JP6120926B2 - 色素増感光電変換素子 - Google Patents
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Description
2.8≦0.01×TA×TB<42・・・・(1)
3.5≦TB <42・・・・・・・・・・・・(2)
平均透過率TC=測定した各波長における透過率の合計/n
0.01×TA×TB<42・・・・(1)
3.5≦TB≦70・・・・・・・・・・・・(2)
以下、「0.01×TA×TB」を「T」と呼ぶ。
第1電極基板10は、上述したように、透明基板11および透明基板11の上に設けられる透明導電膜12で構成される透明導電性基板13と、透明導電性基板13の透明基板11のうち透明導電膜12と反対側の表面上に設けられる紫外線吸収層14とで構成されている。
第2電極20は、上述したように、導電性基板21と、導電性基板21のうち第1電極基板10側に設けられて電解質50の還元に寄与する導電性の触媒層22とを備えるものである。
酸化物半導体層30は、酸化物半導体粒子で構成されている。酸化物半導体粒子は、例えば酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In3O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タリウム(Ta2O5)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)又はこれらの2種以上で構成される。酸化物半導体層30の厚さは、例えば0.1〜100μmとすればよい。
封止部40としては、例えば変性ポリオレフィン樹脂、ビニルアルコール重合体などの熱可塑性樹脂、及び、紫外線硬化樹脂などの樹脂が挙げられる。変性ポリオレフィン樹脂としては、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およびエチレン−ビニルアルコール共重合体が挙げられる。これらの樹脂は単独で又は2種以上を組み合せて用いることができる。
電解質50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、バレロニトリル、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、亜鉛錯体、鉄錯体、コバルト錯体などのレドックス対が挙げられる。また電解質50は、有機溶媒に代えて、イオン液体を用いてもよい。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−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、又は、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドが好適に用いられる。
光増感色素としては、例えばビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体や、ポルフィリン、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。
色素増感光電変換素子100において、上記バンドギャップ波長における電解質50の透過率TA(%)および上記バンドギャップ波長における第1電極基板10の透過率TB(%)は上記式(1)および(2)を同時に満足すればよい。
Tが42%以上であると、酸化物半導体層30が、入射光に含まれる紫外線によって光触媒作用を起こし、光増感色素や電解質50中の有機物などの分解が促進され、優れた耐光性を有することができない。
TAは、TAおよびTBが上記式(1)および(2)を満足する限り、特に制限されるものではないが、電解質50がトリヨウ化物イオンを含む場合には、電解質50の透過率TAは45%より大きいことが好ましい。
波長450〜700nmにおける第1電極基板10の平均透過率TCは73%以上であることが好ましい。
T<42・・・・・・・・(1)
3.5≦TB≦70・・・・・・・・(2)
<色素増感光電変換素子用電解質の準備>
(1)電解質
以下の組成を有する電解質1〜4を準備した。
電解質1
ヨウ素(I2)0.002M
1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPImI)0.6M
n−ブチルベンゾイミダゾール(NBB)0.1M
3−メトキシプロピオニトリル(MPN)からなる溶媒
電解質2
1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド(HMImI)0.6M
n−メチルベンゾイミダゾール(NMB)0.3M
グアニジンチオシアネート(GuSCN)0.1M
3−メトキシプロピオニトリル(MPN)からなる溶媒
電解質3
ヨウ素(I2)0.005M
1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPImI)0.6M
n−ブチルベンゾイミダゾール(NBB)0.1M
3−メトキシプロピオニトリル(MPN)からなる溶媒
電解質4
ヨウ素(I2)0.01M
1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPImI)0.6M
n−ブチルベンゾイミダゾール(NBB)0.1M
3−メトキシプロピオニトリル(MPN)からなる溶媒
(2)透過率
上記電解質1〜4の波長387.5nm(TiO2のバンドギャップに相当する波長)の透過率TAは表1に示す通りである。
上記電解質1〜4の波長387.5nmの透過率TAは以下のようにして測定した。
まず45mm×12mm×2.2mmの寸法を有する2枚の青板ガラスを用意し、一方の青板ガラスには、直径0.5mmのピンホールを形成した。そして、2枚の青板ガラスをそれらの間に、商品名「バイネル」(デュポン社製)からなる環状の封止部形成体を挟んだ状態で対向させ、封止部形成体を加熱溶融して貼り合わせた。こうして透過率測定用の空セルを作製した。このとき、2枚の青板ガラス間の距離は50μmであった。そして、この空セルに対し、下記の光源で光を照射し、透過光を下記の分光器を用いて受光して透過スペクトルの測定を行った。この空セルの透過スペクトルをバックグラウンドとした。
光源:重水素ハロゲン光源(製品名「DH−2000−BAL」、オーシャンオプティクス社製)
分光器:ファイバマルチチャネル分光器(製品名「USB4000−XR1−ES」、オーシャンオプティクス社製)
(1)透過率測定用第1電極基板
以下のようにして透過率測定用第1電極基板を準備した。
紫外線吸収層1
UVカットコート樹脂(商品名「UVカットコート」、ジャパンナノコート社製、厚さ15μm)
紫外線吸収層2
UVカットフィルム(商品名「アークトップ」、旭硝子社製、厚さ130μm)
紫外線吸収層3
UVカットコートフィルム(商品名「LagプロテクトG−030EV50」、リンテック社製、厚さ50μm)
上記透過率測定用第1電極基板の波長387.5nmの透過率TBは表1に示す通りである。
上記透過率測定用第1電極基板の波長387.5nmの透過率TBは以下のようにして測定した。
はじめに、ガラス基板上にFTO膜が形成されたFTO/ガラス基板(商品名「TEC−A7」、ピルキントン社製)を準備した。そして、このFTO/ガラス基板の所定の位置にレーザスクライブを入れ、ガラス基板上に、互いに離間した4つのFTO部を形成した。次に、この基板に対して洗浄およびUV−O3処理を行い、その基板のうちの4つのFTO部の各々の上に、酸化チタンを含有する第1酸化チタンペーストをスクリーン印刷により3回塗布し、乾燥させて第1乾燥体を得た後、酸化チタンを含有する第2酸化チタンペーストを上記第1乾燥体の上にスクリーン印刷により塗布し、酸化物半導体層の前駆体を形成した。このとき、第1酸化チタンペーストとしては、商品名「PST−21NR」(日揮触媒化成社製)を用い、第2酸化チタンペーストとしては、商品名「PST−400C」(日揮触媒化成社製)を用いた。一方、4つのFTO部の各々の上に、銀ペーストおよびガラスフリットを含むペーストを塗布した。こうして未焼成基板を得た。そして、最後に、この未焼成基板をオーブンに入れて500℃で1時間焼成して、4つのFTO部の各々の上に、17mm×42mm×12μmの寸法を有する多孔質酸化チタン層を得た。また、4つのFTO部の各々の上には銀で構成される金属層およびガラスで構成されるガラス層も得た。こうして共通のガラス基板上に4つの作用極を有する構造体を得た。
(光電変換特性)
上記のようにして得られた上記実施例1〜9及び比較例1〜3の色素増感光電変換素子について、200luxの白色光をセル全体に均一に照射した状態でIV曲線を測定し、最大出力動作電力Pm0(μW)を算出した。結果を表1に示す。なお、IV曲線の測定に用いた光源、照度計および電源は以下の通りである。
光源:白色LED(製品名「LEL−SL5N−F」、東芝ライテック社製)
照度計:製品名「AS ONE LM−331」、アズワン社製
電源:電圧/電流 発生器(製品名「ADVANTEST R6246」、アドバンテスト社製)
また光電変換特性の合格基準は以下の通りとした。
(合格基準)
Pm0が190μW以上
(耐光性)
上記のようにして得られた上記実施例1〜8及び比較例1〜3の色素増感光電変換素子に対し、メタルハライドランプの疑似太陽光を200時間照射した。疑似太陽光照射中の色素増感光電変換セルの温度は20℃で固定した。そして、光電変換特性の評価に用いた装置にて疑似太陽光照射前後のIV曲線を測定し、出力低下率Pm/Pm0を算出した。結果を表1に示す。なお、Pmは、色素増感光電変換素子に対し、メタルハライドランプの疑似太陽光を200時間照射した後に測定された出力を表す。また耐光性の合格基準は以下の通りとした。
(合格基準)
出力低下率Pm/Pm0が0.90以上
11…透明基板
12…透明導電膜
13…透明導電性基板
14…紫外線吸収層
20…第2電極
30…酸化物半導体層
50…電解質
60…色素増感光電変換セル
100…色素増感光電変換素子
Claims (2)
- 少なくとも1つの色素増感光電変換セルを備え、
前記色素増感光電変換セルが、
透明基板及び前記透明基板上に設けられる透明導電膜を有する第1電極基板と、
前記第1電極基板に対向する第2電極と、
前記第1電極基板又は前記第2電極に設けられる酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に吸着される光増感色素と、
前記第1電極基板及び前記第2電極の間に設けられる電解質とを備え、
前記第1電極基板は紫外線吸収層を有し、
前記酸化物半導体層を構成する酸化物半導体のバンドギャップに相当する波長における前記電解質の透過率TA(%)および前記波長における前記第1電極基板の透過率TB(%)が下記式(1)および(2)を満足し、
前記電解質がトリヨウ化物イオンを含み、
前記電解質の透過率T A が50〜75%である色素増感光電変換素子。
2.8≦0.01×TA×TB<42・・・・(1)
3.5≦TB <42・・・・・・・・・・・・(2) - 波長450〜700nmにおける前記第1電極基板の平均透過率TCが73%以上である、請求項1に記載の色素増感光電変換素子。
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