JP6062376B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
導電層は、チタン、ニッケル、モリブデン、酸化錫、フッ素がドープされた酸化錫、酸化インジウム、錫がドープされた酸化インジウム、および酸化亜鉛の少なくとも1つを含むことが好ましい。
図1は、本発明に係る光電変換素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。本発明に係る光電変換素子では、透光性支持体1の上に、光電変換層、導電層4、および対極6が順に設けられている。また、導電層4と対極6との間はキャリア輸送材料A1により満たされており、キャリア輸送材料A1は封止部7で封止されていることが好ましい。このように本発明に係る光電変換素子は透明導電膜を備えていないので、本発明では光電変換素子を低コストで提供できる。
本発明に係る光電変換素子では、交流インピーダンス法で測定した界面抵抗Rsが0.6Ω・cm2以下であり、好ましくは0.4Ω・cm2以下である。本発明に係る光電変換素子では、交流インピーダンス法で測定した電解液の移動抵抗RLが10Ω・cm2以下であることが好ましく、より好ましくは8Ω・cm2以下である。これにより、界面における電子移動が容易となるので、発生電流が増加する。
Rs(Ω・cm2)=(R10−Rh)×A・・・(式1)
透光性支持体1を構成する材料は、光電変換素子の受光面となる部分では光透過性が必要となるため、光透過性を有する材料からなることが好ましい。たとえば、透光性支持体1は、ソーダガラス、溶融石英ガラス、または結晶石英ガラスなどのガラス基板であっても良いし、耐熱性樹脂材料からなる可撓性フィルムであっても良い。ただし、透光性支持体1は、受光面として使用される場合であっても、少なくとも後述の光増感素子に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過するものであれば良く、必ずしも全ての波長の光に対して透過性を有する必要はない。また、光透過性とは、入射光の強度に対して80%以上の光を透過することを意味し、好ましくは90%以上の光を透過することである。
光電変換層とは、光増感素子が多孔性半導体層に吸着され、キャリア輸送材料が多孔性半導体層に充填されて構成されたものを意味する。多孔性半導体層が2以上の層で構成されている場合には、光電変換層は、光増感素子が各多孔性半導体層に吸着され、キャリア輸送材料が各多孔性半導体層に充填されて構成されたものを意味する。
多孔性半導体層は、半導体微粒子から構成され、多数の微細孔を有する膜状の形態であることが好ましい。なお、本発明において、多孔性とは、比表面積が0.5〜300m2/gであることをいい、空孔率が20%以上であることをいう。このような比表面積は気体吸着法であるBET法によって求められ、空孔率は多孔性半導体層の厚さ(膜厚)、多孔性半導体層の質量、および半導体微粒子の密度から計算によって求められる。多孔性半導体層は、比表面積を大きくすることにより、多くの光増感素子を吸着でき、よって太陽光を効率良く吸収できる。また、多孔性半導体層の空孔率を一定以上の値とすることにより、キャリア輸送材料A1の十分な拡散が可能となり、光電変換層に電子をスムーズに戻すことができる。
光増感素子としては、色素または量子ドットなどが挙げられる。色素としては、可視光領域および/または赤外光領域に吸収をもつ種々の有機色素であっても良いし、可視光領域および/または赤外光領域に吸収をもつ種々の金属錯体色素であっても良い。これらの色素を単独で用いても良いし、2種以上を混合して用いても良い。
キャリア輸送材料は、下記<キャリア輸送材料>で述べるように、イオンを輸送可能な導電性材料であれば良く、たとえば液体電解質、固体電解質、ゲル電解質、または溶融塩ゲル電解質などであれば良い。多孔性半導体層に含まれるキャリア輸送材料は、導電層4と対極6との間に設けられるキャリア輸送材料A1と同じであっても良いし、当該キャリア輸送材料A1とは異なっても良い。
導電層4は、集電電極として機能する。導電層4は、発電層となる多孔性半導体層の非受光面上に設けられるため、光透過性を有していなくても良いし、光透過性を有していても良い。
図1に示す光電変換素子においては、透光性支持体1と対極6と封止部7とで封止された空間にはキャリア輸送材料A1が設けられている。
常温型溶融塩としては、たとえばピリジニウム塩類またはイミダゾリウム塩類などの含窒素複素環式四級アンモニウム塩類などが挙げられる。
対極6は、導電層4とは反対側の極である。対極6は、キャリア輸送材料中の正孔を還元する働きを有する触媒層と、少なくとも電子収集を行ない隣接する太陽電池に直列接続される働きを有する導電層とで構成されていても良い。また、対極6は、これらの働きを併せ持つ単層からなっても良く、たとえば触媒層が高い導電性を有する場合にはその触媒層からなれば良く、導電層が触媒能を有する場合にはその導電層からなれば良い。さらには、対極6とは別に触媒層がさらに設けられた態様も本発明に含まれる。
封止部7は、透光性支持体1上に形成された積層構造体(多孔性半導体層と導電層)を封止する。封止部7は、電解液の揮発を防止するため、および電池内への水などの浸入を防止するために重要である。また、封止部7は、透光性支持体1に作用する落下物または応力(衝撃)を吸収するため、および長期にわたる使用時において透光性支持体1に生じるたわみなどを吸収するために重要である。
チタンイソプロポキシド(キシダ化学株式会社製)125mLとpH調製剤である0.1M硝酸水溶液(キシダ化学株式会社製)750mLとを混合して80℃8時間加熱した。これにより、チタンイソプロポキシドの加水分解反応が進行し、ゾル液が調製された。調製されたゾル液をチタン製オートクレーブにて230℃で11時間、粒子成長させた。
酸化チタン微粒子の平均粒径を測定するために、ガラス基板上に上記酸化チタンペーストA〜Vをドクターブレード法で塗布し、次いで乾燥させた。その後、大気中、450℃の条件のもとで酸化チタンペーストA〜Vを30分間焼成し、多孔性半導体層を形成した。これらの多孔性半導体層について、X線回折装置でθ/2θ測定における回折角が25.28°(アナターゼ101面に対応)のピークの半値幅を求め、その値とシェラーの式とから酸化チタン微粒子の平均粒径を求めた。結果を表1に示す。
図1に示す光電変換素子を製造した。
このようにして得られた色素増感太陽電池に、集電電極部としてAgペースト(藤倉化成株式会社製、商品名:ドータイト)を公知の方法により塗布した。次いで、色素増感太陽電池の受光面に開口部の面積が0.22cm2である黒色のマスクを設置して、この色素増感太陽電池に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度を測定した。その結果を図2に示す。図2には、短絡電流密度Jscの測定結果と後述の界面抵抗Rsの算出結果を示す。
得られた色素増感太陽電池の導電層と対極との間に、電圧の振幅値が20mVであり電圧の周波数が100kHzから0.1kHzである交流を印加した。これにより、インピーダンスの実部および虚部を得、得られたインピーダンスの実部を横軸にし、その虚部を縦軸にして、複素インピーダンスプロットを作成した。その後は、上記実施形態における上記<界面抵抗Rs、電解液の移動抵抗RL>で示した方法にしたがって、界面抵抗Rsおよび電解液の移動抵抗RLを算出した。その結果を図2および図3に示す。図3には、短絡電流密度Jscの測定結果と電解液の移動抵抗RLの算出結果を示す。
Claims (6)
- 透光性支持体、光増感素子を含む多孔性半導体層、導電層、および対極がこの順に設けられ、前記多孔性半導体層と前記導電層とはキャリア輸送材料を含む光電変換素子であって、
前記多孔性半導体層と前記導電層とは互いに接する界面を有し、
前記多孔性半導体層を構成する層のうち最も対極側に位置する層に含まれる半導体微粒子の平均粒径は、170nm以上380nm以下であり、
交流インピーダンス法により得られた界面抵抗Rsが0.6Ω・cm2以下である光電変換素子。 - 前記キャリア輸送材料は、電解液である請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記多孔性半導体層は、酸化チタンからなる半導体微粒子で構成されている請求項1または請求項2に記載の光電変換素子。
- 前記対極は、白金からなる触媒層を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記導電層は、チタン、ニッケル、モリブデン、酸化錫、フッ素がドープされた酸化錫、酸化インジウム、錫がドープされた酸化インジウム、および酸化亜鉛の少なくとも1つを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記対極は前記導電層と離され、
前記対極と前記導電層との間は前記キャリア輸送材料により満たされている請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
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