JP5785020B2 - 作用極及びその製造方法、並びに色素増感太陽電池 - Google Patents
作用極及びその製造方法、並びに色素増感太陽電池 Download PDFInfo
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Description
基材10を構成する材料は、例えば可視光に対して透明な材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルフォン(PES)などが挙げられる。基材10の厚さは、色素増感太陽電池100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば50μm〜10000μmの範囲にすればよい。
第1線材20A及び第2線材20Bを構成する基体22は通常はチタンからなる。言い換えると、基体22全体がチタンで構成されている。しかし、基体22は、チタンからなる表層部を有していればよい。このため、基体22は、表層部の内側に、Tiと異なる金属からなる芯材を有していてもよい。このため、例えば基体22としては、Tiで芯材を被覆してなるTi被覆線材を用いることも可能である。このようなTi被覆線材としては、例えばTi被覆銅(Cu)線が挙げられる。耐食性の高いTiで、Tiよりも導電性の高いCu線からなる中心線を被覆することにより、該Ti被覆線材で構成される作用極20の内部抵抗を抑えると同時に、該Ti被覆線材の電解質50による腐食を抑制することができる。
光増感色素としては、例えばN3、ブラックダイなどのルテニウム色素、ポルフィリン、フタロシアニンなどの錯体色素、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素が挙げられる。
対極基板32を構成する材料は、例えばチタン、ニッケル、白金、モリブデン、タングステン等の耐食性の金属材料や、基材10と同様の材料にITOやFTO等の導電性酸化物を形成したものなどが挙げられる。
封止部40を構成する樹脂としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体などの熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂、及び、ビニルアルコール重合体などが挙げられる。
電解質50は通常、電解液で構成され、この電解液は例えばI−/I3 −などの酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトンなどを用いることができる。酸化還元対としては、例えばI−/I3 −のほか、臭素/臭化物イオンなどの対が挙げられる。色素増感太陽電池100は、酸化還元対としてI−/I3 −のような揮発性溶質及び、高温下で揮発しやすいアセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリルのような有機溶媒を含む電解液を電解質50として用いた場合に特に有効である。この場合、色素増感太陽電池100の周囲の環境温度の変化によりセル空間の内圧の変化が特に大きくなり、封止部40と対極30との界面、および封止部40と作用極20との界面から電解質50が漏洩しやすくなるからである。なお、上記揮発性溶媒にはゲル化剤を加えてもよい。また電解質50は、イオン液体と揮発性成分との混合物からなるイオン液体電解質で構成されてもよい。この場合も、色素増感太陽電池100の周囲の環境温度の変化によりセル空間の内圧の変化が大きくなるためである。イオン液体としては、例えばピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩であって、室温付近で溶融状態にある常温溶融塩が用いられる。このような常温溶融塩としては、例えば1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドが好適に用いられる。また揮発性成分としては、上記の有機溶媒や、1−メチル−3−メチルイミダゾリウムヨーダイド、LiI、I2、4−t−ブチルピリジンなどが挙げられる。さらに電解質50としては、上記イオン液体電解質にSiO2、TiO2、カーボンナノチューブなどのナノ粒子を混練してゲル様となった擬固体電解質であるナノコンポジットイオンゲル電解質を用いてもよく、また、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などの有機系ゲル化剤を用いてゲル化したイオン液体電解質を用いてもよい。
まず基材10、作用極20及び対極30を準備する。
作用極20は、以下のようにして得ることができる。
次に、織物を陽極酸化することにより、織物上、すなわち基体22上にチタニアナノファイバ膜24を直接形成する。
次に、チタニアナノファイバ膜24の溝24b内及び表面24a上にチタニア粒子からなる多孔質部25を形成する。多孔質部25を形成するには、例えばチタニアナノファイバ膜24を、チタニア粒子を含むペースト中に浸漬した後、チタニア粒子を焼結させればよい。チタニア粒子を焼結させるための焼結温度は、通常は350℃〜600℃であり、焼結時間は通常は1〜5時間である。
次に、作用極20の酸化物半導体層23に光増感色素を担持させる。このためには、作用極20を、光増感色素を含有する溶液の中に浸漬させ、その色素を酸化物半導体層23に吸着させた後に上記溶液の溶媒成分で余分な色素を洗い流し、乾燥させることで、光増感色素を酸化物半導体層23に吸着させればよい。但し、光増感色素を含有する溶液を酸化物半導体層23に塗布した後、乾燥させることによって光増感色素を酸化物半導体多孔膜23に吸着させても、光増感色素を酸化物半導体層23に担持させることが可能である。
一方、対極30は、以下のようにして得ることができる。
次に、基材10の表面に作用極20を接触させ、基材10の表面の周縁部に封止部40を固定する。
次に、作用極20上であって封止部40の内側に電解質50を配置する。電解質50は、作用極20上であって封止部40の内側に注入したり、印刷したりすることによって得ることができる。
そして、対極30を、触媒層31を作用極20に向けた状態で封止部40と重ね合わせ、対極30及び基材10の周縁部を熱圧着する。こうして、色素増感太陽電池100の製造が完了する。
はじめに、直径100μmのTiからなる複数本の基体を用意し、これらを用いて、横50mm×縦50mmの平織物を製織した。
多孔質部を形成せず、光増感色素をチタニアナノファイバ膜の表面及び溝の内壁面上に担持させたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
基体の直径を35μmとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
基体の直径を45μmとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
基体の直径を145μmとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
基体の直径を155μmとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
陽極酸化された平織物を0.3℃/minの冷却速度で冷却することによりチタニアナノファイバ膜に溝を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
チタニアナノファイバ膜に溝を形成しなかったこと以外は実施例2と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
実施例1〜6及び比較例1〜2で得られた色素増感太陽電池に対し、ソーラーシミュレータ(AM1.5、100mW/cm2)にて光を照射して、電流電位曲線を得た。そして、この電流電位曲線の結果から発電効率を算出した。結果を表1に示す。
20A…第1線材
20B…第2線材
21…織物
22…基体
23,230…酸化物半導体層
24…チタニアナノファイバ膜
24a…表面
24b…溝
25…多孔質部
30…対極
50…電解質
100…色素増感太陽電池
Claims (3)
- チタンからなる表層部を有する線状の基体と、
前記基体を被覆し、チタニアを含む酸化物半導体層とを備えており、
前記酸化物半導体層は、前記基体上に直接設けられ、チタニアナノファイバを含むチタニアナノファイバ膜と、
チタニア粒子からなる多孔質部とを有し、
前記チタニアナノファイバ膜の表面に溝が形成され、
前記多孔質部が前記チタニアナノファイバ膜の前記溝内及び前記表面上に設けられ、
前記基体の延び方向に直交する断面が円形状であり、
前記基体の直径が40〜150μmであり、
前記溝の形状が、前記溝の幅が前記基体の外周面から離れる方向に向かって増大するV字状になっており、
前記溝の深さが前記チタニアナノファイバ膜の厚さと同一であり、
前記チタニアナノファイバ膜の厚さが1〜50μmであり、
前記多孔質部の厚さが1〜50μmである、色素増感太陽電池用作用極。 - 前記チタニアナノファイバが中空状であり、前記チタニアナノファイバの内側にチタニア粒子が配置されている、請求項1に記載の色素増感太陽電池用作用極。
- 作用極と、
前記作用極に対向配置される対極と、
前記作用極及び前記対極に接触する電解質と、
前記作用極に担持される光増感色素とを備えており、
前記作用極が、請求項1又は2に記載の色素増感太陽電池用作用極で構成されている色素増感太陽電池。
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