as a dopant at least one selected from the group consisting of benzenesulfonic acid represented by the following general formulas (5) to (8), naphthalenesulfonic acid compounds, and salts thereof.
ドーパントとして、ヨウ素アニオン及び/又はポリヨウ化物アニオンもまた、好ましく使用できる。
ドーパントとして例えばLiI、HIなどを使用することでヨウ素アニオン(I-)を提供することができる。また、ポリヨウ化物アニオンは、例えばI3 -やI5 -などの形態であって、ヨウ素(I2)とI-を溶解して共存させることで提供できる。As the dopant, iodine anions and / or polyiodide anions can also be preferably used.
For example, iodine anion (I − ) can be provided by using LiI, HI or the like as a dopant. The polyiodide anion is in the form of, for example, I 3 − or I 5 − and can be provided by dissolving and coexisting iodine (I 2 ) and I − .
電解重合条件としては、予め上記導電性高分子モノマーを溶解させた電解重合液中に、前記集電体を浸漬させ、同じ電解溶液中に設置した対向電極との間に任意の電圧を印加することで重合を進行させる。このときの導電性高分子モノマー濃度としては、導電性高分子モノマーの種類により最適値が異なるため特には限定されないが、一般的に0.01mol/L〜10mol/Lの範囲が適当であり、0.05〜3mol/Lの範囲がしばしば用いられる。また、ドーパントを共存させる場合は、ドーパントの濃度としては、導電性高分子モノマー濃度に対して1/10〜100倍の範囲が適当であって、1/3〜20倍の範囲がしばしば用いられる。また、重合する際の印加電流密度としては、導電性高分子モノマーの種類により最適値が異なるため特には限定されないが、0.01mA/cm2〜100mA/cm2の範囲が適当であって、多くの場合1mA/cm2〜10mA/cm2の範囲が用いられる。As the electropolymerization conditions, the current collector is immersed in an electropolymerization solution in which the conductive polymer monomer is dissolved in advance, and an arbitrary voltage is applied between the counter electrode placed in the same electrolysis solution. Polymerization proceeds. The conductive polymer monomer concentration at this time is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of the conductive polymer monomer, but generally a range of 0.01 mol / L to 10 mol / L is appropriate. A range of 0.05 to 3 mol / L is often used. In the case of coexisting a dopant, the concentration of the dopant is suitably in the range of 1/10 to 100 times the conductive polymer monomer concentration, and often in the range of 1/3 to 20 times. . The applied current density at the time of polymerization is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of conductive polymer monomer, but a range of 0.01 mA / cm 2 to 100 mA / cm 2 is appropriate, many range for 1mA / cm 2 ~10mA / cm 2 is used.
多孔質導電性高分子層11の厚さは、5nm〜5μm程度が適当であり、より好ましくは0.1μm〜3μm程度である。
電極基体8上に緻密な導電性高分子層10及び多孔性導電性高分子層11を形成させた3層以上の構造からなる触媒電極において、多孔質導電性高分子層11の比表面積は、使用するモノマーにより最適値が異なるため特に限定されないが、通常はN2-BET比表面積で0.1m2/g以上であり、より好ましくは5m2/g以上が適当であり、さらに10m2/g以上であることが望ましい。The thickness of the porous
In the catalyst electrode having a structure of three or more layers in which the dense
こうして、集電体兼支持体としての電極基体8の上に導電性高分子層9を形成させて触媒電極が得られ、又は、集電体兼支持体としての電極基体8の上に緻密な導電性高分子層10、さらに多孔質導電性高分子層11を形成させて、多孔性触媒電極が得られる。
以上に説明したような色素増感型太陽電池の各構成要素材料を準備した後、従来公知の方法で金属酸化物半導体電極と触媒電極とを電解質を介して対向させるように組み上げ、色素増感型太陽電池を完成させる。In this way, the
After preparing each component material of the dye-sensitized solar cell as described above, the metal oxide semiconductor electrode and the catalyst electrode are assembled to face each other through an electrolyte by a conventionally known method, and dye sensitization is performed. Type solar cells.
本発明の色素増感型太陽電池の実施態様として、ユニットセルが2以上集積された集積色素増感型太陽電池がある。
すなわち、本発明の更なる実施態様として、2以上の半導体電極が電解質層を介して、1つの触媒電極に対向して配置されていて、該触媒電極において少なくとも半導体電極と対向している部分に導電性高分子層が存在する、色素増感型太陽電池がある。図4は、本発明の集積色素増感型太陽電池の一実施態様を模式的に表す鳥瞰図であって、複数の半導体電極21が1つの触媒電極22に対向配置されている。各半導体電極21はそれぞれ別個の電解質層を介して、触媒電極22と対向配置されていてもよい。このとき、電解質層は個々の半導体電極に対応した大きさとしてもよい。
また、該触媒電極22は、その電極基体上に全体的に導電性高分子層を備えていてもよいし、半導体電極と対向する部分に導電性高分子層を備えていてもよい。
このような集積型の色素増感型太陽電池では、必要とされる電圧などにより、触媒電極22上の個々のユニットセル(半導体電極含有セル)を任意に接続することができる。
電極基体の任意の部分に選択的に導電性高分子層を形成させる方法としては、特には限定されず既知の方法が利用できる。例えば、マスキングを施した上で電解重合を行なう方法や、任意の部分に選択的に導電性高分子層が形成されるように対電極の形状を制御するなどの方法が挙げられる。
上記のユニットセルの大きさ、形状、組み立て方、並べ方、個数、配線の仕方などは、所望する電力などに応じて適宜選択することができる。As an embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention, there is an integrated dye-sensitized solar cell in which two or more unit cells are integrated.
That is, as a further embodiment of the present invention, two or more semiconductor electrodes are disposed to face one catalyst electrode via the electrolyte layer, and at least a portion facing the semiconductor electrode in the catalyst electrode. There is a dye-sensitized solar cell in which a conductive polymer layer is present. FIG. 4 is a bird's-eye view schematically showing an embodiment of the integrated dye-sensitized solar cell of the present invention, in which a plurality of
In addition, the
In such an integrated dye-sensitized solar cell, individual unit cells (semiconductor electrode-containing cells) on the
The method for selectively forming the conductive polymer layer on an arbitrary portion of the electrode substrate is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a method of performing electropolymerization after masking, or a method of controlling the shape of the counter electrode so that a conductive polymer layer is selectively formed at an arbitrary portion can be mentioned.
The size, shape, assembly method, arrangement method, number, wiring method, and the like of the above unit cells can be appropriately selected according to the desired power.
以下、本発明を実施例に基づいて、より詳細に説明するが、本発明はこれらによりなんら限定されるものではない。
〔実施例1〕
[多孔質金属酸化物半導体]
透明導電膜付きの透明基体としてFTOガラス(日本板ガラス製25mm×50mm)を用い、その表面に二酸化チタンペースト(Soralonix社製)をバーコーターで塗布し、乾燥後450℃で30分焼成してそのまま室温となるまで放置し、10μmの厚さの多孔質酸化チタン半導体電極を形成した。EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited at all by these.
[Example 1]
[Porous metal oxide semiconductor]
As a transparent substrate with a transparent conductive film, FTO glass (Japanese plate glass 25 mm × 50 mm) was used, and a titanium dioxide paste (Soralonix) was applied to the surface with a bar coater, dried and baked at 450 ° C. for 30 minutes. The porous titanium oxide semiconductor electrode having a thickness of 10 μm was formed by being allowed to stand at room temperature.
[増感色素の吸着]
増感色素として、一般にN3dyeと呼ばれるビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ジイソチオシアネートルテニウム錯体を使用した。一旦150℃まで加熱した前記多孔質酸化チタン半導体電極を色素濃度0.5mmol/Lのエタノール溶液中に浸漬し、遮光下1晩静置した。その後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。さらに、得られた半導体電極の酸化チタン投影面積が25mm2になるよう、半導体層を研削した。[Adsorption of sensitizing dye]
As a sensitizing dye, a bis (4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine) diisothiocyanate ruthenium complex generally called N3dye was used. The porous titanium oxide semiconductor electrode once heated to 150 ° C. was immersed in an ethanol solution having a pigment concentration of 0.5 mmol / L, and left standing under light shielding overnight. Thereafter, excess pigment was washed with ethanol and then air-dried to produce a semiconductor electrode of a solar cell. Furthermore, the semiconductor layer was ground so that the projected area of titanium oxide of the obtained semiconductor electrode was 25 mm 2 .
[触媒電極の作製]
導電膜層付の電極基体としてFTOガラス(日本板ガラス製25mm×50mm)を用いた。有機溶媒中で超音波洗浄した該電極基体を、アニリン 0.1mol/Lと塩酸 1mol/Lとを含む水溶液中に浸漬し、電気化学的に酸化することでFTOガラス表面にポリアニリン膜を形成させた。このポリアニリン膜付FTOガラスを、純水で洗浄し空気中100℃で乾燥し触媒電極を得た。[Production of catalyst electrode]
As an electrode substrate with a conductive film layer, FTO glass (Nippon Sheet Glass 25 mm × 50 mm) was used. The electrode substrate ultrasonically cleaned in an organic solvent is immersed in an aqueous solution containing aniline 0.1 mol / L and hydrochloric acid 1 mol / L, and electrochemically oxidized to form a polyaniline film on the FTO glass surface. It was. This FTO glass with a polyaniline film was washed with pure water and dried in air at 100 ° C. to obtain a catalyst electrode.
[太陽電池セルの組み立て]
前記のように作製した半導体電極と触媒電極を対向するよう設置し、電解質を毛管現象にて両電極間に含浸させた。電解質としては、溶媒をメトキシアセトニル、還元剤としてヨウ化リチウム、酸化剤としてヨウ素、添加剤としてt−ブチルピリジン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを含む溶液を用いた。[Assembly of solar cells]
The semiconductor electrode and the catalyst electrode produced as described above were placed so as to face each other, and an electrolyte was impregnated between both electrodes by capillary action. As the electrolyte, a solution containing methoxyacetonyl as a solvent, lithium iodide as a reducing agent, iodine as an oxidizing agent, t-butylpyridine as an additive, and 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide was used.
[太陽電池セルの光電変換特性の測定]
上記の太陽電池セルについて、光量100mW/cm2の擬似太陽光を照射して開放電圧(以下、「Voc」と略記する。)、短絡電流密度(以下、「Jsc」と略記する。)、形状因子(以下、「FF」と略記する。)、および光電変換効率を評価したところ、以下の結果を得た。
「Voc」、「Jsc」、「FF」及び光電変換効率の各測定値については、より大きい値が太陽電池セルの性能として好ましいことを表す。[Measurement of photoelectric conversion characteristics of solar cells]
The above solar cell is irradiated with pseudo-sunlight with an amount of light of 100 mW / cm 2 to open voltage (hereinafter abbreviated as “Voc”), short-circuit current density (hereinafter abbreviated as “Jsc”), and shape. When the factors (hereinafter abbreviated as “FF”) and photoelectric conversion efficiency were evaluated, the following results were obtained.
About each measured value of "Voc", "Jsc", "FF", and a photoelectric conversion efficiency, it represents that a larger value is preferable as a performance of a photovoltaic cell.
[実施例1の測定結果]
開放電圧(Voc):0.69V
短絡電流密度(Jsc):11.0mA/cm2
形状因子(FF):79%
光電変換効率:6.0%[Measurement results of Example 1]
Open-circuit voltage (Voc): 0.69V
Short circuit current density (Jsc): 11.0 mA / cm 2
Form factor (FF): 79%
Photoelectric conversion efficiency: 6.0%
〔実施例2〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製方法において、モノマーをアニリン0.05mol/L、アニシジン0.05mol/L、ドーパントをp-トルエンスルホン酸として、太陽電池セルを作製し、評価した。
[実施例2の測定結果]
開放電圧(Voc):0.74V
短絡電流密度(Jsc):11.8mA/cm2
形状因子(FF):81%
光電変換効率:7.1%[Example 2]
In the same manner as in Example 1, except that, in the method for producing a catalyst electrode, a solar cell was produced and evaluated using aniline 0.05 mol / L, anisidine 0.05 mol / L and a dopant p-toluenesulfonic acid. .
[Measurement results of Example 2]
Open-circuit voltage (Voc): 0.74V
Short circuit current density (Jsc): 11.8 mA / cm 2
Form factor (FF): 81%
Photoelectric conversion efficiency: 7.1%
〔実施例3〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製方法において、ドーパントを2,7−ナフタレンジスルホン酸として、太陽電池セルを作製し、評価した。形成した導電性高分子層の膜厚は約1.2μm、比表面積は約23m2/gであった。
[実施例3の測定結果]
開放電圧(Voc):0.71V
短絡電流密度(Jsc):11.6mA/cm2
形状因子(FF):76%
光電変換効率:6.3%Example 3
In the same manner as in Example 1, except that in the method for producing a catalyst electrode, a solar battery cell was produced and evaluated using 2,7-naphthalenedisulfonic acid as a dopant. The formed conductive polymer layer had a thickness of about 1.2 μm and a specific surface area of about 23 m 2 / g.
[Measurement results of Example 3]
Open circuit voltage (Voc): 0.71V
Short-circuit current density (Jsc): 11.6 mA / cm 2
Form factor (FF): 76%
Photoelectric conversion efficiency: 6.3%
〔実施例4〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製方法において、モノマーをアニリン0.05mol/L、ニトロアニリン0.05mol/L、ドーパントをp-トルエンスルホン酸とて、太陽電池セルを作製し、評価した。
[実施例4の測定結果]
開放電圧(Voc):0.73V
短絡電流密度(Jsc):9.5mA/cm2
形状因子(FF):72%
光電変換効率:5.0%Example 4
In the same manner as in Example 1, except that, in the method for producing a catalyst electrode, a solar cell was produced using aniline 0.05 mol / L, nitroaniline 0.05 mol / L, and a dopant p-toluenesulfonic acid, evaluated.
[Measurement results of Example 4]
Open-circuit voltage (Voc): 0.73V
Short circuit current density (Jsc): 9.5 mA / cm 2
Form factor (FF): 72%
Photoelectric conversion efficiency: 5.0%
〔実施例5〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製方法において、ドーパントをヨウ化水素酸として、太陽電池セルを作製し、評価した。形成した導電性高分子層の膜厚は約1.0μmであった。
[実施例5の測定結果]
開放電圧(Voc):0.74V
短絡電流密度(Jsc):11.5mA/cm2
形状因子(FF):82%
光電変換効率:7.0%Example 5
In the same manner as in Example 1, except that in the method for producing a catalyst electrode, a solar battery cell was produced and evaluated using hydriodic acid as a dopant. The film thickness of the formed conductive polymer layer was about 1.0 μm.
[Measurement results of Example 5]
Open-circuit voltage (Voc): 0.74V
Short circuit current density (Jsc): 11.5 mA / cm 2
Form factor (FF): 82%
Photoelectric conversion efficiency: 7.0%
〔実施例6〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製方法において、モノマーを3,4−エチレンジオキシチオフェン0.05mol/L、ドーパントをp-トルエンスルホン酸0.1mol/Lとして、太陽電池セルを作製し、評価した。形成した導電性高分子層の膜厚は約0.6μmであった。
[実施例6の測定結果]
開放電圧(Voc):0.74V
短絡電流密度(Jsc):10.1mA/cm2
形状因子(FF):69%
光電変換効率:5.2%Example 6
In the same manner as in Example 1, except that in the method for producing the catalyst electrode, the monomer is 3,4-ethylenedioxythiophene 0.05 mol / L, the dopant is p-toluenesulfonic acid 0.1 mol / L, and the solar cell is formed. Prepared and evaluated. The film thickness of the formed conductive polymer layer was about 0.6 μm.
[Measurement results of Example 6]
Open-circuit voltage (Voc): 0.74V
Short circuit current density (Jsc): 10.1 mA / cm 2
Form factor (FF): 69%
Photoelectric conversion efficiency: 5.2%
〔実施例7〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製を以下のようにして、太陽電池セルを作製し、評価した。
触媒電極において、電極基体にFTOガラスを用いた。導電性高分子として、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリスチレンスルホン酸水分散液(以降PEDOT/PSS液)(Aldrich社製)を用いた。まず、PEDOT/PSS液をろ過した後、1000rpm×30秒間の条件にてFTOガラス上にスピンコートし、風乾したのちに90℃にて15分加熱乾燥することを5回行なって導電性高分子層を形成させた。導電性高分子層の厚みは約0.5μmであった。
[実施例7の測定結果]
開放電圧(Voc):0.69V
短絡電流密度(Jsc):9.1mA/cm2
形状因子(FF):58%
光電変換効率:3.6%Example 7
In the same manner as in Example 1, except that the catalyst electrode was produced as follows, and a solar battery cell was produced and evaluated.
In the catalyst electrode, FTO glass was used for the electrode substrate. As the conductive polymer, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / polystyrene sulfonic acid aqueous dispersion (hereinafter referred to as PEDOT / PSS liquid) (manufactured by Aldrich) was used. First, after filtering the PEDOT / PSS solution, spin-coating on FTO glass under the condition of 1000 rpm × 30 seconds, air-drying, and then heat-drying at 90 ° C. for 15 minutes for 5 times to conduct the conductive polymer A layer was formed. The thickness of the conductive polymer layer was about 0.5 μm.
[Measurement results of Example 7]
Open-circuit voltage (Voc): 0.69V
Short circuit current density (Jsc): 9.1 mA / cm 2
Form factor (FF): 58%
Photoelectric conversion efficiency: 3.6%
〔実施例8〕
電極基体としてFTO被膜付ガラスを、ピロール 0.1mol/Lおよび、ポリビニルスルホン酸100g/Lを溶解させた水溶液中に含浸させた後、電解重合を行ない、緻密な導電性高分子層を形成させた。FTOガラス表面に生成した黒色のポリピロール膜を洗浄し、100℃で15分乾燥させた。重合した緻密なポリピロールの膜厚は約0.5μmであった。Example 8
After impregnating FTO-coated glass as an electrode substrate in an aqueous solution in which 0.1 mol / L of pyrrole and 100 g / L of polyvinyl sulfonic acid are dissolved, electrolytic polymerization is performed to form a dense conductive polymer layer. It was. The black polypyrrole film formed on the FTO glass surface was washed and dried at 100 ° C. for 15 minutes. The film thickness of the polymerized dense polypyrrole was about 0.5 μm.
得られたポリピロール付きFTOガラスを、p−トルエンスルホン酸を0.1mol/lで溶解させた過酸化水素水に浸漬してから取り出し、次いでピロール蒸気に暴露させることにより、該FTOガラス上の緻密なポリピロール上に多孔質のポリピロール層を形成させ、多孔性触媒電極を得た。重合した多孔質ポリピロールの膜厚は約1μmであり、比表面積は約16m2/gであった。The obtained FTO glass with polypyrrole was taken out after being immersed in a hydrogen peroxide solution in which p-toluenesulfonic acid was dissolved at 0.1 mol / l, and then exposed to pyrrole vapor. A porous polypyrrole layer was formed on the polypyrrole to obtain a porous catalyst electrode. The film thickness of the polymerized porous polypyrrole was about 1 μm, and the specific surface area was about 16 m 2 / g.
作製した上記多孔性触媒電極を、電極基体側からデジタル顕微鏡で観察したところ、導電性高分子膜が剥離もしは未重合の白濁部分は観察されず、全面でポリピロール膜が黒く接着していることを確認した。
[実施例8の測定結果]
開放電圧(Voc):0.69V
短絡電流密度(Jsc):10.2mA/cm2
形状因子(FF):72%
光電変換効率:5.1%When the produced porous catalyst electrode was observed with a digital microscope from the electrode substrate side, the conductive polymer film was peeled off or no unpolymerized cloudy part was observed, and the polypyrrole film was adhered to the entire surface in black. It was confirmed.
[Measurement results of Example 8]
Open-circuit voltage (Voc): 0.69V
Short-circuit current density (Jsc): 10.2 mA / cm 2
Form factor (FF): 72%
Photoelectric conversion efficiency: 5.1%
〔実施例9〕
触媒電極の作製方法において、導電膜層付の電極基体としてFTOガラス(日本板ガラス製25mm×50mm)を用いた。有機溶媒中で超音波洗浄した該電極基体を、酸化剤としてトリス(パラトルエンスルホン酸鉄塩を溶解させたブタノール溶液を塗布したのち、ピロール蒸気に暴露させることにより、多孔性のポリピロール層を形成させ、触媒電極を得た。重合した多孔質ポリピロールの膜厚は約1.5μmであった。
得られた多孔性ポリピロール層のみが形成させたFTOガラスを、実施例8と同様に観察したところ、電極面積の75%しかポリピロールが接着していなかった。
この触媒電極を用いて実施例1と同様に太陽電池セルを組み立て、実施例1と同様に評価した。
[実施例9の測定結果]
開放電圧(Voc):0.62V
短絡電流密度(Jsc):8.2mA/cm2
形状因子(FF):81%
光電変換効率:4.1%Example 9
In the method for producing the catalyst electrode, FTO glass (Nippon Sheet Glass 25 mm × 50 mm) was used as the electrode substrate with the conductive film layer. The electrode substrate cleaned ultrasonically in an organic solvent is coated with tris (butanol solution in which iron salt of paratoluenesulfonic acid is dissolved) as an oxidizing agent, and then exposed to pyrrole vapor to form a porous polypyrrole layer. The film thickness of the polymerized porous polypyrrole was about 1.5 μm.
When the FTO glass formed only by the obtained porous polypyrrole layer was observed in the same manner as in Example 8, only 75% of the electrode area was adhered to the polypyrrole.
Using this catalyst electrode, a solar battery cell was assembled in the same manner as in Example 1 and evaluated in the same manner as in Example 1.
[Measurement results of Example 9]
Open circuit voltage (Voc): 0.62V
Short-circuit current density (Jsc): 8.2 mA / cm 2
Form factor (FF): 81%
Photoelectric conversion efficiency: 4.1%
〔実施例10〕
氷浴させたアニリン濃度0.1mol/lの硫酸水溶液に過硫酸アンモニウムを滴下してアニリンを重合させ、ポリアニリン粒子を得た。得られたポリアニリン粒子にアンモニア水を作用させた後、N−メチルピロリドン(以降NMPと省略する。)にポリアニリンが20質量%となるよう溶解させ、ポリアニリンNMP溶液を得た。
前記ポリアニリンNMP溶液に、電極基体とするFTO被膜付ガラス(25mm×50mm)を浸漬してから引き上げ、空気中150℃で1時間加熱乾燥させて緻密なポリアニリン被覆FTOガラスを得た。
得られたポリアニリン被覆FTOガラスに、p−トルエンスルホン酸を作用させてドープ処理を施した。形成させた緻密なポリアニリンの膜厚は約0.8μmであった。Example 10
Ammonium persulfate was dropped into an ice bathed sulfuric acid aqueous solution having an aniline concentration of 0.1 mol / l to polymerize aniline to obtain polyaniline particles. Ammonia water was allowed to act on the obtained polyaniline particles, and then dissolved in N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) so that the polyaniline was 20% by mass to obtain a polyaniline NMP solution.
An FTO-coated glass (25 mm × 50 mm) serving as an electrode substrate was dipped in the polyaniline NMP solution, then pulled up and dried by heating in air at 150 ° C. for 1 hour to obtain a dense polyaniline-coated FTO glass.
The resulting polyaniline-coated FTO glass was doped with p-toluenesulfonic acid. The film thickness of the dense polyaniline formed was about 0.8 μm.
さらに、前記ドープ処理を施したポリアニリン被覆FTOガラスを作用極、対極は白金を使用として、アニリン0.1mol/lとp−トルエンスルホン酸1mol/lを含有する水溶液中、アニリンの電解重合を行なって多孔質のポリアニリン被膜を付着させた。電解重合後は、蒸留水で洗浄し、空気中100℃で15分間乾燥させることで、多孔性触媒電極を得た。得られた多孔質なポリアニリンの膜厚は約1.5μmである、比表面積は約28m2/gであった。
この多孔性触媒電極を、走査電子顕微鏡にて電解重合部分の表面観察を行なった結果、多孔質状態であることを確認した。Further, the polyaniline-coated FTO glass subjected to the dope treatment is used as a working electrode, and platinum is used as a counter electrode, and aniline is electropolymerized in an aqueous solution containing aniline 0.1 mol / l and p-toluenesulfonic acid 1 mol / l. A porous polyaniline coating was applied. After the electropolymerization, the porous catalyst electrode was obtained by washing with distilled water and drying in air at 100 ° C. for 15 minutes. The obtained porous polyaniline had a film thickness of about 1.5 μm and a specific surface area of about 28 m 2 / g.
As a result of observing the surface of the electrolytic polymerization portion with a scanning electron microscope, the porous catalyst electrode was confirmed to be in a porous state.
前記のように作製した半導体電極と多孔性触媒電極を用いて、実施例1と同様にして太陽電池セルを組み立てて、実施例1と同様に評価した。結果は以下のとおりである。
[実施例10の測定結果]
開放電圧(Voc):0.72V
短絡電流密度(Jsc):11.8mA/cm2
形状因子(FF):76%
光電変換効率:6.5%Using the semiconductor electrode and the porous catalyst electrode produced as described above, solar cells were assembled in the same manner as in Example 1 and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are as follows.
[Measurement results of Example 10]
Open-circuit voltage (Voc): 0.72V
Short circuit current density (Jsc): 11.8 mA / cm 2
Form factor (FF): 76%
Photoelectric conversion efficiency: 6.5%
〔実施例11〕
実施例10と同様にして、ポリアニリンNMP溶液にて緻密なポリアニリン皮膜を形成し、ドープ処理したポリアニリン被覆FTOガラスを作製し、但し後続の多孔性ポリアニリン層を形成させずに、触媒電極を得た。
この触媒電極を用いて実施例1と同様に太陽電池セルを組み立て、実施例1と同様に評価した。このとき、膜厚は0.4μm、比表面積は約2m2/gであった。結果は以下のとおりである。
[実施例11の測定結果]
開放電圧(Voc):0.74V
短絡電流密度(Jsc):9.1mA/cm2
形状因子(FF):62%
光電変換効率:4.2%Example 11
In the same manner as in Example 10, a dense polyaniline film was formed with a polyaniline NMP solution to prepare a doped polyaniline-coated FTO glass, but a catalyst electrode was obtained without forming the subsequent porous polyaniline layer. .
Using this catalyst electrode, a solar battery cell was assembled in the same manner as in Example 1 and evaluated in the same manner as in Example 1. At this time, the film thickness was 0.4 μm, and the specific surface area was about 2 m 2 / g. The results are as follows.
[Measurement results of Example 11]
Open-circuit voltage (Voc): 0.74V
Short circuit current density (Jsc): 9.1 mA / cm 2
Form factor (FF): 62%
Photoelectric conversion efficiency: 4.2%
〔実施例12〕
実施例1と同様にして、但し触媒電極の作製方法において、ドーパントをポリビニルスルホン酸とし、導電性高分子層の膜厚を4μmとして触媒電極を作製し、太陽電池セルを組んで評価した。
[実施例12の測定結果]
開放電圧(Voc):0.72V
短絡電流密度(Jsc):9.3mA/cm2
形状因子(FF):59%
光電変換効率:4.0%Example 12
In the same manner as in Example 1, except that in the method for producing the catalyst electrode, the catalyst electrode was produced with polyvinyl sulfonic acid as the dopant and the conductive polymer layer having a film thickness of 4 μm, and evaluation was performed by assembling solar cells.
[Measurement results of Example 12]
Open-circuit voltage (Voc): 0.72V
Short circuit current density (Jsc): 9.3 mA / cm 2
Form factor (FF): 59%
Photoelectric conversion efficiency: 4.0%
〔比較例1〕
触媒電極の作製方法以外は実施例1と同様に太陽電池セルを作製し、評価した。
触媒電極において、電極基体にFTOガラスを用いた。スパッタリング法によりFTOガラス上に白金層を形成した。白金層の厚みは約150nmであった。
[比較例1の測定結果]
開放電圧(Voc):0.67V
短絡電流密度(Jsc):8.9mA/cm2
形状因子(FF):64%
光電変換効率:3.8%[Comparative Example 1]
Except for the production method of the catalyst electrode, solar cells were produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
In the catalyst electrode, FTO glass was used for the electrode substrate. A platinum layer was formed on the FTO glass by sputtering. The thickness of the platinum layer was about 150 nm.
[Measurement results of Comparative Example 1]
Open circuit voltage (Voc): 0.67V
Short-circuit current density (Jsc): 8.9 mA / cm 2
Form factor (FF): 64%
Photoelectric conversion efficiency: 3.8%
以下の表1に上記各例の導電性高分子膜の材料、形成方法、及び測定値を示す。なお、材料の欄の括弧内はドーパントを表す。 Table 1 below shows the materials, forming methods, and measured values of the conductive polymer films of the above examples. The parentheses in the material column represent the dopant.
*1 比表面積:約23m2/g
*2 比表面積:約16m2/g
*3 比表面積:約28m2/g
*4 比表面積:約2m2/g * 1 Specific surface area: about 23m 2 / g
* 2 Specific surface area: Approximately 16m 2 / g
* 3 Specific surface area: about 28m 2 / g
* 4 Specific surface area: about 2m 2 / g
以上の結果から、本発明の触媒電極を備えた色素増感型太陽電池が優れた光電変換効率を有していることが判る。 From the above results, it can be seen that the dye-sensitized solar cell provided with the catalyst electrode of the present invention has excellent photoelectric conversion efficiency.
本発明によれば、電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することのできる、色素増感型太陽電池用の触媒電極が提供される。さらにこの触媒電極を、電解質層を介して光増感作用を有する色素を含む半導体電極に対向配置させることで、優れた光電変換効率を有し、さらには耐久性に優れた色素増感型太陽電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the catalyst electrode for dye-sensitized solar cells which can reduce | restore rapidly the oxidation body of the oxidation reduction pair contained in electrolyte is provided. Furthermore, this catalyst electrode is disposed opposite to a semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action through an electrolyte layer, thereby providing a dye-sensitized solar having excellent photoelectric conversion efficiency and excellent durability. A battery can be provided.
1 電極基体
2 透明基板
3 透明導電膜
4 多孔質金属酸化物半導体層
5 増感色素層
6 電解質層
7 触媒電極
8 電極基体
9 導電性高分子層
10 緻密な導電性高分子層
11 多孔質導電性高分子層
21 半導体電極
22 触媒電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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